СБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЛЕКЦИЯ 12.

СБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ
ЛЕКЦИЯ 12.
Технологии предотвращения загрязнения воды
Вода покрывает 71 % поверхности суши. Большинство этой воды
находится в океанах; несоленая вода составляет только 2,6 % от общих
ресурсов воды. 75% несоленой воды находится в составе ледников.
Доступной является вода озер, рек и частично подземная вода.
Потребление питьевой воды в мире в год составляет ~0,003 % от ее
запасов.
Цикл оборота (обновления) поверхностной воды (рек, озер) длится
~16 лет, а для подземной воды ~1400 лет.
Во многих развитых странах как поверхностная, так и подземная вода
загрязнена хлорированными углеводородами (TCE, PCE, хлорфенолы),
нитрофенолами, пестицидами и др.




2
Схема кругооборота воды, в 103 км3/год
3
Концентрацию загрязнителей измеряют в ppm (part per
million), ppb (part per billion).
1 ppm = 1 мг/л
1 ppb = 10-3 ppm
Качество воды и сточных вод оценивается по многим
параметрам: цветность, мутность (взвешенные вещества),
запах, вкус, содержание солей, рН, щелочность, жесткость,
электропроводность, содержание азота, фосфора,
растворенный кислород, температура, ХПК, БПК, ООУ.
Последние три параметра характеризуют содержание в
воде органических веществ



4
ХПК (COD) (химическое потребление кислорода), мгО2/л.
Измеряется по расходу на окисление К2Cr 2О7 или КМnО4
БПК (BOD) (биологическое потребление кислорода),
мгО2/л. Измеряется по количеству израсходованного
микроорганизмами кислорода в темноте при 20ºС в
течение 5 дней (БПК5), 7 дней (БПК7) или 20 дней (БПК20 =
БПКполн).
ThOD (теоретическое потребление кислорода), мгО2/л.
Рассчитывается по уравнению реакции окисления
вещества до СО2 и Н2О.
ООУ (TOC) – общее содержание органического углерода
мгС/л. Определяется специальными анализаторами.




5
Соотношение между параметрами

БПК <ХПК, т.к. характеризует содержание в воде биоразлагаемой органики.
Отношение БПК/ХПК называется биологической разлагаемостью воды. Для
промышленных стоков это отношение часто не превышает 0,1-0,2. Для
коммунальных стоков БПК20 ≈ 2 БПК5 и БПК20 ≈ ХПК.

В зависимости от отрасли промышленности показатели сточных вод
колеблются в широких пределах:

ХПКСr =200-20000 мгО2/л

БПК5 = 100-5000 мгО2/л

Взвешенные вещества = 50-3000 мг/л

рН = 2-13 и т.д
6
Развитие технологии очистки воды зависит в основном от 2-х
параметров:



возможностей аналитической аппаратуры, которые ширятся (т.е. «открывают»
новые загрязнители);
регуляций, стандартов, норм на качество воды, которые все время становятся
более и более жесткими.

Основными методами очистки сточных вод во всем мире являются
биологические (аэробная/анаэробная очистка).

В то же время они часто не способны справляться со многими токсичными,
биологически неразлагаемыми загрязнителями.

Это отражается в более низкой степени очистки по БПК (вместо 85-90 % часто
70-80 %).
7
Решения ищут в более тщательной предочистке или
доочистке, применяя:







8
новые коагулянты, флокулянты
новые сепарационные процессы (флотацию, ламельные осветлители,
мембранную технологию)
новые фильтрационные и адсорбционные материалы (например,
цеолиты и др.)
новые окислители и комбинации окислителей (ClO2, O3, O3/H2O2, O3/УФ,
H2O2/Fe2+ и др.). Эти процессы называются процессами глубокого
окисления (AOPs = advanced oxidation processes). Сюда относятся еще
системы: O3/кат; TiO2/УФ; мокрое окисление (WAO = wet air oxidation);
O3/УЗ (O3/US = ozone/ultrasound) и др.
комбинированные схемы (BIO-O3; O3-BIO-O3; BIO-AOP и др.)
совершенно новую технологию (экстракция загрязнителей
суперкритической СО2 и др.)
Области применения разных методов водообработки
в зависимости от значения ХПК (COD) и объемного
расхода Q (м3/ч)
9
Специальную технологическую группу составляет технология питьевой
воды из поверхностных водоёмов и из подземных источников
10

Стратегия водообработки сегодня – это глубокая
очистка воды и сточных вод с целью рециркуляции,
повторного потребления и устойчивого распоряжения
водными ресурсами
11
Биологическая очистка сточных вод


Начнем с рассмотрения основных процессов очистки бытовых сточных
вод (sewage or municipal wastewater).
В табл. приведены типичные исходные значения основных
параметров коммунальных стоков и требуемые их значения после
очистки
Параметр
12
Типичное исходное
значение
После очистки
BOD5, mg/l
250
< 15
Взвешенные, mg/l
220
< 15
Фосфор, mg/l
8
< 1.0
Азот (орг + NH₄⁺)
40
< 15
pH
6.8
6-8
CODCr, mgO2/l
500
Нормы для очищенных стоков при их
сбросе в водоёмы или почву в Эстонии
Параметр
13
Значение
COD, mgO2/L
125
BOD7, mgO2/L
15
Взвешенные , mg/L
15
Общий фосфор, mg/L
1.5
Общий азот, mg/L
10
Одноатомные фенолы, mg/L
0.1
Двухатомные фенолы, mg/L
15
Нефтепродукты , mg/L
1.0




Чтобы достичь заданных норм, необходимо
применять четырехступенчатую очистку:
предочистка (pre-treatment)
первичная очистка (primary treatment)
вторичная очистка (secondary treatment)
третичная очистка (tertiary or advanced treatment)
14
Схема очистки бытовых сточных вод
15
Предочистка


Под предочисткой
понимают удаление
грубых, взвешенных в
воде частиц (ветки,
бумага, песок, масло и
др.).
Очистка проводится
методами процеживания
через решетки,
осаждением и
флотацией (для масла)
16
Предочистка
17



Первичная очистка проводится для удаления коллоидных
частиц, а также для снижения ХПК и БПК. Применяют
процессы коагуляции, флокуляции и осветления.
Вторичная очистка – это основной биологический
процесс очистки, который проводится в аэробных или в
анаэробных условиях.
Доочистка проводится для дальнейшего снижения ХПК и
БПК, цветности, а также для удаления азота и фосфора. В
качестве методов доочистки можно применять:
адсорбцию, фильтрацию, озонирование, мембранные
процессы и др.
18
Общая схема аэробной и анаэробной
очистки сточных вод

Кривые снижения БПК стока во времени:
1) кривая снижения БПК в результате
окисления микроорганизмами;
2) кривая снижения БПК за счет
адсорбции органики на клетки
микроорганизмов (виден рост БПК за
счет синтеза новых клеток);
3) суммарная кривая снижения БПК.
19

Чтобы сточная вода поддавалась
аэробной биоочистке, необходимо,
чтобы БПК/ХПК ≥ 0,5, а исходное
значение БПК не выше 600-700 мгО2/л.

Ниже схемы аэробного процесса
показана схема анаэробного процесса.
Видно, что процесс протекает через две
стадии – конверсия органики в
органические кислоты, а затем
конверсия кислот в метан.
Аэробная очистка

Установка аэробной очистки состоит из первичного осветлителя (primary
settling tank), аэротенка (aeration tank) и вторичного осветлителя (secondary
settling tank or clarifier).

Эффективность аэробной биологической очистки в нормальном режиме
составляет по БПК > 85 %.

Недостатком является большой расход энергии для снабжения
микроорганизмов (активный ил) кислородом воздуха и образование больших
количеств избыточного активного ила.

Аэробный процесс протекает хорошо при температурах > 0ºС и не выше 3035ºС и требует дополнительных питательных веществ (N, Р).
20
Анаэробная очистка

Анаэробная биоочистка имеет эффективность по БПК < 85 %.

Анаэробную биоочистку применяют в основном для предочистки очень
загрязненных стоков, в которых БПК > 5000 мгО2/л.

Расход энергии здесь меньше, и дополнительно получают газ брожения метан.

Анаэробная очистка хорошо подходит для очистки теплых промышленных
стоков (60-70ºС), например, целлюлозно-бумажной промышленности.
21
Сравнение аэробного и анаэробного
процессов
Параметр
Анаэробный процесс
Аэробный процесс
Содержание кислорода, мг/л
0
>0
Расход энергии
Низкий
Высокий
Накопление ила
Низкое
Высокое
Накопление токсинов
Высокое
Низкое
Эффективность очистки по
БПК
Эффективность удаления
азота
Подходит для предочистки
< 85%
> 85%
0
0
Да
Да
Подходит
в
качестве
последней стадии очистки
Нет
Да
22
Достоинства и недостатки аэробного и
анаэробного процессов
Аэробный процесс
Анаэробный процесс
Достоинства
Можно усреднять состав очищаемых вод
Не требуется энергии для аэрации
Высокое качество очистки (низкий ХПК)
Нет избыточного активного ила
Короткий период запуска
Низкая потребность в питательных веществах
Дополнительно получают метан
Можно варьировать загрузку
Недостатки
Расход энергии на аэрацию
Относительно большое время запуска
Образуется избыточный активный ил
Требует относительно постоянного состава воды
Улетучивание ЛОС
Обычно требуется последующая аэробная
доочистка
Потребность в питательных веществах
Не выдерживает длинные периоды неподачи воды
23
Биофильтры

Наряду с аэротенками, бассейнами применяют и биофильтры, где микроорганизмы
живут на поверхности природного материала (гравий, щебень) или синтетической
насадки.

Сточная вода разбрызгивается по поверхности насадки и снизу подают воздух.

Здесь отсутствует необходимость рециркуляции активного ила. Мертвые клетки уносятся
сами по себе с уходящей водой. По-английски эти фильтры называются «percolating»
или «trickling» filters.

Типичные параметры этих фильтров:

гидравлическая нагрузка 10000 ÷40000 м3/м2∙сутки

нагрузка по органике 1-3 кг БПК5/м3∙сутки

снижение БПК: 80-85%.
24
Удаление питательных веществ (N и P)

Азот и фосфор в сточной воде приводят к эвтрофикации
водоемов.

Кругооборот азота в природе :
Орг.N → (NH4-N) → (NO2-N) → (NO3-N) → N2


Общим азотом называют сумму:
ΣN = Орг.N + (NH⁺4-N) + (NO2-N) + (NO3-N)

В бытовых сточных водах надо снижать содержание
общего азота примерно с 40 мг/л до нормы 10 мг/л.
25

Содержание Орг.N + (NH4-N) называется азотом Кьельдаля (Kjeldahl N).

В сточной воде, которая не подвергалась окислению, NO2- и NO3- отсутствуют и
общий азот равен азоту Кьельдаля.

При поступлении кислорода в сточную воду нитрифицирующие бактерии
(Nitrosomonas, Nitrobacter) переводят аммиачный азот в нитриты (NO2-) и в
конечном счете в нитраты (NO3-):
Nitrosomonas, Nitrobacter
(NH4-N) →

(NO3-N)
В анаэробных условиях протекает восстановление нитратов до свободного
азота. Этот процесс называется «денитрификацией»:
Денитрифицирующие бактерии
(NO3-N)
26
→
N2 ↑
Биологическое удаление азота





Биологическое удаление азота представляет собой
двухступенчатый процесс:
1-ая стадия - нитрификация в аэробных условиях
2-ая стадия - денитрификация в бескислородной среде, где
содержание растворенного кислорода (DO) ~ 0 мг/л.
На стадии денитрификации микроорганизмы используют
нитратный (NO3-) кислород и органический углерод для
конструирования своих клеток.
Часто в качестве источника углерода добавляют метанол
(СН3ОН).
27

В последнее время используют комбинированную схему нитрификацииденитрификации, где по движению воды первой ступенью является
денитрификация. В этом случае сама сточная воды является источником
углерода.

Затем следует стадия нитрификации (О2~ 2 мг/л), откуда вода частично
рециркулируется на стадию денитрификации.

На стадии денитрификации в качестве источника углерода используются
органические вещества сточной воды
28
Фосфор

Фосфор может присутствовать в воде в различной форме:





ортофосфаты (PO43-; HPO42-; H2PO4-; H3PO4)
полифосфаты (P2O7)
органически связанный фосфор (70 % от общего количества).
По нормам ЕС надо содержание общего фосфора в
очищенной сточной воде снизить примерно с 10 мг/л до
1,5 мг/л.
Фосфор можно удалять традиционными методами
(осаждение с сульфатами алюминия или железа) или
современными биологическими методами.
29
Удаление фосфора


Обычный процесс активного ила конвертирует большую
часть фосфора в ортофосфаты, которые хорошо
осаждаются солями тяжелых металлов и известью:
3HPO42- + 5Ca2++ 4OH- → Ca5(OH)(PO4)3 + 3H2O
HPO42- + Fe3+ → FePO4 + H+
Известь можно применять только после биоочистки, так
как добавление извести повышает рН воды до 10-11.
30