ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Кафедра геоэкологии Реферат По дисциплине: Экология (наименование учебной дисциплины согласно учебному плану) Тема: Биологическая очистка сточных вод Автор: студент гр. РГИ-20 ______________ (подпись) Бударов А.Д. (Ф.И.О.) Дата: ПРОВЕРИЛ доцент _____________ / Кузнецов В. С. / (должность) (подпись) (Ф.И.О.) Санкт-Петербург 2024 год СОДЕРЖАНИЕ Оглавление Введение .............................................................................................................................3 Глава 1 Метод биологической очистки ...........................................................................5 Глава 2 Основные типы установок биологической очистки .........................................8 Глава 3 Метод биологической очистки на примере пивного производства ..............11 Заключение .......................................................................................................................15 Список литературы ..........................................................................................................16 2 ВВЕДЕНИЕ Очистка сточных вод – важная проблема для человечества в наши дни. Вместе с водой в гидросферу и подземные воду поступают продукты производственной и хозяйственно-бытовой деятельности человека. Отходы, как правило, содержат огромное количество болезнетворных микроорганизмов: бактерий и грибков, а также нередко несут в себе опасные по своему токсикологическому воздействию неорганические вещества – тяжелые металлы, накапливающиеся в живых организмах: алюминий, кадмий, ртуть, хром, медь, свинец, никель, серебро, цинк. Список загрязняющих веществ можно продолжать бесконечно. Сточные воды принято классифицировать, разделяя на 3 группы: ливневый сток, промышленный сток и хозяйственно-бытовой сток. В то время как сток, сформированный осадками и талыми водами, не представляет экологической угрозы окружающим биоценозам, бытовые и промышленные воды способны свести на нет жизнедеятельность многих организмов, и в конечном итоге нанести вред здоровью людей. В наше время все большее количество промышленных производств переходит на закрытую технологию водопотребления. Таким образом, вода, использующаяся в технологическом процессе, не сбрасывается, а поступает обратно на первый этап производственного цикла, и используется заново. Получается, предприятие пользуется определенным и достаточно постоянным количеством воды, которая, циркулируя по предприятию, не загрязняет водные бассейны. Примером такого водопользования может служить горнообогатительный комбинат, твердые отходы которого поступают во взвешенном виде в хвостохранилища и отстаиваются (твердые частицы выпадают в осадок), а осветленная вода поступает обратно на обогатительный комбинат. Однако, закрытую технологию водопотребления очень сложно осуществить для бытовых вод, так как качество оборотной воды не будет соответствовать санитарно-эпидемиологическим требованиям к 3 хозяйственно-питьевому водоснабжению [5]. По этой причине бытовые воды, как правило, сбрасывают в водные бассейны ниже по течению от места водозабора, предварительно подвергая мероприятиям по её очистке. Для очистки бытовых вод иногда используются водохранилища, оснащенные системой медленных фильтров, однако несовершенство и, как следствие, неэффективность технологии, не позволяет данной схеме обрести широкое распространение [1]. В этой связи, растет популярность методов биологической очистки сточных вод, способных повысить эффективность очистки бытовых стоков и оптимизировать затраты на них. 4 ГЛАВА 1 МЕТОД БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ Методы биологической очистки основаны на использовании бактерий, образующих так называемый активный ил, который «поедает» взвешенные и растворенные в воде органические соединения, превращая их в собственную биомассу. Микроорганизмы, использующиеся в биологической очистке, способны питаться находящимися в сточных водах органическими веществами (спирты, кислоты, жиры, белки, углеводы). Азот, необходимый бактериям в их жизнедеятельности, извлекается из аммиака, нитратов и аминокислот, а фосфор и калий – из минеральных солей сточных вод. Типичный вид микроорганизмов, вырабатывающих активный ил бактерия Zoogloea ramigera. Данная бактерия способна выделять в окружающую ее среду полисахаридный гель, который приводит к агрегации микроорганизмов образованию флокул – хлопьевидных скоплений, которые и называются активным илом (Рисунок 1). 5 Рисунок 1 – Микрофотография микроорганизмов активного ила [3]. Образующийся в результате жизнедеятельности микроорганизмов активный ил обладает высоким химическим сродством с суспендированным твердым веществам и коллоидным частицам, за счет чего последние весьма активно присоединяются к флокулам ила. Таким образом, быстрая адсорбция органических веществ флокулами ила является первой стадией разрушения загрязняющего вещества. Затем начинается медленная стадия биологического окисления способных к биодеградации компонентов адсорбированных частиц флокулами ила (Рисунок 2). Рисунок 3 – График зависимости процентного содержания разрушенных и связанных органических веществ от времени Таким образом, скорость развития биоценоза, формирующего активный ил, зависит от состава сточных вод, которые фактически являются для них питательной средой. В свою очередь, скорость размножения действующих бактерий определяет эффективность биологической очистки [1]. В сравнении с другими методами, метод биологической очистки имеет ряд преимуществ, к которым относятся: меньшие эксплуатационные затраты и практически полная безотходность процесса очистки. В отличии от других 6 методов, извлекающих загрязняющие вещества и переводящих их в другие формы, отравляющие в дальнейшем окружающую среду, но в иной локализации, биологический метод обеспечивает полное разложение бытовых стоков до нейтральных продуктов – газ и вода, продолжая естественный круговорот веществ в природе [1]. Биологические методы в общем и целом разделяются на аэробные, где микроорганизмы используют растворенный в сточных водах кислород для активизации процессов своей жизнедеятельности, и анаэробные, где микроорганизмы доступа к кислороду не имеют, или в нем не нуждаются. 7 ГЛАВА 2 ОСНОВНЫЕ ТИПЫ УСТАНОВОК БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ АЭРОБНЫЕ МЕТОДЫ АЭРОТЕНКИ И БИОФИЛЬТРЫ Аэротенки и биофильтры – основные предствители установок аэробного метода биологической очистки. Аэротенк – это проточный аэрируемый биологический реактор, в котором в результате жизнедеятельности микроорганизмов образуется активный ил, который и является главным агентом биологического очищения. Аэротенк представляет собой узкий длинный канал или коридор, продвигаясь покоторому, ил сорбирует органические и минеральные вещества и разлагает их. Те вещества, которые могут быть переработаны, становятся источником питания для илообразующих микроорганизмов, и, таким образом, биомасса ила увеличивается, а вместе с ней – и его суммарная сорбционная емкость. Распределение поступающего потока по длине аэротенка приближает его механизм работы к емкостному реактору с полным перемешиванием. Биофильтр представляет собой герметичную установку, заполненную активной биомассой, образующей биологические пленки разнообразного видового состава. Именно разнообразие видового состава биопленок повышает устойчивость системы очистки, так как обеспечивается соответствие поступающих со стоком питательных веществ потребностям потребляющих их микроорганизмов. Качество субстрата обуславливает формирование биоценоза по ходу потока и создание оптимальных условий для очистки сточных вод. При эксплуатации биофильтров не наблюдается пенообразование, вспухание активного ила и вынос его из сооружения [1]. Аэробный реактор, как правило, соединяется с отстойником, предназначенным для осветления воды. Тот ил, что осел в отстойнике, заново поступает в аэрационную камеру и биологический реактор, заново проходя цикл очистки. Таким образом среднее время пребывания ила в цикле, что делает его микроорганизмы более адаптированными к поступающей 8 питательной среде, повышая эффективность очистки. Сам ил должен находиться в биореакторе до тех пор, пока не окислятся все адсорбинованные в нем органические вещества [3]. Рисунок 2 – Схема процесса очистки с участием активного ила А) со ступенчатой подачей стоков Б) с контактной стабилизацией (реаэрацией ила) Схема очистки с использованием аэробного биореактора представлена на рисунке 1. 9 Рис. 1 – Схема очистки воды с участием активного ила. Анаэробные методы биологической очистки реализованы рядом очистных установок по типу септиктенков, сбраживателей и биофильтров с обратной фильтрацией, популярностью которые, вследствие однако, высокой не пользуются стоимости большой капитальных и эксплуатационных затрат, ограничений по составу очищаемого субстрата, а также трудоемкости процесса периодической промывки биофильтров. 10 ГЛАВА 3 МЕТОД БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ НА ПРИМЕРЕ ПИВНОГО ПРОИЗВОДСТВА В современном мире пиво занимает пятое место в мире по потреблению напитков (после чая, газировки, молока и кофе). Неудивительно, что пивоваренная промышленность сопровождается образованием огромного количества загрязняющих окружающую среду веществ, к которым относятся побочные продукты в виде отработанного зерна или избыточной массы дрожжей, а также огромное количество поступающих в сточные воды моющих и дезинфицирующих веществ. Основными характеристиками сточных вод пивоваренной промышленности являются: pH, ХПК и БПК5. Сточные воды пивоваренной промышленности отличаются высокими концентрациями органических загрязнений (ХПК 5-7 тыс. мг/д3). Аэробная очистка аэротенками в таких условиях имеет ряд недостатков, затрудняющих эксплуатацию традиционных установок: Необходимость разбавления сточных вод приводит к огромному водопотреблению Высокие энергозатраты на аэрацию сточных вод Необходимость в утилизации избыточной биомассы активного ила И так далее Для устранения перечисленных недостатков зачастую применяется сочетание аэробных и анаэробных методов очистки, реализующееся в виде систем интегрированных аэробно-анаэробных биореакторов. При этом, в анаэробном реакторе большая часть ХПК преобразуется в биогаз, а при последующей аэробной обработке удаляется до 98% ХПК и биогенных элементов [2]. Интегрированные аэробно-анаэробные биореакторы применительно к пивоваренной промышленности обладают большим числом 11 преимуществ перед традиционными аэробными установками по типу аэротенков: Возможность применения выделяющегося в анаэробном реакторе биогаза в качестве источника энергии в котельных Положительный энергетический баланс Уменьшенное количество образующегося осадка Небольшие площади очистных сооружений Для очистки сточных вод пивной промышленности также активно применяются технологии мембранной фильтрации (MBR-реакторы), биореакторы с псевдоожиженным слоем (FBR) и микробный топливный элемент (MFC). Мембранные реакторы (MBR) показали свою высокую эффективность в очистке сточных вод. В частности, мембранная нанофильтрация способна показать результат в удалении 99.55% ХПК, что является достаточным показателем для очистки сточных вод. Однако, метод мембранной фильтрации имеет серьезный недостаток – он ограничен объемом поступающих сточных вод и содержанием в них взвешенных и растворенных веществ, которые необходимо предварительно удалять с помощью активного ила. 12 Рисунок 2 – Традиционная схема очистки сточных вод (а) и схема очистки с помощью MBR (б) Биореактор с псевдоожиженным слоем (FBR) основан на очистке сточных вод на поверхностях и в объеме биопленок, образованных активной биомассой. В качестве носителя биопленок используются измельченные полиэтилен и экстендосферы с активным объемом до 25%. Организованный таким образом биореактор способен показывать эффективность в удалении 90% загрязнений по ХПК. 13 Рисунок 3 – Мелкомасштабный (лабораторный) биореактор с псевдоожиженным слоем. А – схематическое представление настройки системы. B – прототип sFBB: 1 – входные трубки, 2 – распределитель из спеченного стекла, 3 – стеклянная колонка, 4 – выходные трубки. Микробный топливный элемент (MFC) – это система, сочетающая анаэробную очистку преобразовывать с анодно-катодными окисляемые субстраты элементами, в позволяющая электронный поток и восстанавливать их металлов, водорода, нитратов и сульфатов. Рисунок 4 – Схема работы микробного топливного элемента Современные тенденции очистки сточных вод с использованием мембранной фильтрации и микробного топливного элемента способствуют эффективному извлечению загрязняющих веществ из сточных вод, а последняя технология позволяет также производить электроэнергию. Данные способы очистки были успешно протестированы в лабораторных условиях, однако их применение в полном масштабе лимитируется объемом поступающих сточных вод и содержанием взвешенных веществ [2]. 14 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Таким образом, данная работа освещает проблему актуальности методов применения биологической очистки сточных вод. Был рассмотрен процесс биологической очистки сточных вод с помощью специальных микроорганизмов. Способных к синтезу главного компонента активного ила – полисахаридного геля. Представлены основные аэробные установки очистки сточных вод, базирующиеся на применении активного ила – аэробные биореакторы, аэротенки и биофильтры. Помимо этого, работа затрагивает специфику применения биологических методов очистки сточных вод в пивоваренной промышленности, показывает эффективность представленных установок в данной отрасли производства и приводит примеры иных, более удовлетворяющих специфическим требованиям пивоваренного производства, технологий биологической очистки сточных вод. В заключение можно сказать, что биологическая очистка сточных вод, основанная на использовании активного ила, является жизнеспособной и перспективной технологией, внедрение которой позволяет минимизировать количество выпускаемых в гидросферу загрязняющих веществ при низких эксплуатационных затратах. Помимо этого, данная технология предусматривает полную переработку загрязняющих веществ в природные компоненты – воду и газ, которые продолжают естественный круговорот веществ в природе. Единственный выделяющийся при данном методе компонент – активный ил, при повышенных объемах своего выделения может извлекаться и в дальнейшем использоваться в качестве сельскохозяйственного удобрения. 15 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Павлович, М. С., Андреевич, А. И., & Maksimov, S. (2014). ОБЗОР МЕТОДОВ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД. Технические Науки - От Теории к Практике, 8. 2. Лукашевич С. О., Маркевич Р. М. Биологическая очистка сточных вод пивного производства // Труды БГТУ. Сер. 2, Химические технологии, биотехнологии, геоэкология. 2022. № 1 (253). С. 66–79. 3. Биологическая очистка сточных вод. Мосин О.В. [Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://www.o8ode.ru/article/planetwa/oprecnenie/biologi4eckaa_o4ictka_cto4ny h_vod.htm (дата обращения 12.12.2014). 4. Степанов С. В., Авдеенков П. П., Пономаренко О. С., Морозова К. М. Результаты исследований физико-химической очистки сточных вод предприятий по переработке яиц. Водоснабжение и санитарная техника, 2022, № 5, с. 32-39. DOI: 10.35776/VST.2022.05.04. 5. СанПиН 2.1.3684-21 "Санитарно-эпидемиологические требования к содержанию территорий городских и сельских поселений, к водным объектам, питьевой воде и питьевому водоснабжению, атмосферному воздуху, почвам, жилым помещениям, эксплуатации производственных, общественных помещений, организации и проведению санитарно-противоэпидемических (профилактических) мероприятий". 16
