Переработка отходов после очистки воды

1. Переработка отходов после очистки воды

Традиционные физико-химические методы переработки сточных или канализационных вод приводит к образованию значительного количества твёрдых отходов. Некоторая их часть накапливается уже на первичной стадии осаждения, а остальные обусловлены приростом биомассы за счёт биологического окисления углеродсодержащих компонентов в сточных водах. Твёрдые отходы изначально существуют в виде различных суспензий с содержанием твёрдых компонентов от 1 до 10%. По этой причине процессам выделения, переработки и ликвидации ила стоков следует уделять особое внимание при проектировании и эксплуатации любого предприятия по переработке сточных вод.

В общих чертах, технические методы обработки ила сводятся к достижению определённой степени обезвоженности. Выбор процесса или последовательности процессов в любой технологической цепочке утилизации ила определяется способом его ликвидации, наиболее подходящим для конкретного вида ила и места его переработки. Каждый тип ила обладает различными свойствами в таких процессах, как, например, перекачка, химическая обработка или фильтрование. Поэтому выбор способа переработки определяется главным образом экономическими показателями процесса, зависящими от типа ила.

1.2 Переработка ила

Концентрирование. Различные типы сырых осадков сточных вод первоначально не отличаются высокой концентрацией твёрдых компонентов. Поэтому, согласно современным теориям утилизации ила, в большинстве случаев необходимо обеспечивать определённую степень обезвоживания ещё до начала основных процессов переработки. Одним из наиболее простых способов достижения этой цели является длительное осаждение под действием силы тяжести – отстаивание. Различают первичное и вторичное отстаивание. Первичное применяется непосредственно после сброса сточных вод. Вторичное отстаивание применяется для ила, прошедшего стадию анаэробного сбраживания. Сложности при этом обычно связаны с наличием микропузырьков биогаза, образующихся во время процесса сбраживания. Поэтому перед вторичным отстаиванием обычно предусматривают операции удаления газа.

Концентрировать ил также можно и с помощью центрифугирования и флотации.

Фильтрование. Ил может быть обезвожен до более высокой степени фильтрованием. В Великобритании подобные процессы чаще всего проводят на фильтр-прессах. Установка состоит из набора плит, подвешенных на боковых брусьях или верхней балке. На плитах сделаны углубления таким образом, чтобы между ними образовывались камеры, на каждую плиту натягивается фильтровальная ткань, и вся конструкция фиксируется либо болтами, либо с помощью гидравлического давления. Далее насосами фильтр заполняется илом и обеспечивается давление для создания движущей силы фильтрования. В конце цикла, после прекращения стока воды, давление снимается, плиты разделяют, а твёрдый осадок удаляют.

Модификация ила. Обезвоживание большинства типов ила, полученных в ходе различных операций по переработке стоков, - сложный процесс. Необходимой стадией является предварительная обработка ила с целью улучшения фильтруемости. Это и есть модификация его свойств. Как правило, этот процесс заключается в добавлении химикатов, действующих как коагулянты или флокулянты. В качестве таких реагентов могут быть использованы неорганические соли (известь, хлорид железа, сульфат железа, хлоргидрат алюминия) или специально подобранные органические полимеры с различной молекулярной массой и ионным сродством.

Какие бы типы реагентов ни употреблялись (неорганические или органические), на практике важно не превышать некоторой оптимальной дозировки. Избыточное количество не только ведёт к расточительству и увеличению расходов, но иногда вызывает и ухудшение фильтруемости.

Аэробная переработка отходов. Аэробная переработка стоков - это самая обширная область контролируемого использования микроорганизмов в биотехнологии. Она включает следующие стадии:

1) адсорбция субстрата на клеточной  поверхности:

2) расщепление адсорбированного  субстрата внеклеточными ферментами;

3) поглощение растворенных веществ  клетками;

4) рост и эндогенное дыхание;

5) высвобождение экскретируемых продуктов;

6) "выедание" первичной популяции организмов вторичными потребителями.

В идеале это должно приводить к полной минерализации отходов до простых солей, газов и воды. Эффективность переработки пропорциональна количеству биомассы и времени контактирования ее с отходами. Системы аэробной переработки можно разделить на системы с перколяционными фильтрами и системы с использованием активного ила

Активный ил.

Переработка отходов с помощью активного ила, осуществляемая сложной смесью микроорганизмов, была предложена в 1914 г. Этот процесс более эффективен, чем фильтрация, и позволяет перерабатывать сточные воды в количестве, в десять раз превышающем объем реактора. Однако он обладает рядом недостатков: более высокими эксплуатационными расходами из-за необходимости перемешивания и аэрации; большими трудностями в осуществлении и поддержании процесса; образованием большого избытка биомассы. Несмотря на все это, процесс, использующий активный ил, остается наиболее распространенным методом переработки сточных вод в густонаселенных районах, поскольку требует меньших площадей, чем эквивалентная фильтрационная система.

Как и в фильтрационные системы, в систему с активным илом были внесены некоторые изменения. Следующие из них связаны с аэрацией.

1. Градиентная аэрация, приводящая  интенсивность аэрации в соответствие  с потребностью в кислороде, которая  на входе больше, чем на выходе.

2. Ступенчатая аэрация, при которой  по всей длине тэнка сточные воды поступают с интервалами.

3. Контактная стабилизация, при  которой повторно используемый  ил аэриру ется, что способствует более полной утилизации микроорганизмами любых доступных питательных компонентов. Это приводит к более полной ассимиляции отходов при возврате в основные рабочие танки. В результате объем ила на стадии аэробного разложения уменьшается, что в принципе аналогично увеличению аэрации.

4. Использование чистого кислорода  в закрытых тэнках, которые поэтому могут работать при более высоких концентрациях биомассы; таким образом уменьшается время пребывания сточных вод в тэнке и, кроме того, решается проблема "разбухания" (избыточного роста нитчатых бактерий и грибов), препятствующего оседанию ила.

Активный ил - это истинно водная среда. Как и в перколяционных фильтрах, основная группа бактерий, участвующих в процессе переработки, - это Zoogloea. Считается, что активно растет только небольшая часть флокуляционного ила. По сравнению с перколяционными фильтрами в активном иле наблюдается меньшее экологическое разнообразие. Рост водорослей ограничивается недостатком света, а виды и разнообразие присутствующих в иле простейших определяются степенью переработки отходов.

Для успешной переработки бытовых и промышленных отходов необходимо точно знать состав и концентрацию стоков. Это служит "руководством к действию": зная качественные и количественные характеристики среды, можно сразу установить, какой микробный посевной материал необходим для инициации работы системы. Часто бывает трудно показать, что именно те микроорганизмы, которых выделяют из систем биологической переработки отходов, осуществляют окисление присутствующих соединений. Микробиологическое изучение любой системы, использующей активный ил, включает:

1) идентификацию микроорганизмов  и определение их численности;

2) оценку микробиологической активности  как популяции в целом, так  и отдельных видов;

3) оценку соотношения между (I) и (2), с одной стороны, и количеством  вводимых питательных веществ  и продуктов переработки - с другой.

Микробиологическую активность активных илов можно оценивать по приросту биомассы или по интенсивности общего метаболизма; последний включает изменения, происходящие в среде. Измерения могут проводиться и для какой-то отдельной популяции микроорганизмов. Можно показать, что активность ила связана с определенными бактериями, точно подсчитать их число и определить метаболическую активность. Далее можно выяснить, в какой мере та или иная специфическая активность ила определяется конкретными видами бактерий с известными свойствами, и установить, какое влияние оказывают на них неблагоприятные условия, в которых они оказываются из-за поступления в среду тех или иных питательных веществ или продуктов метаболизма других микроорганизмов. Для сточных вод, поступающих в емкость с активным илом, характерны высокие концентрации органических соединений и, следовательно, наличие больших количеств хемоорганотрофных видов, например Achromobacter, Flavobacterium, Pseudomonas и Moraxella,

а также многих других бактерий. При высоких концентрациях неорганических соединений в стоках обнаруживаются бактерии Thiobacillus, Nitrosomonas, Nitrobacter и Ferrobacillus spp., окисляющие соответственно серу, аммиак и железо. Эти организмы были выделены из систем для переработки отходов и идентифицированы с помощью методов селективных культур. В ходе этих работ важно установить, играют ли какие-либо виды главенствующую роль в тех процессах, которые протекают в активном иле. Этот аспект часто недооценивается, особенно небиологами. Нередко бывает трудно однозначно установить роль того или иного микроорганизма. Например, если из системы по переработке отходов выделены Thiobacilhts, окисляющие соединения серы, то это еще не означает, что вся активность такого рода определяется именно этими микроорганизмами: частичное окисление ряда соединений серы осуществляют и виды Pseudomonas.

Взаимосвязи между организмами, участвующими в катаболизме органических и неорганических субстратов, имеют важное значение для регуляции процессов, происходящих в активном иле. Промежуточные продукты метаболизма у одного вида бактерий способны оказывать влияние на процессы деградации у другого. Например, фенол подавляет активность организмов, окисляющих аммиак: он может ингибировать этот окислительный процесс даже при столь малых концентрациях, как 3 – 4 мкг/л.

Промежуточные продукты расщепления бензойной кислоты до катехола, сукцината и ацетата ингибируют образование ферментов, участвующих в начальных этапах расщепления. Катехол и сукцинат подавляют синтез ферментов, разрушающих бензоилформиат и бензальдегид, по механизму обратной связи, а ацетат действует как катаболитный репрессор: наличие простого органического соединения подавляет расщепление более сложных молекул до тех пор, пока это более простое соединение не будет использовано. Когда ингибирование снимается, синтезируются новые ферменты, ответственные за расщепление более сложных ароматических структур. На практике при наличии в отходах гомологичных рядов каких-либо соединений необходимо образование ферментов, способных справиться с расщеплением самой сложной молекулы данного ряда Полное расщепление таких соединений должно происходить в течение определенного минимального времени удержания (нахождения, отходов в реакторе) в процессе переработки. Следовательно, можно предсказать, какая обработка потребуется для окисления фенольных соединений; например, чем сложнее боковая цепь молекулы, тем больше времени необходимо для ферментативного разрушения этого вещества.

Эффективность данного процесса можно повысить, изучив механизмы регуляции метаболизма в микрофлоре систем с активным илом. Регуляция биодеградации - это сложная задача. Однако, зная биохимию соответствующих процессов, мы, по-видимому, сможем вмешиваться и в их регуляцию. Например, добавление к илу промежуточных продуктов цикла трикарбоновых кислот в низких концентрациях (2-5 мг/л), глюкозы, аминокислот и витаминов (в частности, аланина и никотиновой кислоты) приводит к ускорению окисления ряда соединений. Введение этих промежуточных продуктов в состав биомассы увеличивает энергетические потребности системы, стимулирует синтез АТР за счет усиленного окисления неорганических веществ типа серы или аммиака. Понимание биохимии подобных процессов, видимо, даст возможность вмешиваться в процессы регуляции метаболизма

Задача микробиолога-биотехнолога при разработке методов очистки сточных вод состоит в более полном изучении и учете взаимосвязи между активностью микроорганизмов, образованием хлопьев ила и производительностью установки по переработке отходов. В этом смысле превращения в системе активного ила следует рассматривать в основном как окислительные процессы во влажной среде, сопровождающиеся увеличением объема ила, которое можно расценивать как вредное или полезное (последнее - когда ил используется повторно). Совершенно очевидно, что биологический способ переработки пригоден для множества различных органических и неорганических соединений и устраняет их вредное воздействие на окружающую среду.

Акт о защите среды от загрязнений от 1994 г. по мере претворения его в жизнь будет оказывать все возрастающее влияние на технологию очистки сточных вод. Термин "биодеградация" используется сейчас очень широко, но имеет множество толкований. Иногда под биодеградацией понимают полную минерализацию какого-либо соединения микроорганизмами с образованием углекислого газа, сульфата, нитрата и воды - это одна крайность. Другая крайность состоит в том, что данный термин используют применительно к незначительным изменениям соединений, приводящим к утрате ими некоторых характерных свойств. Стандартные методы оценки деградации позволяют определить термин "биодеградация" следующим образом:

1) первичная деградация, при которой  характерные свойства исходного  соединения утрачиваются и перестают  выявляться специфическими химическими  тестами;

2) допустимая для окружающей  среды биодеградация, при которой  происходит минимальное изменение  исходного соединения, необходимое  для утраты его свойств (оба  этих определения основаны на  произвольных критериях, и поэтому  неточны);

3) окончательная биодеградация, включающая  полное превращение исходного  соединения в неорганические  конечные продукты и связанная  с нормальными процессами метаболизма  микробов.

Анаэробное разложение. Все возрастающая стоимость переработки отходов с помощью аэробного разложения и энергетический кризис, с одной стороны, и новые достижения микробиологии и технологии - с другой, возродили интерес к анаэробной переработке. Самая распространенная технология анаэробной переработки - разложение ила сточных вод. Эта хорошо разработанная технология с успехом используется с 1901 г. Однако здесь существует ряд проблем, обусловленных малой скоростью роста облигатных анаэробных метанобразующих бактерий, которые используются в данной системе. К ним относятся также чувствительность к различным воздействиям и неприспособленность к изменениям нагрузки. Конверсия субстрата также происходит довольно медленно, и поэтому обходится дорого. Некоторые проблемы связаны с неудачными инженерными решениями. Тем не менее, этот подход представляется перспективным с точки зрения биотехнологии; например, можно добавить к отходам ферменты для повышения эффективности процесса или попытаться усилить контроль за переработкой путем изменения тех или иных биологических параметров.