Інформація для викладачів
Опис
Очисні споруди
Відвідуючи очисні споруди з їх складними процесами та методами очищення, ми не обмежуємося лише емоційними враженнями, а поглиблюємо наше розуміння мікробіологічних процесів, вимірюючи показники температури, значення рН та солоності води.
Додаткова інформація для викладачів (1/12)
Попередні
знання
Представлена тут очисна станція - це очисна станція в Геттінгені, яка обслуговує 160 000 мешканців і очищає 30 000 кубометрів стічних вод у не дощові дні. Завдяки керованому розміру водозбірної площі шлях стоків від споживача до колектора становить лише одну годину. Стічні води надходять з трьох сторін. На краю притоку (колектора) утворюється шар замулення (ситова плівка), що складається з бактерій. Аналіз цього шару дає змогу зробити висновки про забруднення важкими металами.
Принцип
На каналізаційних очисних спорудах використана вода з домогосподарств, промислових підприємств та комунальних установ проходить механічну та мікробіологічну обробку і повертається у водний цикл в очищеному стані.
Додаткова інформація для викладачів (2/12)
Мета навчання
Студенти мають розуміти, що вода, яку вони споживають удома, не просто проходить через фільтр для очищення. Для цього детально розглядаються окремі етапи роботи очисних споруд.
Завдання
Студенти мають використовувати датчики Cobra SMARTsense для вимірювання температури, pH та електропровідності (солоності) води під час різних етапів обробки на очисних спорудах.
Додаткова інформація для викладачів (3/12)
Більш детальна інформація про очисні споруди
У фільтрувальній установці в процесі механічної обробкигрубі компоненти завширшки понад 2,5 см, такі як папір і пластик, відокремлюються від стічних вод і відправляються на сміттєзвалище (рис. 1).
Стічні води з постійною швидкістю протікають через пісковловлювачі,де під дією сили тяжіння відбувається осадження дрібних частинок (пісок, шлак, бите скло тощо), і жироловки, у яких відбувається шляхом флотації видалення з поверхні води гідрофобних речовин. У пісковловлювачах грубі частинки вагою понад 1,5 г на кубічний сантиметр осідають на дно (рис. 2), а потім вивозяться на сміттєзвалище.
1
2
Додаткова інформація для викладачів (4/12)
- Через так званий насосний відстійник стічні води по розподільчій структурі потрапляють у кілька первинних відстійників, розташованих паралельно (рис. 3). Це залізобетонні резервуари глибиною 3-5 м, радіальної або прямокутної форми. Стічні води залишаються там протягом двох годин, за цей час всі речовини, що осаджуються, осідають. Осад перекачується в метантенк як осад стічних вод для зброджування. В кінці первинного відстійника, де відбувається друге вимірювання, завислі речовини, що плавають зверху, видаляються за допомогою скребкового пристрою(рис. 4).
- На цих етапах очищення використовуються механічні методи очищення. На наступних етапах очищення використовуються біологічні методи, засновані на принципі природного біохімічного самоочищення за рахунок життєдіяльності мікроорганізмів. Такий процес називається біохімічним окисленням. У результаті механічного очищення видаляється до 60-70 % мінеральних забруднень. Крім того, механічна стадія очищення важлива для створення рівномірного руху стічних вод (усереднення) і дає змогу уникнути коливань стоків на біологічному етапі.
3
4
Додаткова інформація для викладачів (5/12)
Більш детальна інформація про очисні споруди
- Стічні води через проміжний підйомник перекачуються в біологічні резервуари
- Біологічні резервуари (резервуари для осадів) складаються з 3 пар неаерованих (аноксичних) і аерованих резервуарів (резервуарів для аерації та аеротенків). Таким чином, чергування між ними відбувається тричі, на цьому ґрунтується реалізація процесів аеробного очищення від органічних речовин і нітрифікації (окиснення органічних забруднень та амонійного азоту в аеробних умовах) та денітрифікації (окиснення нітратів до газоподібного азоту в аноксидних умовах). Глибина шламонакопичувача становить 7 м, а його пропускна здатність - 30 000 кубічних метрів на добу. В осаді міститься 1% мікроорганізмів, біоценоз 10 000 видів. Для розвитку цих мікроорганізмів не потрібно проводити інокуляцію, оскільки вони вже присутні у стічних водах так само, як і в будь-якій річці чи озері, що забезпечує самоочищення водойм. На очисних спорудах це самоочищення відбувається набагато швидше, оскільки концентрація мікроорганізмів у багато разів вища.
Додаткова інформація для викладачів (6/12)
Більш детальна інформація про очисні споруди
- аноксичний басейн (рис. 5) не містить кисню, але потребує аерації за допомогою гвинтів (щоб уникнути утворення осаду), які забезпечують базову швидкість потоку щонайменше 20 см/с. Аноксичні басейни використовують для пресування (ущільнення) мікроорганізмів: вони об'єднуються у флокули і складають близько 3 г сухої речовини на літр (вміст води в мікроорганізмах: 99%). За оптимальних умов концентрація продовжує зростати і досягає 6 г сухої речовини на літр. Ще одна важлива функція - денітрифікація.
5
Додаткова інформація для викладачів (7/12)
Додаткова інформація про очисні споруди
- В аераційному резервуарі(рис. 6), вуглецеві сполуки стічних вод перетворюються на вуглекислий газ і воду. Тут також відбувається окислювальний процес видалення азоту: перетворення нітрифікаторами амонію через нітрити в нітрати, які на наступному етапі перетворюються в атмосферний азот в аноксидному басейні. Кисень в аеротенк подається за допомогою аераційних подушок, які кріпляться до днища. Щодня відбувається скорочення біологічного споживання кисню (БСК) на десять тонн, що відповідає концентрації кисню 2 мг/л (для порівняння: нормальне насичення киснем становить 8 мг/л).
6
Інша інформація для викладачів (8/12)
Додаткова інформація для викладачів (8/12)
Додаткова інформація про очисні споруди
- Після біологічного очищення стічні води, які наразі складаються тільки з чистої води і мікробної біомаси, перекачуються через розподільну конструкцію у вторинний відстійник, де стічні води залишаються протягом двох годин, за цей час біомаса осідає на дно у вигляді пластівців. Цей активний мул частково повертається в перший аеротенк для збільшення мікробної активності для біологічного очищення, але в основному подається в метантенки. Тепер чиста вода все ще містить переважно хлориди та сульфати, концентрація яких не змінюється в процесі очищення, а також мікроорганізми в низьких концентраціях. Таку воду можна вже спускати в сусідню річку. Однак перед тим, як спускати воду для купання, її необхідно попередньо стерилізувати ультрафіолетовим світлом.
Додаткова інформація для викладачів (9/12)
Додаткова інформація про очисні споруди
- У метантенках активний мул перетворюється на осад стічних вод. У метантенках переважають аеробні умови та рН понад 7,0, що сприяє утворенню метану. В результаті кислотного бродіння (pH 5,0) синтезуються гетероцикли індолу та скатолу, які є компонентами квіткового аромату в низьких концентраціях, але мають неприємний запах у високих концентраціях. Утворений метан ("каналізаційний газ") спалюється і складає 70% енергоспоживання очисних споруд.
- Після обробки в метантенках осад стічних вод містить лише 10% твердої речовини. Для згущення осад зневоднюють шляхом центрифугування, внаслідок чого його вміст твердих речовин становить 28%. Це робить його компактним, і його можна транспортувати. Осад стічних вод багатий біогенними речовинами, але також містить неорганічні та органічні забруднювачі, які необхідно контролювати. На осад стічних вод поширюється дія Постанови про внесення добрив. У деяких країнах його використання як добрива навіть заборонено.
Додаткова інформація для викладачів (10/12)
Інтерпретація результатів (1/3)
Температура стічних вод є відносно постійною під час проходження окремих етапів очищення: взимку вона становить близько 10°C, а влітку ледь перевищує 20°C. Ця різниця в 10°C означає, що влітку біологічне розкладання відбувається вдвічі швидше, ніж взимку.
Аналіз результатів вимірювання
| Місце вимірювання | Електропровідність [мкС/см] | значення рН | Температура (°C) |
| Пісковловлювач | 1500 | 8,2 | 21 |
| Первинний відстійник | 1260 | 8,4 | 21 |
| Аноксичний резервуар | 940 | 7,1 | 21 |
| Аераційний резервуар | 920 | 6,9 | 21 |
| Вторинний відстійник | 900 | 7,1 | 21 |
Додаткова інформація для викладачів (11/12)
Інтерпретація результатів (2/3)
- ЕлектропровідністьНа стадіях біологічного очищення значення електропровідності значно нижча, ніж при механічному очищенні. З іншого боку, вона все ще в чотири рази вища за провідність питної води. Виявлені солі - це в основному хлориди, сульфати і фосфати, з яких, однак, повинні бути видалені тільки фосфати, оскільки річка Лейне, в яку скидається очищена вода, має граничний вміст фосфатів 1 мг/л. Щоправда, у стічних водах міститься 7 мг/л фосфатів. У Геттінгені фосфати хімічно осаджуються шляхом додавання іонів заліза та алюмінію. Альтернативно можливі також біологічні процеси осадження: в анаеробних умовах мікроорганізми зазнають стресу і вивільняють запаси фосфатів; а в аеробних умовах вони знову активно поглинають фосфати. Низьке значення провідності в біологічних резервуарах пов'язане з усуненням вмісту фосфатів.
Додаткова інформація для викладачів (12/12)
Інтерпретація результатів (3/3)
- Значення рН:Різке зменшення значення рН, як тільки стічні води переходять від механічного до біологічного очищення, є вражаючим. Причиною цього є наявність вільних іонів водню, які утворюються під час нітрифікації амонію до нітратів. Ця різниця також помітна при порівнянні аноксичних і аерованих басейнів: нітрифікація відбувається в аераційному басейні, тому значення рН там нижче, ніж в аноксичному басейні.
- Значення pH також нижче в аноксичному резервуарі, ніж у басейнах механічного очищення, оскільки стічні води в біологічних відстійниках не тільки переходять з одного резервуару в інший, а й рециркулюють всередині резервуарів. Рівень рН в біологічних басейнах не повинен опускатися нижче 6,0, інакше нітрифікація зупиняється, тому значення рН необхідно постійно контролювати.
Інструкції з техніки безпеки
- Хоча довготривале зберігання рН-електродів найкраще здійснювати в 3 М розчині KCL, електрод для вимірювання на відкритому повітрі може протягом короткого часу також зберігатися у захисному контейнері з водопровідною водою.
- За жодних обставин не зберігати в дистильованій воді.
- Ніколи не допускайте висихання рН-електрода.
- Якщо необхідно записати абсолютні значення рН, рН-електрод слід попередньо відкалібрувати, наприклад, за допомогою буферних таблеток рН4 і буферних таблеток рН10.
- За необхідності датчик електропровідності можна перекалібрувати за допомогою одноточкового калібрування.
- До цього експерименту застосовуються загальні інструкції щодо безпечного проведення експериментів під час викладання природничих наук.
Інформація для студентів
Мотивація
Очисні споруди: вторинний відстійник з метантенками на задньому плані
Що насправді відбувається з водою, яку ми споживаємо щодня?
Відвідуючи очисні споруди з їх складними процесами та методами очищення, ми не обмежуємося лише емоційними враженнями, а поглиблюємо наше розуміння мікробіологічних процесів, вимірюючи показники температури, значення рН та солоності води.
Завдання
Виміряйте температуру, рН і електропровідність (солоність) води на різних стадіях очищення в очисних спорудах.
Використовуйте різні датчики Cobra SMARTsense і програму PHYWE measureAPP.
Безкисневий (аноксичний) басейн
Матеріал
| Позиція | Матеріал | Пункт №. | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | Cobra SMARTsense Temperature - Датчик для вимірювання температури -40 ... 120 °C (Bluetooth) | 12903-00 | 1 |
| 2 | Cobra SMARTsense - Conductivity - Електроровідність, 0...20000 мкСм/см, 0...100°C (Bluetooth) | 12922-01 | 1 |
| 3 | Cobra SMARTsense pH - Датчик для вимірювання значення pH 0 ... 14 (Bluetooth) | 12921-00 | 1 |
| 4 | Еталонний розчин, 1413 мкS/см (25°C), 460 мл | 47070-02 | 1 |
| 5 | Буферний розчин таблетки pH4, 100 | 30281-10 | 1 |
| 6 | Буферний розчин таблетки pH10, 100 | 30283-10 | 1 |
| 7 | Мензурка, низька, 250 мл, пластмаса | 36013-01 | 2 |
| 8 | Промивалка, пластик, 500 мл | 33931-00 | 1 |
| 9 | Вода дистильована 5 л | 31246-81 | 1 |
| 10 | measureAPP - безкоштовне програмне забезпечення для вимірювання для всіх пристроїв та операційних систем | 14581-61 | 1 |
Підготовка (1/2)
Для вимірювання за допомогою датчиків Cobra SMARTsense необхідне додаток PHYWE measureAPP. Цей застосунок можна безкоштовно завантажити з відповідного магазину додатків (QR-коди дивіться нижче). Перед запуском додатка, будь ласка переконайтеся, що на Вашому пристрої (смартфоні, планшеті, персональному комп'ютері) активовано Bluetooth.
iOS
Android
Windows
Підготовка (2/2)
Підготовка експерименту
- Переконайтеся, що Bluetooth увімкнено на мобільному пристрої.
- Увімкніть відповідний датчик Cobra SMARTsense, натиснувши кнопку живлення.
- Відкрийте PHYWE measureAPP і виберіть відповідний датчик (температура, рН, провідність).
Дісплей додатку Сobra SMARTsense
Виконання роботи
Виконання роботи
- Виміряні значення отримують і реєструють шляхом занурення зондів датчиків у стічні води різних стадій очищення. Проби води найкраще відбирати за допомогою черпака на держаку, який є частиною базового обладнання власної аналітичної лабораторії кожної очисної станції.
- Занурте вимірювальний зонд у відповідні проби.
- Зчитайте значення у додатку PHYWE measureAPP і внесіть їх у таблицю в протокол.
- Для отримання точних результатів не забувайте чистити датчики після кожного вимірювання.
Протокол
Завдання 1
Питання
Питання
Завдання 2
Питання
Питання
Завдання 3
Порівняйте різні величини, які ви виміряли і занесли в таблицю, і обговоріть їх значення в класі.
