СБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ

1. СБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЛЕКЦИЯ 12.

2. 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.

3. Схема кругооборота воды, в 103 км3/год

4. 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

5. 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.

6. 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

7. 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 %).

8. Решения ищут в более тщательной предочистке или доочистке, применяя: • 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.)

9. Области применения разных методов водообработки в зависимости от значения ХПК (COD) и объемного расхода Q (м3/ч)

10. Специальную технологическую группу составляет технология питьевой воды из поверхностных водоёмов и из подземных источников

11. Стратегия водообработки сегодня – это глубокая очистка воды и сточных вод с целью рециркуляции, повторного потребления и устойчивого распоряжения водными ресурсами

12. 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

13. Нормы для очищенных стоков при их сбросе в водоёмы или почву в Эстонии

14. 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)

15. Схема очистки бытовых сточных вод

16. 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)

17. Предочистка

18. 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.

19. 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. • 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.

20. 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 30-35ºС и требует дополнительных питательных веществ (N, Р).

21. 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.

22. Сравнение аэробного и анаэробного процессов

23. Достоинства и недостатки аэробного и анаэробного процессов

24. 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%.

25. 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.

26. 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) → N2 ↑

27. 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).

28. В последнее время используют комбинированную схему нитрификации-денитрификации, 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

29. 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.

30. 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.