Биологическая очистка сточных вод

Основным принципом экономики замкнутого цикла является максимально возможное сохранение ресурсов. Важнейшим из них является чистая пресная вода.

Для предотвращения опасного загрязнения природных вод и использования чистой воды для питья, хозяйственно-бытовых нужд, сельскохозяйственного и промышленного применения необходима эффективная очистка сточных вод.

Одним из наиболее распространенных и дешевых методов очистки является биологическое очищение стоков с помощью специально подобранных колоний микроорганизмов. Об этом подробнее будет рассказано в этой статье.

Как действует метод биологической очистки

Сточные воды в зависимости от образования могут иметь очень широкий состав различных загрязнений. При высоком содержании органики в стоках целесообразно использовать биологические методы очищения, отличающиеся высокой эффективностью и достаточно низкой стоимостью.

Для этого применяются специально подобранный биоценоз различных микроорганизмов: бактерий, простейших, водорослей и сложных микроорганизмов (активный ил). Очистка активным илом осуществляют после механической очистки стоков, позволяющей удалить основную долю взвешенных нерастворимых веществ.

Суть метода заключается в способности компонентов активного ила, в первую очередь бактерий, расщеплять сложные органические вещества с образованием воды, метана, углекислого газа.

Бактерии и простейшие используют органические загрязнения для собственного питания. Кроме органики микроорганизмам для активного роста требуются азот и фосфор, которые они извлекают из стоков. Таким образом, микроорганизмы эффективно удаляют загрязнения из сточных вод.

Виды стоков, которые целесообразно очищать биологическими методами

Биологические методы применяются для очищения сточных вод с высокой концентрацией органических загрязнений:

• городские стоки;
• сточные воды предприятий пищевой промышленности;
• стоки с ферм и сельскохозяйственных предприятий;
• хозяйственно-бытовые и коммунальные.

Все эти сточные воды содержат большое количество растворенных органических веществ, а также остатки жиров, моющих средств, нефтепродуктов, взвешенные нерастворимые вещества, хлориды, фосфаты, соединения азота и др.

Естественные и искусственные методы биологической очистки

Основой биологической очистки является способность микроорганизмов разрушать сложные органические соединения в присутствии кислорода.

Самоочищение природных вод

В природных водах содержится значительное количество микроорганизмов, способных разлагать органику, вызывая самоочищение водоемов. Эффективность такой очистки не очень высока. Справиться с высоким уровнем загрязнений, характерных для индустриальных стоков, она не может. Кроме того, она эффективна только в теплое время года.

Поэтому для очищения антропогенных сточных вод используются искусственные методы биологической очистки, а естественные служат в качестве дополнительной доочистки.

Ускорение биологической очистки за счет аэрации (септики различной конструкции)

Естественные микроорганизмы, содержащиеся в сточных водах, активируются за счет насыщения кислородом за счет принудительной аэрации. Аэрация позволяет:

• обеспечить аэробные микроорганизмы кислородом;
• выполнить активное перемешивание для обеспечения лучшего контакта микробов с органическими загрязнениями.

Это позволяет осуществить эффективную очистку стоков.

Искусственные методы биологической очистки

Отличаются использованием специальных сообществ микроорганизмов и созданием оптимальных условий для их жизнедеятельности.

Аэробные

Аэробные методы очистки отличаются высокой производительностью. Для очистки используют специально подобранные колонии микроорганизмов: бактерий, простейших, грибов, водорослей и др. (активный ил).

По внешнему виду активный ил представляют собой комочки и хлопья с размерами 5-150 мкм с высокой удельной поверхностью. За счет активной аэрации, обеспечивающей перемешивание и насыщение кислородом компоненты активного ила эффективно разрушают органические загрязнения, используя их для своего питания. Происходит быстрое увеличение массы активного ила.

Высокая производительность аэробной обработки сточных вод делают его наиболее распространенным методом биологической очистки. Анаэробные методы имеют вспомогательный характер и используются при высоком уровне органических загрязнений.

Анаэробные

Основаны на разложении органических веществ без доступа воздуха. Они протекают с меньшей производительностью по сравнению с аэробными, но сопровождаются выделением метана, который может использоваться для отопления или для производства электроэнергии.

Подробнее об анаэробной переработке органических отходов можно прочитать в статье «Биогаз и удобрения при переработке органических отходов».

В процессе метанового сбраживания происходит разложение органических загрязнений, обеззараживание и детоксикация стоков. При анаэробном брожении лишь 6-8% энергии расходуется на прирост биомассы микроорганизмов, а основная энергия реализуется при образовании метана.

Низкие скорости прироста и отмирания биомассы являются важным преимуществом анаэробного активного ила по сравнению с аэробным, так как позволяют хранить анаэробный ил (особенно гранулированный) длительное время (многие месяцы) без подачи сточных вод.

Оборотной стороной этого является очень долгий период выхода анаэробного ила на рабочий режим, поэтому используется анаэробный ил с действующих установок, называемый инокулянтом. Анаэробный ил может также использоваться для получения удобрений и кормовых добавок.

Условия для оптимальной биологической очистки сточных вод

Благодаря высокой производительности чаще применяется аэробная очистка сточных вод. Рассмотрим, какие факторы определяют эффективность биологической очистки:

• оптимальный состав сточных вод (наличие органики, биогенных элементов (азот, фосфор, калий) и микроэлементов);
• отсутствие токсичных для микроорганизмов веществ;
• достаточный объем кислорода и интенсивное перемешивание за счет аэрации;
• продолжительность контакта микробной биомассы и сточных вод;
• оптимальный температурный режим.

Важнейшим условием является наличие оптимального для очистки состава сточных вод. Показатель биологического потребления кислорода (БПК) не должен превышать 300 мг/куб. дм. БПК:N:P=100:5:1. Недостаток азота тормозит окисление органических загрязнений, а также приводит к образованию трудноосаждаемого ила.

Недостаток фосфора приводит к росту нитчатых бактерий и «вспуханию» активного ила. При нехватке в составе сточных вод N, P, K добавляют азотные, фосфорные и калийные удобрения.

Токсичностью для активного ила обладают соли тяжелых металлов. Они сорбируются активным илом и вызывают снижение его биохимической активности. Происходит «вспухание» ила из-за роста нитчатых бактерий.

Важным фактором повышения эффективности очистки служит турбулизация сточных вод. Она увеличивает скорость поступления органических веществ и растворенного кислорода к микроорганизмам.

Биологическая очистка может протекать в температурном интервале +10-35 град. С, но оптимальным температурным режимом является диапазон 20-30 град. С. С ростом температуры в этом диапазоне скорость реакций биохимического разложения органических загрязнений возрастает, но требует повышения интенсивности аэрации, так как растворимость кислорода падает с ростом температуры.

Сооружения биологической очистки сточных вод

На очистных сооружениях биологической очистки происходят следующие стадии:

• предварительная механическая очистка (песколовки, первичные отстойники);
• биохимическая очистка в аэротенках, биофильтрах или мембранных биореакторах;
• отделение активного ила во вторичных отстойниках с возвратом на очистку новых порций сточных вод и удалением избыточного активного ила;
• доочистка очищенной воды с ее обеззараживанием.

Подробнее с работой очистных сооружений биологической очистки можно познакомиться на следующем видео:

 

Биофильтры

Биофильтр-это резервуар с фильтрующим материалом различной природы, поверхность которого покрыта биопленкой. Биопленка-колония микроорганизмов, способных сорбировать и разлагать органические вещества из сточных вод.

При потреблении органики масса активной биопленки все время растет. Отработанная и омертвевшая часть биопленки смывается сточными водами, после чего отделяется во вторичных отстойниках.

Мембранный биореактор

Такие реакторы активно используются в биологической очистке сточных вод. Роль мембран состоит в фильтрации загрязнений. Дополнительно к механической фильтрации используют деятельность микроорганизмов, закрепленных на поверхности мембран.

Мембранные биореакторы применяют как на финишной стадии очистки сточных вод, так и для предварительной очистки перед ультрафильтрацией. Эти методы позволяют эффективно удалять из стоков солевые загрязнения.

Аэротенки

Аэротенк-это сооружение для биологической очистки сточных вод за счет взаимодействия со свободно распределенным активным илом. Процесс происходит в специальной емкости из нескольких секций, оборудованных системой аэрации.

Аэрация не только насыщает воду кислородом, необходимым для жизнедеятельности аэробных микроорганизмов, но и обеспечивает перемешивание для улучшения контакта активного ила с загрязняющими веществами.

При поступлении воздуха микроорганизмы начинают интенсивно разлагать органические соединения. Таким образом, происходит эффективная очистка. Со временем концентрация органических загрязнений снижается и расход кислорода уменьшают. Стоки перемещаются в следующие секции.

В следующих секциях стоки подвергаются обработке специальными бактериями-нитрификаторами. Они превращают азот, содержащийся в аммиачной форме, в нитриты. Другие виды бактерий превращают нитриты в нитраты.

По завершению очистки сточные воды направляются во вторичные отстойники. Здесь активный ил осаждается, а очищенная вода направляется на доочистку. Часть осажденного активного ила возвращается для очистки новых порций сточных вод, а избыточный активный ил направляется на утилизацию.

Для доочистки используют биологические пруды или мембранные биореакторы. Очищенные воды обеззараживают ультрафиолетовым облучением. На крупных городских очистных сооружениях дополнительно обеззараживают воду обработкой активным хлором или озонированием.