Биосорбционная очистка природных и сточных вод

Поверхностные водоемы все в большей степени загрязняются биорезистентными синтетическими соединениями, часто токсичными, не поддающимися деструкции на биоочистных сооружениях.

В середине 90-х гг. было объявлено о разработке принципиально нового биотехнологического метода очистки природных и сточных вод, который обеспечивает интенсивное и глубокое удаление биорезистентных и биоразлагаемых органических загрязнений до показателей, не достижимых известными способами биологической очистки.

Новый метод заключается в совмещении в пространстве и во времени процессов сорбции загрязнений на активном сорбенте с их биологическим окислением. Такой процесс получил название биосорбционной очистки, а аппараты для его реализации названы биосорберами. Первоначально этот метод был разработан для глубокой доочистки биологически очищенных сточных вод, обработка которых в биосорбере обеспечивала снижение загрязненности по БПК с 15–20 до 1–2 мг/дм³ (по нефтепродуктам – до 0,05 мг/дм³, по СПАВ – до 0,01–0,05 мг/дм³) при времени обработки около 0,4 ч и окислительной мощности биосорбера 1,2–1,4 кг/(м³∙сут). Последующие широкомасштабные исследования, проведенные более чем с 20 видами промышленных и городских сточных вод, с природными водами, а также с индивидуальными веществами различной степени биоразлагаемости, показали высокую эффективность биосорберов для очистки природной воды от консервативных и биоокисляемых органических загрязнений, а также для интенсивной очистки сточных вод.

Экспериментальные исследования и технологические испытания показали, что биорезистентные загрязнения эффективно удаляются только в присутствии активированного угля. Инертные загрузочные материалы, не обладающие адсорбционной активностью и развитой микропористой структурой, не обеспечивают деструкцию биорезистентных соединений.

Биосорбционный процесс очистки сточной воды протекает через следующие стадии: адсорбция загрязнений из воды в микропористой структуре сорбента; биохимическая модификация адсорбированных трудноокисляемых веществ в биоразлагаемую форму экзоферментами, иммобилизованными в микропористой структуре активированного угля; десорбция биоразлагаемых продуктов к поверхности частиц сорбента; биологическое окисление этих продуктов на поверхности частиц сорбента микроорганизмами биопленки, которые обеспечивают постоянное биологическое восстановление сорбента, что исключает необходимость его термической регенерации или замены.

Общий эффект биосорбционной очистки сточной воды превышает суммированные эффекты последовательно проведенных операций по сорбционной и биохимической очистке. Количество загрязнений, изъятых активированным углем в процессе биосорбции, часто в 2–10 раз превышает максимальную сорбционную емкость угля в статических условиях. Основным механизмом, ответственным за удаление как биоразлагаемых, так и биорезистентных соединений, является биологическое окисление. Биохимические превращения происходят только с адсорбированным в микропористой структуре сорбента трудноокисляемым субстратом при участии иммобилизованных в этой же структуре экзоферментов микроорганизмов. Отмытые от активированного угля функционирующего биосорбера микроорганизмы теряют способность в свободном состоянии окислять биорезистентные вещества, которые они активно деструктировали, будучи иммобилизованными на поверхности носителя.

В качестве микроорганизмов-деструкторов загрязнений в биосорберах могут быть использованы специально подобранные штаммы, предварительно закрепленные на сорбенте, или спонтанно развивающиеся в сточной воде микроорганизмы активного ила.

Разработанные конструкции биосорберов колонного типа базируются на применении псевдоожиженного слоя частиц активированного угля. В частности, предложен биосорбер в виде колонного реактора (рис. 40), разделенного по высоте на зону псевдоожиженного слоя и зону фильтрования в слое гранулированного материала. Биосорбер такой конструкции обладает высокими массообменными характеристиками, обеспечивает устойчивость загрузки против кольматации, эффективное отделение очищенной воды от загрузочного материала и взвешенных веществ. Основной процесс деструкции органических загрязнений осуществляется в псевдоожиженном слое частиц активированного угля (0,2–1,0 мм) аэробными или анаэробными микроорганизмами, иммобилизованными на поверхности частиц.

Рис. 40. Схема биосорбера:

1 – биосорбер; 2 – аэрационная колонна; 3 – псевдоожиженный слой угля; 4 – конус; 5 – водосборное устройство; 6 – фильтрующий слой угля; 7 – лоток для отвода промывной воды; 8 – лоток для очищенной воды; 9 – водораспределительное устройство; 10 – циркуляционный насос; 11 – эжекционная камера

После прохождения псевдоожиженного слоя жидкость разделяется: циркулирующий поток сточной воды отводится средним водосборным устройством (поз. 5) и через аэратор возвращается в нижнюю водораспределительную систему (поз. 9); очищенная вода (транзитный поток) проходит сквозь щель корпуса и фильтруется через плотный слой частиц угля, где происходит удаление взвешенных и окончательное окисление органических веществ.

Разделение загрузочного материала на плотный и псевдоожиженный слои осуществляется в динамических условиях при соответствующей организации гидравлических потоков распределения и отбора жидкости в объеме аппарата. По мере накопления в фильтрующем слое взвешенных веществ автоматически производится его промывка с отдельным сбором и отводом промывной воды.

Устойчивый псевдоожиженный слой образуется при линейной скорости движения жидкости в сечении аппарата 30–40 м/ч. Степень расширения слоя загрузочного материала составляет 30–40%. Благодаря наличию на поверхности частиц биопленки не происходит механического истирания угля и обеспечивается интенсивная биологическая регенерация сорбента. Добавка активированного угля в биосорбер не превышает 1% от общей массы сорбента в год.

Применение биосорберов в качестве ступени предварительной очистки природных вод на станции водоподготовки позволяет получить гарантированное качество очистки как от загрязнений природного происхождения (цветность, мутность), так и от специфических веществ антропогенного характера (нефтепродукты, фенолы, пестициды, хлорорганические соединений и др.), что невозможно при использовании традиционных сооружений водоподготовки. Предварительная биосорбционная очистка снижает нагрузку на основные сооружения (особенно в паводковый период), уменьшает расход реагентов, применяемых при водоподготовке, в том числе хлорсодержащего реагента, расходуемого на обеззараживание воды. Процессы биологического окисления в микропористой структуре активированного угля могут протекать при низкой температуре (до 1°С).

Биосорберы могут быть использованы в качестве самостоятельных сооружений для биологической очистки сточной воды. При этом окислительная мощность биосорберов в 5–8 раз превышает аналогичный показатель для аэротенков при равной или более высокой степени очистки стоков.

Поиск по сайту: