Биохимическая очистка сточных вод

Существует целый ряд методов биохимической очистки. Их можно разделить на 2 подвида – естественные (поля фильтрации, орошения и гидропоники) и искусственные (аэротенки, анаэробные реакторы и биофильтры). В естественных происходит природный процесс без какого-либо его ускорения. В искусственных биохимическая очистка интенсифицируется теми или иными техническими приёмами.

Использование микроорганизмов является широко используемым сегодня методом очистки загрязненной воды. Природный процесс, который воссоздается в искусственных условиях, позволяет избавиться от органических примесей без применения сложных и высоко затратных технологий. Чтобы повысить эффективность технологии, биологическая очистка сточных вод применяется в сочетании с другими методами избавления жидкости от загрязнений.

Сооружения очистки сточных вод можно условно разделить на естественные (поля фильтрации, орошения и гидропоники) и искусственные (аэротенки, анаэробные реакторы и биофильтры). В естественных происходит природный процесс без какого-либо его ускорения. Такие сооружения могут быть использованы только в теплое время года.  В искусственных биохимическая очистка интенсифицируется теми или иными техническими приёмами. Эти сооружения могут применяться круглогодично.

Поля фильтрации

Поля фильтрации – это земельные участки, предназначенные для биологической очистки сточных вод. Этот способ относится к естественным. Он состоит в подаче сточных вод на специально выделенные территории, как надземно, так и подземно. Проходя через толщу почвы, воды задерживаются в ней и при участии кислорода бактерии перерабатывают загрязнения. Наиболее интенсивное окисление органических соединений происходит в верхних слоях почвы более богатых кислородом. На участке, где происходит очищение стоков, необходимо, чтобы уровень грунтовых вод был не менее 1,5 м от поверхности. При более высоком уровне грунтовых вод требуется обустройство дренажа. Недостатками метода является невозможность использования таких территорий для сельскохозяйственных нужд, большие площади самих полей, зависимость от типа грунта и уровня грунтовых вод, их возможное заражение. Кроме того, фактически в настоящее время использование полей фильтрации с наземной подачей стоков приравнено к выбросу на рельеф, что зачастую влечёт за собой штрафы за загрязнение почв. Поля с подземной подачей стоков могут и не приводить к загрязнению почв, но получить разрешение и легально сбрасывать сток данным методом может быть проблематично.

Поля орошения

Поля орошения. Отличаются от полей фильтрации тем, что их можно использовать в сельском хозяйстве для некоторых видов растений (кукурузу на силос, корнеплоды). Как и на полях фильтрации, на них можно подавать только воду из очистных сооружений только после первичной очистки. Первично очищенная вода на таких полях несет не только функцию полива растений, но и благодаря наличию микроэлементов удобряет почву. В то же время, есть проблема по легальному статусу таких полей, аналогичная полям фильтрации. Кроме того, не на всякой территории возможна их организация.

Разновидностью полей орошения являются недавно разработанные и набирающие популярность за рубежом поля гидропоники, где в водоём со стоками высеваются специальные плавающие растения, которые наравне с микроорганизмами интенсивно испаряют воду и поглощают и перерабатывают загрязнения. Периодически излишки накопленной биомассы собираются и утилизируются. Данные поля дают большой удельный прирост массы и имеют большую скорость переработки, но, к сожалению, слабо приспособлены к работе в малосолнечном и прохладном российском климате.

Стоит отметить, что и поля орошения, и поля фильтрации слабо приспособлены для больших объёмов стоков. Так, согласно п.6.181 СНИП 2.04.03-85 (табл.47) наибольшая возможная нагрузка сточными водами грунтов не может превышать 250 куб.м/сут хозяйственно-бытового или близкого по составу стока на 1 гектар. Очевидно, что только для непосредственной организации полей на сток в 5000 куб.м/сут понадобится площадь в размере минимум 20 га! А ведь это сток небольшого районного центра, И территория полей должна быть ровной, учитывать ещё санитарную зону и другие вспомогательные территории, должна соответствовать по грунтам и уровням подземных вод.

Далее рассмотрим методы биохимической очистки, где природные процессы интенсифицируются для ускорения обработки и уменьшения объёма очистных сооружений.

Биологические пруды

Биологические пруды – это искусственные водоемы глубиной 0,5-1 м, хорошо прогреваемые солнцем и заселенные водными организмами, в которых протекает процесс самоочистки воды. Для эффективной очистки от загрязнений пруды имеют большую площадь поверхности, при этом глубина их может быть не большая. Очистка в биологических прудах зависит от погодных условий. В теплую солнечную погоду биоценоз хорошо размножается и позволяет эффективно удалять загрязнения, в холодную погоду при температуре ниже +6˚С бактерии перестают работать.

Биологические пруды могут быть проточные (серийные или каскадные) и непроточные. Время пребывания воды в прудах с естественной аэрацией от 7 до 60 суток, с искусственной — 1-3 суток. В последних ступенях каскадных прудов разводят рыбу, что позволяет избежать образования ряски. В непроточных прудах сточная вода подается после ее отстаивания и разбавления. Продолжительность очистки — 20-30 суток.

Достоинства биологических прудов: невысокая стоимость строительства и эксплуатации. Недостатки: сезонность работы, большая площадь, низкая окислительная способность, трудность чистки.

Аэротенки и анаэробные реакторы

Аэротенки и анаэробные реакторы - проточные ёмкости для сточных вод, в которых поддерживаются оптимальные условия для разложения органических загрязнений активной биомассой. Различия в их работе заключается в протекающих в них процессах.

Классификация аэротенков

• по конструкции: круглые, прямоугольные, шахтные, комбинированные, фильтротенки, флототенки

• по режиму сточных вод: проточные, полупроточные, капитальные, с переменным уровнем

• по структуре потока: аэротенки-вытеснители, аэротенки-смесители, аэротенки с рассредоточенной подачей сточной воды, окситенки

• по виду аэрации: пневматическая, комбинированная гидродинамическая, пневмомеханическая

• по способу регенерации активного ила: в отдельном аппарате, в совмещенном аппарате

• по числу ступеней: одно-, двух-, многоступенчатые

• по нагрузке на активный ил: высокая, обычная, низкая

Аэротенки, или блоки биологической очистки (ББО) – применяются для окисления органических веществ до простых веществ, таких как углекислый газ, вода и азот. Для нормальной работы аэротенков требуется подача воздуха в рабочую зону для жизнедеятельности аэробных бактерий и окисления органики. Кислорода потребляется столько, сколько нужно для окисления. Если питательных веществ в реакторе не достаточно, то потребление кислорода снижается. Важно правильно рассчитать подачу воздуха в ББО, т.к. при недостаточном его количестве степень очистки снижается, а при его избыточной подаче больше активного ила выносится из реактора.

Блоки анаэробного реактора (БАР) – служат для разложения трудно окисляемых органических соединений и нитратов, с помощью анаэробных бактерий. Этим бактериям для жизнедеятельности не нужен кислород. Одним из продуктов их жизнедеятельности является метан, поэтому их часто называют метантенками. Большие очистные сооружения часто комплектуются газгольдерами, для дальнейшего использования метана в собственных нуждах.

Для более эффективной работы, в аэротенках и метантенках используются блоки биологической загрузки (ББЗ). Данные блоки имеют увеличенную площадь поверхности, на которой закрепляется биомасса. Благодаря такой конструкции сокращаются габариты реакторов и время, требуемое на разложение загрязнений.

Примером аэротенков и анаэробных реакторов являются модули ББО и БАР, входящие в наши установки БИОТОК Р и БИОТОК М. Благодаря кислороду и рециркуляции активного ила, процессы минерализации загрязняющих веществ протекают очень активно.

Рассмотрим анаэробный способ. Он основан на применении специфических бактерий, которые производят очистку сточных вод без доступа к кислороду. Анаэробное окисление, как правило, эффективно для очистки сточных вод, загрязненных большим количеством органических веществ (обеспечивает разложение более ста органических соединений).

Важным моментом анаэробного процесса является незначительное увеличение микробной массы (на порядок меньше, чем в аэробных условиях), оно также не требует удаления из реактора больших количеств биологического ила.

Продукты органической деструкции, которые образуются на первом трофическом уровне, функционируют как субстрат для бактерий второго уровня. Ферментация загрязняющих веществ происходит в герметичных резервуарах (биореакторах) и базируется на метановом брожении. Преимуществом данного метода является высокий уровень превращения загрязняющих веществ с образованием биогазового побочного продукта.

Обращение с газом всегда требует повышенных мер безопасности!

Схема одного из вариантов исполнения биореактора. Состав:

• Корпус анаэробного биореактора
• Вал-мешалка
• Накопитель биогаза
• Поверхностная гребенка (зубья мешалки)
• Лопасти мешалки

Сточные воды, загрязненные соединениями азота, превращаются в процессе денитрификации микробами (например, паракокками denitrsficans, известная как "почвенная бактерия") с образованием газообразного оксида (NO₂) и молекулярного азота (N₂), или аммиака (NH₃). Анаэробные реакторы не только обрабатывают отходы, но и вырабатывают газ, который имеет высокую теплотворную способность. Основными параметрами анаэробного метанового брожения являются температура, количество отходов и интенсивность смешивания воды с осадком.

Следует отметить, что невозможно добиться полного брожения органических веществ в метановых резервуарах, так как процесс протекает медленно и требует стабильных и благоприятных температурных условий.

Степень органического разложения в результате составляет 40% (с выходом метана 70%). Инженеры-технологи производителя очистных сооружений НПО «Агростройсервис» предусматривают этот способ очистки в своих разработках с последующей доочисткой сточных вод.

Биофильтры

Биофильтры - проточные ёмкости для сточных вод, в которых располагаются блоки биологической загрузки, с закрепленными на них элементами активного ила. Это позволяет увеличить концентрацию биомассы при сохранении прежнего объёма сооружения, и, следовательно, увеличить производительность. Биологические фильтры широко применяются в загородных домах, где нет возможности подключиться к городской системе канализации. Они компактны и просты в эксплуатации. В биофильтрах, при прохождении через блоки биологической загрузки (которые имеют очень высокую удельную поверхность), происходит разложение сложных органических соединений на более простые. Стоит отметить, что в наших блоках ББО и БАР скомбинированы элементы биофильтров и аэротенков и анаэробных реакторов, что позволяет добиться очень большой скорости обработки и при этом сохранить компактность установок.

Биофильтры представляют собой большие круглые или прямоугольные сооружения из железобетона или кирпича, загруженные фильтрующим материалом, на поверхности которого выращивается биопленка. Аэрация их может быть естественной и искусственной.

По типу загрузки материала биофильтры делятся на две группы: с объемной (зернистой) и плоской загрузкой. Объемная загрузка: гравий, щебень, галька, шлак, керамзит, кольца, кубы, шары. Плоская загрузка: металлические, тканевые и пластмассовые сетки, решетки, гофрированные листы, пленки.

Биофильтры с объемной загрузкой могут быть трех типов:

• капельные
• высоконагружаемые
• башенные

Капельные биофильтры наиболее просты, загружаются мелким материалом высотой 1-2 м, имеют производительность до 1000 м³/сутки и обладают высокой степенью очистки. Высоконагружаемые биофильтры заполняют крупным материалом высотой 2-4 м. Высота загрузки башенных биофильтров — 8-16 м, производительность до 50 тыс. м³/сутки.

Применение находят также биофильтры с плоской загрузкой, обладающие более высокой окислительной способностью, погружные (дисковые) биофильтры и биотенк-биофильтры. В них в шахматном порядке по горизонтали и вертикали размещены лотки в виде блюдец, которые сверху заполняются сточной водой до их переполнения и перелива избытка воды. Снаружи лотков образуется активная биопленка. Она обеспечивает высокую эффективность очистки воды. Недостатки биофильтров: заиливание фильтров, снижение их окислительной способности, появление неприятных запахов.