Что относится к анаэробным процессам очистки сточных вод
Добро пожаловать в Юнипедию
Вы сможете найти любую информации по автономным системам очистки сточных вод торговой марки ЮНИЛОС
Анаэробная очистка сточных вод – общая информация
Применение анаэробных реакторов или метантенков оказалось весьма эффективным на промышленных и бытовых очистных станциях. Данная методика превосходит прочие способы первичной очистки по экономическим и экологическим показателям. Помимо прочего, для некоторых видов стоков (ХПК более 2000 мг/л) только анаэробная очистка является единственным способом, при котором удаляется до 90% загрязнений. Для более эффективной очистки воды прибегают к многоуровневой очистке с использованием анаэробных и аэробных микроорганизмов.
Современные биореакторы имеют достаточно понятный принцип работы. Они представляют собой герметичный резервуар, не имеющий сообщения с кислородной средой. Внутри резервуара располагается активный ил – макроколонии анаэробных микроорганизмов. Развитие биомассы в бескислородной среде происходит медленно, поэтому сохранение имеющейся популяции очень важно для эффективности процесса очистки.
Большая часть активного ила находится на дне реактора, но присутствуют микроорганизмы и в верхних слоях воды в виде взвеси. Анаэробный активный ил, чаще называемый метаногенным, представляет собой плотные 2-3 мм гранулы. Это и есть сообщества микроорганизмов. Каждая гранула содержит разное количество тех или иных микроорганизмов, среди наиболее распространенных можно отметить археи разных родов и метаносарцины. Последние чаще встречаются в высококонцентрированных стоках.
Кроме компактных очистных установок, используемых при создании автономных канализационных систем в частных домах, существуют промышленные комплексы анаэробной очистки. К таковым можно отнести:
При очистке резервуаров, в которых осуществляется анаэробная деструкция биоматериалов, возникает необходимость удаления части активного угля. Опорожнение емкостей может осуществляться при помощи ассенизаторских машин или вручную. Ил не имеет каких-либо патогенных или токсичных свойств, абсолютно безвреден для человека и животных. При наличии специального оборудования, например, сушильных (мелкоячеистых) центрифуг, из его излишков можно изготавливать иловый концентрат для дальнейшей реализации. Кроме этого, анаэробный ил богат минеральными элементами и может использоваться в качестве удобрений или для подкормки животных.
Анаэробная очистка сточных вод
Химические предприятия потребляют много сточных вод, сбрасывая впоследствии большое количество сильно загрязненных жидкостей. Таким образом, задача рационального комплексного применения водных ресурсов сегодня стоит особенно остро и является важной технической, экономической и технологической задачей. Один из методов анаэробная очистка сточных вод.
Почему сточные воды нужны очищать?
В сточных водах содержатся различные примеси, коллоидные и грубодисперсные частицы, минеральные, органические, биологические вещества. Чтобы сточные воды не оказывали негативного влияния на экологию, загрязняя окружающую среду, перед их сбросом нужно обязательно проводить очистку, главная задача которой – обеззараживание, осветление, дегазация, дистилляция, умягчение. Очистка сточных вод, загрязненных различными химическими веществами, производится разными способами. Самые популярные среди них – механические, химические, физико-химические и биологические.
Что собой представляет биологическая очистка сточных вод
Биологическая очистка производится с применением органических веществ. Данная методика основывается на способности микроорганизмов утилизировать растворенные в сточных водах органические вещества. Потребление органики происходит в присутствии и отсутствии кислорода.
Методы биологической очистки
Методы биологической очистки – аэробный и анаэробный. Анаэробный проводится при отсутствии контакта с кислородом. Благодаря доступной стоимости и высокой эффективности, данная методика пользуется максимально широким спросом в современной промышленности.
Методы аэробной очистки сточных вод: как происходит очистка сточных вод в аэробных условиях
Процесс обеззараживания загрязненных сточных вод с участием аэробных микроорганизмов проходит при условии постоянного доступа кислорода (именно от кислорода зависит жизнедеятельность органических веществ). Сам процесс очистки протекает в биореакторе или аэротенке (специальная емкость из пластика, металла или бетона). В резервуаре на незначительном расстоянии от днища располагаются сита и щетки – они выполняют роль основы для размещения колоний аэробных бактерий.
Для обеспечения постоянного доступа кислорода на дне емкостей прокладываются аэраторы – специальные трубки с отверстиями. Воздух, который проходит по ним, насыщает стоки кислородом и тем самым создает необходимые для жизнедеятельности и роста аэробов условия. Поскольку процессы окисления органических веществ сопровождаются выбросом больших объемов энергии, рабочая температура внутри аэротенка может заметно повышаться.
Для нормальной систем рассматриваемого типа нужна сложная система электроники. Она способствует поддержанию необходимых для жизнедеятельности аэробных бактерий условий.
Особенности процессов биологического очищения анаэробным способом
Анаэробная очистка применяется преимущественно для удаления осадка, ила и прочих загрязнений сточных вод. Также она используется для переработки других видов осадков, твердых отходов. Септики представляют собой подземные, герметично закрытые горизонтальные емкости, на дне которых образуется твердый осадок. Впоследствии он гниет и разлагается. Происходят данные процессы именно благодаря воздействию анаэробных микроорганизмов.
Главная задача септика анаэробной установки – отделение растворимых частиц жидкости от нерастворимых и разложение загрязнений посредством обработки анаэробными микроорганизмами. Преимущество анаэробных очистных систем – незначительное образование биомассы вредных микроорганизмов. Использовать метод целесообразно при невысоком уровне грунтовых вод.
Методы анаэробной очистки. Анаэробная биологическая очистка сточных вод
Процессы анаэробной очистки воды происходят в метантенках и биореакторах (данные установки являются герметичными). Материалы изготовления емкостей – металл, пластик, бетон. Поскольку для деятельности микроорганизмов кислород не нужен, все процессы очистки протекают без выброса энергии, и температура не повышается. При разложении органических составляющих, которые находятся в воде, численность колоний бактерий остается практически неизменной. Поскольку сложная система контроля за условиями среды в данном случае не требуется, стоимость методики получается сравнительно невысокой.
Главный недостаток анаэробной очистки – образование в результате деятельности анаэробов горючего газа метана. Поэтому конструкции можно устанавливать только на ровных, хорошо продуваемых поверхностях, по их периметру нужно обустраивать газоанализаторы с последующим подключением к системе пожарного оповещения. К слову, анаэробная очистка в большинстве случаев применяется для обслуживания загородных домов и дач в ЛОС.
Схема очистного сооружения и устройство итп (тепловых пунктов) зданий
Анаэробная очистка представляет собой не целостную схему, а только отдельную ступень в сложной системе очистки стоков от различных загрязнений. Схема переработки воды выглядит в очистном сооружении следующим образом:
На выходе из очистной станции может дополнительно устанавливаться отдельное фильтрующее устройство. Оно гарантирует максимальную степень очистки – до 99%. Станции биологической очистки после запуска работают полностью автономно.
Все преобразовательные процессы тесно взаимосвязаны и протекают в емкости анаэробного биореактора в установленном порядке. Любое технологическое нарушение приводит к сбою всех процессов. Поэтому проектирование очистных сооружений должно быть максимально точным – как и их настройка на соответствующую сточную воду.
В зависимости от преобладающего класса органических веществ (имеются в виду сточные водные массы), изменяется и состав биогаза, а также процентное содержание метана в нем. Углеводы разлагаются легко, но долю метана они дают меньшую. При разложении масел и жиров образуется большое количество биогаза со значительным содержанием метана. Процессы разложения протекают медленно. Жирные кислоты – в данном случае побочные продукты разложения масел и жиров – часто становятся дополнительным препятствием для нормального течения процесса разложения.
Самыми современными и совершенными сооружениями, используемыми для сбраживания осадков, являются метатенки. Благодаря их применению, сроки сбраживания заметно сокращаются – ведь искусственный подогрев значительно уменьшает объем сооружений. Сегодня метатенки повсеместно применяются в зарубежной и отечественной практике. Визуально они представляют собой резервуары – железобетонные, цилиндрической формы, с коническим днищем, герметичным перекрытием. Вверху резервуара предусмотрен колпак для сбора и отвода газовых масс. Метатенки оборудуются пропеллерной мешалкой, устанавливаемой в цилиндрической трубе и работающей от электродвигателя, теплообменником, имеющим вид системы труб, патрубками.
Для выгрузки отферментированных масс используется особое устройство – аппарат с вертикальной трубой, сливным патрубком, запорным устройством. Внутрь метатенка осуществляется подача смеси из свежего (сырого) осадка, который находится в первичныз отстойниках, а также активный ил (он попадает после аэротенка во вторичный отстойник). Следующий этап рабочего процесса – сбраживание. Оно бывает термофильным и мезофильным (осуществляется при температуре 50-55 и 30-35 градусов Цельсия). При термофильном сбраживании процессы распада протекают намного быстрее, но уже сброженный осадок воду отдает хуже. Смесь газов, которые выделяются при сбраживании, состоит из метана и углекислого газа в соотношении 7 к 3.
Аэробные и анаэробные методы очистки сточных вод: преимущества
Основные преимущества методик биологической очистки стоков:
Степень очистки составляет 99%, то есть очищенную биологическим способом воду теоретически можно пить, но практически этого лучше не делать. Так как колонии бактерий имеют способность к самовоспроизведению, заменять их достаточно один раз в пять лет.
Природная биологическая очистка
В природе протекают свои процессы биологической очистки вод, но на них уходят годы. Если загрязненные стоки попадают в грунт, они сразу впитываются в почву, где перерабатываются особыми микроорганизмами. При попадании жидкости на глинистые почвы образуется биопруд – в нем сточные воды постепенно под воздействием процесса гравитации осветляются, на дне образуется органический осадок. Но на эти процессы требуется очень много времени – а пока природа сама очищает воду от загрязнений, экологическая ситуация стремительно ухудшается.
Заключение
У анаэробного метода очистки сточных вод есть свои преимущества и недостатки. С одной стороны, в процессе очистки не образуется большое количество активного ила – а значит, его не нужно утилизировать. С другой, применять способ можно только при низких концентрациях субстрата. Около 89% энергии уходит на выработку метана, скорость прироста биомассы низкая. Эффективность очистки рассматриваемым способом высокая, но в ряде случаев стоки все равно доочищаются.
«Анаэробная очистка сточных вод»
· Области применения анаэробной очистки сточных вод
· Микробиологические основы анаэробного сбраживания
· Влияние токсичных веществ и факторов экологии на процесс анаэробного сбраживания
· Конструкции анаэробных реакторов
· Сравнительный анализ эффективности работы аэробных и анаэробных реакторов
Области применения анаэробной очистки сточных вод
Системы анаэробной очистки применяют для сбраживания высококонцентрированных стоков, осадков городских сточных вод, ила, в том числе активного ила очистных сооружений, допускается подача в метантенки других сбраживаемых органических веществ после их дробления (домового мусора, отбросов с решеток, производственных отходов органического происхождения и т. п.). Процессы чаще всего осуществляются в септитенках (септиках) и метантенках.
Микробиологические основы анаэробного сбраживания
Упрощённая стадийная схема анаэробного разложения веществ
На ацетогенной стадии образуются основные непосредственные предшественники метана: ацетат, водород, углекислота. Разложение продуктов кислотогенной стадии осуществляют облигатные протон-восстанавливающие или облигатно-синтрофные бактерии, как правило, нуждающиеся в водородиспользующих партнёрах
Без водородиспользующих метаногенов
С водородиспользующими метаногенами:
2СН3СН2СН2СОО- + НСО3- +Н2О = 4СН3СОО- + СН4 + Н+
Процесс распада органических веществ в анаэробных условиях завершают метанобразующие археи, или метаногены.
4Н2 + СО2 = СН4 + 2Н2О
4НСОО- + 4Н+ = СН4 + 2Н2О + 3СО2
СН3СОО- + Н+ = СН4 + СО2
4СН3ОН = 3СН4 + СО2 + 2Н2О
4СH3NH3+ + 2H2O = 3CH4 + CO2 + 4NH4+
2(CH3)2NH2+ + 2H2O = 3CH4 + CO2 + 2NH4+
4(CH3)3NH+ + 6H2O = 9CH4 + 3CO2 + 4NH4+
По типу используемых субстратов все виды метанобразующих организмов могут быть условно разделены на 3 подгруппы:
1) организмы, использующие Н2 + СО2 (к ним относится большинство метановых архей, некоторые из них способны использовать формиат)
2) метаногены, использующие ацетат
3) метаносарцины, использующие все известные метаногенные субстраты, за исключением формиата
Влияние токсичных веществ и факторов экологии на процесс анаэробного сбраживания
Токсичные вещества влияют на анаэробный процесс так же, как и на аэробный. Анаэробные микроорганизмы не отличаются какой-то особой чувствительностью к токсичным веществам. Поскольку процесс анаэробного разложения основан в первую очередь на действии медленно растущих метаногенных бактерий, то и действие ингибиторов следует рассматривать в связи с этой группой бактерий (приведены в таблице). Как и в других биологических системах, в анаэробном сообществе также может развиваться устойчивость к токсичным веществам.
В таблице приведены такие концентрации токсичных веществ, которые воздействуют на анаэробный процесс
Ингибирование токсичным веществом
При одноразовом внесении
При постоянном внесении
Конструкции анаэробных реакторов
Наиболее общепринятая классификация анаэробных реакторов основана на форме макроструктур метаногенной биомассы в них. По этому принципу все конструкции можно разделить на реакторы со взвешенно-седиментирующей биомассой (илом) и прикреплённой биомассой (биоплёнкой).
Рис.2. Классификация анаэробных реакторов.
Примером первого типа реакторов являются традиционные метантенк, анаэробная лагуна, контактный реактор, UASB-реактор – с восходящим потоком жидкости через слой анаэробного ила, EGSB-реактор – с расширенным слоем гранулированного ила, перегородочный реактор (ABR)/
Ко второму типу относятся биофильтр с нисходящим потоком (DSFF-реактор), реактор с псевдоожиженным слоем (AFB), вращающийся дисковый биофильтр.
Ряд конструкций – анаэробный фильтр с восходящим потоком (AF) и гибридный реактор (AF + UASB) – сочетают в себе элементы обоих типов реакторов.[2]
1 – регулятор, 2 – отражатель, 3 – напорный трубопровод, 4 – уклон 1:4
Септитенки – горизонтальные отстойники закрытого типа, в которых образовавшийся на дне осадок твёрдых частиц перегнивает и разлагается анаэробными микроорганизмами. В них часто сбраживают активный ил вторичных отстойников, осадок первичных отстойников и пену с целью уменьшения её объёма, устранения дурного запаха и количества патогенной микрофлоры. Осадок выдерживают до 4-6 месяцев. В результате разложения органических веществ и уплотнения объём его уменьшается до 50%.
1 — газовый колпак для сбора газа; 2 — газопровод от газового колпака; 3 — пропеллерная мешалка; 4 — трубопровод для загрузки (например, сырого осадка и активного ила); 5 — трубопроводы для удаления иловой воды или выгрузки сброженного осадка с разных уровней; 6 — инжектор подачи острого пара для подогрева содержимого метантенка и перемешивания; 7 — трубопровод выгрузки суспензии твердофазных продуктов сбраживания (например, сброженного осадка); 8 — циркуляционная труба; 9 — трубопровод для опорожнения метантенка.
В метантенках, в отличие от септитенков, осуществляют перемешивание, обогрев, контроль основных параметров (температуры, состава сырья, интенсивности загрузки аппарата др.). Процесс протекает более интенсивно, чем в септитенках. Выделяющийся биогаз собирают и утилизируют. Метантенки работают, как правило, в периодическом режиме загрузки отходов или сточных вод с постоянным отбором биогаза и выгружают твёрдый осадок по мере завершения процесса.
Рис. 3. Анаэробная лагуна.
В анаэробных лагунах стабилизируют отходы, используя естественные процессы.
Рис. 4. Контактный реактор
. Контактный анаэробный реактор является аналогией аэротенкам с аэробной системой активизации ила. Применяется для очистки относительно разбавленных хозяйственно-бытовых стоков со значением ХПК приблизительно 1 300 мг/л.
Рис. 5. Перегородочный реактор.
Представляет собой прямоугольную емкость, разделенную параллельными вертикальными перегородками на ряд отделений. Сток поочередно двигается снизу вверх и сверху вниз, проходя в каждом отделении через формирующейся там слой гранул или флокул биомассы.
В UASB-реакторе (Upfow Anaerobic Sludge Blanket) – реакторе с восходящим потоком через слой анаэробного гранулированного ила – сточная вода вводится снизу через распределительные устройства и проходит вверх через слой гранулированного ила на дне реактора). Слой внизу реактора более плотный (sludge bed), а выше – разреженный (sludge blanket). Скорость движения воды в UASB-реакторе 0,5-2 м/ч. Благодаря движению жидкости и образующихся пузырьков газа обеспечивается перемешивание внутри слоя ила, что способствует протеканию процесса.
реактор с расширенным и взвешенным слоем гранулированного ила. В нем скорость восходящего потока в несколько раз выше (4-12 м/ч), что обеспечивается рециркуляцией стока или большим соотношением высота/диаметр. Это обеспечивает лучшие условия перемешивания слоя ила с меньшими застойными зонами, ускоряет транспорт субстратов и продуктов реакций внутри агрегатов. Ил в таком реакторе всегда имеет форму гранул и лучшие седиментационные свойства.
Рис. 8. Биофильтр с нисходящим потоком.
биофильтр с нисходящим потоком жидкости и неподвижно закрепленной биопленкой. В таких реакторах метаногенная биомасса может длительно удерживаться только в виде биопленки; она же обусловливает до 95% активности биореакторов.
Рис. 9. Реактор с псевдоожиженным слоем.
Реактор с псевдоожиженным слоем содержит мелкодисперсные среды, типа песка или гранулированного активированного угля, к которым прикреплены бактерии. Относительно высокая скорость восхождения сточной воды заставляет частицы носителя подниматься до точки, где отрицательная плавучесть носителя становится равной восходящей силе трения об воду. Тогда, реактор с псевдоожиженным слоем стабилизируется. Обычно, часть переработанного потока возвращается назад к притоку, чтобы поддержать высокую восходящую скорость, даже когда нормы потока сточных вод низки.
Рис. 10. Анаэробный фильтр.
Сравнительный анализ эффективности работы аэробных и анаэробных реакторов
1.Устойчивость к высоким концентрациям органических веществ (удовлетворительно работают при БПК более 1000мг/л)
1.Неустойчивы к высоким концентрациям органических веществ (работают при БПК до 100 мг/л)
2.Устойчивость к непостоянной подаче и составу сточных вод
2.Чувствительность к непостоянной подаче и составу сточных вод
3.Устойчивость к недостатку биогенных элементов в сточной воде
3.Чувствительность к недостатку биогенных элементов в сточной воде
4.Низкий прирост ила в сравнении с аэробными реакторами(меньше в 10 раз)
4.Проблема утилизации образующегося избыточного ила
5.Невысокие эксплуатационные затраты (экономия э/э на мешалках)
5.Высокие эксплуатационные затраты (необходимость аэрации)
7.Высокая устойчивость к токсикантам и способность к восстановлению работоспособности
7.Невысокая устойчивость к токсикантам и низкая способность к восстановлению работоспособности
8.Высокий энергетический уровень конечного продукта
8.Низкий энергетический уровень конечного продукта
1.Невысокая скорость протекания процессов
1.Высокая скорость протекания процессов
2.Низкий прирост биомассы (при первом запуске)
2.Высокий прирост биомассы (при первом запуске)
3.Средняя степень очистки по БПК (60-90%)
3.Высокая степень очистки по БПК (95%)
4.Не удаляются азот и фосфор
4.Удаляются азот и фосфор
5.Затраты на герметизацию, подогрев
8.Низкий выигрыш в биологически используемой энергии
8.Высокий выигрыш в биологически используемой энергии
9.Нет саморазогрева осадка (требуется подвод тепла)
Анаэробная биологическая очистка
Распад органических загрязнений в этом случае проходит в несколько стадий, при участии микроорганизмов с разным механизмом воздействия. Условно они группируются в четыре основных фазовых процесса, по веществам, выделяющимся на каждой из стадий разложения и видам бактерий, участвующих на каждом этапе анаэробного брожения.
Первая, гидролизная фаза, заключается в разложении сложных углеводородов на более простые их составляющие и воду. В результате «работы» соответствующих бактерий белки распадаются на аминокислоты, из углеводов образуется сахар, жиры преобразуются в жирные кислоты. Фаза промежуточного окисления, вторая по очереди, ведет к следующему в этой цепочке преобразованию сложных органических соединений на более простые, к которым относятся спирты, альдегиды и органические кислоты.
Окончательное окисление всех продуктов до уксусной кислоты и выделением водорода протекает в течение третьей фазы анаэробного процесса. Участие метанобразующих бактерий определяет четвертую фазу и заключается в питании продуктами предыдущих стадий распада, с образованием метана и углекислого газа. При этом основная часть выделяющейся энергии идет на образование метана, поэтому и наблюдается лишь незначительный прирост илистой массы.
Особенность анаэробной биологической очистки
Особенность анаэробной биологической очистки заключается в тесной взаимосвязи между всеми четырьмя фазами разложения и последовательностью их протекания. Нарушение течения одной из них может привести к дестабилизации всего процесса анаэробного разложения загрязненных стоков. Причиной этого является специфика развития микроорганизмов, благодаря которым происходит окончательное разложение до метана, поскольку их питательной средой являются вещества, произведенные бактериями на предыдущих стадиях распада загрязняющих органических веществ. Поэтому особое внимание следует уделять определению качественного состава органики, входящей в состав очищаемых стоков. Это связано с разной скоростью протекания процессов разложения белков, жиров и углеводов, и выделением отличающихся объемов метана. Для повышения эффективности анаэробной очистки следует обеспечивать одновременное протекание разложения веществ, содержащихся в стоках, проходящее в первой фазе, на стадии гидролиза, что достигается их разделением. Если обработке подвергаются сточные воды однородного состава, то определение пути, по которому пойдет разложение исходного загрязняющего материала, проходит на этапе приспособления биомассы к этому источнику питания.
Факторы, влияющие на эффективность анаэробной биологической очистки
К негативному влиянию, которое существенно снижает скорость протекания двух последних стадий, относится повышенное содержание органических кислот, что увеличивает кислотность водной среды, ведущую к подавлению деятельности семейств анаэробных бактерий. А это может привести к тому, что процесс разложения органики остановится на второй стадии окисления, идущей до карбоновых кислот, альдегидов и спиртов, являющихся еще достаточно токсичными веществами.
В отличие от аэробного процесса, анаэробная биологическая очистка эффективна при больших концентрациях загрязняющих веществ. Это связано с тем, что процессы биологической очистки, проходящие при участии анаэробных бактерий, не нуждаются в присутствии растворенного в воде кислорода. Поэтому с их участием проводится эффективная очистка стоков с высокими значениями ХПК (химической потребности в кислороде) и БПК (химической потребности в кислороде), невозможная для аэробных микроорганизмов. Кроме того, анаэробные бактерии, в отличие от аэробных собратьев, не чувствительны к действию поверхностно-активных веществ и прекрасно очищают содержащие их стоки. Помимо этого при их действии наблюдается высокая скорость снижения концентрации загрязняющих веществ, что связано с действием активного анаэробного ила, как биофлокулянта. Но при снижении концентрации загрязнений эффективность такой очистки, идущей с помощью анаэробной биомассы, заметно падает. Поэтому очень часто всего анаэробное и аэробное разложение органических загрязнений сточных вод используются в комплексе, позволяя достичь высоких степеней очистки.