Биологическая очистка сточных вод способна решить целый ряд вопросов по изъятию загрязняющих веществ из сточных вод. Для снижения негативной нагрузки на водные акватории, в современной России необходимо внедрять передовые технологии и применять глубокое изъятие из стоков биогенных элементов. Поэтому вопросы удаления растворенных органических веществ, в том числе азотных и фосфорных групп, входящих в состав белковых соединений, нуклеиновых кислот, нуклеопротеидов и т.п. для предотвращения антропогенного загрязнения водоемов имеют особую актуальность. 

Принцип действия биологической очистки

Биологическая очистка протекает за счет функционирования микроорганизмов - активного ила (АИ), который в ходе своей жизнедеятельности (питание, дыхание и т.д.) осуществляет комплекс окислительно-восстановительных процессов, конечным результатом которых является разложение органических веществ до минеральных соединений.

Микроорганизмы в активном иле

Нередко в ходе встреч наших специалистов с потенциальными Заказчиками мы слышим вопрос: «Откуда берётся активный ил? Вы его свой привезёте или нам надо искать у соседей?». Сразу уточним, что АИ поступает в сооружения биологической очистки вместе со сточными водами, вместе с загрязнениями, содержащимися в стоках. Образуется сложная биомасса, зарождаются разного вида бактерии и организмы (черви, актиномицеты, грибы и т.д.), которые поедают загрязнения, омолаживая, развивая и увеличивая биомассу. Так и получается активный ил в классическом понимании.

Как мы теперь пониманием, эффективная деятельность АИ напрямую определяет качество очистки сточных вод. Следовательно, необходимо создать определённые комфортные условия для его жизнедеятельности. Для организации биологической обработки сточных вод необходимо контролировать следующие параметры, например:

  • достаточность питательных веществ, поступающих со сточными сливами
  • их соотношение с концентрацией микроорганизмов живой биомассы
  • температура в диапазоне от +120С до +300С
  • рН среды в диапазоне от 6,5 до 8,5
  • содержание растворённого кислорода (диапазон зависит от типа сооружения и выполняемой функции, разберём ниже)

В ходе биоочистки может наблюдаться как нехватка органических веществ, так и их переизбыток. В первом случае будет наблюдаться недостаток питательной среды для микроорганизмов, ведущий к потере рабочей дозы в биоконструкции. Во втором - недостаточность оптимального качества снятия примесей.

Чтобы сбалансировать нагрузку на активный ил проводится ряд мероприятий:

  1. Наращивание на очистной станции прикрепленной биомассы. Для этого в аэротенках устанавливаются биозагрузки различных типов, где создаются условия для формирования биоценоза с развитым видовым составом;
  2. Регулировка соотношения с помощью выведения излишков активного ила, образующихся в ходе прироста новых клеток из системы биообработки.
  3. Удаление избытков иловой смеси может осуществляться как эрлифтным оборудованием, так и с помощью насосов;
  4. Насыщение иловой смеси оптимальным количеством кислорода сжатого воздуха. В биологические ОС сжатый воздух подается с помощью специально подобранных воздуходувок. Насыщение стока кислородом необходимо не только для самих процессов окисления, но также и для дыхания живых организмов, и хорошего смешения очищаемой жидкости с биоценозом.

Поскольку биологические способы основаны на жизнедеятельности микробиальной массы, особое внимание необходимо уделить условиям среды, в которых протекает образование новых клеток: рН и температуре, присутствию токсичных веществ, наличию биогенных элементов.

При нарушении вышеуказанных диапазонов наблюдается снижение скорости осаждения хлопьев ила, в результате чего происходит вынос биоценоза, что отрицательно сказывается на качественной характеристике очищаемой жидкости.

Для эффективного изъятия загрязнений и усвоения их совокупностью микроорганизмов в сточных водах должны обязательно присутствовать такие элементы, как азот и фосфор в концентрациях, адекватных количественной характеристике показателя, характеризующего биохимическую потребность в кислороде (БПК). При необеспеченности биоценоза данной подпиткой снижается его осаждающая способность и биоактивность.

Чем больше разница между соотношением показателей химической и биохимической потребностях в кислороде, тем выше наличие в обрабатываемой жидкости примесей промышленного характера, что свидетельствует и о повышении токсичности воды. К токсикантам относят: тяжелые металлы, СПАВ, нефтепродукты. Поэтому перед проведением биологической ступени очистки, при значительном содержании выше перечисленных веществ, желательно организовывать локальную предочистку в специальных аппаратах – нефтемаслоуловителях и горизонтальных или вертикальных отстойниках с обработкой реагентами, такими как известковое молочко, сода.

Итак, когда мы разобрались и выяснили, что такое активный ил, в каких условиях он должен находиться, расскажем о процессе биологической очистки. Условно его можно разделить на 3 стадии:

  1. Происходит контакт активного ила с загрязнениями, содержащимися в сточных водах, начинается окисление самых простых форм, легкоокисляемой органики. В рамках этого этапа эффективность очистки условно считается как 60-70%
  2. Затем начинается так называемое восстановление активного ила, ввиду снижения его «трудоспособности» к концу первой стадии. Окисление загрязнений осуществляется за счёт выделяемых активным илом экзоферментами
  3. Заключительная часть процесса биоочистки, в которой происходит окисление сложных форм загрязнений, осуществляется переход аммонийного азота в нитриты и нитраты (нитрификация)

Биологические методы очистки стоков

Биологический метод очистки сточных вод от загрязнений является наиболее распространённым и универсальным способом удаления загрязнений из стоков. Но таковым он стал далеко не сразу. Понадобилось много десятилетий, чтобы биологическая очистка приняла сегодняшние условия и принципы.  Начиналось всё с простого отстаивания, затем продолжилось полями фильтрации и биопрудами, так называемая очистка в естественных условиях, о которой мы поговорим ниже, и плавно перетекло в искусственные сооружения.

Обращаясь к информационно-техническому справочнику по наилучшим доступным технологиям ИТС 10-2015 «Очистка сточных вод с использованием централизованных систем и водоотведения поселений, городских округов»[1], мы увидим, что обязательным процессом является биологическая очистка стоков, а в качестве рекомендуемых сооружений является оборудование, искусственно создающее необходимые условия для эффективного осветления воды: биореакторы с биоплёнкой, биофильтры различного типа, аэротенки.

Очистка в искусственных условиях

Биореакторы с биоплёнкой. «Сточные воды очищаются в результате потребления биопленкой в процессе аэробного окисления органических загрязнений и окисления аммонийного азота. Для окисления используется воздух. Для развития биоплёнки используют различные виды загрузок» [1]. Биореакторы устроены таким образом, что плавающая загрузка не уходит через перелив вместе с очищенной водой, а остаётся внутри емкости, не скапливаясь в одном месте, заполняя объем воды.

Биофильтры. Разделяют два типа биофильтров: с объемной загрузкой (такой, как гравий) и с плоской загрузкой (например, дискового типа – закреплённый материал вращается на валу). «Сточная вода протекает через лоток круглого сечения, в котором вращаются полузатопленные диски, закреплённые на валу, либо насыпная загрузка, расположенная в сетчатом барабане. На этих поверхностях развивается биопленка. Аэрация происходит за счёт периодического прохождения биоплёнки через воздушную среду» [1].

Аэротенки. В классическом виде это резервуар , оснащённый аэраторами, располагаемыми в нижней его части и через которые в объем воды подаётся сжатый воздух с помощью воздуходувного оборудования. Аэраторы могут быть дисковые, мембранные, трубчатые.

Очистка сточных вод в естественных условиях

Нужно отметить, что биологические пруды, хоть и по сути являются искусственным сооружением, но привычнее относить их к естественной очистке, поскольку процессы идентичны тем, что проходят в водоёмах.

Биопруды

Биологические пруды

Итак, биологические пруды. Представляют собой искусственно созданные водоемы, в которых аэрация сточных вод проводится естественным воздухом. Принцип очистки СВ основан на способности водоёма к самоочщению. Биопруды имеют существенный недостаток в области наращивания активного биоценоза в зимнее время. Это связано с тем, что  при снижении температуры ниже 6 0С, все биологические процессы прекращаются. Кроме того, биологические пруды требуют создания больших санитарно-защитных зон (до 200 м). Поэтому в настоящее время применение искусственно созданных водоемов не находит широкого распространения.

Аналогично классифицируются и поля фильтрации. С одной стороны, условия естественные, с другой – искусственно созданные. Поля фильтрации обустраиваются на территории с грунтами, обладающими фильтрующими свойствами, а главное, исключается возможность попадания загрязнённого дренажа в подземные источники питьевого водоснабжения. Обустраивается оросительная сеть, через которую сточные воды попадают и разливаются на подготовленные участки земли, называемые картами, а также предусматривается осушительная сеть – дренаж, с помощью которого отводится отфильтрованная вода.

Схема биологической очистки

Мы являемся производителями очистных сооружений, поэтому предлагаем на примере нашей технологии разобраться в биоочистке, узнать о нашем оборудовании подробнее.

Пройдя механическую, физико-химическую очистку, сточные воды самотёком направляются в приёмно-распределительную камеру .  Ввиду высокого содержания аммонийного азота, а на сегодняшний день хозяйственно-бытовые СВ характеризуются повышенной концентрацией именно этого загрязнения,  предусмотрена анаэробно-аэробная очистка.

Интерактивная схема очистных сооружений

Наведите на изображение для просмотра описания

Блоки глубокой очистки

Блоки глубокой очистки представляют собой вертикальные цилиндрические емкости, оборудованные центральным реактором, в котором протекают процессы коагуляции и флокуляции сточных вод. После реагентной обработки сточные воды проходят через отстойники с тонкослойными модулями, где освобождаются от скоагулирующейся взвеси.

Блоки биологической очистки

Блоки биологической очистки представляют собой цилиндрические вертикальные емкости. В блоках размещено специальное оборудование, обеспечивающее биологическую очистку сточных вод. В анаэробных и аэробных зонах блоков установлена технологическая загрузка, на которой непрерывно развивается активная иммобилизованная биомасса.

Устновки УФ-обеззараживания

УФ-излучение – это физический метод обеззараживания, основанный на фотохимических реакциях, которые приводят к необратимым повреждениям ДНК и РНК микроорганизмов. В результате микроорганизм теряет свою способность к размножению (инактивируется). УФ-излучение действует мгновенно. Время обеззараживания в проточном режиме 1-10 с.

Воздуходувка

Подача сжатого воздуха на технологические нужды (такие как аэрация в блоках биологической очистки, регенерация загрузок) производится ременными воздуходувками.

Реагентное хозяйство

Перед поступлением биологически очищенных сточных вод в блоки глубокой очистки они проходят обработку коагулянтом и флокулянтом для стабильного достижения качества очищенных сточных вод соответствующего установленным нормативам к их выпуску в водоем рыбохозяйственного назначения.

Дозирование растворов реагентов осуществляется в автоматическом режиме.

Механические решетки

Установленные в производственном здании механизированные решетки с прозорами 4,0 мм обеспечивают эффективное удаление из сточных вод грубых отбросов за счет малой величины прозоров и создания на ступенях решетки в процессе их работы дополнительного фильтрующего слоя, позволяющего извлекать мелкие отбросы, в том числе и волокнистые.

Песколовки

После решеток сточные воды поступают в блоки тангенциальных песколовок, где сточные воды освобождаются от песка и аналогичных примесей. Песок, задерживаемый в песколовках, периодически под гидростатическим давлением выгружается на песковую площадку.

Шнековый обезвоживатель

Основным узлом обезвоживателя является обезвоживающий барабан. Обезвоживающий барабан разделен на две части – зону предварительного сгущения и зону обезвоживания. Внутри барабана с постоянной скоростью вращается шнек. Шаг витков шнека уменьшается от зоны сгущения в зоне обезвоживания. Барабан представляет собой ряд чередующихся неподвижных колец, подвижных колец, и прокладок-зазоров, изготовленных из нержавеющей стали.

Конструкция системы самоочистки работает таким образом, что вода используется только для смыва осада с поверхности барабана. Из-за постоянного перемещения колец относительно друг друга барабан не засоряется.

Усреднитель с погружными мешалками

Усреднитель предотвращает перегрузку технологического оборудования в часы максимального прихода стоков и стабилизирует работу сооружений биологической очистки в режиме нитро-денитрификации с глубоким удалением аммонийных солей и восстановлением нитратов до нормативного уровня. Для исключения осаждения взвешенных веществ резервуар оборудуется погружными мешалками

В блоке анаэробного реактора (БАР)  или по-другому денитрификаторе сточные воды смешиваются с непрерывно рециркулируемым активным илом, который содержит значительное количество нитратов, образующихся на последующей стадии аэробной обработки сточных вод. Далее иловая смесь поднимается вверх, проходя через блок биологической загрузки (ББЗ). В  БАР мы устанавливаем загрузку типа «ЁРШ». В анаэробных условиях нитраты разлагаются микроорганизмами до свободного азота. Кроме этого, часть трудно окисляемой органики частично разлагается до форм, легко усваиваемых микроорганизмами на следующей ступени очистки.

Из денитрификатора  сточные воды через переливные окна перегородки поступают в отсек аэротенка, блок биологической очистки (ББО) , оборудованный технологической загрузкой «Поливом» и полимерными аэраторами "Полипор". В аэротенке происходит основной съем органических загрязнений. Активный ил, оседающий в отстойнике, находящемся в периферийной части резервуара, непрерывно возвращается с помощью рециркуляционного насоса в денитрификатор.

Анаэробно-аэробные условия, создаваемые в биореакторах, обеспечивают деструкцию органических загрязнений и режим глубокой нитро-денитрификации сточных вод, что соответствует наилучим доступным технологиям по ИТС 10-2015[1]. Азот аммонийных солей последовательно биологически окисляется в нитриты, нитраты и в результате рециркуляции в анаэробную зону денитрификатора восстанавливается до молекулярного азота.

Нитрификация и денитрификация

Эти два процесса обуславливают эффективную биологическую очистку.

В аэротенке проходит нитрификация – окисление аммиака NH4 до нитритов NO2, а затем до нитратов NO3.

Химические формулы данных процессов выглядят так

Бактерии, окисляющие аммиак

Бактерии, окисляющие нитрит

NH4 + 1,5O2 = NO2 + 2H + H2O

NO2 + 0,5O2 = NO3

Nitrosomonas europaea

Nitrosococcus oceanus

Nitrosospira briensis

Nitrosolobus multiformis

Nitrobacter winogradskyi

Nitrobacter agilis

Nitrospina gracilis

Nitrococcus mobilis

То есть, нитрификация осуществляется в присутствии кислорода, подаваемого с помощью воздуходувного оборудования и распределяемого посредством системы аэрации.

Так биологическая очистка выглядела раньше. На сегодняшний день, ввиду увеличения содержания аммонийного азота в исходных стоках, образуемых в процессе нитрификации нитритов и нитратов становится больше и их концентрация на выходе значительно превышает предельно допустимые к сбросу в водоём рыбохозяйственного назначения. Поэтому в схему включается денитрификатор.
Теперь уже сточная вода сначала поступает в аноксидную зону, происходит процесс денитрификации – снижение концентраций нитритов и нитратов (в анаэробный реактор рециркулируется активный ил из аэротенка, то есть,  NO2 и NO3). Кислород, содержащийся в данных соединениях, требуется микроорганизмам для поддержания своей жизнедеятельности в условиях ограниченного доступа к нему. В результате получается азот N2, который выделяется в атмосферу.

Схема преобразования азота в ходе денитрификации

Преобразования азота

Биологическая очистка схематично выглядит так:

Схема биологической очистки

Для достижения требуемой эффективности заключительным этапом биологической очистки является блок доочистки. Внутри объёма находится зернистая загрузка, проходя через которую, вода фильтруется. Предварительно обработанные реагентами (флокулянтом и коагулянтом) загрязнения задерживаются в слоях фильтрационного материала, тем самым достигается нужный результат.

Блок анаэробного реактора (БАР)

Блок анаэробного реактора (БАР)

Блок биологической очистки (ББО)

Блок биологической очистки (ББО)

Допустимые концентрации загрязняющих веществ в сточных водах, допущенных к сбросу

№ п/п

Наименование показателей

Изм.

Характеристика сточных вод

ПДК выпуск в водоем р/х значения

До очистки (вход)

После очистки (выход)

1

Температура

 

10-30

10-30

-

2

рН

-

6,5-8,5

6,5-8,5

6,5-8,5

3

Взвешенные вещества

мг/дм3

300,0

10,0

Повышение фона водоема на 0,75

4

БПК,n

мг/дм3

300,0

3,0

3,0

5

БПК5

мг/дм3

250,0

2,0

2,0

6

ХПК

мг/дм3

450,0

15,0

15,0

7

Азот аммонийный

мг/дм3

40,0

0,4

0,4

8

Фосфор фосфатов

мг/дм3

4,0

0,2

0,2

9

СПАВ

мг/дм3

1,0

0,1

0,1

10

Нефтепродукты

мг/дм3

0,7

0,05

0,05

11

Железо общее

мг/дм3

0,8

0,1

0,1

12

Хлориды

мг/дм3

150,0

до 300,0

300,0

13

Сульфаты

мг/дм3

80,0

до 100,0

100,0

Также мы разработали компактные очистные установки контейнерного типа. Принцип работы аналогичен, процессы идентичны.

Контейнерные очистные сооружения

Преимущества и недостатки биологической очистки

Если рассуждать о преимуществах данного метода, то явными можно назвать следующие:

  1. Изученность. Широко известны условия, требуемые для обеспечения правильного протекания процессов биологической очистки, а расчёты таких сооружений приведены в СП 32.13330.2012 «Канализация. Наружные сети и сооружения».
  2. Эффективность. Говоря о хозяйственно-бытовых сточных водах, универсальнее метода очистки просто нет. Рассматривая каждый конкретный случай, в котором могут быть увеличены какие-либо группы загрязнений сверх нормы, можно рассчитать и для них запроектировать требуемые объемы сооружений для очистки сточных вод.
  3. Энергоэффективность и экономичность. По сравнению с другими методами очистки, биологический метод можно назвать наиболее доступным со всех точек зрения.

К недостаткам отнесём следующее:

  1. Эксплуатация. Мы исходим из наших реалий, поэтому заносим это в недостатки. Специалисты выполняют пуско-наладочные работы и выводят работу очистных сооружений в нужный технологический режим. А вот поддерживать достигнутое бывает крайне сложно, если на объекте недобросовестные операторы или нет обеспечения ресурсами. Несвоевременная профилактика, слабый уровень контроля процессов, отсутствие расходных материалов - всё это в конечном итоге негативно сказывается на эффективности очистки.

Видео о работе очистных сооружений с применением технологии биологической очистки

Другие статьи