O‘zbеkistоn rеspublikаsi

Лекция №21 – Технология очистки сточных вод с применением микроорганизмов.
1. Одной из актуальных проблем современности является ох­рана окружающей среды.
Вопросы очистки, обезвреживания и утилизации сточных вод промышленных предприятий являются неотъемлемой частью проблемы охраны окружающей среды.
Во всех промышленно развитых странах основными источниками загрязнения природных водоемов являются бытовые, производ-ственные (промышленные) и атмосферные сточные воды.
Ежегодный водозабор из природных источников на хозяй­ственно-бытовые нужды во всем мире составляет 3,5 тыс. км³, а объем воды, загрязняемой промышленно-бытовыми стоками, равен 6 тыс. км³, ведь 1 м³ промышленно-бытового стока за­грязняет 12—15 м³ чистой воды, а 1 м³ нефти — до 1 млн. м³.
Промышленные сточные воды загрязняют природные воды значительно больше, чем бытовые.
Предприятия цветной металлургии и, в частности, обогати­тельные фабрики являются предприятиями с большим расходом воды и большим количеством сточных вод. Расход технологи ческой воды в технологических циклах и операциях колеблется от 2,5 до 6 м³ на тонну перерабатываемой руды.
Сточные воды обогатительных фабрик кроме нерастворимых грубо- и тонкодисперсных частиц содержат различные органиче­ские и неорганические флотационные реагенты, применяемые при флотации руд, ионы тяжелых металлов и различные ком­плексы высоко-токсичных веществ.
Содержание различных компонентов в сточных водах, сбрасываемых в водоемы, не должно превышать предельно до­пустимых концентраций (ПДК). В табл. I. Таблица 1

Показатели	Категория воды
	I	II	III
рН Окисляемость по К|МnО4, мг О2/л Содержание, мг/л: грубодисперсные вещества сухой остаток нерастворимых веществ хлориды Cl сульфаты Sa кальций Ca магний Mg железо общее Fe марганец Mn цианиды Cn свинец Pb мышьяк As медь Cu ртуть Hg цинк Zu фториды F барий Ba газы нефть и нефтепродукты	6,5-8,5 10 20 500 200 150 150 50 0,5 0,1 0,01 0,1 0,05 0,01 0,005 0,01 1.0 4,0 0,3 0,3	6,0-8,5 15 30 800 300 200 250 100 1,0 0,3 0,02 0,1 0,02 0,1 0,01 0,1 1.0 4,0 0,3 0,3	5,5-9,0 25 50 1200 400 300 300 200 1,5 0,8 0,1 0,1 0,5 3,0 0,02 0,1 1.0 4,0 0,3 0,3

приведена классификация поверхностных вод в зависимости от ПДК вредных веществ и назначения воды для стран СНГ. Однако большинство параметров сточных вод обогатительных фабрик превышает нормы, допустимые для вод III категории. Разработка методов очистки сточных вод с прекращением их сброса в открытые водоемы является одной из основных тен­денций в мировой обогатительной практике, так как повторное использование в технологических процессах очищенных сточных вод (оборотное водоснабжение) позволит значительно умень­шить степень загрязнения окружающей среды.

Предельно допустимые нормы содержания некоторых вредных веществ в поверхностных водах, рекомендованные для стран СНГ Для очистки сточных вод в настоящее время применяются различные методы — механические, физико-химические и биоло­гические, или биохимические.Механические методы применяются для очистки сточных вод промышленных предприятий, в том числе и обогатительных фабрик, для удаления грубодисперсных примесей. Простейший из методов механической обработки сточных вод - отстаива­ние - осуществляется обычно в хвостохранилищах обога-титель­ных предприятий. Кроме очистки от грубодисперсных частиц в сточных водах хвостохранилищ с течением времени снижается концентрация многих флотационных реагентов - ксантогенатов, дитиофосфатов, цианидов, фенолов, крезолов и т. п. При необ­ходимости глубокой очистки сточных вод, степень осветления которых зависит от дальнейшего использования осветленной воды, используют коагулянты - известь, сульфат железа, суль­фаты алюминия.
Разнообразны физико-химические методы очистки, приме­няемые в промышленности, выбор которых зависит от качест­венного и количественного состава сточных вод и требуемой степени очистки. К этим методам можно отнести экстрак­ционный, флотационный, сорбционный, гиперфильтрацию, ультрафильтрацию, ионообменные методы, электродиализ и др.
Биохимические методы применяются в настоящее время при очистке сточных вод некоторых органических производств (наф­теновых кислот, битума, смазок, сульфокислот и т. п.), а также предприятий пищевой, целлюлозно-бумажной, нефтеперераба­тывающей и коксохимической промышленности. Эти методы по­лучают распространение и для очистки производственных сточ­ных вод металлургической промышленности.
Биохимический метод очистки сточных вод основан на спо­собности некоторых видов микроорганизмов использовать в про­цессе жизнедеятельности различные растворенные органические соединения и не окисленные минеральные соединения, например, аммиак, сероводород, нитриты и т. п.
Биохимическую очистку условно можно разделить на две ста­дии, протекающие одновременно, но с различной скоростью: адсорбцию из сточных вод тонкодисперсных и растворимых при­месей органических и неорганических веществ поверхностью тела микроорганизмов и разрушение адсорбированных веществ внутри клетки микро-организмов при протекающих в ней био­химических процессах (окисление, восстановление). Обе стадии могут происходить как в аэробных, так и анаэробных условиях.

2. Биохимическая очистка производственных сточных вод обо­гатительных фабрик при их большом ежесуточном и ежегодном объеме технически осуществима в прудах-окислителях, где при выдерживании этих вод определенное время происходит их естественная очистка под действием микроорганизмов.

Микрофлора прудов-окислителей чрезвычайно разнообразна. Биологическое окисление в этих прудах осуществляется множе­ством различных бактерий от простейших до высокоорганизо­ванных, которые связаны между собой сложными взаимоотно­шениями. Количество бактерий в прудах зависит от количества .и вида органических и неорганических веществ в стоках и мо­жет составлять от 106 до 1014 кл на 1 г сухой биомассы. Число родов бактерий может составлять 5 - 10, а видов до нескольких десятков и даже сотен.
Очистные сооружения в зависимости от условий их работы и характера стоков заселяются как гетеротрофными, так и ав-тотрофными микроорганизмами.
Микроорганизмы, выделенные из воды и донных отложений, являются в основном представителями Bacterium liguefaciens, Bacterium album, Pseudomonas fluorescens и Bacillus brevis. Около 50—80 % бактерий, присутствующих в илах, относятся к Рseudomonas, которые способны окислять более 20 типов ор­ганических веществ. Микроорганизмы Васterium хорошо ус­ваивают нефтепродукты и фенолы, находящиеся в сточных во­дах. Углеводы, фенолы и спирты окисляются микроорганизмами вида Васillus, которые преобладают среди микроаэрофильных и факультативно-анаэробных видов. Из серобактерий в илах присутствуют Thiobacterium и Тhiotrix, которые способны окис­лять сульфиды, гипосульфиды и сероводород.
При обследовании хвостохранилищ некоторых обогатитель­ных фабрик СНГ было показано, что наличие бактерий Т. ferrooxidans определяет прежде всего рН среды хвостохранилища.
Количество T.thioparus и T.denitrificans в воде отстойников увеличивается в летний период в 10 – 100 раз и составляет летом до 100 кл/мл, что свидетельствует об интенсификации окислительных процессов в прудах в летний период.
Многочисленными исследованиями установлено, что органические вещества иловых отложений принимают самое прямое участие в связывании и осаждении ионов тяжелых цветных металлов в виде металлорганических комплексов – хелатов. Цинк осаждается при связывании его с гуминовыми и фульвокислотами, свинец – с фульвокислотами и медь – с гуминовыми кислотами.
Основными условиями, определяющими полноту осаждения тяжелых цветных металлов при биохимической очистке, являются химический состав органических веществ, вырабатываемых микроорганизмами и насыщенность среды кислородом. В анаэробной зоне при микробиологическом разложении органических веществ образуется низкомолекулярные органические кислоты, спирты, эфиры и другие промежуточние продукты обмена, которые с ионами тяжелых металлов образуют водорастворимые комплексы. В аэробных за это время мед не осаждается а накплвается в растворе в виде растворимых соединений с продуктами метаболизма микроорганизмов. Присутствие среди гетеротрофной микрофлоры сульфатредуцирующих микроорганизмов способствует осаждению металлов в виде сульфидов. На многих обогатительных фабриках в качестве флотационного реагента используется цианистый натрий и калий, являющейся депрессором сульфидов меди и цинка и образующий с ионами тяжелых металлов простые и комплексные соединения – цианиды. Обычно в сточных водах обогатительных фабрик, применяющих цианистые соли, цианид присутствует в виде комплексных цианидов меди, цинка и лишь частично в виде простых (свободных) цианидов. По этому присутствие в стоках обогатительных фабрик комплексных цианидов металлов вызывает необходимость очистки не только от металлов, но и от цианидов, содержания которых может достигать в зимнее время 10 – 11 мг/л, что значительно превышает ПДК.
В настоящее время предложено довольно большое число методов очистки сточных вод различных производств от цианидов с участием микроорганизмов. Выделены 23 наиболее активных штамма бактерий по отношению к цианиду, они определены как Pseudomonas fluorescens Bact album, Bacillus brevis, Bact. Lique faciens. Необходимым условием для жизнедеятельности этих микроорганиз-мов является наличие органического углерода при соотношении его к азоту как 2,5 / 5,1.
В процессе биохимического разрушения цианидов микроорганизмы использует для своей жизнедеятельности азот цианид иона, превращая его в аммоний. Присутствие в среде других легко доступных источников азота тормозит микробиологическое разрушение цианидов, присутствие же органического углерода необходимо. Добавки солей фосфора ускоряют микробиологическое разрушение цианидов.
Лучшие показатели по микробиологическое разрушение цианидов достигаются при использовании в качестве питания микроорганизмов сахарозы и ацетата натрия. Микробиологическое разрушение цианидов можно представить следующему реакциями

2 CN ^- + O₂ ^{микроорганизмы} 2CNO ^– (1)

2 CNO ^- + 2H₂O ^{гидролиз} NH₄⁺ + CO₃^{2 -} (2)

В настоящее время разработан биологический метод очистки сточных хромсодержащих вод. В основу этого метода положено предположение, что восстановление Cr⁶⁺ может осуществляться с участием специфичной микрофлоры при отсутствии кислорода воздуха. В этом случае единственным донором кислорода являются хроматы, а акцептором – органические вещества микрофлоры.

3. Биохимическая очистка сточных вод обогатительных фабрик в последние годы получает все большее распространение. Биохимическое разложение цианидов происходит не только в биологическом пруду. Для интенсификации биохимической очистки предусматривается внесение в биологический пруд качественного свекловичного жома в количестве 60 т, после чего для развития цианразрушающих микроорганизмов сток в пруд прекращается на 20 дней.

Посадка прибрежно – водной растительности в биологическом пруду обеспечивает микроорганизмы дешевым и доступным питанием.
Стоки очищаются в прудах, размеры которых соответствуют 12 – 15 суточному пребыванию в них стоков, засаженных прибрежно – водной растительностью. Для интенсификации очистки добавляется сернокислый аммоний в количестве 1,0 – 1,3 мг азота на 1 л сточных вод в зависимости от количества органических флотореагентов. Искусственной или естественной аэрацией достигается концентрация растворенного кислорода в пруде 5 – 6 мг/л и величина окислительно – восстановительного потенциала 24 – 26 мВ. Кроме того, 2 раза в год в качестве источника гетеротрофных микроорганизмов, фосфора и других микроэлементов в пруд вносится гумусированная почва из расчета 1 м³ на 1000 м³ объема пруда. Принятая система обеспечивает полную очистку стоков от органических флотореагентов, содержание которых по биологическому потреблению кислорода снижается до 3 мг/л кислорода. При этом содержание цианидов снижается на 40 – 60 %, а ионов тяжелых металлов – на 30 – 40 %. Кроме того, снижается мутность стоков, исчезают пена и запах. Эффективность очистки сточных вод в окислительном пруду зависит от времени года. Так , эффективность очистки вод от цианида в январе месяце составляет только 60 %, тогда как в июле она достигает 100 %. В целом по очистным сооружениям удается достичь довольно высокой степени очистки сточных вод. Содержание (в %) снижается: цианида на 98,5; меди на 96,8 и свинца на 85,5.
Процесс очистки сточных вод активным илом представляет собой наиболее обычный вариант процессов такого типа. В случае бытовых сточных вод исходное сырье, как правило, представляет собой стоки, отфильтрованные от крупных частиц и песка и подвергнутые отстаиванию, при котором удаляется около 60 % взвешенных частиц ( вместе с -30 % органического вещества). В Великобритании отстоенные сточные воды содержат обычно 150-200 мг/л взвешенных твердых частиц, 150-200 мг/л органического вещества, определяемого как биохимическая потребность в кислороде (БПК), и 20-40 мг/л аммонийного азота. Собственно процесс очистки состоит из двух стадий: взаимодействия отстоявшихся стоков с воздухом и частицами активного ила в аэротенке в течение определенного времени, которое может колебаться от 4 до 24 ч и более в зависимости от вида сточных вод, требуемой глубины очистки и типа процесса, и отделения очищенной жидкости от частиц активного ила в отстойники. Из отстойники удаляют большую часть свободной от твердых частиц надиловой жидкости, а активный ил возвращает в аэротенк. Таким образом, весь процесс может быт представлен как непрерывная ферментация с подачей твердого сырья ( рис. 1).