Селективная утилизация Промышленные стоки индивидуальных химиче-ских соединений стоков

Управляемое компостиро- Сельское хозяйство, го-вание твердых отходов родские свалки

Детоксикация почвы от Почва пестицидов и других хи-мических загрязнений

Специально адаптированные культуры микроорганизмов обычно в иммобилизованном виде утилизируют опреде-ленные вредные вещества (фенол, кислоты и др.) При аэрации твердых отхо-дов ускоренно происходит микробная деструкция части компонентов субстрата с об-разованием компоста Промыванием почвы и мик-робиологической обработкой промывных вод достигается утилизация вредных соеди-нений, накапливающихся в почве при химизации сель-скохозяйственного производ-ства

Биосорбция металлов Сточные воды

Диагностика степени за- Сточные воды, почва,
грязнения среды воздух

В специальных биофильтрах микроорганизмы селективно сорбируют из сточных вод определенные металлы, в том числе радиоактивные При помощи моноклональ-ных антител или иммунофер-ментного анализа опреде-ляют присутствие вирусов и бактерий. При помощи фер-ментов контролируют при-сутствие в среде определен-ных веществ

Экологическая биотехнология бурно развивается, появляются

системы для утилизации органических и неорганических веществ, загрязняющих среду и попадающих в нее с жидкими и газовыми

выбросами. В аэробных и анаэробных условиях обычно с помощью иммобилизованных культур микроорганизмов в жидких стоках разрушают большое количество органических соедине-ний. Примером может быть окисление сульфидов до сульфатов в жидких стоках аутотрофными бактериями Thiobacillus denitrificans, иммобилизованными в геле альгината. Процесс происходит в анаэробном биофильтре. В гель включают также СаСОэ для поддержания буферности и ионы Са2+ в качестве структури-рующего фактора в гранулах альгината. Такая система обеспечи-вает утилизацию сульфидов из раствора в течение 12 сут при их концентрации 26 промиль (К. L. Sublette, 1988).

Учёными-биотехнологами разработана также биотехнологическая система для окисления металлов в грязеобразной среде с содержанием сухого вещества 10--30 %. Так, бактерии рода Leptespirillum окисляют ртуть, серебро, молибден, селен и др. (Е. A. Griffin et. al., 1989). Достаточно широко практикуют денитрификацию стоков, биологическую утилизацию фосфора и удаление из стоков углеводо-родов нефти.

БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОКОВ

Известно, что в естественных условиях в водоемах и в почве происходит биологическое самоочищение. Но как только концентрация вредных веществ превышает критическую, развитие живых организ-мов, а также процесс биологического самоочищения нарушается. Под влиянием чужеродных вредных веществ нарушается уста-новившееся равновесие, возникают нежелательные изменения, отрицательно воздействующие на здоровье человека и его хо-зяйственную деятельность.

К веществам, загрязняющим водоемы и почву относят:

различные яды и вредные вещества -- соли тяжелых металлов, мышьяк, цианиды, фенолы, анилин, пестициды и др., ингибирующие активность ферментных систем, связывающие кислород или нарушающие жизненные процессы;

кислоты и щелочи, изменяющие реакцию среды в природ-ных водоемах и приводящие к нарушению равновесия в живых
системах;

поверхностно-активные вещества, которые в последнее время с развитием химической промышленности все чаще попада-ют в природные водоемы, образуя слой пены на поверхности.

Эти вещества очень опасны, так как часто недоступны воздейст-вию микроорганизмов и не разрушаются;

4) растворимые органические вещества, содержащие углерод
и азот, нефтепродукты, углеводы и т. д.

Данная группа веществ используется микроорганизмами в качестве субстрата и способствует их чрезмерному размножению в водоемах. В свою очередь, это приводит к увеличению расхода растворенного в воде кислорода и развитию анаэробной, гнилостной микрофлоры, что вызывает вымирание других форм жизни. В таких условиях могут развиваться микроорганизмы, опасные для здоровья человека, например сульфатредуцирующие бактерии, в результате действия которых появляется неприятный запах сероводорода и т.д.;

5) нерастворимые органические соединения -- крахмал, цел-люлоза, лигнин, другие высокомолекулярные вещества, которые в виде плавающих частиц поступают в водоемы и вызывают пос-ледствия, схожие с действием веществ предыдущей группы;

6) радиоактивные и другие вредные загрязнители.

Водоемы и почва представляют собой биологические системы,

способные утилизировать отходы. В почву помимо отходов сельского хозяйства (навоз, солома и др.) попадают коммунальные и промышленные отходы. Как известно, навоз, компосты и солома являются удобрениями для полей. Однако необходимо знать предельные количества внесения удобрений. Вокруг крупных жи-вотноводческих комплексов требуются большие земельные пло-щади, чтобы без ущерба для почвы утилизировать образующийся навоз. Жидкий свиной навоз перед вывозом на поле необходимо выдержать 6--8 мес., чтобы инактивировать патогенную микрофлору. При использовании отходов животноводческих ферм для удобрения полей, один из критериев -- содержание азота, максимально допустимая доза которого составляет 300 кг/га. Практика показывает, что количество жидких отходов свиноферм, вносимых методом орошения за 1 год на площадь 1 га, не дол-жен превышать 250 м3. Но на больших животноводческих ком-плексах ежесуточно образуются сотни тонн жидких отходов, сле-довательно, под них требуется сотни гектаров земель. На полях можно утилизировать также отходы пищевой промышленности, ил очистных сооружений. Допустимое количество отходов зави-сит от свойств почвы, химического и биологического состава от-ходов.

В большинстве случаев отходы перед внесением в почву предварительно обрабатывают аэробной или анаэробной фермен-тации, выдержки, обезвоживания и др. При выборе способа ути-лизации отходов на полях или при внесении прежде всего требуется учитывать опасность заражения растительной массы, жи-вотных и человека вредными химическими веществами или болез-нетворными микроорганизмами. В почве происходят физические, химические и биологические изменения отходов, некоторые ком-поненты трансформируются, другие иммобилизуются. Важно от-метить, что почва хорошо задерживает фосфорные соединения, которые могут использовать растения. В среднем на 1 га земли за год можно вернуть в виде растительной массы 20--60 кг фос-фора. Способность сорбировать фосфор зависит от содержания в почве гумуса, алюминия, железа, кальция и от рН. Утилизация азота зависит от потребления его растениями, интенсивности денитрификации и степени перехода азота в аммиак, а также от количества отходов на единицу площади земли.

Скорость разрушения органических компонентов в почве различная, поэтому у некоторых веществ период полураспада длит-ся месяцами, а у некоторых продолжительность полураспада из-меряется часами и минутами. Скорость разрушения зависит от свойств почвы, температуры, влажности, рН и других факторов. Так, органические вещества в почве трансформируются микроорганизмами и другими биологическими объектам, а неоргани-ческие обычно абсорбируются частицами почвы или осаждаются, но не разрушаются. Особую опасность представляют тяжелые металлы, поэтому их количество в почве строго лимитируется. По данным Р. Ц. Лоера (R. C.Loehr, 1984) в почву можно внести (в кг/га): цинк не более 1000, медь и никель не более 500, а кад-мий не более 20. Вносить металлы можно в почвы с высокой катионообменной способностью; в почвы с низкой катионообменной спо-собностью допустимые количества цинка, меди, никеля и кадмия соответственно 250, 125, 125 и 5 кг/га.

В заключение можно сказать, что использовать почву для утилизации отходов можно и необходимо, но это надо делать при постоянном строгом контроле за процессами усвоения всех компонентов.

Выбор оборудования и метода очистки сточных вод зависит от характера самого загрязнения. Твердые плавающие предметы отделяют на ситах, жиры и масла -- фильтрацией через специальные фильтры. Осаждение можно осуществлять в ямах с досками, расположенными в верхнем слое воды, перпендикулярно направлению потока воды. Доски должны находиться над уровнем во-ды. В таких ямах на дно оседают тяжелые твердые предметы. Чтобы их оседание было полным, размеры ямы должны быть подобраны в соответствии с размерами осаждаемых частиц и ско-ростью потока воды. Для обеспечения периодического удаления осадка необходимо устраивать резервные ямы.

При рециркуляции воды или для временного замедления биологических процессов сточные воды иногда обрабатывают хлором или хлорной известью. Химическая очистка сточных вод осу-ществляется путем регуляции рН и осаждения коллоидных ве-ществ электролитами {чаще всего солями железа или алюми-ния), поликатионитами, флокулянтами. Эти методы обычно комбинируют с биологическими методами очистки: обработкой воды в аэробных условиях активным илом или анаэробной фермента-цией.

Аэробные системы очистки стоков

В стоках, загрязненных органическими веществами, в присутствии кислорода интенсивно развивается аэробная микрофлора. Возникают очень сложные ассоциации, образующие так называе-мый активный ил, куда входят различные бактерии и простей-шие, находящиеся в сложных трофических взаимоотношениях. При интенсивной аэрации среды и сбалансированных соотно-шениях биогенных элементов основную массу ила образуют бак-терии. При этом очень важно обеспечить седиментационные свойства ила, т. е. образование флокул, которые задерживались бы в аэротенке и оседали при выходе из него. Это технологически облегчает воз-вращение флокул в аэротенк, а также осаждение в отстойниках. Флокулы ила имеют размеры до 150 мкм и различную форму.

На практике можно считать, что из общей массы утилизированных органических веществ образуется 50 % микробной био-массы, т. е. половина органических веществ перегазируется в СО2. Чтобы превратить в газообразные соединения активный ил, образовавшийся при аэробной очистке стоков, обычно в сис-тему очистных сооружений включают стадию анаэробного мета-нового сбраживания. При этом 95 % СВ ила превращается в биогаз.

Чтобы обеспечить в аэротенках интенсивное образование ила и утилизацию органических веществ стоков, важно правильно определить скорость потребления кислорода, что прямо связано со скоростью утилизации органических веществ (u,s) и скоростью накопления активного ила (цт) согласно уравнениям:

DS/dt = X = /Ys

где s -- удельная скорость роста; Ys -- выход биомассы из суб-страта (экономический коэффициент), г/л.

Скорость массопередачи кислорода, как известно, характери-зуется 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 полипро-пилена) толщиной 0,9 -- 3 м. Через несколько недель поверхность слоя покрывается слизистой пленкой, состоящей из микробной массы. В контакте с воздухом (в случае необходимости исполь-зуют принудительную циркуляцию воздуха) микроорганизмы на-чинают 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. Воз-дух 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 предотвра-щать уничтожение микрофлоры токсичными соединениями и не-растворимым 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 анаэ-робных процессов гниения. В теплое солнечное время в прудах могут развиваться одноклеточные фотосинтезирующие водорос-ли, 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

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7