Принцип очистки сточных вод экстракцией. Стадии экстракционной очистки. Главные требования к экстрагентам для очистки сточных вод

Очистка сточных вод экстракцией состоит из трех стадий. Первая стадия — интенсивное смешение сточной воды с экстрагентом (органическим растворителем). В у словиях развитой поверхности контакта между жидкостями образуются две жидкие фазы. Одна фаза —экстракт содержит извлекаемое вещество и экстрагент, другая — рафинат — сточную воду и экстрагент. Вторая стадия — разделение экстракта и рафината; третья стадия — регенерация экстрагента из экстракта и рафината. Чтобы снизить содержание растворенных примесей до концентраций, ниже предельно допу стимых, необходимо правильно выбрать экстрагент и скорость его подачи в сточную воду. При выборе растворителя следует учитывать его селективность, физико-химические свойства, стоимость и возможные способы регенерации.

Экстрагент должен отвечать следующим требованиям: - растворять извлекаемое вещество значительно лучше, чем вода, т. е. обладать высоким коэффициентом распределения; - обладать большой селективностью растворения. Чем меньше он будет растворять компоненты, которые должны остаться в сточной воде, тем более полно будут извлекаться вещества, которые необходимо удалить; - иметь по возможности наибольшую растворяющую способность по отношению к извлекаемому компоненту; Чем она выше, тем меньше потребуется экстрагента, т. е. тем ниже будут затраты на очистку; - иметь низкую растворимость в сточной воде и не образовывать устойчивых эмульсий, так как в противном случае снижается производительность установки, затрудняется разделение экстракта и рафината, увеличивается продолжительность этого процесса, а также возрастают потери растворителя; - значительно отличаться по плотности от сточной воды (обычно она меньше), поскольку только достаточная разность плотностей обеспечивает быстрое и полное разделение фаз; - обладать большим коэффициентом диффузии. Чем он больше, тем выше скорость массообмена, т. е. скорость процесса экстракции, регенерироваться простым и дешевым способом; - иметь температуру кипения, значительно отличающуюся от температуры экстрагируемого вещества (для обеспечения легкости разделения), иметь небольшую удельную теплоту испарения и небольшую теплоемкость;

- не взаимодействовать с извлекаемым веществом, так как это может затруднить регенерацию экстрагента и увеличить его потери; - по возможности не быть вредным, взрыво и огнеопасным и не вызывать коррозию материала аппаратов; иметь небольшую стоимость.

Экстрагент д. равномерно распределяться в объеме СВ. Скорость подачи экстрагента в СВдолжна быть минимальной. Она зависит от степени очистки и коэффициента распределения, который выражается отношением растворенного вещества в экстрагенте и воде.

76. Схема и принцип действия многоступенчатой противоточной экстракционной установки. Какие методы применяют для регенерации экстрагента?

Схема многоступенчатой экстракционной установки представляет собой батарею смесителей и отстойников (рис 11-35,а). Каждая ступень состоит из смесителя воды с экстрагентом и отстойника. Свежий экстрагент и свежая вода поступают с противоположных сторон. В первой ступени сточная вода с небольшим содержанием примесей перемешивается со свежим экстрагентом, а в последней ступени исходная сточная вода смешивается с экстрагентом, который уже содержит значительное количество извлекаемого вещества. Такое

движение потоков способствует созданию большой движущей силы процесса экстракции и эффективной очистке сточных вод.

Рис. II-35. Схемы экстракционных установок: a — схема многоступенчатойпротивоточной экстракции. 1-3 — смесители, 1 '-3' — отстойники

Необходимость извлечения экстрагента из экстракта связана с тем, что его надо вновь вернуть в процессе экстракции. Регенерация может быть проведена с применением вторичной экстракции — с другим растворителем, а также выпариванием, дистилляцией, химическим взаимодействием или осаждением. Не проводить регенерацию экстрагента возможно в случае, если нет необходимости возвращать его в цикл. Например, после извлечения какого-либо вещества можно использовать экстракт для технологических целей или в качестве топлива. В последнем случае экстрагируемые вещества при сжигании разру шаются. Это целесообразно делать, когда они не представляют большой ценности.

Суть процессов обратного осмоса и ультрафильтрации, их сходства и различия. Общая схема установки обратного осмоса. Перечислить аппараты обратного осмоса по способу укладки мембран.

Обратным осмосом и ультрафильтрацией называют процессы фильтрования растворов через полупроницаемые мембраны под давлением, превышающим осмотическое давление (рис. II-37). Мембраны пропускают молекулы растворителя, задерживая растворенные вещества. При обратном осмосе отделяются частицы (молекулы, гидратированные ионы), размеры которых не превышают размеров молекул растворителя. При ультрафильтрации размер отдельных частиц d4 на порядок больше. Условные границы применения этих процессов приведены ниже:

Таким образом, от обычной фильтрации такие процессы отличаются отделением частиц меньших размеров. Давление, необходимое для проведения процесса обратного осмоса (6-10 МПа), значительно больше, чем для процесса ультрафильтрации (0,1-0,5 МПа).

Рис. II-38. Схема установки обратного осмоса: 1 — насос высокого давления; 2 — модуль обратного осмоса; 3 — мембрана; 4 — выпускной клапан

78. Основы метода дезодорации: какие загрязнения удаляются, какие процессы используются для их удаления, какой из них наиболее распространен? Привести схему простейшей установки для дезодорации.

В некоторых сточных водах содержатся меркаптаны, амины, аммиак, сероводород, альдегиды, углеводороды, которые придают им дурной запах. Для очистки дурнопахнущих сточных вод можно использовать различные способы: аэрацию, хлорирование, ректификацию, дистилляцию, обработку' дымовыми газами, окисление кислородом под дашгением, озонирование, экстракцию, адсорбцию и микробиологическое окисление. При выборе метода необходимо учитывать его эффективность и экономическую целесообразность. Наиболее эффективным считается метод аэрации, который заключается в проду вании воздуха через СВ. Процесс проводят в аппаратах различной конструкции. На схеме, представленной на рис. II-44, удаление дурнопахнущих веществ проводят в тарельчатой колонне каскадного типа. Сточная вода растекается в виде пленок по тарелкам, на которых происходит ее контакт с воздухом. Затем воздух с выделенными веществами поступает в насадочную колонну; которая орошается раствором щелочи.

Рис. П-44. Схема установки для

дезодорации (1 и 2—тарельчатая и насадочная колонны)

79.Дегазация.

Присутствие в сточных водах растворенных газов затрудняет очистку и использование сточных вод, усиливает коррозию трубопроводов и аппаратуры, придает воде неприятный запах. Растворенные газы из воды удаляют дегазацией, которую осуществляют химическими, термическими и десорбционными (аэрационными) методами.Для удаления из воды диоксида углерода ИСПОЛЬЗУЮТ методы аэрации, проводимые в пленочных, насадочных, барботажных и вакуумных дегазаторах. Пленочные дегазаторы — колонны с различного вида насадками, работающие в условиях противотока дегазируемой воды и воздуха, подаваемого вентилятором. Дегазаторы струйно-пленочного типа представляют собой градирни без принудительной подачи воздуха. Из дегазаторов барботажного типа наиболее эффективны пенные аппараты. Вакуумные дегазаторы — насадочные колонны, работающие под вакуумом, в которых вода равномерно распределяется по поверхности насадки. Наиболее полная дегазация достигается при разбрызгивании в вакууме и одновременном подогреве воды (рис. 11-46 см в конце). Воду нагревают паром в котле. Пар из змеевика попадает в теплообменник, где вода подогревается. Вакуум создают отсасыванием дегазованной воды насосом. Выбор типа дегазатора зависит от производительности установки, концентрации удаляемого газа и необходимой степени дегазации. При глубоком удалении газа применяют барботажные или пенные дегазаторы производительностью до 20 м3 /ч.При термической дегазации воды от растворенного диоксида углерода или кислорода пропускают пар через воду и нагревают ее до температуры кипения при внешнем давлении. В этом случае парциальное давление газа над водой снижается до нуля и растворимость его также падает до нуля. Вследствие нарушения равновесия в системе происходит выделение избыточных газов из воды (физическаядесорбция).Для интенсивной дегазации необходимо, чтобы вода непрерывно контактировала с новыми порциями пара при большой поверхности контакта фаз в течение достаточного времени. Температура воды

должна быть близка к температу ре насыщенного пара при данном давлении. Процесс проводят в аппаратах, называемых деаэраторами. Они имеют разную конструкцию и работают под вакуумом, при атмосферном или повышенном давлении.

Химические методы дегазации применяют при низкой концентрации газов в воде или в случае нецелесообразности их использования, а также при условии, что проду кты обработки не затрудняют дальнейшую очистку или использование воды. Методы связаны с проведением реакций, в результате которых происходит химическое связывание растворимых газов.Для удаления кислорода из воды ее фильтруют через легкоокисляющиеся стальные стружки. Содержание марганца в них не должно превышать 0,3%. При фильтровании воды железо окисляется:4Fe+302=2Fe03 Время контактирования зависит от температуры и при 20-80°С равно 25-30 мин. Образовавшиеся оксиды железа удаляют обратной промывкой. При обработке воды сульфитом натрия образуется сульфат натрия: 2Na2S03+02=2Na2 SO4. При обработке диоксида серы: S02+H20=H2S03, 2H2S03+02=2H2S04,в качестве катализатора используют соли меди или кобальта. Лучшим обескислороживающим воду реагентом является гидразин:02+N2H4->N2+2Н20.однако он дорог. Рис. II-46. Схема установки для дегазации в вакууме с подогревом: 1котел; 2змеевик; 3 насос; 4 теплообменник; 5 вакуум-насос; 6емкость

80.Электрохимическое окисление и восстановление. Очистку сточных вод электромеханическими методами можно проводить периодически или непрерывно.Эффективность электрохимических методов оценивается рядом факторов: Плотность тока, напряжение электролизера, падение напряжения в электролите, коэф полезн использ напряжения, выход по току. В электролизере, схема которого показана на рис. 11-48, на положительном электроде — аноде ионы отдают электроны, т. е. протекает реакция электрохимического окисления; на отрицательном электроде — катоде происходит присоединение электронов, т. е. протекает реакция восстановления.Эти процессы разработаны для очистки сточных вод от растворенных примесей (цианидов, роданидов, аминов, спиртов, альдегидов, нитросоединений, азокрасителей, сульфидов, меркаптанов и др.).В процессах электрохимического окисления вещества, находящиеся в сточных водах, полностью распадаются с образованием С02, NH3 и воды или образуются более простые и нетоксичные вещества, которые можно удалять другими методами. В качестве анодов использу ют различные электролитически не растворимые материалы: графит, магнетит, диоксиды свинка, марганца и рутения, которые наносят на титановую ОСНОВУ.

Катоды изготовляют из молибдена, сплава вольфрама с железом или никелем, из графита, нержавеющей стали и др.Процесс проводят в электролизерах с диафрагмой и без нее. Кроме основных процессов электроокисления и восстановления одновременно могут протекать электрофлотация, электрофорез и электрокоагуляция.

Рис. II-48. Схема электролизера1корпус. 2 анод. 3 катод, 4диафрагма

Сточные воды, содержащие цианиды, образуются на предприятиях машиностроения, приборостроения, черной и цветной металлургии, химической промышленности и др. В состав вод кроме простых цианидов (KCN, NaCN) входят комплексные цианиды цинка, меди, железа и других металлов, Обычно рН таких стоков в пределах 8-12.Анодное окисление цианидов протекает по реакциям:CN -+2 ОН--2е -> CNO -+H 20, CNO-+2H20->NH4+C03 2-

Окисление может быть проведено и с образованием азота:

2CN0+40H" -6e-»2C02+N2 +2Н2 О.

Для повышения электропроводности сточных вод и снижения расхода энергии к водам добавляют NaCI. В этом процессе используют графитовый

анод и стальной катод.

Разрушение цианидов происходит в результате электрохимического окисления на аноде и окисления хлором, выделяющимся на аноде в результате разложения NaCI. Этот процесс описывается следующими реакциями:

2С1 ~-2e-»CI2, CN"+С 12+20Н--» CNO+2C1 -+H20, 2CN0-+3CI2+20H"->2C02+N2+6CI-+2 H2O.

Схема установки для электрохимической очистки сточных вод от цианидов приведена на рис. II-49(см.в конце). При использовании электролизеров прочного типа целесообразно разделять их перегородками на несколько отсеков. В процессе электролиза сточные воды перемешивают сжатым воздухом. Обработанные сточные воды содержат активный хлор и должны быть обезврежены. Металлы,которые выделяются на катоде, утилизуют. Установка компактна и проста в эксплуатации.

Роданиды разрушаются по схеме:CNS-+10OH--8e-»CNO-+SO4 2-+ 5H2O.

Сульфид-ионы при рH = 7 окисляются до сульфатов. При меньших значениях рН может образоваться элементная сера Окисление фенолов в присутствии хлоридов в сточной воде протекает по следующим реакциям (этот процесс выгоден при небольшом содержании фенолов в воде):

40Н--4е->2Н20+02, 2Н++2е->Н2,2СГ-2е->С12, С12+Н20->НС1О+НС1,

НС1О + ОН-» H2 0 + С1О -, 12 CIO-+6 H2 0-12е-->4HCIO3+8HCI+302,

С6Н50Н+140->6С02 +ЗН20. Катодное восстановление применяют для удаления из сточных вод ионов металлов с получением осадков, для перевода загрязняющего компонента в менее токсичные соединения или в легко выводимую из воды форму (осадок, газ). Его можно использовать для очистки

сточных вод от ионов тяжелых металлов Pb2+, Sn2+, Hg2+, Cu2+. As3+,

Cr6+. Катодное восстановление металлов происходит по схеме:

Men" +ne-->Me° При этом металлы осаждаются на катоде и могут быть рекуперированы. Например восстановление соединений хрома при рН=2 Cr2 072-+14Н+ +12e->2Cr+7H20

81.Электрокоагуляция. При прохождении сточной воды через межэлектродное пространство электролизера происходит электролиз воды, поляризация частиц, электрофорез, окислительно-восстановительные процессы, взаимодействие продуктов электролиза друг с другом.При использовании нерастворимых электродов коагуляция может происходить в результате электрофоретических явлений и разряда заряженных частиц на электродах, образования в растворе веществ (хлор, кислород), разрушающих сольватные соли на поверхности частиц. Такой процесс можно использовать для очистки вод при невысоком содержании коллоидных частиц и низкой устойчивости загрязнений.Для очистки промышленных сточных вод, содержащих высоко-

устойчивые загрязнения, проводят электролиз с использованием растворимых стальных или алюминиевых анодов. Под действием тока происходит растворение металла, в результате чего в воду переходят катионы железа или алюминия, которые, встречаясь с гидроксидными группами, образуют гидроксиды металлов в виде хлопьев. Наступает интенсивная коагуляция.

На процесс злектрокоагуляции оказывает влияние материал электродов, расстояние между ними, скорость движения сточной воды между электродами, ее температура и состав, напряжение и плотность тока. С повышением концентрации взвешенных веществ более 100 мг/л эффективность электрокоагуляции снижается. С уменьшением расстояния между электродами расход энергии на анодное растворение металла уменьшается. Электрокоагуляцию рекомендуют проводить в нейтральной или слабощелочной среде при плотности тока не более 10 А/м2, расстоянии между электродами не более 20 мм и скорости движения воды не менее 0,5 м/с.

Достоинства метода электрокоагуляции: компактность установок и простота управления, отсутствие потребности в реагентах, малая чувствительность к изменениям условий проведения процесса очистки (температура, рН среды, присутствие токсичных веществ), получение шлама с хорошими структурно-механическими свойствами. Недостатком метода является повышенный рас-

ход металла и электроэнергии. Электрокоагуляция находит применение в пищевой, химической и целлюлозно-бумажной промышленности.

Технологическая схема очистки сточных вод электрокоатуляцией показана на рис II-50. Обезвоживание осадка проводят в фильтрпрессе или центрифуге. Выделяющийся в процессе газообразный водород можно использовать для флотации гидроксида. С этой цельюв схеме очистки ИСПОЛЬЗУЮТ электрокоагуляторы-флотаторы или специальные флотационные аппараты, например, гидроциклоны-флотаторы. Замена отстойника на флотаторы позволяет значительно уменьшить габариты у становки, сократить капитальные затраты и получить менее влажный осадок гидроксида.Электрокоагуляционную очистку сточных вод можно использовать для очистки от эмульсий нефтепроду ктов, масел жиров (электрокоагулятор представляет собой ванну с электродами). На практике наиболее широко используют безнапорные пластин-

чатые электрокоагуляторы, направление движения жидкости в которых может быть горизонтальным и вертикальным. Они могут быть однопоточными, многопоточными и смешанными. При многопоточной схеме движения вода проходит одновременно через промежутки между электродами (параллельное соединение каналов). При однопоточной схеме вода проходит между- электродами последовательно(следовательное соединение каналов), что уменьшает пассивацию электродов. Скорость движения воды у однопоточных электрокоагуляторов в п-1 раз больше, чем у многопоточных (п — число электродов).

82.Электрофлотация. В этом процессе очистка сточных вод от взвешенных частиц проходит при помощи пузырьков газа, образующихся при электролизе воды. На аноде возникают пузырьки кислорода, а на катоде—водорода. Поднимаясь в сточной воде, эти пузырьки флотируют взвешенные частицы. При использовании растворимых электродов происходит образование хлопьев коагулянтов и пузырьков газа, что способствует более эффективной флотации.

Основную роль при электрофлотации играют пузырьки, образующиеся на катоде. Размер пузырьков водорода значительно меньше, чем при других методах флотации. Он зависит от краевого угла смачивания и кривизны поверхности электродов.Диаметр пузырьков меняется от 20 до100 мкм. Мелкие пузырьки водорода обладают большей растворимостью,чем крупные. Из пересыщенных растворов мельчайшие пузырьки выделяются на поверхности частичек загрязнений и тем самым способствуют эффекту флотации. Для получения пузырьков требуемого размера необходим правильный подбор материала, диаметра проволоки катода и плотности тока. При небольших объемах сточных вод (10-15 м3/ч) электрофлотационные установки могут быть однокамерными (рис. II-51), при больших — следует применять двухкамерные установки, которые могут быть горизонтальными и вертикальными. Они состоят из электродного отделения и отстойной части.Схема горизонтального электрофлотатора показана на рис II-52.Сточная вода поступает в успокоитель, который отделен от электродного отделения решеткой. Проходя через межэлектродное пространство, вода насыщается пузырьками газа. Всплывание пузырьков с частицами происходит в отстойной части. Всплывший шлам пере-мещается скребком в шлакоприемник, откуда его удаляют. Расчет установки сводится к определению общего объема электродного отделения и отстойной части, а также необходимых конструктивных и электрических параметров.

Однокамерная электрофлотационная установка 1-корпус, 2-электроды.

83.Биоочистка. Сточные воды, направляемые на биохимическую ОЧИСТКУ; характеризуются величиной БПК и ХПК. БПК -это биохимическая потребность в кислороде или количество кислорода, использованного при биохимических процессах окисления органических веществ (не включая процессы нитрификации) за определенный промежуток времени (2, 5, 8, 10, 20 сут), в мг 02 на 1 мг вещества. Например: БПК5 — биохимическая потребность в кисло-

роде за 5 сут, БПКполн — полная биохимическая потребность в кислороде до начала процессов нитрификации. ХПК — химическая потребность в кислороде, т.е. количество кислорода, эквивалентное количеству расходуемого окислителя, необходимого для окисления всех восстановителей, содержащихся в воде. ХПК также выражают в мг О2на 1 мг вещества. Контактируя с органическими веществами, микроорганизмы частично разрушают их, превращая в воду; диоксид углерода, нитрит-и сульфат-ионы и др. Другая часть вещества идет на образование биомассы. Разрушение органических веществ называют биохими-

ческим окислением. Некоторые органические вещества способны легко окисляться, а некоторые не окисляются совсем или очень медленно.Для установления возможности подачи промышленных сточных вод на биохимические очистные сооружения устанавливают максимальные концентрации токсичных веществ, которые не влияют на процессы биохимического окисления (MK6) и на работу очистных сооружений (MK6oc). При отсутствии таких данных возможность биохимического окисления устанавливают по отношению БПКполн и ХПК. При отношении (БПК/ХПК) 100 = 50% вещества поддаются биохимическому окислению. При этом необходимо, чтобы сточные воды не содержали ядовитых веществ и примесей солей тяжелых металлов. Для неорганических веществ, которые практически не поддаются окислению, также устанавливают максимальные концентрации.

Если такие концентрации превышены, воды нельзя подвергать биохимической очистке. Например, MK6 в мг/л для: меди —0,5; ртути —0,02; свинца — 0,1; хлора —0,3; бора — 0,05; сероводорода — 1;хлорида железа — 5.

Известны аэробные и анаэробные методы биохимической очистки сточных вод. Аэробный метод основан на использовании аэробных групп организмов, для жизнедеятельности которых необходим постоянный приток кислорода и температура 20-40°С. При изменении кислородного и температурного режима состав и число микроорганизмов меняются. При аэробной очистке микроорганизмы культивируются в активном иле или биопленке. Анаэробные методы очистки протекают без доступа кислорода; их ИСПОЛЬЗУЮТ главным образом, для обезвреживания осадков.

Биохимический показатель. Биохимической активностью микроорганизмов называют биохимическую деятельность, связанную с разрушением органических загрязнений сточных вод. Биоразлагаемость сточных вод характеризуется через биохимический показатель,под которым понимают соотношение БПКполн/ХПК. Биохимический показатель является параметром, необходимым для расчета и эксплуатации промышленных сооружений для очистки сточных вод. Его значения колеблются в широких пределах для

различных групп сточных вод. Промышленные сточные воды имеют низкий биохимический показатель (0,05-0.3); бытовые сточные воды — свыше 0,5. По биохимическому показателю концентрации загрязнений и токсичности промышленные сточные воды делят на четыре группы.Первая группа имеет биохимический показатель выше 0,2. К этой группе, например, относятся сточные воды пищевой промышленности (дрожжевых, крахмальных, сахарных, пивоваренных заводов),прямой перегонки нефти, синтетических жирных кислот, белково-витаминных концентратов и др. Органические загрязнения этой группы не токсичны для микробов.Вторая группа имеет показатель в пределах 0,10-0,02. В эту группу входят сточные воды коксования, азотнотуковых, коксохимических, газосланцевых, содовых заводов. Эти воды после механическойочистки могут быть направлены на биохимическое окисление.Третья группа имеет показатель 0,01-0,001. К ней относятся, на-пример. сточные воды процессов сульфирования, хлорирования, производства масел и ПАВ, сернокислотных заводов, предприятий черной металлургии, тяжелого машиностроения и др. Эти воды после механической и физико-химической локальной очистки могут быть направлены на биохимическое окисление.Четвертая группа имеет показатель ниже 0,001. Сточные воды

этой группы в основном содержат взвешенные частицы. К этим водам относятся стоки угле- и рудообогатительных фабрик и др. Для них используют механические методы очистки. Сточные воды первой и второй групп относительно постоянны по виду и расходу загрязнений. После очистки они применимы в системах оборотного водоснабжения. Сточные воды третьей группы образуются периодически и отличаются переменной концентрацией

загрязнений, устойчивых к биохимическому окислению. Они загрязнены веществами, которые хорошо растворимы в воде. Эти воды непригодны для оборотного водоснабжения.

84.Обмен веществ микроорганизмов. Внутри клетки химические соединения подвергаются различным анаболическим и катаболическим превращениям. Анаболические превращения приводят к синстезу новых клеточных компонентов, а катаболические являются источниками необходимой для клетки энергии. Суммарные реакции биохимического окисления в аэробных условиях схематично можно представить в следующем виде:

CxHvOzN + (х +v/4 + z, 3 +3 /4)02Ферменты > XCO2 + (у - 3) 2H20 + NH3 + AH,

CxHyOzN+ NH3+O2 ФеРменты С5H7NO2+CO2+АН-энтропия

Реакция 1 показывает характер окисления вещества для удовлетворения энергетических потребностей клетки, реакция 2 — для синтеза клеточного вещества Затраты кислорода на эти реакции составляют БПКполн сточной воды. Если процесс окисления проводить дальше, то начинается превращение клеточного вещества:

C5H7NO2 + 502ферменты =5С02 + NH3 + 2Н20 + АН

NHз + O2ферменты > HNO2 + O2ф£рменты > HNO3.

где CxHvOzN — все органические вещества сточных вод; C5H7NO2 —среднее соотношение основных элементов в клеточном веществе бактерий; АН — энергия.Химические превращения являются источником необходимой для микроорганизмов энергии. Живые организмы способны использовать толь-

ко связанную химическую энергию. Универсальным переносчиком

энергии в клетке является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), которая образуется в ходе реакции присоединения остатка фосфорной кислоты к молекуле аденозиндифосфорной кислоты (АДФ):

АДФ+Н3Р04=*АТФ+Н20

Нитрификация и денитрификация. При очистке сточных вод под действием нитрифицирующих бактерий протекают процессы нитрификации и денитрификации. Нитрифицирующие бактерии окисляют азот аммонийных соединений сначала до нитритов, а потом до нитратов. Этот процесс называется нитрификацией и протекает в две стадии. Он является конечной стадией минерализации азотсодержащих органических веществ. Присутствие нитрат-ионов в очищенной сточной воде является одним из показателей полноты очистки:NH4+ +O2ферменты >HN02 +O2ферменты>HN03. Количество активного ила, необходимого для нитрификации, рассчитывают, исходя из содержания органических веществ, концентрации азота и аммиака в сточных водах, активности ила. Учитывают также способность роста и размножения микроорганизмов активного ила в условиях изменения нагрузки и окислительно-восстановительного потенциала ила. Под действием денитрифицирующих бактерий связанный кислород отщепляется от нитритов и нитратов и вновь расходуется на окисление органических веществ. Этот процесс называется денитрификацией. Условиями осуществления процесса денитрификации являются: наличие органических веществ, небольшой доступ кислорода, нейтральная или слабощелочная реакции. Денитрификация — процесс многостадийный и может протекать с образованием аммиака, молекулярного азота либо оксидов азота. При очистке сточных вод денитрификация протекает главным образом с образованием азота (резко образуется NH3):

NO3 - > NO2 - > NO тут расходится на 2 пути —->NH2OH-»NH3

это второй путь реакции —»N20—»N2

Азотсодержащие соединения разлагаются с выделением азота ввиде аммиака. Например, карбамид (мочевина) разлагается по уравнению:

C0(NH2) 2+2H20 = (N H 4) 2C03=2NH3+C02+H20

Разложение органических соединений может происходить через образование аминокислот, которые далее выделяют аммиак при протекании различных процессов.

85.Состав активного ила и биопленки. Активный ил состоит из живых организмов и твердого субстрата. Живые организмы представлены скоплениями бактерий и одиночными бактериями, простейшими червями, плесневыми грибами, дрожжами, актиномицетами и редко — личинками насекомых, рачков, а также водорослями и др. Сообщество всех живых организмов, населяющих ил, называют биоценозом. Биоценоз активного ила в основном представлен двенадцатью видами микроорганизмов и простейших.

Скопления бактерий в активном иле окружены слизистым слоем (капсулами). Такие скопления называются зооглеями. Они способствуют улучшению структуры ила, его осаждению и уплотнению. Слизистые вещества содержат антибиотики, способные подавлять ниточные бактерии. Соотношение капсульных и бескапсульных штаммов называют коэффициентом зооглейности. Бактерии, лишенные слизистого слоя, с меньшей скоростью окисляют загрязнения. Активный ил представляет собой амфотерную КОЛЛОИДНУЮ систему; при рН = 4-9 имеющую отрицательный заряд. Несмотря на

существенные различия сточных вод, элементный химический состав активных илов достаточно близок. Cyхoe вещество активного ила содержит 70—90% органическихи 10—30% неорганических вешеств. Субстрат, которого в активномиле может быть до 40%. представляет собой твердую отмершую часть

остатков водорослей и различных твердых остатков. К нему прикрепляются организмы активного ила.В активном иле находятся организмы различных гру пп. Возникновение таких групп зависит от состава сточных вод, содержания в

них кислорода, температуры, реакции среды, содержания солей, окислительно-восстановительного потенциала и других факторов. По экологическим группам микроорганизмы делятся на аэробов и анаэробов, термофилов и мезофиллов,галлофилов,галофобов При очистке промышленных сточных вод преобладают аэробные микробы.В активных илах встречаются представители четырех видов простейших саркодовые.жгутиковые, реснитчатые и сосущие инфузории. Простейшие организмы не принимают непосредственного участия в разрушении органических загрязнений, но поглощают большое число бактерий (одна инфузория пропускает через свой организм от 20 до 40 тысяч бактерий), поддерживая их оптимальное содержание в иле. Они способствуют осаждению ила и осветлению сточных вод. Коловратки — микроскопические организмы — существуют только при наличии в сточной воде кислорода. Они питаются бактериями и простейшими. В активном иле в определенных соотношениях содержатся названные группы бактерий, но в зависимости от состава сточных вод преобладает одна из групп, а остальные ей сопутствуют. Только основная группа бактерий участвует в процессе очистки сточных вод, а сопутствующие группы микробов подготавливают среду' для существования микроорганизмов этой, основной группы, обеспечивая ее питательными и ростовыми веществами и утилизируя продукты окисления. Биомасса основной физиологической группы бактерий, ведущих процесс окисления, составляет в илах 80—90%,

При образовании активного ила сначала появляются бактерии, затем простейшие. Бактерии выделяют вещества, стимулирующие размножение простейших. Они обладают склеивающей способностью, ПОЭТОМУ ' активный ил представляет собой буровато-желтые комочки и хлопья, размером 3—-150 мкм.Качество ила определяется скоростью его осаждения и степенью

очистки жидкости. Крупные хлопья оседают быстрее, чем мелкие.Состояние ила характеризует иловый индекс, который представляет собой отношение объема осаждаемой части активного ила к массе высушенного осадка (в граммах) после отстаивания в течение 30 минут. Чем хуже оседает ил, тем более высокий иловый индекс он имеет. Биопленка растет на наполнителе биофильтра, она имеет вид слизистых обрастаний толщиной 1-2 мм и более. Цвет ее меняется с изменением состава сточных вод от серовато-желтого до темно-коричневого.Биопленка состоит из бактерий, грибов, дрожжей и других организмов. В ней встречаются более разнообразные представители про-

стейших, коловраток, червей, чем в активном иле. Личинки комаров и мух, черви и клещи поедают активный ил и биопленку; вызывая их рыхление. Это способствует процессу очистки Число микроорганизмов в биопленке меньше, чем в активном иле. В 1 м3 биопленки содержится 1-10в 12степени бактерий.

86.Поля орошения и биопруды. Поля орошения. Это специально подготовленные земельные участки, используемые одновременно для очищения сточных вод и агрокультурных целей. Очистка сточных вод в этих условиях идет под действием почвенной микрофлоры, солнца, воздуха и под влиянием

жизнедеятельности растений.В почве полей орошения находятся бактерии, актиномицеты,дрожжи, грибы, водоросли, простейшие и беспозвоночные животные. Сточные воды содержат в основном бактерии. В смешанных

биоценозах активного слоя почвы возникают сложные взаимодействия микроорганизмов симбиотического и конкурентного порядка.Количество микроорганизмов в почве земледельческих полей орошения зависит от времени года. Зимой количество микроорганизмов значительно меньше, чем летом.

Если на полях не выращиваются сельскохозяйственные культуры и они предназначены только для биологической очистки сточных вод, то они называются полями фильтрации. Земледельческие поля орошения после биологической очистки сточных вод, увлажнения и удобрения используют для выращивания зерновых и силосных культур, трав, овощей, а также для посадки деревьев и кустарников.Земледельческие поля орошения имеют следующие преимущества перед аэротенками 1) снижаются капитальные и эк сплуатационные затраты; 2) исключается сброс стоков за пределы орошаемой площади; 3) обеспечивается получение высоких и устойчивых урожаев сельскохозяйственных растений; 4) вовлекаются в сельскохозяйственный оборот малопродуктивные земли. В процессе биологической очистки сточные воды проходят через фильтрующий слой почвы, в котором задерживаются взвешенные и коллоидные частицы, образуя в порах грунта микробиальную пленку-. Затем образовавшаяся пленка адсорбирует коллоидные частицы

и растворенные в сточных водах вещества. Проникающий из воздуха в поры кислород окисляет органические вещества, превращая их в минеральные соединения. В глубокие слои почвы проникание кислорода затруднено, поэтому наиболее интенсивное окисление происходит в верхних слоях почвы (0,2-0,4 м). При недостатке кислорода в прудах начинают преобладать анаэробные процессы. Поля орошения лучше устраивать на песчаных, суглинистых и

черноземных почвах. Грунтовые воды должны быть не выше 1,25 м от поверхности. Если грунтовые воды залегают выше этого уровня, то необходимо устраивать дренаж. Часть территории земледельческого поля орошения отводят под резервное поле фильтрации, так как некоторые периоды года не до-

пускают выпуск сточной воды на поля орошения. В зимнее время сточную воду направляют только на резервные поля фильтрации. Так как в этот период фильтрация сточной воды или прекращается полностью или замедляется, то резервное поле

фильтрации проектируют с учетом площади намораживания. Очистка сточных вод с одновременным их использованием для орошения и удобрения может быть проведена по разным вариантам схем (рис. 11-69). Вариант 1. Сточные воды после механической обработки поступают в пруды-накопители, а затем по каналу — в пруды-испарители и на поля оршения. Вариант 2. Сточные воды после физико-химической очистки направляют в биологические пруды, а затем на поля орошения или сначала на поля фильтрации, а потом на поля оршения. Вариант 3. Сточные воды после механической, физико-химической и биохимической очистки направляют на поля орошения, а в неполивной период сбрасывают в водоем. В последнее время широкое распространение получило подпочвенное орошение сточными водами, распределяемыми через трубчатые асбестоцементные или полиэтиленовые увлажнители. Такое орошение позволяет наиболее полно использовать удобрительные свойства сточных вод, автоматизировать процессы полива и обеспечить санитарно-гигиенические требования.

Биологические пруды. Представляют собой каскад прудов, состоящий из 3-5 ступеней, через которые с небольшой скоростью протекает осветленная, или биологически очищенная сточная вода. Пруды предназначены для биологической очистки и доочистки сточных вод в комплексе с другими очистными сооружениями. Различают пруды с естественной или искусственной аэрацией. Пруды с естественной аэрацией имеют небольшую глубину (0,5-1 м), хорошо прогреваются солнцем и заселены водными организмами.Бактерии используют для окисления загрязнений кислород, вы-

деляемый водорослями в процессе фотосинтеза, а также кислород из воздуха. Водоросли, в свою очередь, потребляют CO2, фосфаты и аммонийный азот, выделяемые при биохимическом разложении органических веществ. Для нормальной работы необходимо соблюдать оптимальные значения рН и температуры сточных вод. Температура должна быть не менее 6°С. В зимнее время пруды не работают. При расчете прудов определяют их размеры, обеспечивающие необходимую продолжительность пребывания в них сточных вод. В основе расчета — определение скорости окисления, которую оцени-

вают по БПК и принимают для вещества, разлагающегося наиболее медленно, Для повышения скорости растворения кислорода, а следовательно, и повышения скорости окисления сооружают аэрируемые пруды. Аэрацию проводят механическим и пневматическим путем. Аэрация позволяет в 3—3,5 раза повысить нагрузку по загрязнениям и увеличить глубину пруда до 3,5 м. Для подачи воздуха при пневматической аэрации используют компрессоры низкого давления. При этом кроме насыщения воды кислородом происходит ее перемешивание. На эффективность процессов очистки сточных вод в прудах оказывает влияние и водная растительность. Она потребляет из воды растворенные биогенные элементы. Перед использованием воды, доочищенной в биологическом пруде, в системе технического водоснабжения ее обрабатывают хлором. В стабилизационных прудах одновременно идут процессы биофлокуляции, отстаивания, фотосинтеза и стабилизации активного

ила. Пруды используют как для полной очистки, так и для доочистки сточных вод.

87.Общая схема аэробной очистки сточных вод в аэротенках. Какие аэротенки бывают по гидродинамическому режиму?

Аэротенками называют железобетонные аэрируемые резервуары. Процесс очистки в аэротенке идет по мере протекания через него аэрированной смеси сточной воды и активного ила (рис. II-70). Аэрация необходима для насыщения воды кислородом и поддержания ила во взвешенном состоянии. Сточную воду направляют в отстойник, куда для улучшения осаждения взвешенных частиц можно подавать часть избыточного ила. Затем осветленная вода поступает в предаэратор-усреднитель, в который направляют часть избыточного ила из вторичного отстойника. Здесь сточные воды предварительно аэрируются воздухом в течение 15-20 мин. В случае необходимости в предаэратор могут быть введены нейтрализующие добавки и питательные вещества. Из усреднителя сточную воду подают в аэротенк. через который циркулирует и активный ил. Биохимические процессы, протекающие в аэротенке, могут быть разделены на два этапа: 1) адсорбция поверхностью активного ила органических веществ и минерализация легко окисляющихся веществ при интенсивном потреблении кислорода; 2) доокисление медленно окисляющихся органических веществ, регенерация активного ила.

На этом этапе кислород потребляется медленнее. Как правило, аэротенк разделен на две части: регенератор B5% от общего объема) и собственно аэротенк, в котором идет основной процесс очистки. Наличие регенератора дает возможность очищать более концентрированные сточные воды и увеличить производительность агрегата. Перед аэротенком сточная жидкость должна содержать не более 150 мг/л взвешенных частиц и не более 25 мг/л нефтепродуктов. Температура очищаемых вод не должна быть ниже 6°С и выше 30°С, а рН — в пределах 6,5-9. После контактирования сточная вода с илом поступает во вторичный отстойник, где происходит отделение ила от воды. Большую часть ила возвращают в аэротенк, а его избыток направляют в предаэратор. Аэротенк представляет собой открытый бассейн, оборудованный устройствами для принудительной аэрации. Они бывают двух, трех- и четырехкоридорные. Глубина аэротенков 2-5 метров. Аэротенки подразделяются по гидродинамическому режиму — на аэротенки-вытеснители, аэротенки-смесители и аэротенки промежуточного типа (с рассредоточенным вводом сточных вод). В аэротенках-вытеснителях воду и ил подают в начало сооружения, а смесь отводят в конце его. Аэротенк имеет 1—4 коридора. Теоретически режим потока поршневой, без продольного перемешивания. На практике существует значительное продольное перемешиваниеТакие аэротенки применяют для окисления малоконцентрированных вод (до 300 мг/л по БПКполн).

В аэротенках-смесителях воду и ил вводят равномерно вдоль длинных сторон коридора аэротенка. Полное смешение в них сточной воды с иловой смесью обеспечивает выравнивание концентраций ила и скоростей процесса биохимического окисления. Такие аэротенки предназначены для очистки концентрированных призводственных сточных вод (БПКполн до 1000 мг/л) при разных колебаниях их распада, состава и количества загрязнений. В аэротенки с рассредоточенной подачей воды ее подают в нескольких точках по длине аэротенка, а отводят из торцевой части. Возвратный ил подают в начало аэротенка. Эти аппараты занимают промежуточное положение между выгеснительными и смесительными.

88. Схема и принцип действия двухступенчатых установок для очистки сточных вод в аэротенках (1 – с регенератором, 2 – без регенератора).

Очистка в аэротенках. Аэротенками называют железобетонные аэрируемые резервуары. Процесс очистки в аэротенке идет по мере протекания через него аэрированной смеси сточной воды и активного ила (рис. П-70). Аэрация необходима для насыщения воды кислородом и поддержания ила во взвешенном состоянии. Сточную воду направляют в отстойник, куда для улучшения осаждения взвешенных частиц можно подавать часть избыточного ила. Затем осветленная вода поступает в предаэратор-усреднитель, в который направляют часть избыточного ила из вторичного отстойника. Здесь сточные воды предварительно аэрируются воздухомв течение 15-20 мин. В случае необходимости в предаэратор могут быть введены нейтрализующие добавки и питательные вещества. Из усреднителя сточную воду подают в аэротенк. через который циркулирует и активный ил. Биохимические процессы, протекающие в аэротенке, могут быть разделены на два этапа: 1) адсорбция поверхностью активного ила органических веществ и минерализация легко окисляющихся веществ при интенсивном потреблении кислорода; 2) доокисление медленно окисляющихся органических веществ, регенерация активного ила. На этом этапе кислород потребляется медленнее.

Как правило, аэротенк разделен на две части: регенератор (25% от общего объема) и собственно аэротенк, в котором идет основной процесс очистки. Наличие регенератора дает возможность очищать более концентрированные сточные воды и увеличить производительность агрегата.

89.Очистка сточных вод в биофильтрах (принцип и особенности процесса по сравнению с очисткой в аэротенках). Какие биофильтры бывают по конструкции?

Биофильтры — это сооружения, в корпусе которых размещается кусковая насадка (загрузка) и предусмотрены распределительные устройства для сточной воды. В биофильтрах сточная вода фильтруется через слой загрузки, покрытый пленкой из микроорганизмов. Микроорганизмы биопленки окисляют органические вещества, используя их как источники питания и энергии. Таким образом, из сточной воды удаляются органические вещества, а масса активной биопленки увеличивается. Отработанная (омертвевшая) биопленка смывается протекающей сточной водой и выносится из биофильтра.

В качестве загрузки используют различные материалы с высокой

пористостью, малой плотностью и высокой удельной поверхностью: щебень, гравий, шлак, керамзит, керамические и пластмассовые кольца, кубы, шары, цилиндры, шестигранные блоки, металлические и пластмассовые сетки, скрученные в рулоны. В настоящее время предложено большое число конструкций биофильтров, которые делят на биофильтры, работающие с полной и неполной биологической очисткой; с естественной и искусственной подачей воздуха; с рециркуляцией и без рециркуляции сточных вод; на биофильтры одноступенчатые и двухступенчатые, капельные и высоконагружаемые.

Двухступенчатые биофильтры применяются в том случае, когда для достижения высокой степени очистки нельзя увеличивать высоту биофильтров. Технологические схемы биофильтров показаны на рнс.П-76. Биопленка выполняет такие же функции, как и активный ил. Она адсорбирует и перерабатывает биологические вещества, находящиеся в сточных водах. Окислительная мощность биофильтров ниже мощности аэротенков.

На эффективность очистки сточных вод в биофильтрах влияют биохимические, массообменные, гидравлические и конструктивные параметры. Среди них следует отметить: БПК очищаемой сточной воды, природу органических загрязнений, скорость окисления, интенсивность дыхания микроорганизмов, массу веществ, абсорбируемых пленкой,толщину биопленки, состав обитающих в ней микроорганизмов, интенсивность аэрации, площадь и высоту биофильтра, характеристику загрузки (размер кусков, пористость и удельная поверхность), физические свойства сточной воды, температуру про цесса и гидравлическую нагрузку, интенсивность рециркуляции, равномерность распределения сточной воды по сечению загрузки, степень смачиваемости биопленки. Биофильтры с капельной фильтрацией имеют низкую производительность, но обеспечивают полную очистку. Не обеспечивают полную биологическую очистку. Башенные биофильтры применяют для очистных сооружений производительностью до 5000 м3/сут. Они представляют собой резервуар, в котором имеется вращающийся вал с насаженными на нем дисками. Уровень сточной воды в резервуаре устанавливают на 2-3 см ниже горизонтального вала. Размер дисков 0,6-3 м, а расстояние между ними 10-20 мм. Диски могут быть металлические, пластмассовые и асбестоцементные. Вал вращается со скоростью 1-40 об/мин. Биотенк-биофильтр заключен в корте с расположенными в шахматном порядке элементами загрузки, которые представляют собой полуцилиндры диаметром 80 мм. Сточная вода поступает сверху; наполняя элементы загрузки, и через края стекает вниз. На наружных поверхностях элементов образуется биопленка, а в элементах — биомасса, напоминающая активный ил. Насыщение воды кислородом происходит при движении жидкости. Конструкция обеспечивает высокую производительность и эффективность очистки.

90. На каком процессе основаны анаэробные методы очистки сточных вод? Схема и принцип действия метантенка для анаэробной очистки сточных вод.

Анаэробные методы обезвреживания используют для сбраживания осадков, образующихся при биохимической очистке производственных сточных вод, а также как первую ступень очистки очень концентрированных промышленных сточных вод (БПКполн«4-5 г/л), содержащих органические вещества, которые разрушаются анаэробными бактериями в процессах брожения. В зависимости от конечного вида продукта различают следующие виды брожения: спиртовое, пропионовокислое, молочнокислое, метановое и др. Конечными продуктами брожения являются спирты, кислоты, ацетон, газы брожения (СО2, Н2, СН4).

Для очистки сточных вод используют метановое брожение. Считают, что процесс метанового брожения состоит из двух фаз: кислой и щелочной (или метановой). В кислой фазе из сложных органических веществ образуются низшие жирные кислоты, спирты, аминокислоты, аммиак, глицерин, ацетон, сероводород, диоксид углерода и водород. Из этих промежуточных продуктов в щелочной фазе образуются метан и диоксид углерода. Предполагается, что скорости превращений веществ в кислой и щелочной фазах одинаковы.

Основная реакция метанообразования может быть записана уравнением (Н2А — органическое вещество, содержащее водород):

СО2+4Н2А→СН4+4А+2Н2О

Возможны и другие реакции (в присутствии и при отсутствии водорода):

СО+ЗН2→СН4+Н20

4СО+2Н20→ЗСО2+СН4

Метан может образовываться в результате распада уксусной кислоты:

СН3СООН→СН4+СО2, СО2+4Н2→СН4+2Н2О.

При очистке сульфатсодержащих промышленных стоков процесс протекает при участии сульфатвосстанавливающих бактерий:

5AH2+SO42-->5A+H2S+4H2O.

При денитрификации в анаэробных условиях:

6AH2+2NO3-->6A+6H2O+N2

При определенных условиях конечным продуктом может быть и аммиак.

Процесс брожения проводят в метангенках — герметически закрытых резервуарах, оборудованных приспособлениями для

ввода несброженного и вывода сброженного осадка. Схема метантенка показана на рис 11.80. Перед подачей в метантенк осадок должен быть по возможности обезвожен. Основными параметрами аэробного сбраживания являются температура, регулирующая интенсивность процесса, доза загрузки осадка и степень его перемешивания. Процессы сбраживания ведутся в мезофильных C0-35°С) и термофильных E0-55°С) условиях.Полного сбраживания органических веществ в метантенках достичь нельзя. Все вещества имеют свой предел сбраживания, зависящий от их химической природы. В среднем степень распада органических веществ составляет около 40%.

Процесс брожения сточных вод ведут в две ступени. При этом часть осадка из второго метантенка возвращают в первый. В первой ступени обеспечивают хорошее перемешивание. При сбраживании выделяются газы, которые в среднем содержат 63-65% метана, 32-34% СО2. Теплотворная способность газа 23 МДж/кг. Его сжигают в топках паровых котлов. Пар используют для нагрева осадков в метантенках или для других целей. Сбраживание в метантенке осадка промышленных сточных вод из-за высокого содержания влаги, солей металлов и детергентов необходимо производить при снижении нагрузки на 25-50%.