МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Пензенский государственный технологический университет»
Кафедра «Биотехнология и техносферная безопасность»
Реферат по дисциплине: «Моделирование и оптимизация биотехнологических процессов»
На тему: «Биокаталитические методы защиты окружающей среды: биофильтры»
Выполнил: студент Иванов А.А.
Проверила: доцент каф. БТБ
к.т.н. Коростелева А.В.
Пенза, 2021
Содержание
Введение
1. Понятие о биофильтрации
2. Устройство биофильтров
3. Основные принципы биологической очистки воды
4. Классификация биофильтров
4.1 Капельные биофильтры
4.2 Высоконагружаемые биофильтры
4.3 Башенные биофильтры
4.4 Погружные биофильтры
5. Вентиляция биофильтров
Заключение
Библиографический список
Введение
Проблемы, связанные с окружающей средой и здоровьем, из-за обилия сточных вод, приводят к разработке новых и усовершенствованных систем их очистки.
Сточные воды, прошедшие механическую и физико-химическую очистку, содержат достаточно большое количество растворенных и тонкодиспергированных нефтепродуктов, а также других органических загрязнений и не могут быть выпущены в водоем без дальнейшей очистки.
Наиболее универсален для очистки сточных вод от органических загрязнений биологический метод. Он основан на способности микроорганизмов использовать разнообразные вещества, содержащиеся в сточных водах, в качестве источника питания в процессе их жизнедеятельности. Задачей биологической очистки является превращение органических загрязнений в безвредные продукты окисления - H2O, CO2, NO3, SO42 и др. Процесс биохимического разрушения органических загрязнений в очистных сооружениях происходит под воздействием комплекса бактерий и простейших микроорганизмов, развивающихся в данном сооружении.
В процессах очистки сточных вод используют один из биокаталитических методов - метод биофильтрации.
1. Понятие о биофильтрации
Биофильтрация - это метод борьбы с загрязнением с использованием биореактора, содержащего живой материал, для улавливания и биологического разложения загрязнителей. Биофильтрация сточных вод - это особый процесс по сравнению с другими видами биологической очистки, поскольку микроорганизмы закреплены на опоре, и сточные воды проходят через нее для обработки.
Биофильтрация была впервые применена в Англии в 1893 году как капельный фильтр для очистки сточных вод и с тех пор успешно используется для очистки различных типов воды. Биологическая очистка использовалась в Европе для фильтрации поверхностных вод в питьевых целях с начала 1900-х годов и в настоящее время вызывает все больший интерес во всем мире.
В процессе очистки сточных вод распространена биофильтрация с использованием биологических фильтров (биофильтров).
Биофильтр - это слой среды, на котором микроорганизмы прикрепляются и растут, образуя биологический слой, называемый биопленкой. Биофильтрацию, обычно, называют процессом с фиксированной пленкой. Как правило, биопленка образована сообществом различных микроорганизмов (бактерий, грибов, дрожжей), макроорганизмов (простейшие, черви, личинки насекомых) и внеклеточных полимерных веществ. Внешний вид биопленки обычно слизистый и мутный. Обрабатываемая вода может подаваться периодически или непрерывно через среду восходящим или нисходящим потоком. Обычно биофильтр состоит из двух или трех фаз, в зависимости от стратегии кормления (перколяционный или погружной биофильтр): твердая фаза (носитель); жидкая фаза (вода); газовая фаза (воздух). Органические вещества и другие компоненты воды диффундируют в биопленку, где происходит обработка, в основном за счет биоразложения.
Процессы биофильтрации обычно носят аэробный характер, что означает, что микроорганизмы нуждаются в кислороде для своего метаболизма. Кислород может подаваться в биопленку одновременно или противотоком с потоком воды. Аэрация происходит пассивно за счет естественного потока воздуха через технологический процесс (трехфазный биофильтр) или за счет принудительной подачи воздуха вентиляторами. Активность микроорганизмов - ключевой фактор эффективности процесса. Основными влияющими факторами являются состав воды, гидравлическая нагрузка на биофильтр, тип среды, стратегия подачи (перколяционная или погруженная среда), возраст биопленки, температура, аэрация.
В большинстве биофильтров в качестве фильтрующих материалов используются такие среды, как песок, щебень, речной гравий или какой-либо пластик или керамический материал в форме маленьких шариков и колец.
Хотя биологические фильтры имеют простые поверхностные структуры, их внутренняя гидродинамика, а также биология и экология микроорганизмов сложны и изменчивы. Эти характеристики придают процессу надежность. Процесс имеет способность поддерживать свою производительность или быстро возвращаться к исходным уровням после периода отсутствия потока, интенсивного использования, токсичных шоков, обратной промывки среды (процессы высокоскоростной биофильтрации). Структура биопленки защищает микроорганизмы от сложных условий окружающей среды и сохраняет биомассу внутри процесса, даже если условия не оптимальны для ее роста.
Поскольку микроорганизмы удерживаются внутри биопленки, биофильтрация позволяет развиваться микроорганизмам с относительно низкими удельными темпами роста. Биофильтры меньше подвержены переменной или периодической нагрузке и гидравлическим ударам. Эксплуатационные расходы обычно ниже, чем при использовании активного ила. На результат окончательной обработки меньше влияет разделение биомассы, поскольку концентрация биомассы в сточных водах намного ниже, чем для процессов взвешенной биомассы. Присоединенная биомасса становится более специализированной (более высокая концентрация соответствующих организмов) в данной точке технологической цепочки, потому что нет возврата биомассы.
Вместе с тем, процесс биофильтрации имеет ряд недостатков, которые следует учитывать. Поскольку фильтрация и рост биомассы приводит к накоплению вещества в фильтрующих средах, этот тип процесса с фиксированной пленкой подвержен биоблокированию и формированию каналов. В зависимости от типа применения и среды, используемой для роста микробов, биоблокировку можно контролировать с помощью физических и химических методов. По возможности, можно проводить операции обратной промывки с использованием воздуха и воды, чтобы разрушить биомат и восстановить поток. Также можно использовать такие химические вещества, как окислители (перекись, озон) или биоцидные агенты.
2. Устройство биофильтров
Биофильтры представляют собой железобетонные или кирпичные резервуары, заполненные фильтрующим материалом, который укладывается на дырчатое днище и орошается сточными водами. Для загрузки биофильтров применяют шлак, щебень, пластмассу и другие материалы. Очистка сточных вод в биофильтрах происходит под воздействием микроорганизмов, заселяющих поверхность загрузки и образующих биологическую пленку. При контакте сточной жидкости с этой пленкой микроорганизмы извлекают из воды органические вещества, в результате чего сточная вода очищается.
Проходя через загрузку биофильтра, загрязненная вода оставляет в ней не растворенные примеси, не осевшие в первичных отстойниках, а также коллоидные и растворенные органические вещества, абсорбируемые биологической пленкой. Густо заселяющие биопленку микроорганизмы окисляют органические вещества и отсюда черпают энергию, необходимую для своей жизнедеятельности. Часть органических веществ микроорганизмы используют как пластический материал для увеличения своей массы. Таким образом, из сточной воды удаляются органические вещества, и в то же время увеличивается масса активной биологической пленки в теле биофильтра. Отработанная и омертвевшая пленка смывается протекающей сточной водой и выносится из тела биофильтра. Необходимый для биохимического процесса кислород воздуха поступает в толщу загрузки путем естественной и искусственной вентиляции фильтра. биофильтр капельный сточный
Биофильтр состоит из следующих основных частей: а) фильтрующей загрузки (тело фильтра) из шлака, гравия, керамзита, щебня, пластмасс, асбестоцемента, на поверхности которой развивается биопленка; б) водораспределительного устройства, обеспечивающего равномерное орошение сточной водой поверхности загрузки биофильтра; в) дренажного устройства для удаления отфильтрованной воды; г) воздухораспределительного устройства, с помощью которого поступает необходимый для процесса окисления органических веществ воздух.
3. Основные принципы биологической очистки воды
Механизм фильтрации примесей биофильтром основан на последовательных процессах связывания (адсорбции) микроорганизмов биопленки с субстратом (органические загрязнители), формированием хлопьевидных флокул, диффузией субстрата и кислорода через клеточную мембрану, биологическим окислением субстрата, сопровождающимся приростом биомассы, выделением диоксида углерода и продуктов реакции.
По мере движения воды через неподвижный слой загрузочного материала насадки с биопленкой микроорганизмов ее состав изменяется во времени, что обусловлено поглощением разных субстратов различными микроорганизмами.
По мере изменения состава водной среды в биопленке поочередно развиваются определенные виды микроорганизмов, что приводит к изменению ее состава и замене одной доминирующей микробной популяции другой. Микроорганизмы биопленки потребляют из воздуха кислород, выделяя в воздух продукты реакции -- углекислый газ, сероводород, метан и аммиак.
Поэтому в порах биофильтра парциальное давление кислорода уменьшается, а давление углекислого газа возрастает. Условия равновесия внутри биофильтра и вне его создают диффузионные потоки кислорода внутрь биофильтра, а углекислого газа -- наружу. Наличие загрузки, покрытой биологической пленкой, препятствует диффузии. Возникновение и развитие анаэробных областей в толще биопленки микроорганизмов приводят к формированию пузырьков кислорода, которые вызывают частичное отделение пленки от носителя.
Образовавшиеся и унесенные из биофильтра потоком воды микроорганизмы (гумус) отделяют в отстойнике, установленном после биофильтра. В результате этого процесса регулируется толщина пленки микроорганизмов, среднее значение которой зависит от множества факторов. В правильно эксплуатируемом биофильтре толщина пленки микроорганизмов обычно составляет около 0,5-1 мм.
При достаточно большом сопротивлении может наступить момент, когда потребление кислорода биопленкой прекратится, так как его парциальное давление в воздушном пространстве поры достигнет минимальной величины.
В этом случае в теле биофильтров могут начаться процессы гниения органических веществ. Разница температур между сточными водами и воздухом гарантирует непрерывную вентиляцию атмосферного воздуха через загрузку биофильтра, обеспечивая постоянную концентрацию кислорода для жизнедеятельности микроорганизмов. Регулирование численности популяций микроорганизмов является важнейшим фактором при управлении работой биофильтра.
4. Классификация биофильтров
Принципы классификации биофильтров различаются по степени очистки, способу подачи воздуха, режиму работы (наличие или отсутствие рециркуляции), технологической схеме (одно-, двух или трехступенчатые) и другим параметрам.
По степени очистки биофильтры классифицируются на:
- высокопроизводительные;
- малопроизводительные.
Высокопроизводительные биофильтры могут работать на полную или неполную биологическую очистку в зависимости от необходимой степени очистки. Малопроизводительные биофильтры работают только на полную биологическую очистку.
По способу подачи воздуха:
- биофильтры с естественной подачей воздуха;
- биофильтры с искусственной подачей воздуха.
Наибольшее применение в настоящее время имеют биофильтры с искусственной подачей воздуха.
По режиму работы:
- биофильтры, работающие с рециркуляцией воды;
- биофильтры, работающие без рециркуляции воды.
В биофильтрах без рециркуляции концентрация загрязнений в поступающих на биофильтр сточных водах не высока и они подаются на биофильтр в объеме, достаточном для самопроизвольной промывки. В биофильтрах с рециркуляцией при очистке концентрированных сточных вод рециркуляция необходима. Она позволяет понизить концентрацию сточных вод до необходимой величины, так же как и предварительная их обработка в аэротенках -- на неполную очистку.
По технологической схеме:
- одноступенчатые;
- двухступенчатые.
Одноступенчатые биофильтры применяются в обычных условиях, а двухступенчатые биофильтры при неблагоприятных климатических условиях, при отсутствии возможности увеличивать высоту биофильтров и при необходимости более высокой степени очистки. Иногда предусматривается переключение фильтров, то есть периодическая эксплуатация каждого из них в качестве фильтра первой и второй ступени.
По пропускной способности:
- биофильтры малой пропускной способности (низконагружаемые, капельные);
- биофильтры большой пропускной способности (высоконагружаемые).