Экологические аспекты современной биотехнологии (стр. 5 из 10)
Скорость массопередачи кислорода, как известно, характеризуется уравнением:
M = K (C* - Cl)
где К — объемный коэффициент массопередачи кислорода, С*, Сl — равновесная и рабочая концентрации растворенного кислорода, г/л.
На практике для очистки стоков используют различные технические системы. Если сточные воды не сильно загрязнены, для очистки можно использовать окисление на капельных или биологических фильтрах. При этом предварительно очищенную от механических примесей и жиров жидкость пропускают через плотный слой каменной щебенки, кокса или крупнозернистого (0,5—5 см) полимерного материала (полистирола или полипропилена) толщиной 0,9 — 3 м. Через несколько недель поверхность слоя покрывается слизистой пленкой, состоящей из микробной массы. В контакте с воздухом (в случае необходимости используют принудительную циркуляцию воздуха) микроорганизмы начинают эффективно окислять органические вещества сточных вод. БПКз их равен 500 мг/л. Пропуская через биологические фильтры промышленные сточные воды со скоростью 1000— 1200 л/м3 в сутки, добиваются снижения БПКб до 10 мг/л. Воздух можно пропускать снизу вверх и наоборот. Подача воздуха должна быть около 0,6 м3/мин на 1 м2 поверхности фильтра.
При работе с биологическим фильтром надо следить за составом сточных вод, не допускать перегрузку фильтра и предотвращать уничтожение микрофлоры токсичными соединениями и нерастворимым остатком. В холодное время года такие системы очистки снижают или совсем теряют свою эффективность, так как невозможно регулировать температуру воды.
На сезонных предприятиях, например на сахарных заводах, для аэробной очистки вод используют биологические пруды — систему прудов глубиной 0,6—1,2 м. Одновременно они служат водохранилищами. В прудах нельзя допускать протекания анаэробных процессов гниения. В теплое солнечное время в прудах могут развиваться одноклеточные фотосинтезирующие водоросли, весьма благоприятно влияющие на очистку воды. По окончании сезона работ воду спускают, а ил используют в качестве удобрения.
Способы очистки сточных вод базируются на микрофлоре, способной активно перерабатывать загрязнения. Для деятельности микроорганизмов кроме органических питательных веществ необходим кислород и в небольшом количестве биогенные вещества в виде азот- и фосфорсодержащих веществ.
 |
Рис. 2. Схема системы аэробной очистки промышленных стоков: / — усреднитель, 2 — отстойник, 3 — аэротенк, 4 — регенератор ила, 5 — отстойник
ила, 6 — уплотнитель ила
Таблица 6. Системы аэробной очистки сточных вод
| Аэротенк | Характеристика и принцип работы | Схема |
Коридорный
Работает по принципу вытеснения. Малоинтенсивные; открытые
| Стоки | -=j^ -------------------------------------- 1 | |
| Ил ,-Воздух [ | ^4-t-)-++++fj) | |
| ., ,^ | ||
| ГС | ||
| [4+4444444+]) | ||
| Выход•*• |
Системы КессенераПоверхностный аэратор с Стоки ограниченной глубиной; открытый. Массообмен до 1,8 кг
О2г на 1 кВт-ч израсходованной электроэнергии
Системы «Симплекс» Турбинный аэратор; открытый. Массообмен до 2,3 кг O2 на 1 кВт-ч
Ч
U/4J»
 |
Пневматический с ке- Интенсивная аэрация
рамическими воздухе- (требуется компрессор);
распределителямиоткрытый
Продолжение
| Аэротенк | Характеристика и принцип работы | Схема |
 |
Колонный, башенный Низкая турбидизация сре-
или эрлифтныйды (требуется компрес-
сор); закрытый; высота 30—60 м. Малые энергозатраты (около 0,5 кВт-ч на 1 кг СМ
Инжекционный с ре- Интенсивная аэрация циркуляцией ила и (требуется компрессор); сжиганием органических веществ
Воздух
Воздух
В биологических фильтрах бактерии находятся в неподвижном состоянии в слизистой пленке, покрывающей крупнозернистую поверхность наполнителя. Очищаемая вода медленно капает сверху, а в щели между гранулами поступает воздух естественным путем или принудительно (аэрация). Мощность биологических фильтров зависит от площади поверхности наполнителя.
В биологических прудах колонии микроорганизмов свободно перемещаются в воде. Кислород поступает через водную поверхность или от фотосинтезирующих водорослей и естественным образом медленно растворяется в воде. Микроорганизмы свободно перемещаются в воде. Кислород поступает через водную поверхность или от фотосинтезирующих водорослей и естественным образом медленно растворяется в воде. Концентрация микроорганизмов и одноклеточных растений должна быть не слишком высока, иначе на дне прудов появится дополнительный слой осадка, анаэробные процессы гниения начнут преобладать над аэробными, и произойдет вторичное загрязнение воды.
Сейчас у нас и за рубежом широко распространены интенсивные методы очистки сточных вод, когда в водный бассейн вводят большие количества воздуха и непрерывно перемешивают воду вместе с бактериальным илом.
Примеры интенсивной очистки — система аэрируемых прудов, в которые воздух подают при помощи специальных механических аэраторов, и аэротенки. Последние представляют собой железобетонный или металлический резервуар, в котором непрерывно происходит перемешивание сточных вод, микробного ила и воздуха. Аэротенки работают в комплекте с отстойниками, где осаждается ил, который накапливается в больших количествах.
На промышленных предприятиях, в том числе относящихся к микробиологической промышленности, в состав очистных сооружений обычно входят следующие узлы (рис. 2): усреднитель стоков для выравнивания концентраций загрязнений и стабилизации потока сточных вод; отстойник для осаждения взвешенных веществ; аэротенк или биофильтр, в котором осуществляется собственно биодеградация органических соединений; регенератор, в котором осуществляется восстановление активности ила; отстойник активного ила.
Наиболее крупномасштабной отраслью российской биотехнологии традиционно является дрожжевая промышленность, поэтому экологически важное значение имеет эффективная очистка стоков дрожжевых заводов. В стоках гидролизно-дрожжевых заводов повышена концентрация фурфурола (до 50 мг/л); в стоках заводов по производству БВК из парафинов повышена концентрация углеводородов до 600 мг/л. БПК стоков микробиологической промышленности достигает 3000 мг/л, содержание взвешенных веществ— 1000 мг/л; азота — 250, фосфора (Р2О5] —50 мг/л.
Скорость процесса биодеградации органических веществ в аэротенках зависит от количества активного ила в 1 л объема (обычно от 4 до 10 г/л), а также от массообменных и гидродинамических характеристик аппаратов. Массообмен в аэротенках зависит от системы аэрации, а гидродинамика — от структуры потоков жидкости и условий микросмешивания в различных зонах аэротенка. Аэротенки, как любые химические и биотехнологические реакторы, можно условно разделить на аппараты вытеснения и полного смешивания. К аппаратам вытеснения относятся аэротенки коридорного типа. В них происходит достаточно глубокая деструкция органических веществ. Процесс можно регулировать путем подачи субстрата в различные точки аппарата. Недостаток аэротенков вытеснения — чувствительность системы к колебаниям нагрузки. Аэротенки полного смешивания обычно используют для очистки стоков с ВПК до 3000 мг/л.
Очистку стоков желательно организовать так, чтобы их можно было использовать на производстве повторно в качестве технической воды. Однако описанная схема этого не обеспечивает, и требуется дополнительно устраивать биологические пруды, населенные водорослями и фауной. Данную проблему можно решить также путем анаэробной детоксикации отдельных соединений.
Активный ил после отстойника имеет влажность 95—99 %, поэтому его обезвоживание на полях фильтрации малоэффективно. Активный ил перед фильтрацией рекомендуется обработать флокулянтами, что позволяет заметно уменьшить объем ила и улучшает процесс фильтрации. Финская фирма «Тампелла» рекомендует использовать специальные шнековые прессы «Тасстер», которые уплотняют массу ила до 17—20 % СВ. Активный ил в натуральном виде или после обработки можно использовать для удобрения лесов, а в ограниченных количествах—для удобрения полей. Однако более рационально ил перерабатывать в биогаз.
В поверхностных аэраторах системы Кесснера снабжение кислородом обеспечивается в ограниченном слое жидкости (менее 5 м). При этом на 1 кВт мощности аэрация составляет до 1,8 кг 62. Более эффективны аэраторы типа «Симплекс» — до 2,3 кг О2 на 1кВт. Скорость массопередачи кислорода в этих системах 2—4 кг/ч.
В России до недавнего времени выпускались пневмомеханические аэраторы производительностью по воздуху 900, 1300 и 1900 м3/ч (по кислороду соответственно 54, 130 и 190 кг/ч).
Для очистки городских коммунальных стоков в некоторых западных странах успешно применяют аэротенки с керамическими аэраторами. Характеристика системы очистки стоков города с населением около 1 млн человек и объемом очищенной жидкости 550000 м3/сут приведена в табл. 7. Для эксплуатации биологической системы очистки стоков в сутки требуется 72000 кВт-ч электроэнергии, главным образом для сжатия воздуха. Высота столба жидкости в таких аэротенках открытого типа около 4 м.