Одной из наиболее актуальных проблем экологии на сегодняшний день является очистка разнообразных сточных вод, загрязненных различными экотоксикантами. Существует ряд путей решения данной проблемы, одним из которых является разработка и внедрение биологических методов очистки и доочистки стоков. Эти методы основываются на практически неограниченной способности живых организмов использовать многообразие веществ, содержащихся в сточных водах, в процессах жизнедеятельности.

Биологической очистке подвергаются стоки, в основном загрязненные веществами органической природы и биогенными элементами, а также характеризующиеся высоким содержанием взвешенных веществ. Биологические методы хорошо себя зарекомендовали в системе очистки коммунально-бытовых стоков, как наиболее экологически и экономически выгодные. Они применяются для очистки сточных вод предприятий молочно-консервной, пищевой, нефтеперерабатывающей промышленности, в животноводстве и т.п.

Аэробная очистка сточных вод

Биологическая переработка отходов опирается на ряд дисциплин: биохимию, генетику, химию, микробиологию, вычислительную технику. Усилия этих дисциплин концентрируются на трех основных направлениях:
- деградация органических и неорганических токсичных отходов;
- возобновление ресурсов для возврата в круговорот веществ углерода, азота, фосфора, азота и серы;
- получение ценных видов органического топлива.

При очистке сточных вод выполняют четыре основные операции:
1. При первичной переработке происходит усреднение и осветление сточных вод от механических примесей (усреднители, песколовки, решетки, отстойники).
2. На втором этапе происходит разрушение растворенных органических веществ при участии аэробных микроорганизмов. Образующийся ил, состоящий главным образом из микробных клеток, либо удаляется, либо перекачивается в реактор. При технологии, использующей активный ил, часть его возвращается в аэрационный тенк.
3. На третьем (необязательном) этапе производится химическое осаждение и разделение азота и фосфора.
4. Для переработки ила, образующегося на первом и втором этапах, обычно используется процесс анаэробного разложения. При этом уменьшается объем осадка и количество патогенов, устраняется запах и образуется ценное органическое топливо - метан.

На практике применяются одноступенчатые и многоступенчатые системы очистки. Одноступенчатая схема очистки сточной воды представлена на рисунке:

Принципиальная схема очистных сооружений:
1 - пескоуловители; 2 - первичные отстойники; 3 - аэротенк; 4 - вторичные отстойники; 5 - биологические пруды; 6 - осветление; 7 - реагентная обработка; 8 - метатенк; АИ - активный ил.

Сточные воды поступают в усреднитель, где происходит интенсивное перемешивание стоков с различным качественным и количественным составом. Перемешивание осуществляется за счет подачи воздуха. В случае необходимости в усреднитель подаются также биогенные элементы в необходимых количествах и аммиачная вода для создания определенного значения рН. Время пребывания в усреднителе составляет обычно несколько часов. При очистке фекальных стоков и отходов нефтепереработки необходимым элементом очистных сооружений является система механической очистки - песколовки и первичные отстойники. В них происходит отделение очищаемой воды от грубых взвесей и нефтепродуктов, образующих пленку на поверхности воды.
Биологическая очистка воды происходит в аэротенках. Аэротенк представляет собой открытое железобетонное сооружение, через которое проходит сточная вода, содержащая органические загрязнения и активный ил. Суспензия ила в сточной воде на протяжении всего времени нахождения в аэротенке подвергается аэрации воздухом. Интенсивная аэрация суспензии активного ила кислородом приводит к восстановлению его способности сорбировать органические примеси.

В основе биологической очистки воды лежит деятельность активного ила (АИ) или биопленки, естественно возникшего биоценоза, формирующегося на каждом конкретном производстве в зависимости от состава сточных вод и выбранного режима очистки. Активный ил представляет собой темно-коричневые хлопья, размером до нескольких сотен микрометров. На 70% он состоит из живых организмов и на 30% - из твердых частиц неорганической природы. Живые организмы вместе с твердым носителем образуют зооглей - симбиоз популяций микроорганизмов, покрытый общей слизистой оболочкой. Микрооганизмы, выделенные из активного ила относятся к различным родам: Actynomyces, Azotobacter, Bacillus, Bacterium, Corynebacterium, Desulfomonas, Pseudomonas, Sarcina и др. Наиболее многочисленны бактерии рода Pseudomonas, о всеядности которых упоминалось ранее. В зависимости от внешней среды, которой в данном случае является сточная вода, та или иная группа бактерий может оказаться преобладающей, а остальные становятся спутниками основной группы.

Анаэробные системы очистки

Как уже упоминалось, избыток активного ила может перерабатываться двумя способами: после высушивания как удобрение или же попадает в систему анаэробной очистки. Такие же способы очистки применяют и при сбраживании высококонцентрированных стоков, содержащих большое количество органических веществ. Процессы брожения осуществляются в специальных аппаратах - метатенках.
Распад органических веществ состоит из трех этапов:
- растворение и гидролиз органических соединений;
- ацидогенез;
- метаногенез.
На первом этапе сложные органические вещества превращаются в масляную, пропионовую и молочную кислоты. На втором этапе эти органические кислоты превращаются в усксусную кислоту, водород, углекислый газ. На третьем этапе метанообразующие бактерии восстанавливают диокись углерода в метан с поглощением водорода. По видовому составу биоценоз метатенков значительно беднее аэробных биоценозов.
Насчитывают около 50 видов микроорганизмов, способных осуществлять первую стадию - стадию кислотообразования. Самые многочисленные среди них - представители бацилл и псевдомонад. Метанообразующие бактерии имеют разнообразную форму: кокки, сарцины и палочки. Этапы анаэробного брожения идут одновременно, а процессы кислотообразования и метанообразования протекают параллельно. Уксуснокислые и метанообразующие микроорганизмы образуют симбиоз, считавшийся ранее одним микроорганизмом под названием Methanobacillus omelianskii.

Процесс метанообразования - источник энергии для этих бактерий, так как метановое брожение представляет собой один из видов анаэробного дыхания, в ходе которого электроны с органических веществ переносятся на углекислый газ, который восстанавливается до метана. В результате жизнедеятельности биоценоза метатенка происходит снижение концентрации органических веществ и образование биогаза, являющегося экологически чистым топливом. Для получения биогаза могут использоваться отходы сельского хозяйства, стоки перерабатывающих предприятий, содержащих сахар, бытовые отходы, сточные воды городов, спиртовых заводов и т.д.
Метатенк представляет собой герметичный ферментер объемом в несколько кубических метров с перемешиванием, который обязательно оборудуется газоотделителями с противопламенными ловушками. Метатенки работают в периодическом режиме загрузки отходов или сточных вод с постоянным отбором биогаза и выгрузкой твердого осадка после завершения процесса. В целом, активное использование метаногенеза при сбраживании органических отходов - один из перспективных путей совместного решения энергетических и экологических проблем, который позволяет агропромышленным комплексам перейти на автономное энергообеспечение.

Биоочистка служит завершающим этапом после механической и физико-химической очистки, после чего воды соответствующего качества спускают в природные водоемы или на рельеф.

Биологические пруды, являясь конечным звеном в процессах биологической очистки стоков, окончательно формируют качество воды, сбрасываемой в водные объекты. Наличие в системе очистных сооружений биопрудов позволяет в значительной мере сгладить отрицательное влияние слабоочищенных стоков на водные бассейны.

Особое внимание необходимо уделять наличию и эффективной работе биологических прудов там, где очистные сооружения работают неудовлетворительно. В первую очередь, это относится к тем предприятиям, где биологические пруды являются практически единственными действующими элементом в системе очистки.

На данный момент в практике очистки хозбытовых и промышленных сточных вод большинство биологических прудов переведены в бессточный режим. Тем самым практически полностью прекратился поверхностный сброс воды в природные водоёмы. Это положительно повлияло на экологическое состояние средних и малых водных бассейнов, значительно замедлив их эвтрофикацию.

Искусственная аэрация позволяет значительно интенсифицировать процессы биохимической очистки сточных вод, увеличить глубину пруда до 3-4 м, что стабилизирует процесс и позволяет сделать биопруды значительно компактнее.

Биологические пруды представляют собой мелкие котлованы глубиной от 0,5-1 м при естественной аэрации и до 3-4,5 м (в зависимости от характеристики аэрирующего устройства) при искусственной. Располагают их на нефильтрующих или слабофильтрующих грунтах.

Как правило, биологические пруды имеют прямоугольную форму и вытянуты по ходу движения воды, при применении самодвижущихся механических аэраторов могут быть круглыми. Соотношение длины к ширине в биологических прудах с естественной аэрацией должно быть 1:15, при искусственной – 1:3. Во избежание образования застойных зон сточную воду в биологические пруды подают рассредоточено.

Направление движения сточной жидкости в биологических прудах должно быть перпендикулярно направлению господствующих ветров.

В пруды для глубокой очистки допускается направлять сточную воду с БПКполн не более 25 мг/л – для прудов с естественной аэрацией и не более 50 мг/л – для прудов с искусственной аэрацией.

По характеру протекающих в биологическом пруду процессов они подразделяются на три основных вида: аэробные, факультативные и анаэробные.

Аэробные биологические пруды содержат кислород по всей глубине воды, которая составляет обычно 0,3 – 0,45 м, что достигается за счет реаэрации и процессов фотосинтеза.

Факультативные биологические пруды, имеющие глубину от 1,2 до 2,5 м, наиболее часто применяются для глубокой очистки сточных вод. Также эти пруды называют аэробно-анаэробными. В верхних слоях развиваются аэробные культуры, в придонных – факультативные аэробы и анаэробы, способные осуществлять процессы метанового брожения.

Насыщение воды кислородом происходит за счет процессов фотосинтеза, осуществляемого водорослями. В прудах также в той или иной мере представлена микро- и макрофауна: простейшие черви, коловратки, насекомые и др.

Анаэробные биологические пруды работают с очень высокими нагрузками по органическим загрязнениям. Основные биохимические процессы, протекающие в них, - образование кислот и метановое брожение.

В последнее время широкое распространение получили биологические пруды с высшей водной растительностью (ВВР). В таких прудах по определенной схеме высаживают такие водные культуры, как камыш, тростник, рогоз, телорез и др. Растения интенсифицируют процесс очистки, удаляют биогенные элементы, активно используя их в своем питании, изымают из воды и аккумулируют тяжелые металлы, радиоактивные изотопы и другие специфические загрязнения. Выделяемые ВВР фитонциды способствуют обеззараживанию воды. Культивирование ВВР предпочтительнее, чем использование для изъятия биогенных элементов и других загрязнений одноклеточных и мелких водорослей. Это объясняется тем, что ВВР очень быстро развивается, следовательно, потребляет большое количество питательных веществ, изымая их из воды. Вместе с тем, ВВР легче удалить из биопруда, чем мелкие водоросли, что предотвращает вторичное загрязнение водоема, обусловленное разложением отмершей растительной биомассы.

В стоке, выходящем после биологических прудов, общее снижение концентрации загрязнений по БПКполн может достигать 60-98%, а по взвешенным веществам 90-98%.

Биологические пруды требуют создания широких санитарно-защитных зон (200 м).

Нитрификация

Особенностью биохимического окисления органических веществ в воде является сопутствующий ему процесс нитри­фикации , искажающий характер потребления кислорода

Нитрификация- процесс биологического превращения восстановленных соединений азота в окисленные неорганические по схеме:

Сутки

3 6 9 12

Рис. 3. Изменение характера потребления кислорода при нитрификации.

Нитрификация протекает под воздействием особых нит­рифицирующих бактерий - Nitrozomonas, Nitrobacter и др. Эти бактерии обеспечивают окисление азотсодержащих соеди­нений, которые обычно присутствуют в загрязненных природ­ных и некоторых сточных водах, и тем самым способствуют превращению азота сначала из аммонийной в нитритную, а за­тем и нитратную формы.

Процесс нитрификации происходит и при инкубации пробы в кислородных склянках. Количество кислорода, по­шедшее на нитрификацию, может в несколько раз превышать количество кислорода, требуемое для биохимического окисле­ния органических углеродсодержащих соединений. Начало нитрификации можно зафиксировать по минимуму на графике суточных приращений БПК за период инкубации. Нитрифика­ция начинается приблизительно на 7-е сутки инкубации (см. рис. 9), поэтому при определении БПК за 10 и более суток необходимо вводить в пробу специальные вещества - инги­биторы, подавляющие жизнедеятельность нитрифицирую­щих бактерий, но не влияющие на обычную микрофлору (т.е. на бактерии - окислители органических соединений). В ка­честве ингибитора применяют тиомочевину (тиокарбамид), который вводят в пробу либо в разбавляющую воду в кон­центрации 0,5 мг/мл.

В то время как, и природные, и хозяйственно-бытовые сточные воды содержат большое количество микроорганизмов, способных развиваться за счет содержащихся в воде органиче­ских веществ, многие виды промышленных сточных вод сте­рильны, или содержат микроорганизмы, которые не способны к аэробной переработке органических веществ. Однако микро­бы можно адаптировать (приспособить) к присутствию различ­ных соединений, в том числе токсичных. Поэтому при анализе таких сточных вод (для них характерно, как правило, повы­шенное содержание органических веществ) обычно применяют разбавление водой, насыщенной кислородом и содержащей добавки адаптированных микроорганизмов. При определении БПК полн промышленных сточных вод предварительная адапта­ция микрофлоры имеет решающее значение для получения правильных результатов анализа, т.к. в состав таких вод часто входят вещества, которые сильно замедляют процесс биохими­ческого окисления, а иногда оказывают токсическое действие на бактериальную микрофлору.

Для исследования различных промышленных сточных вод, которые трудно подвергаются биохимическому окисле­нию, используемый метод может применяться в варианте оп­ределения «полного» БПК (БПК полн.).

Если в пробе очень много органических веществ, к ней добавляют разбавляющую воду. Для достижения максималь­ной точности анализа БПК анализируемая проба или смесь пробы с разбавляющей водой должна содержать такое количе­ство кислорода, чтобы во время инкубационного периода про­изошло снижение его концентрации на 2 мг/л и более, причем остающаяся концентрация кислорода спустя 5 суток инкубации должна составлять не менее 3 мг/л. Если же содержание РК в воде недостаточно, то пробу воды предварительно аэрируют для насыщения кислородом воздуха. Наиболее правильным (точным) считается результат такого определения, при котором израсходовано около 50 % первоначально присутствующего в пробе кислорода.

В поверхностных водах величина БПК 5 колеблется в пределах от 0,5 до 5,0 мг/л; она подвержена сезонным и суточ­ным изменениям, которые, в основном, зависят от изменения температуры и от физиологической и биохимической активно­сти микроорганизмов. Весьма значительны изменения БПК 5 природных водоемов при загрязнении сточными водами.

Норматив на БПК полн. не должен превышать: для водо­емов хозяйственно-питьевого водопользования - 3 мг/л для водоемов культурно-бытового водопользования - 6 мг/л. Со­ответственно можно оценить предельно-допустимые значения БПК 5 для тех же водоемов, равные примерно 2 мг/л и 4 мг/л.

Денитрификация

Денитрификация- микробиологический процесс восстановления окисленных соеди­нений азота (нитратов, нитритов) до газообразных азотистых продуктов (обычно до N 2):

Денитрификация происходит в результате жизнедеятельности бактерий, факультативных анаэробов, ис­пользующих в отсутствие кислорода нитраты и нитриты в качестве окислителей (ана­эробное дыхание). Процесс сопряжен с окислением органических веществ и катализиру­ется особыми ферментами. В ходе денитрификации азот удаляется из почвы и воды в виде газообразного N2, поступающего в атмосферу.

Процесс денитрификации активно протекает во влажных, плохо аэрируемых или зато­пляемых почвах, эвтотрофных водоемах, при рН 7-8, достаточном количестве нитратов и легкодоступного органического вещества. Денитрификацию считают главной причи­ной потерь азота в земледелии - удобрения могут утрачивать в результате денитрифи­кации до 50% связанного азота. Хотя процессы денитрификации осуществляются мик­роорганизмами не с целью получения азота, но именно они «замыкают» круговорот азота в экосистеме, возвращая газообразный N 2 в атмосферу.

Денитрификация - процесс, обратный превращению аммония в нитриты и далее - в нитраты. Разница состоит в том, что нитрификация - процесс окислительный, который протекает в присутствии кислорода. Такие процессы еще называют аэробными. Процесс денитрификации, напротив, является анаэробным, то есть протекает без доступа кислорода. При этом происходит последовательное восстановление нитратов в нитриты, затем в оксид азота, закись азота и, наконец, азот.

В сущности, процесс денитрификации завершает полный цикл круговорота азота в водоеме. Весь азот, который поступил удаляется в атмосферу.

Несложный на первый взгляд процесс в аквариуме может стать совсем непростым и трудно контролируемым. Дело в том, что процесс восстановления протекает при непосредственном участии факультативных анаэробных бактерий Pseudomonas, Micrococcus, Bacillus, Denitrobacillus. В отличие от нитрификации, для успешной реализации которой нужны бактерии Nitrosomonas и Nitrobacter, вода, содержащая аммоний или нитриты, и кислород, денитрификация - достаточно энергоемкий процесс.

Круговорот азота в настоящее время подвергается сильному воздейст­вию со стороны человека. К значительным изменениям в цикле азота приводят процессы:

Массовое производство азот­ных удобрений и их использование приводит к избыточному накоплению нитратов;

Подав­ление деятельности микроорганизмов в результате загрязнения почвы от­ходами промышленности приводит к снижению скорости превращения аммиака в нитраты;

Азот, поступающий на поля в виде удобрений, теряется из-за от­чуждения урожая, выщелачивания и денитрификации, происходит накопление аммонийных удобрений в почве;

В результате промышленной фиксации молекулярного азота из атмосферы с целью производства азотных удобрений резко нарушается природное азотное равновесие.

Однако эти процессы носят локальный характер. Гораздо большее значение имеет поступление оксидов азота в атмосферу при сжигании топлива на ТЭЦ, транспорте, заводах, особенно в промышленных районах. Под воздействием излучения в атмосфере происходят реакции угле­водородов с оксидами азота с образованием высокотоксичных и канцеро­генных соединений.

Заключение

Ещё в городах древнего Египта, Греции и Рима существовали канализационные системы, по которым отходы жизнедеятельности людей и животных транспортировались в водоёмы – реки, озера и моря. В Древнем Риме перед сбросом в Тибр канализационные стоки накапливались и выдерживались в накопительном пруде-отстойнике-клоаке (cloaca maxima). В Средние века этот опыт был в значительной степени забыт, потом, экскременты людей и животных, выливались на городские улицы и удалялись эпизодически. Это являлось причиной загрязнения и заражения источников питьевой воды и приводило к возникновению эпидемий холеры, тифа, амебной дизентерии и др. В начале 19 века в Англии был изобретен туалет с водяным смывом (water closet, WC). Возникла очевидная необходимость в обработке сточных вод и предотвращения их попадания в источники питьевой воды. Сточные воды собирали и выдерживали в больших емкостях, осадок использовали в качестве удобрений. В начале двадцатого века были разработаны интенсивные системы очистки бытовых сточных вод, включая поля орошения, где вода очищалась, фильтруясь через почву, струйные фильтры со щебневой и песчаной загрузкой, а также резервуары с принудительной аэрацией – аэротенки. Последние являются основным узлом современных станций аэробной очистки городских сточных вод.

Преимуществом аэробной очистки является высокая скорость и использование веществ в низких концентрациях. Существенными недостатками, особенно при обработке концентрированных сточных вод, является высокие энергозатраты на аэрацию и проблемы, связанные с обработкой и утилизацией больших количеств избыточного ила. Аэробный процесс используется при очистке бытовых, некоторых промышленных и свиноводческих сточных вод с ХПК не выше 2000. Исключить указанные недостатки аэробных технологий может предварительная анаэробная обработка концентрированных сточных вод методом метанового сбраживания, которая не требует затрат энергии на аэрацию и более того сопряжена с образованием ценного энергоносителя – метана. Преимуществом анаэробного процесса является также относительно незначительное образование микробной биомассы. К недостаткам следует относить невозможность удаления органических загрязнений в низких концентрациях. Для глубокой очистки концентрированных сточных вод анаэробную обработку следует использовать в комбинации с последующей аэробной стадией. Выбор технологии и особенности обработки сточных вод определяется содержанием органических загрязнений в них.

Биопруды создаются искусственно возле предприятий нефтехимической, коксохимической, нефтедобывающей промышленности, и в местах целлюлозного производства. Это заглубленные очистные водоемы, огражденные дамбой или плотиной.

Биологические пруды с загрязненными отходными водами от предприятия строятся в местах, непригодных для ведения сельского хозяйства. Как правило, это овраги, склоны террас. Каждое очистное сооружение ограждается в целях безопасности дамбой, а если находится в глубоком овраге – плотиной.

Пруды-отстойники являются причиной загрязнения сточных вод, биологами ведется борьба с цветением этих водоемов. Вода химическим образом осветляется. В прудах происходят естественные процессы самоочищения и аэрации сточных вод.

Условия хранения сточной воды

Биологический пруд должен хранить в себе только стоки тех вод, которые не меняют своих качеств на протяжении всего срока хранения. Необходимо все же следить за отсутствием загрязнения водоема илом. Водоем для хранения сточных отходов должен функционировать временным, а не постоянным образом.

Подчеркивается, что особых требований к построению очистного пруда не имеется. Водоем площадью до 50.000 м3 засаливает подземные чистые русла на расстоянии нескольких квадратных километров.

Необходимо отметить, что, по оценкам специалистов ЛИСИ, в настоящее время очистной пруд строится объемом до 40.000 м3. Каждый биологический пруд-отстойник очень загрязняет воздух, выделяя в него активные химические вещества.

Принцип построения пруда для сточных вод

Технология возведения пруда

Пруд-накопитель по технологическим требованиям должен состоять из 2-х частей. Первая занимает 20% объема всего пруда и служит для фильтрации и отстаивания частиц продукции нефтепереработки. Вторая часть, объемом 80%, функционирует как своеобразный аккумулятор.

Следует обратить внимание, что в качестве пруда-накопителя может быть использовано заболоченное озеро или болото, если рядом находится водопроводный слив сточных вод и большая площадь земельных угодий.

Метод использования биологического заболоченного озера экономически выгоден, но водопроводные осадки приобретают в болоте тиксотропное состояние, пруд покрывается твердой коркой, известь не помогает устранить проблему, поэтому пруд-хранилище должен быть временным вариантом.

Пруд-станция строится с учетом уровня воды в близлежащем природном водоеме в период половодья. Берутся данные за последние 10 лет. Аридная (пустынная) зона строительства прудов по собранию стоков в холодное время года может значительно повысить плодородность земли и урожайность при устройстве продуманной дренажной сточной системы.

Тип очистной постройки

Тип очистного сооружения определяется в зависимости от природы осадков в сточных водах. Биологические накопители подразделяются на однофазные и двухфазные. В однофазные накопители отправляются осадки промышленности с ярко выраженной окраской и сильным запахом, содержащие соли, которые не поддаются переработке, в двухфазные – осадки в виде водяной суспензии, содержащие минералы и органические вещества, которые могут быть отделены.

Гидроотвалы – хранители стоков

Гидроотвалами служат сооружения — станции, предназначенные для хранения пульпы. Пульпой является мелкоизмельченная суспензия воды и горной породы. Пульпа бывает в виде:

• грубой суспензии;
• тонкой суспензии;
• ила (шлама);
• коллоидного раствора.

По типу рельефа дна биологические гидроотвалы-пруды подразделяются на:

• специально возводимые и огороженные дамбой или плотиной;
• расположенные в пойме реки, обвалованные с 3-4 сторон;
• низинные, равнинные пруды;
• карьерные биопруды;
• возводимые в местах естественного углубления рельефа;
• котлованные и котловинные пруды.

Характеристика гидроотвалов

Гидроотвалы по высоте бывают низкими, до 12 метров, средними, от 12 до 35 метров, высокими, от 35 метров и выше. Сооружение-станция должно содержать в себе обвалованную дамбу, водосборные приспособления и дренажные системы. Небольшого объема поверхностные воды на территории биологического гидроотвала собираются водосборной установкой, а большие паводковые воды – при помощи специального водопропускного механизма.

Иловая площадка строится в естественном месте понижения рельефа либо возводится искусственным образом. Станция предназначена для выпаривания воды из осадков и изъятия необходимых остатков, подлежащих переработке. Представляет собой углубление, обвалованное дамбой с 2 – 3 сторон с дорогами для возможности подъезда транспорта и автотехники с целью изъятия остатков отвалов работниками, пересмотра и упаковки для дальнейшей транспортировки.

Иловая площадка для накопления стоков

Биологическая иловая площадка-станция строится из нескольких иловых карт с задвижками, водоспускными трубами, дренажом для сточных систем. Иловые карты располагаются в ряд друг с другом под определенным углом наклона, что соответствует технической эксплуатации каждой карты. Покрытие сточными водами единоразово всех карт недопустимо. Карты покрываются водой с отходами в определенном порядке: на 25-35 см летом и на 15 см зимой ниже верхнего уровня обвалочной дамбы.

Трубы, задвижки, лотки осматриваются сотрудниками не реже, чем раз в 5 дней. Полезные остатки изымаются с карт после того, как сточная вода полностью сойдет в яму и перейдет в дренажную систему, а остатки подсохнут. Вода из ямы удаляется посредством действия водоочистных сооружений. Устройства для развода площадок и их каналы промываются чистой водой после каждого наложения осадков. В зимний период раздвижной открытый лоток покрывается несколькими щитами от вод.

Особенность хвостохранилища и водоема — испарителя

Хвостохранилище представляет собой водоем-накопитель жидких промышленных стоков и вод, содержащих полезные ископаемые (хвосты), пригодные для вторичной переработки с применением технологии биологического обогащения. По мере надобности строят вторичные дамбы в дополнение основной. Воду в накопителе осветляют. Дамбы против вод возводятся насыпным образом.

Пруд-испаритель имеет в основе дамбу обвалования и естественное природное углубление рельефа. В основание пруда закладывается противофильтрационная пленка из влагонепроницаемого материала, которая заглубляется до уровня глины под землей. Пруды-испарители различаются между собой в зависимости от геологических, климатических, условий местности и сточных вод. По типу рельефа бывают:

• овражные пруды;
• пойменные пруды;
• равнинные;
• котлованные.

Возведение шламохранилища

Шламохранилище представляет собой огромных размеров земляной пруд до десятков тысяч м3, обвалованный дамбой с защитным гребнем, снабженный системой водосбора и водоотведения. Гребень должен быть оборудован системой кюветов для подачи и отвода вод.

Данная система устроена по принципу действия аналогичной в хвостохранилище. Шламохранилище предназначено для отсеивания и вторичной переработки отходов нефтяной промышленности. Стоки вод представляют собой суспензию взвешенных нефтяных частиц.

Технология возведения очистных водоемов

Особо отмечается технология постройки очистных водоемов согласно нормам и природоохранным законам, действующим в РФ.

Все гидротехнические сооружения должны быть построены по проектам, разработанным в определенном порядке, и прошедшим экспертизу согласно Постановлению Госдумы РФ от 7 декабря 2000 года:

• Владелец гидросооружения перед началом строительства должен предоставить в Госгортехнадзор проект постройки очистного сооружения, который соответствует нормативным требованиям.
• Владелец гидросооружения несет полную ответственность за:
• сам пруд,
• коммуникацию,
• подходы и подъезды к гидросооружению,
• подводимую дренажную систему,
• водосборные и водозаборные системы отвода вод,
• качество воды, сбрасываемой в открытый водоем.
• Собственник гидросооружения должен предоставить в контролирующий орган план ликвидации аварии после:
  • устранения водоема-накопителя,
  • возникновения проблем с водосборной системой,
  • разлития загрязненных вод по прилегающей к пруду территории.

• Нормативный закон предполагает мониторинг гидросооружения с целью предупреждения возможной аварии и определения уровня загрязненности окружающей территории.
• Руководство гидросооружения обязано разработать для контролирующего органа план по эксплуатации очистного сооружения, инструкцию для местного пользованием прудом, инструкцию по технике безопасности, служебные инструкции для всего рабочего персонала.
• Руководство мелких и средних по объему накопителей может разработать и утвердить план по ликвидации аварий в составе плана локализации аварии на всем обслуживающем предприятии или его подразделения.

Если в зоне разлива токсичных вод, планируемой техническим проектом, находятся жилые помещения или объекты науки, образования, медицины, их надо немедленно перенести из указанной зоны.

Причины и условия ликвидации водоема

Накопитель, после заполнения его до верхней рабочей отметки, подлежит консервации (ликвидации). Для этой цели необходимо получить экспертное заключение из Госгортехнадзора о состоянии хранилища и его влиянии на окружающую среду, а также разработать план по ликвидации самого очистного сооружения в соответствии с заключением экспертов. Накопитель ликвидируется в случае:

• нахождения его в жилой зоне;
• переполнения его токсичными отходами, когда противофильтрационные пленки и средства не сдерживают их, а загрязненная вода просачивается в землю, отравляя чистые источники.

Проект по ликвидации гидросооружения должен выполняться организацией, имеющей лицензию по его строительству. Проектом должны предусматриваться требования по сохранению безопасности окружающей среды и промышленного предприятия. Безопасность консервации объекта обеспечивает владелец или использующая гидросооружение организация в соответствии с заключением экспертной комиссии и специалистов Ростехнадзора.

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Карагандинский государственный технический университет

РЕФЕРАТ

по дисциплине: Экология

Тема: __________Биологические методы очистки

Руководитель

_________________

(оценка) (фамилия, инициалы)

(подпись) (дата)

Студент

(группа)

(фамилия, инициалы)

(подпись) (дата)

2009

Биологические методы применяют для очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод от разнообразных растворенных органических и некоторых неорганических (сероводород, аммиак и др.) соединений. Процесс очистки основан на способности микроорганизмов использовать эти вещества для питания в процессе жизнедеятельности. Известны аэробные и анаэробные методы биологической очистки сточных вод.

Аэробный метод основан на использовании аэробных микроорганизмов, для жизнедеятельности которых необходим постоянный приток кислорода и температура в пределах 20...40 °С. При аэробной очистке микроорганизмы культивируются в активном иле или в виде биопленки. Активный ил состоит из живых организмов и твердого субстрата. Живые организмы представлены бактериями, простейшими червями и водорослями. Биопленка растет на наполнителе биофильтра и имеет вид слизистых обрастаний толщиной 1...3мм и более. Биопленка состоит из бактерий, простейших грибов, дрожжей и других организмов.

Аэробная очистка происходит как в природных условиях, так и в искусственных сооружениях.

Очистка в природных условиях происходит на полях орошения, полях фильтрации и биологических прудах.

Поля орошения - это специально подготовленные для очистки сточных вод и агрокультурных целей площади. Очистка протекает под действием почвенной микрофлоры, солнца, воздуха и под влиянием растений. В почве полей орошения находятся бактерии, дрожжи, водоросли, простейшие животные. Сточные воды содержат в основном бактерии. В смешанных биоценозах активного слоя почвы возникают сложные взаимодействия микроорганизмов, в результате чего сточная вода освобождается от содержащихся в ней бактерий. Если на полях не выращиваются сельскохозяйственные культуры, и они предназначены только для биологической очистки сточных йод, то они называются полями фильтрации.

Биологические пруды - это каскад прудов, состоящий из 3...5 ступеней, через которые с небольшой скоростью протекает осветленная или биологически очищенная сточная вода. Такие пруды предназначены для биологической очистки сточных вод или доочистки сточных вод в комплексе с другими очистными сооружениями.

Очистка в искусственных сооружениях поводится в аэротенках и на биофильтрах. Более широкое применение нашли аэротенки.

Аэротенки - это железобетонные резервуары, представляющие собой открытые бассейны, оборудованные устройствами для принудительной аэрации. Глубина аэротенка - 2...5м.

Анаэробный метод очистки протекает без доступа воздуха. Его в основном используют для обезвреживания твердых осадков, которые образуются при механической, физико-химической и биологической очистке сточных вод. Эти твердые осадки сбраживаются анаэробными бактериями в специальных герметичных резервуарах, которые называются метантенками В зависимости от конечного продукта брожение бывает спиртовое, молочнокислое, метановое и др. Для сбраживания осадков сточных вод используется метановое брожение.

Почва и почвообразующие факторы

Почва - это рыхлый поверхностный слой земной коры, обладающим плодородием. Почва непрерывно изменяется под влиянием климата, биологических факторов и деятельности человека.

Главное качество почвы - плодородие , которое определяется способностью удовлетворять потребность человека и других живых организмов в питательных веществах, воде и воздухе.

Казахстан располагает большими земельными ресурсами. Природные черноземные земли расположены узкой полосой в северной и северо­западной части республики, где температурные условия и атмосферные осадки позволяют выращивать стабильные урожаи. Восточная и центральные части из-за часто повторяющихся засушливых лет считаются зоной рискованного земледелия. Южная часть республики расположена в полупустынной и пустынной зонах, и земледелие здесь возможно только орошаемое.

В последние годы прекратился прирост пашни, удобные и пригодные земли освоены, остались неудобные солонца, солончаки и пески. Несмотря на это, продолжается отвод сельскохозяйственных угодий на несельскохозяйственные нужды: под строительство дорог, промышленных предприятий, жилья и других объектов. Ежегодно на эти цели изымается 18..20 тыс. га

Виды негативного влияния на почву и меры борьбы с ними

Понижение плодородия почвы и полная потеря его происходят в результате эрозии, засоления, заболачивания, загрязнения и прямою разрушения при производстве строительных, горнодобывающих и других работ.

Эрозия - это процесс разрушения верхних, наиболее плодородных горизонтов почвы и грунта водой или ветром. 9/10 всех потерь пахотных земель приходится на ее долю.

В Казахстане эрозированные земли составляют около 18...20 тыс. га, и расположены в северных, западных и центральных степных районах.

Эрозия в основном возникает по вине человека. Ей подвержены сухие, бестравные и безлесные земли. Напротив, лесистые местности являются накопителями влаги и противодействуют возникновению эрозии. Каждый гектар леса удерживает более 500 м3 воды.

Различают два вида эрозии; ветровую и водную.

Ветровая эрозия протекает при сильном ветре (порядка 18...20 и более м/с). Местная ветровая эрозия может появляться и при скорости 5...6 м/с. При этом может выдуваться верхний горизонт мощностью до 15...20 см, а иногда и весь пахотный слой.

Водная эрозия возникает при сильных ливнях, интенсивном таянии снега, разрушает почвенный покров, образуются овраги.

Меры борьбы с эрозией почв осуществляются с применением следующих мероприятий:

организационно-хозяйственные мероприятия - дифференцированное использование земель, обработка посевов, внесение удобрений, применение разных типов севооборота, расположение почвозащитных многолетних насаждений, оросительных и осушительных систем, дорог, скотогонов и т.д.;

агротехнические приемы , которые обеспечивают оптимальные условия пищевого, водного, воздушного и теплового режима почвы для роста, развития и формирования урожая возделываемых культур. К таким агротехническим приемам относятся: регулирование глубины вспашки, безотвальная или плоскорезная обработка почвы, распашка на склонах на более 5°, применение лесомелиоративных и гидротехнических мероприятии.

Засоление возникает при повышении содержания в почве легкорастворимых солей (карбоната натрия, хлоридов, сульфатов), обусловленное грунтовыми или поверхностными водами (первичное засоление), но часто вызванное неправильным орошением (вторичное засоление). Почвы считаются засоленными при содержании более 0,1 % по весу токсичных для растений солей. Увеличение соли на орошаемых землях до 1% снижает урожай на 1/3, а до 2...3 % - ведет к гибели посевов. Причина возникновения засоления - орошение полей методом затопления или устройством арыков. При такой практике сначала вода большие фильтрует, соли вымываются вниз, урожайность повышается. Через несколько лет происходит обратный процесс: уровень грунтовых вод поднимается, уменьшается фильтрация, увеличивается испарение, и соли выносятся на поверхность почвы.

Опустынивание . В мире ежегодно теряется 50...60 тыс. км 2 земли в результате опустынивания. Общая площадь пустынь достигла 20 млн. км.

В результате опустынивания уменьшается биологическое разнообразие регионов, меняются погодные условия, сокращаются водные ресурсы, что приводит к нехватке продовольственных ресурсов.

Главной мерой защиты земель от опустынивания является предотвращение выдувания почвы путем лесопосадок и создания искусственных однолетних пастбищ.

Заболачивание имеет место в районах, где количество атмосферных осадков превышает количество испаряющейся с поверхности почвы влаги, и тогда происходит заболачивание земель. На территории Казахстана болот нет, а заболоченные земли занимают незначительные площади. Для сельскохозяйственного использования заболоченных земель необходимо их осушение путем проведения дренажных работ в комплексе с другими агротехническими мероприятиями.

Истощение почвы . Это явление связано с перегрузкой пашни, изъятием питательных веществ из почвы в больших размерах. Почвы теряют органические вещества, ухудшается структура почвы, водный и воздушный режим, появляется уплотнение, ухудшаются биогенный и окислительно-восстановительный режим. Истощаются луга и пастбища в результате чрезмерного выпаса скота.

Важным направлением борьбы с истощением является мелиорация, оросительные мероприятия.

Мелиорация - это совокупность организационных, хозяйственных, технических мероприятий, направленных на улучшения почв и их плодородия.

Мелиорация бывает:

Гидротехническая (орошение, осушение, промывка засоленных почв);

Химическая (известкование, гипсование, внесение других химических мелиорантов);

Агробиологическая (агролесомелиорация и др.);

Улучшение физических и структурных свойств почвы (пескование глинистых и глинование песчаных и торфяных почв).

Допустимые антропогенные нагрузки на окружающую среду

Любая, возникшая за счет какого-либо воздействия нагрузка на экологические системы, способная вывести из нормального состояния, определяется как экологическая нагрузка. Допустимая антропогенная нагрузка на окружающую среду - это нагрузка, которая не меняет качества окружающей среды или меняет ее в допустимых пределах, при которых не нарушается существующая экологическая система и не возникают неблагоприятные последствия в важнейших популяциях.. Если нагрузка превышает допустимую, то антропогенное воздействие причиняет ущерб популяциям, экосистемам или биосфере в целом.

С каждым годом отмечается рост водопотребления, что связано с увеличением количества жителей большинства регионов страны, а также продолжающимся ростом промышленности. Это ведет к тому, что загрязнение окружающей среды сточными водами также возрастает, ставя перед экспертами непростую задачу - как с наименьшими потерями для прогресса причинять природе как можно меньший вред. Возникает необходимость разработки эффективных методик очистки сточных вод, к числу наиболее результативных из них относится создание биологических прудов. Познакомимся с ними поближе, узнаем суть этого термина, разновидности и специфику обустройства и применения.

Понятие

Сейчас не являются редкостью. А биологические пруды относятся к их числу, однако от других разновидностей их отличает назначение - в таких прудах создаются максимально приближенные к естественным условия, в которых будет производиться самоочищение сточных вод. Можно также встретить и другие наименования сооружений - лагуны, простые пруды, стабилизационные, пруды доочистки.

Основными «жителями» таких водоемов являются зеленые водоросли, которые активно выделяют кислород в ходе своей жизнедеятельности, а этот химический элемент, в свою очередь, ведет к ускорению распада органики. Кроме того, на процесс разложения оказывают влияние следующие группы факторов:

• Температура.
• Аэрация.
• Скорость воды.
• Жизнедеятельность бактерий.

Таким образом и происходит очистка воды - совершенно естественно и довольно быстро. Всего за 5 суток можно произвести полную очистку водоема. Кроме того, растения будут накапливать внутри себя тяжелые металлы, которые в природе подвергаются разложению в течение длительного времени.

Характеристика

Познакомимся с основными параметрами биопрудов:

• Оптимальная глубина невелика - от 0,5 до 1 метра.
• Форма - прямоугольник.
• Соотношение длины и ширины зависит от способа аэрации: если она искусственная, то пропорция 1:3, если естественная - 1:1,5.

Именно в таких условиях происходит массовое развитие планктонных водорослей и прочих полезных микроорганизмов. Для выполнения биопрудами своих непосредственных функций рядом с ними высаживают такие растения: тростник, аир, камыш, рогоз широколиственный, водный гиацинт и некоторые другие.

Продолжительность полезного использования этих сооружений - более 20 лет.

Разновидности

Биологические пруды для вод могут быть трех основных видов, информация о них для удобства восприятия представлена в формате таблицы.

Кроме того, можно встретить и иную классификацию - деление на проточные и контактные, при этом первые, в свою очередь, могут быть много- и одноступенчатыми.

Также биопруды можно подразделить на три группы в зависимости от биотического круговорота: анаэробные, аэробные и факультативно-аэробные.

• Анаэробные чаще всего используются для частичной очистки воды. Проживающие в них живые организмы нуждаются в большом количестве кислорода. Существенным моментом таких водоемов являются неприятные запахи гниения.
• Аэробные являются самыми мощными по степени очистки, поскольку проживающие в них живые организмы, прежде всего - водоросли, принимают участие в окислении сточных вод.
• Факультативно-аэробные - промежуточный вариант, сочетающий в себе неприятный запах гнили и более эффективную очистку.

При многоступенчатой очистке в прудах последней ступени может разводиться рыба, чаще всего это карп.

Применение

Исследования доказали, что самой простой и при этом эффективной системой очистки воды является использование природных методов, в частности - растительных организмов. Для водорослей улучшение качества воды является естественной функцией, поскольку для нормальной жизнедеятельности им необходимы калий, фосфор и азот, а в корневой системе образуются микроорганизмы, отвечающие за окисление органики. На этих факторах и основана работа искусственных водоемов.

Биопруды используются как для самостоятельной очистки вод, так и в составе целых комплекса подобных сооружений, например, предваряя собой использование земледельческих полей орошения или для доочистки на станциях аэрации. Для очистки сточных вод биологические пруды предпочтительно применять в тех регионах, где температура воздуха составляет не менее +10 °С в среднем в течение года и умеренно влажный климат.

Санитарный надзор

Очистные сооружения, в том числе биопруды, находятся под постоянным санитарным контролем, задача в осуществлении которого выполняется санэпидстанциями. Контролировать состояние таких водоемов обязаны следующие специалисты:

С целью контроля используются различные виды исследований, включая бактериологическое. Также проверяется соблюдение мероприятий по предотвращению сброса сточных вод, не подвергнутых предварительной очистке и обеззараживанию в водоемы.

Польза

Биологическая очистка воды в пруду, помимо своей простоты и результативности, оказывается еще и очень полезна человеку. Прежде всего используются обычные природные процессы, поэтому не ведется речи об искусственном вмешательстве в жизнь природного сообщества. Такие водоемы могут быть использованы как для самостоятельной так и для доочистки. Кроме того, биопруды помогают в следующих случаях:

• Уничтожают до 99 % кишечной палочки.
• Снижается практически до 100 % содержание яиц гельминтов.

Однако важно отметить и существенный минус таких водоемов - при низкой температуре эффективность их использования снижается в разы, а покрытые ледяным покровом, они уже не могут выполнять свои функции: в воду кислород не проникает, поэтому процесс окисления органики прекращается.

Использование биопрудов - водоемов, в которых проживают живые организмы - является самой простой и выгодной системой биологической очистки пруда. Этот метод помогает добиться существенной экономии энергии и ресурсов, а результат при этом будет очень качественным. Кроме того, соблюдения каких-либо специальных условий не требуется, уход за сооружением максимально прост.