БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД

Применяемые в настоящее время схемы и методы очистки сточных вод весьма разнообразны и среди них едва ли не самое значительное место отведено биологическим, так как биологическая очистка – это, прежде всего, деструкция чуждых природной воде соединений.

ПОДРОБНЕЕ О БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКЕ

Значительная часть углерода органических соединений в результате такой деструкции переводится в углекислоту и в живые клетки бактерий, которые сами по себе уже безвредны и часто даже полезны окружающей среде, поскольку могут быть источником всех питательных элементов, необходимых почве.

Однако, хорошо известно, что сброс неочищенных или недостаточно очищенных сточных вод в открытые водоемы приводит к нарушению в них экологического равновесия. В лучшем случае это сопровождается перестройкой биоценоза водоема с развитием наиболее толерантных форм, а в худшем, -  заканчивается полной гибелью аэробных организмов и развитием процессов гниения.

На современном сложном в экологическом отношении этапе развития химической технологии получения поливинилхлорида (далее по тексту ПВХ) радикальным решением проблемы очистки сточных вод является полное исключение сброса их в водоем, путем разработки технологии и технических средств очистки отработанных вод до таких концентрации примесей, которые позволяют возвращать очищенные воды в производственный цикл.

При очистке промышленных сточных вод возникают микроорганизмы, измененные в биохимическом отношении.

Сущность процесса биологической очистки состоит в том, что растворенные органические вещества потребляются микроорганизмами, причем часть органических веществ окисляется, а часть трансформируется в биомассу.

К сточным водам производства ПВХ относится вода, отработанная в процессе полимеризации винилхлорида, различные виды конденсатов, образующихся на стадиях дегазации ПВХ и улавливания незаполимеризовавшегося винилхлорида, а также вода после промывки технологического оборудования на всех стадиях производства.

Наибольшее количество сточных вод образуется при полимеризации винилхлорида суспензионным способом, так как большая часть участвующей в процессе полимеризации воды выделяется на центрифуге в виде фугата (маточника).

СХЕМА ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ПРОИЗВОДСТВА ПВХ

На изучаемом нами производстве поливинилхлорида количество сточных вод составляет около 540 м3/сутки. Образованная смешанная вода является кислотой, загрязненной органическими соединениями и остаточным катализатором из реактора с псевдоожиженным слоем. Сточные воды, подлежащие очистке, представляют собой соединение трех источников:

1)    Оксихлорирование этилена для производства дихлорэтана:

C2H4+  O2 + 2Hl → CH2CH2Cl +H2O;                                                             (1)

2) 5% раствор каустической соды для нейтрализации сточной воды;

3)конденсированная вода.

Действующая и функционирующая установка физико-химической очистки сточных вод происходит в три этапа (рис.1):

1)    Нейтрализация 5% раствором каустической соды;

2)    Удаление дихлорэтана и легкой хлорорганики с непосредственным нагнетанием пара;

3)    Физико-химическая очистка для удаления остатков катализатора.

Рисунок №1. Схема существующей технологической схемы очистки сточных вод производства ПВХ.

Данные таблицы №1 характеризуют эффективность работы блока физико-химической очистки стоков. Анализируя концентрации химических соединений можно сделать вывод, что необходима доочистка биологическим способом.

Эффективность работы блока физико-химической очистки стоков

Таблица №1

Наименование загрязняющего компонента Единица измерения Показатели сточной воды после установки физико-химической очистки Показатели сточной воды, которые необходимо достигнуть для повторного использования в производстве
Общее содержание органического углерода мг углерода/л 1312,70 1500
Этиленгликоль мг/л 1400 250

Муравьиная / метановая кислота

мг/л 5000 2500
ХПК мг О2/л 3750 1200
БПК полн мг О2/л 3330 2160

Основные загрязняющие вещества в сточных водах - этиленгликоль и муравьиная кислота обнаруживаются в достаточно высоких и неприемлемых для биологической очистки концентрациях.

Рассмотрим химические свойства загрязняющих веществ и рассмотрим методы нейтрализации.

Этиленгликоль НО-СН2-СН2-ОН – двухатомный спирт, простейший представитель полиолов (многоатомных спиртов) представляет собой прозрачную бесцветную жидкость. Допустимая концентрация для биологической очистки 1000 мг/л, степень очистки 65% , обладает сладковатым вкусом, токсичен. Содержание в сточных водах - 1400мг/л.

Муравьиная кислота НСООН- представляет собой не окрашенную жидкость, растворимую в воде, бензоле, ацетоне. Безопасной и оказывающей раздражающий эффект считается концентрация до 10%, большая концентрация обладает уже разъедающим эффектом. Содержание в сточных водах - 5000мг/л, допустимая концентрация для биологической очистки- 300мг/л, степень очистки составляет 85%.

Раствор муравьиной кислоты – это электролит, при ее растворении в воде происходит процесс электролитической диссоциации:

  • НСООН → НСОО+ Н+  (2)

При этом кислотность воды повышается и для нейтрализации необходимо добавить раствор, обладающий щелочной реакцией, к таким растворам относятся:

  • нашатырный спирт – водный раствор аммиака, содержащий гидрооксид аммония NH4OH. При его взаимодействии с муравьиной кислотой происходит реакция нейтрализации: HCOOH + NH= HCOON4 +H2O (3)
  •  водный раствор питьевой соды – гидрокарбонат натрия NaHCO3, при этом происходит реакция нейтрализации: HCOOH + NaHCO3 = HCOONa + H2O + C (4)

Цель исследований – интенсификация работы установки биологической очистки для удаления высококонцентрированных сточных вод и ускорения процесса очистки от основных загрязняющих веществ - муравьиной кислоты и этиленгликоля.

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОЧИСТКИ ПРОМЫШЛЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД

В лабораторных условиях нами был поставлен эксперимент. В высококонцентрированные сточные воды, содержащие этиленгликоль, вводились микроорганизмы рода Arthrobacter, обеспечивая плотность посева 10÷ 10кл/мл. Следует отметить, что в сточных водах, поступающих на биологическую очистку, наблюдается недостаток азота и фосфора. Поэтому необходимо на входе сточных вод в аэробные реакторы предусмотреть установку биоподпитки для дозирования растворов аммонийного азота NH4NO3 в количестве 0,12÷0,48 г/л и фосфора Na2 NPOв количестве 0,4÷0,8 г/л, обеспечивая необходимое для жизнедеятельности микроорганизмов соотношение по углероду: азоту: фосфору как 100: 5:1.

Концентрация этиленгликоля в сточных водах, содержание источников азота и фосфора в каждом конкретном опыте приведены в табл. №2. Для осуществления опыта сточные воды производства ПВХ, содержащие 1400 мг/л этиленгликоля, разбавляем в соотношении 1:10 (опыт №1), в других опытах (опыт №2, 3, 4, 5) сточные воды используем без разбавления с содержанием этиленгликоля 2000÷3800мг/л. Очистку стоков при активном перемешивании воздухом осуществляем активным илом при концентрации 3 г/л. Для очистки сточных вод, согласно предлагаемому способу, вводим микроорганизмы – деструкторы Arthrobacter simplex 677, Arthrobacter variabilis 677. Процесс очистки проводим в течение 10 суток в аэробных условиях при непрерывном культивировании микроорганизмов в реакторе-ферментаторе объемом 5 литров. Исходную плотность инокулята принимаем 30 г/л, скорость разбавления 0,1ч-1. Расход воздуха 2,5 л/ч, что обеспечивает содержание растворенного кислорода в воде не менее 5 ÷ 7 мг/л. Температуру процесса поддерживаем по аналогии с температурой поступающих производственных сточных вод T= 20 ÷ 40o C. Результаты опытов сравниваем по степени очистки, химическому потреблению кислорода, остаточным концентрациям этиленгликоля и степени очистки. Период адаптации Лаг-фазу в предлагаемом способе получаем при изучении зависимости скорости роста микроорганизмов от концентрации этиленгликоля.

Создание комплекса специфической микрофлоры активных илов методом направленной адаптации является эффективным средством интенсификации биохимического процесса очистки сточных вод химических производств.

Специфическая микрофлора активного ила создается стабилизацией технологического режима работы очистных сооружений биологической очистки на заданном уровне в течение длительного периода времени по всем основным технологическим параметрам. Результаты опытов предоставлены в табл. №3.

Для определения кривой роста микроорганизмов деструкторов этиленгликоля рода Arthrobacter засеваем с плотностью 108 кл/мл в питательную среду, объемом 100мл, приготовленную на этиленгликолевой воде, и выращиваем в колбах Эрлинмейера при периодическом режиме в течении 24 ÷ 48 ч при температуре Т=20 ÷40оС. Значение химического потребления кислорода получаем по известной методике технологического контроля работы очистных сооружений, этиленгликоля определяем фотометрическими методами, степень очистки сточных вод от этиленгликоля определяем по остаточному количеству этиленгликоля в процентах от исходного его количества. Результаты опытов предоставлены в табл. №3.

При концентрации этиленгликоля в сточной воде более 1000 мг/л активный ил погибает, процесс очистки полностью отсутствует. Опыты очистки сточных вод загрязненных этиленгликолем в концентрации 1400 мг/л активным илом закончились гибелью организмов биоценоза ила и показали невозможность классического способа в данной ситуации. Предлагаемый метод использования микроорганизмов-деструкторов Arthrobacter показал хорошие результат и высокую степень очистки. Как показывают исследования, предлагаемая технологическая схема реконструируемых очистных сооружений производительностью 540м3/сут работоспособна и может обеспечивать заявленную степень очистки по загрязняющим веществам, и интенсификацию процесса очистки путем использования микроорганизмов-деструкторов этиленгликоля Arthrobacter.

При адаптации к поступающим на очистные сооружения промышленным сточным водам наблюдается изменение типа питания микроорганизмов активного ила. Причем, с увеличением концентрации основных загрязняющих веществ в смешанном стоке на входе в аэротенк эти изменения становятся все более глубокими.

Таким образом, под специфической микрофлорой активного ила будем понимать комплекс микроорганизмов, тип питания которых перестроен таким образом, что основные загрязняющие вещества данного смешанного стока являются источником элементов, необходимым для жизнедеятельности указанных выше микроорганизмов.

Характеристика микрофлоры активных илов, очищающих сточные воды производства поливинилхлоридов, до и после формирования специфической микрофлоры

Таблица № 3

Микроорганизмы Активный ил в начальный период формирования специфической микрофлоры Активный ил со сформированной специфической микрофлорой
Количество бактерий в 1г ила % от общего количества Количество бактерий в 1г ила % от общего количества

Сапрофиты 
Нитрифицирующие: 
1-й фазы 
2-й фазы 
Денитрифицирующие 
Окисляющие специфические загрязнения промышленного стока

1000

900

900

85

33

34,3

30,8

30,8

2,9

1,2

1350

36

450

85

250

62,2

1,6

20,7

2,9

11,5

Известно, что скорость роста бактерий чрезвычайно велика и практически любой процесс, идущий с выделением свободной энергии, может быть использован ими, спектр веществ, которые служат пищей для бактерий, довольно разнообразен.

Основные задачи, которые ставятся при моделировании процессов биологической очистки промышленных сточных вод, связаны с изучением:

  1. биоценозов активного ила и селекционных культур бактерий деструкторов
  2. биохимической активности микроорганизмов
  3. условий среды, определяющих развитие микробных биоценозов

Анализ водно-химического баланса предприятия производства ПВХ показывает возможность повторного использования значительного количества очищенных промышленных сточных вод в производстве электролиза.

 Характеристика предлагаемого метода очистки промышленных сточных вод специфической микрофлорой активного ила Arthrobacter

Таблица №2

№ опыта

п/п

Кол-во Этиленгликоля в сточ. водах мг/л

ХПК сточ. вод мгО2/л

 

 

 

Кол-во азота в перерасч ете на NH44,мг/л

 

 

Кол-во ист. фосфора в перерасч ете на PO4-3 мг/л

 

 

Период адаптации

(лаг-фаза)

 

 

Продолжительность цикла процесса очист. ч.

Остаточная концентрация ЭГ в очищенной воде, мг/л

ХПК очищенной воды, мгО2

 

 

Степень очистки %

 

 

1

200

300

10

20

504 ч

12

 

17

 

25

91

2

2000

3000

80

200

Активный ил поги бает.

 

2000

3000

0

Предлагаемый способ очистки при помощи специфических бактерий деструкторов Этиленгиколя

3

4

5

2000

2700

3800

3000

4050

5100

80

105

130

200

300

350

48

48

48

150

200

270

225

300

405

92

92

92

ВЫВОДЫ

Замкнутый цикл оборотного водоснабжения значительно снижает потребление чистой воды, снижает нагрузку на общезаводские производственные очистные сооружения за счет того, что требования к технической воде в водооборотных системах, как правило, менее жесткие, чем при поступлении в систему промышленной канализации и подаче их на общезаводские очистные сооружения. Эффективность использования воды на предприятии по производству ПВХ оценивается по трем показателям:

  • Техническое совершенство системы водоснабжения оценивается количеством использованной оборотной воды Роб %:

Роб =Qоб / ( Qоб + Qист ) (5)

где Qоб - количество воды используемое в обороте;

Qист  – количество воды, забираемое из источника водоснабжения.

  • Рациональность использования воды, забираемой из источника чистой воды оценивается коэффициентом использования Кист :

Кист = (Qист – Qсбр) / Qист ≤ 1  (6)

где Qсбр – количество воды сбрасываемой в водо ем.

  • Потери воды находим по формуле:

Рпот = × 100 (7)

где Qпосл – количество воды, используемой в производстве последовательно.

Наличие водооборотной системы водного хозяйства является одним из важнейших показателей технического уровня химических промышленных предприятий. Внедрение новой системы полной биологической очистки сточных вод производства ПВХ со специфическими микроорганизмами активного ила позволяет резко снизить количество сбрасываемых сточных вод и уменьшить потребности в свежей воде, что дает большой экологический и экономический эффект.

Создание оборотных систем водного хозяйства химических предприятий базируется на следующих принципах:

  1. Водоснабжение и канализация должны рассматриваться в совокупности, когда на предприятии создается единая система, включающая водоснабжение, водоотведение и очистку сточных вод, как подготовку для повторного использования в производстве.
  2. Для водоснабжения основными являются очищенные производственные сточные воды. Свежая вода из водоисточников должна использоваться только для особых целей и для восстановления потерь.
  3. Очистка должна сводиться к регенерации отработанных технологических растворов и воды, с целью их повторного использования в производстве электролиза.

В заключении следует отметить следующее, что очистные сооружения биологической очистки широко используются для обеззараживания промышленных сточных вод. В биологические очистные сооружения поступают, как правило, промышленные сточные воды сложного состава. Для интенсификации процесса очистки на оптимальном уровне большое значение имеют локальные очистные сооружения, позволяющие улучшить условия работы общезаводских очистных сооружений.

Интенсификация биохимических процессов очистки промышленных сточных вод позволяет в значительной степени повысить технико-экономические показатели работы общезаводских сооружений очистки.

Анализ кинетики биохимического окисления загрязняющих веществ сточных вод определил наиболее весомые факторы, влияющие на интенсивность процесса в аэротенках, основными из них являются:

  • Зависимость усвоения органических загрязнений от способности по адаптации микрофлоры к поступающим концентрациям загрязнений и активности ферментов, необходимых для окисления загрязнений.
  • Избирательность микроорганизмов которая проявляется при культивировании адаптированных культур, с учетом которой разрабатывается математическая модель очистных сооружений.

Статья создана на основании исследования А.С. Тарасова – ведущего инженера-технолога отдела очистных сооружений ООО НПО «Агростройсервис», аспиранта кафедры водоснабжение и водоотведение ННГАСУ; А.Л. Васильева – д.т.н., профессора, заведующего кафедрой водоснабжения и водоотведения ННГАСУ.

Другие статьи