Курсовая работа (т): Биотехнология очистки промышленных сточных вод

Биотехнология очистки промышленных сточных вод

КАЗАНСКИЙ (ПРИВОЛЖСКИЙ) ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Биотехнология очистки промышленных сточных вод

Казань 2012

Оглавление

Введение

1. Характеристика сточных вод

1.1 БПК и ХПК

1.2 Взвешенные частицы (SS, suspended solids)

1.4 Температура

1.6 Тяжелые металлы и специфические органические соединения

1.7 Масла и жиры (O&G, oil and grease)

1.8 Микробное загрязнение

2. Способы очистки сточных вод

2.1 Механическая очистка

2.2 Физические и химические методы очистки

2.3 Биологические методы очистки

2.3.1 Параметры биологической очистки

2.3.2 Бактериального сообщества очистных сооружений

2.3.3 Динамика микробного сообщества

2.3.4 Факторы, влияющие на состав сообщества.

2.3.5 Биоаугментация

2.4 Строение биологических очистных сооружений

Введение

Проблема глобального дефицита чистой воды обостряется с каждым годом. Более 40% населения Земли страдают из-за истощения водных ресурсов. Более того, использование некачественной воды в развивающихся странах является причиной 80-90% всех заболеваний и 30% всех смертей [1]. Дальнейший рост населения ведет к увеличению объемов промышленных сточных вод, а также муниципальных отходов, сбрасываемых в водоемы. Рост урбанизации усиливает дисбаланс между потребностью в чистой воде и доступностью ее источников [2].

Проблему очистки сбрасываемых отходов не всегда удается решить стандартными методами по различным причинам. Поэтому необходимо разрабатывать и внедрять новые производительные и экономически выгодные технологии очистки сточных вод, которые способны привести характеристики сбрасываемой жидкости к допустимому уровню.

Существует большое количество работ, посвященных очистке широко распространенных муниципальных и промышленных сточных вод с невысоким содержанием загрязнений. Концентрированные стоки встречаются реже и связаны, как правило, либо с пищевой, либо с нефтехимической промышленностью. Сточные воды нефтехимических и нефтеперерабатывающих комплексов кроме высокой концентрации органики имеют в своем составе токсичные соединения, что сильно затрудняет использование биологической очистки. Поэтому в научные работы в этой области часто направлены на поиск альтернативных методов очистки (физические и химические). Но так как биологическая очистка уже давно используется и отличается рядом преимуществ, существует направление в сторону совершенствования биотехнологий. Более того, жесткие нормы для сбрасываемых в водоемы стоков и высокие штрафы при их превышении, делают это направление перспективным.

очистное сооружение сточная вода

Очистка сточных вод общепризнанна в качестве наиболее масштабного экономически доступного и экологически целесообразного биотехнологического процесса. Биологические технологии могут применяться в сочетании с физико-химическими способами предварительной обработки для удаления биологически труднодоступных и токсичных компонентов, для снижения недопустимо высоких нагрузок. В других случаях, например при очистке сточных вод производства стирола и окиси пропилена, совокупная технология включает и специальную биологическую предобработку высоко концентрированных локальных стоков одного из заводов нефтехимического комплекса, и последующий этап - очистку в традиционных аэротенках с активным илом [патент].

Микробиология промышленных сточных вод, особенно сложных по составу и токсикологическим параметрам отходов химических и нефтехимических отраслей, длительное время оставалось "черным ящиком" несмотря на то, что формирование и активность микробных ассоциаций с адекватным набором физиолого-биохимических свойств и совокупным генетическим потенциалом имеет решающее значение для биодеградации и детоксикации экологически опасных органических загрязнений разного химического строения.

От научно обоснованного контроля и управления активностью микробных ассоциаций зависит эффективность очистных сооружений и соответствие региональным и международным нормативам и стандартам, которые регулируют качество очищенных сточных вод, направляемых на реутилизацию или сбрасываемых в водоемы.

Существенные изменения в области законодательного регулирования и контроля за загрязнением окружающей среды предстоят в ближайшие годы, в том числе со вступлением России в ВТО. Широкомасштабная аккумуляция баз данных по экологической опасности, выпускаемой в мире химической продукции [Risk est reports], в том числе об опасности для здоровья людей [онищенко].

1. Характеристика сточных вод

Любая сточная вода характеризуется рядом показателей, учет которых способствует сделать успешный выбор технологии очистки, позволяет определить меры для решения проблем связанных с качеством сточной воды. Основные показатели:

·        ХПК и БПК;

·        взвешенные частицы;

·        температура;

·        pH;

·        азот и фосфор;

·        тяжелые металлы и специфические органические соединения;

·        масла и жиры;

·        микробное загрязнение.

1.1 БПК и ХПК

Наиболее распространенной характеристикой сточной воды является БПК (биологическое потребление кислорода; BOD), отражающее концентрированность стоков и показывающее необходимое количество кислорода для минерализации органических соединений микроорганизмами. Большинство биореакторов в мире имеет дело со сточными водами, БПК которых варьирует около 200 мг/л и очистка проходит по обычной схеме с использованием аэротенков с активным илом [4]. Наиболее высокие значения БПК встречаются в стоках пищевой промышленности (ликероводочный завод до 120 г/л, производство сахара до 25 г/л) [2], тогда как муниципальные сточные воды с БПК 350 мг/л и выше считаются высоконагруженными [4].

Для производственных сточных вод, содержащих труднодоступные, токсичные соединения для более точной характеристики концентрации растворенных веществ определяется показатель ХПК (химическое потребление кислорода; COD). Показатель ХПК всегда выше, чем БПК. Небольшую долю ХПК составляет кислород, который идет на окисление тиосульфатов, сульфидов и др. Эта часть ХПК не может быть снижена в результате очистки.

ХПК бытовых стоков, как правило, варьирует в пределах 100-400 мг/л [8]. Муниципальные стоки с ХПК 800 мг/л считаются сильно нагруженными [4].

Концентрированность промышленных сточных вод, как правило, во много раз выше, чем у муниципальных стоков. Очень высокая концентрация органики характерна для различных агрохимических производств. Например, сточная вода производства крахмала и сахара имеют ХПК 41 и 50 г/л соответственно. Чтобы снизить энергозатраты на подачу кислорода, в этих случаях, используют анаэробную предочистку [2]. ХПК нефтехимических стоков также может достигать столь высоких значений (например, 48 г/л [66]), но очищается главным образом физическими и химическими методами.

Биологическая очистка может оказаться неэффективной, если большая часть растворенных компонентов стока окажется недоступными или труднодоступными для биодеградации. Такую доступность отражает отношение ХПК к БПК. Отношение от 1: 1 до 2.5: 1 говорит о возможности легкого биоразложения компонентов стока. Если ХПК значительно превышает БПК, как при производстве красителей (ХПК 4400 мг/л, БПК 55мг/л), то следует использовать физико-химические методы в качестве предварительной или полной очистки [2].

Высокая концентрация биологически окисляемых органических соединений в сбрасываемых в водоем стоках может приводить к связыванию естественных кислородных ресурсов и развитию септических условий. Ограничения для уровней БПК и ХПК в сточной воде 25 и 125 мг/л соответственно [58]. Для нефтехимических стоков 10-40 и 100-200 мг/л [20].

1.2 Взвешенные частицы (SS, suspended solids)

Значения ХПК и БПК находятся в прямой зависимости от TSS и TDS. Величина показателя взвешенные частицы TSS до 400 мг/л и выше в муниципальных стоках считается высоким уровнем загрязнения [4]. Но значение может быть намного больше, как при производстве крахмала (23000 мг/л) или кокосового крема (2900 мг/л). Снижение TSS для стоков производства крахмала может облегчить дальнейшую очистку, приведя ХПК к двукратному снижению [2]. Такой же эффект возможен для нефтехимических стоков, как в случае производства терефталевой кислоты [76], когда осаждение снижает содержание взвешенных частиц на 70%, а также ХПК на 37% от исходного 9.5 г/л.

Показатель "растворенные" твердые частицы (TDS) используется для частиц, размеры которых позволяют им проходить через механические фильтры. Для характеристики количества растворимых соединений используют ХПК. Летучие компоненты (хлорированные органические растворители, альдегиды, фенолы, ПАУ, хлорорганические пестициды и т.д.) обозначают как VSS.

Сброс жидкости с повышенным содержанием взвешенных частиц повышает температуру в водоеме за счет большего поглощение света. Нагревание снижает способность воды удерживать кислород, необходимый для биоты. Недостаток света снижает фотосинтез, что так же снижает концентрацию растворенного кислорода. Если в концентрированной воде основная часть загрязнений находится не во взвешенном, а в растворенном состоянии, то механическая очистка неэффективна, как это известно для очистки стоков химической промышленности с TSS 30-40 мг/л и COD 2000-3400 мг/л [2]. Ограничения для взвешенных частиц в стоке - 25 мг/л [15]. Для нефтехимических стоков до 70 мг/л [20].

.3 Азот и фосфор

В пресной воде рост водорослей ограничен концентрацией фосфора, в морской - концентрацией азота. Азот и фосфор в повышенных концентрациях в сточной воде могут приводить к эвтрофикации водоемов, изменять их плодородие, усиливать рост растений, водорослей, повышать мутность, снижать концентрацию растворенного кислорода [2, 14]. Ограничение концентрации азота в виде нитрат ионов в сточной воде 45 мг/л [4] в виде аммонийных ионов 10 мг/л и фосфора также 10 мг/л [15].

Так как азот встречается в разных формах, то существует несколько параметров, определяющих его концентрацию: аммонийный газ, аммонийные ионы, нитрат, нитрит ионы, TAN (NH₃, NH₄⁺), TIN (NH₃, NH₄⁺, NO₃^-, NO₂^-), органический азот, TKN (TAN, органический азот) и TN.

Фосфор может встречаться в виде фосфатов, полифосфатов и органического фосфора. Обычно указывают концентрацию фосфора, который находится в форме фосфатов PO₄^2--P [4].

Для аэробной очистки соотношение BOD: N: P в сточной воде должно быть примерно 100: 5: 1, для анаэробной - 250: 5:

. Эти пропорции предполагают, что эффективность очистки (E) по ХПК составляет 100%, а молярный экономический коэффициент Y (отношение урожая клеток к количеству потребленного субстрата) равен 0.41. Пропорцию можно уточнить, пользуясь формулой: 41/EY: 5:

. Например, при очистке сточной воды производства оливкового масла в анаэробном реакторе, где Y = 0.06, а эффект очистки по ХПК 83%, соотношение в действительности принимает вид (41/ (0.83) (0.06)): 5: 1, то есть 823: 5: 1 [17].

1.4 Температура

Температура определяет насыщенность и разнообразие микробного сообщества в реакторе. Оптимальной температурой для стандартных очистных сооружений с аэротенками считается диапазон 16-23°C. Было показано, что в аэротенке при повышении температуры с 15 до 35°C, эффективность очистки по ХПК уменьшилась с 93 до 87% [11]. Однако не было обнаружено большой разницы в производительности анаэробного биореактора при изменении температуры от 37 до 55°C (эффективность по ХПК колебалась на уровне 76-83%). Не изменялась структура сообщества [6].

Оптимальную температуру можно уточнить по формуле: r_t = r₂₀θ ^(t-20), где r_t это скорость реакции при температуре t и θ - температурный коэффициент, который при температуре 10-40°C варьирует от 1.0 до 1.10 и имеет стандартное значение 1.04 [12].

.5 pH

pH сбрасываемой воды зависит от типа производства. Например, сточные воды бумажной промышленности имеют кислый pH 3-5 [2], сточные воды производства капролактама - щелочной 10-12.5 [9], химико-фармацевтического производства pH от 2 до 11, стоки производства консервов имеют pH 1-12. Обычно сточная вода нейтрализуется перед поступлением в реактор добавлением щелочей или кислот, но pH может быть изначально нейтральным, как например, у стоков пивоваренного завода - 6.8 [10]. Оптимальным для аэротенков считается pH 6.7-7.8 Но несколько отклоненный от нормы pH может быть более благоприятным для биологической очистки, как в случае очистки активным илом увеличение pH с 5.7 до 9.0 повышало степень очистки по ХПК на 9% [11]. Кислый pH может способствовать снижению концентрации аммонийного азота, так как создает благоприятные условия для нитрификации [13]. Ограничения по pH для сбрасываемой в водоемы жидкости 6.5-8.5 [12]. Для нефтехимических стоков это pH 6-9 [20].

1.6 Тяжелые металлы и специфические органические соединения

Сточная вода производства металлических покрытий, радиаторов, аккумуляторных батарей, стоки кожевенных заводов и сточная вода, образующаяся при добыче полезных ископаемых, как правило, содержит тяжелые металлы: Cr³⁺, Ni²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺, Hg²⁺, Pb²⁺, Cd²⁺, Ag³⁺. Присутствие ионов тяжелых металлов оказывает токсичное действие на живые организмы, но в отличие от органических загрязнителей они не могут быть деградированы микроорганизмами до безопасных продуктов. Наиболее распространенный способ удаления металлов - осаждение их активированным углем. Но это достаточно затратная технология и в последнее время найдены альтернативные соединения как жом сахарного тростника, рисовая шелуха, опилки, кокосовые волокна и т.д., которые позволяют экономить и при этом добиваться в отдельных случаях 100% очистки для металла [7, 18]. Таким образом, вода очищается от металлов путем их осаждения в шлам.

Важной особенностью стоков является присутствие специфических соединений. Эта характеристика особенно важна для описания стоков связанных с переработкой нефти и нефтехимических стоков, так как отдельные компоненты могут обладать определенным уровнем токсичности, степенью доступности для микроорганизмов, в различной степени опасны для людей и окружающей среды. При нефтяном загрязнении это алканы, алкены, полиароматические углеводороды, бензол, толуол, этилбензол, ксилолы. Если вода загрязнена галогенированными растворителями, то это дихлорметан, хлороформ, тетрахлорметан, тетрохлорэтилен, трихлорэтилен, трихлорэтан и галогенированные бензолы. Стоки, загрязненные пестицидами, содержат хлорорганические соединения, уретаны, фениловые эфиры, креозоты, хлорфенолы. При производстве взрывчатых веществ в стоках содержатся нитроароматические соединения, тринитротолуол, нитрамины, нитроэфиры. Вода может загрязняться промежуточными и конечными продуктами производства: бензол, фенол, хлорбензолы и хлорфенолы, ксилолы [4]. Сырая нефть на северо-востоке Китая содержит большое количество соединений азота и сточная вода, образующаяся при обработке этой нефти, имеет высокую концентрацию анилина и пентиламина [19]. При анаэробном процессе разложения органики может образовываться сероводород. При концентрации 200 мг/л он может нарушить работу реактора, но такие случаи редкость, потому что сероводород обычно улетучивается [4]. Сточные воды, образующиеся в промышленных отраслях, связанных с извлечением и переработкой нефти, содержат в качестве главных компонентов углеводороды: алканы, циклоалканы и ароматические соединения, алкены (ненасыщенные аналоги алканов) нехарактерны для сырой нефти, но появляются во многих продуктах нефтепереработки как следствие процессов крекинга. Гомологический ряд n-алканов, изоалканы, моно - и полициклические соединения, производные типа фенилалканов - все они представляют основной состав исходной нефти и соответствующих сточных вод. Менее характерны [Barth и Mason, 1984] кислород - (фенолы, нафтеловые кислоты), азот - (пиридин, пиррол, индол) и серу (алкилтиолы, тиофен) содержащие соединения, а также частично окисленные высококонцентрированные асфальтены.