Биологические очистные сооружения

Понятие биологической очистки

Биологическая очистка — это удаление органических загрязнений под действием микроорганизмов. Их работа заключается в том, чтобы удалить из воды органические соединения, переводя их в неорганические вещества. При этом разрушаемые органические соединения (жиры, углеводы, аммонийные соли) служат им источником питательных веществ и энергии. Окончательным продуктом переработки являются Н₂О, CO₂, СН₄ и возобновлённый активный ил.

Биоценоз — это искусственно созданная система бактерий и микроорганизмов, использующая вещества, образующиеся в результате бытовой деятельности человека, образования стоков с агропромышленных комплексов или пищевых производств, для питания и размножения.

В состав биомассы входят инфузории, амебы, коловратки и т.д.
Поедая органические загрязнения, они снижают уровень загрязнений по показателям БПК и ХПК, а также возобновляют популяцию, увеличивая массу активного ила.

Он образуется в присутствии в аэротенке взвешенных, коллоидных, растворённых веществ. Избыточный ил может использоваться как удобрение в сельском хозяйстве, являясь источником органических веществ, фосфорных и азотных соединений. Если этот твердый осадок хотят использовать в качестве удобрения, то нужно убедиться в отсутствии примесей тяжелых металлов.

• если есть и никакой ценности для промышленности не представляет, то его лучше подвергнуть термической переработке или утилизировать как ТБО.
• если ценность в нем есть, то обезвоженный ил нужно подвергнуть очистке. При химической обработке тяжелые металлы выводятся из ила.

Очистка биологически активного ила делается только в тех случаях, если это целесообразно. Благодаря химическим реакциям токсичные элементы удаляются из массы ила.

Переработка бытовых осадков происходит природным способом утилизации, она основана на гниении и окислении при помощи ферментов, выделяемых микроорганизмами.

Использование активного ила для биологической очистки делает протекание процесса безопасным, удобным, экологичным и не требует введения реагентов.

Сооружения биологической очистки условно делят на два типа:

• сооружения, в которых процессы протекают в условиях, близких к естественным; к ним относятся поля фильтрации и биологические пруды (об этом будет написано ниже);
• сооружения, в которых очистка происходит в искусственно созданных условиях; такими сооружениями являются биофильтры и аэротенки (об этом будет написано ниже).

Виды аэробных бактерий

Эти микробы живут только там, где есть О₂. Он необходим для дыхания микроорганизмов, питающихся загрязнениями органики хозяйственно-бытовых вод. При постоянном притоке хоз-быт вод в очистную установку эти бактерии потребляют органические загрязнения, размножаются и образуют активный ил — бактерии, способные удалять вредные вещества из стоков. Если кислорода будет поступать меньше, чем нужно им для жизни, то они становятся менее подвижными и со временем гибнут.

Видов микробов очень много, многие еще даже не исследованы учеными. Они выделяют H₂O, СО₂ CH₄ и тепло, не давая неприятного запаха.

Все микробы находятся в зависимости от свободного кислорода и подразделяются на виды:

1. Облигатные аэробы – это (сапрофиты, дифтерийная палочка) аэробы, они способны существовать при условии, если в воздухе большая концентрация кислорода, при реакциях на окисление выделяется энергия, которая так нужна им для размножения.

2. Факультативные аэробы – (дрожжевая палочка, кокки) противоположны облигатным аэробам, т. е. они существуют и размножаются при небольшом содержании кислорода.

Во внешней среде микробы почти всегда погибают, потому что высокое количество кислорода плохо сказывается на их ферментах.

В чем уникальность аэробов?

Микробы живут во всей окружающей нас среде. Дыхание таких микроорганизмов происходит вследствие прямого окисления СН₄, Н, N, Н₂S, Fe.

Анаэробные бактерии: зачем нужны и их типы

Такие микробы противоположны полностью аэробам, они способны выживать и расти в среде с небольшим количеством кислорода или его полным отсутствием. В цикле азота эти организмы играют огромную роль в циклах питания. Микроорганизмы в азотном цикле и их роль показана на рисунке 1.

Не все микробы, но есть такие, которые используют брожение (гниение) биоорганики веществ, в то время как другие используют анаэробное дыхание. При гниении часть осадка спускается на дно, там идет разложение и процесс перегнивания. Микроорганизмы тем самым осветляют и очищают стоки.

Обычно анаэробный процесс протекает с максимальной скоростью при значениях pH от 6 до 8. При pH ниже 6 сильно снижается активность метаногенных бактерий, а при pH ниже 5,5 они вообще перестают работать. Прежде чем стоки пройдут в грунт, после очистки необходимо пройти доочистку.

Анаэробных видов микробов намного меньше, чем аэробов. Схожесть с ними в том, что в процессе жизнедеятельности выделяют тепло, но не так, как у их «коллег». При распаде биомассы они выделяют CH₄, и поэтому может быть запах.

Что может объединять эти виды?

Биомасса, которая состоит из живых микроорганизмов, и им необходимо создать условия для жизни. На первый взгляд может показаться, что они неприхотливы, но для них опасны яды, в том числе хлор.

Есть 3 типа анаэробных бактерий: облигатные, аэротолерантные и факультативные.

Облигационным организмам нужна среда без О₂ для того, чтобы жить. Он может повредить и уничтожить микроорганизмы.

Аэротолерантные организмы могут жить без О₂, но в присутствии О2 существуют.

Факультативные анаэробы используют химические реакции с участием белковых катализаторов — ферментов — для роста в местах без кислорода, но используют аэробное дыхание в местах с кислородом.

Микрофлора стоков и типы бактерий

Чтобы поддержать рост микроорганизмов, нужно создать условия для содержания Р в биоочистке стоков. Для того чтобы предотвратить ненужный рост водорослей, бактерий, нужно контролировать загрязнение фосфорными соединениями водных источников. Бытовые стоки часто содержат избыток фосфатов.

Если в стоки попадут нефтепродукты, то микроорганизмы будут использовать их как источник энергии.

В загрязненных органикой водах резко увеличивается количество микробов. Начинают развиваться сапрофитные, гетеротрофные бактерии и грибы, которые разлагают различные органические соединения до минеральных солей.

Загрязнения, поступающие со стоками в ОС с промпредприятий, канализаций, могут очень сильно различаться. Различия могут быть во взвешенных веществах, БПК_п, ХПК, нефтепродуктах, азоту аммонийному, фосфору, железу, жирам и т.д. После механической, химической, физико-химической или биологической обработки стоков эти загрязняющие вещества задерживаются на очистных сооружениях, образуя различные осадки.

В сточных водах живут и размножаются большое количество микроорганизмов. Болезнетворные бактерии, например, как кишечная палочка, спирохеты (тиф, сифилис), микобактерии (туберкулез, проказа), микоплазмы (пневмония) и т. д. делают воду непригодной для использования. Чаще на ОС приходится бороться с яйцами гельминтов (глистов), которые вызывают заболевания, а также с поступающими в сточные воды с выделениями людей и животных.

Цель биологической очистки заключается в превращении органически грязных стоков в безвредные продукты окисления — Н₂О, СО₂ и т. д. Разложение органики в ОС происходит под действием комплекса микроорганизмов и простейших бактерий, развивающихся в сооружении.

Методы очистки сточных вод

В ходе бытовой и промышленной деятельности человека образуются загрязненные различными компонентами сточные воды.

Для извлечения загрязняющих веществ с последующим сбросом очищенных стоков в водоемы рыбохозяйственного назначения или в систему городской канализации применяются разнообразные методы очистки:

• механические
• физико-химические
• биологические

Механические методы

К первой группе относятся: отстаивание, процеживание, центрифугирование.

Все они применяются для выделения нерастворимых в жидкости фракций.

Основные действующие силы тут — гравитационная и центробежная.

1) Под действием силы тяжести крупные частицы опускаются на дно резервуара-отстойника, имеющего коническую форму, и с помощью насосного оборудования или под давлением столба жидкости накопленный осадок выгружается на стадию механического обезвоживания.

2) Организация тангенциального подвода очищаемой жидкой массы в резервуар способствует созданию вращательного движения — центростремительного ускорения, что значительно ускоряет процесс разделения фаз. Кроме того, выделяются не только грубодисперсные примеси, но и коллоидные частички. На этом принципе основана работа центрифуг.

3) В качестве процеживателей зачастую в технологическую схему очистки включаются либо решетки механизированного типа с малой шириной прозоров – барабанные, ступенчатые, грабельные, либо с ручной выгрузкой.

Физико-химическая очистка

Основывается на использовании таких методик, как коагуляция, флотация.

Большинство загрязнителей в производственных сливах имеют устойчивую молекулярную структуру и образуют прочные связи с водой.

1) Ввод коагулянтов в систему позволяет ее дестабилизировать и запустить процесс слипания мелких частичек, которые затем в ускоренном режиме выпадают в осадок на дно.

2) Для исключения из стоков тонкоэмульгированных нефтесодержащих продуктов, жировых включений, ПАВ, а также части растворенных в воде органосоединений применяется напорная флотация совместно с реагентной установкой. Способ основывается на возникновении сочетания «пузырек газа — частичка». Механизм образования данного комплекса происходит в два этапа:

• предварительное насыщение водной среды воздухом в специальном напорном баке – сатураторе, при избыточном давлении может производиться либо при пропуске всего объема исходных водных масс через сатуратор, либо – части уже очищенной воды (рециркуляционная схема), что является менее энергоемкой технологией. Подсос воздуха к очищаемой воде осуществляется через эжектор, установленный на напорном трубопроводе насоса.
• снижение давления до атмосферного, при прохождении водной смеси через сопло напорного коллектора. При этом во флотационной емкости растворенный кислород преобразуется в воздушно-жидкостную эмульсию, в которой наблюдается большое количество выделившихся микропузырьков.

К воздушным образованиям присоединяются частички загрязнений, плохо смачиваемые водой. Это ведет к образованию пенного продукта на поверхности резервуара, который по мере накопления удаляется скребками на механическое обезвоживание.

Биологические методы

Биологическая очистка протекает за счет функционирования микроорганизмов активного ила, которые осуществляют комплекс окислительно-восстановительных процессов, конечным результатом которых является разложение органических веществ до минеральных соединений.

Источник питания для биомассы - углеводы, белки, жиры, спирты и т.п.

Этапы биологической очистки

• От жилых домов сточные воды по напорной системе канализации подаются в здание очистных сооружений на самую верхнюю отметку – приемную камеру, она необходима для гашения напора. Из приемной камеры стоки подаются на первый этап очистки – механическая очистка. Проходят адсорбцию загрязняющих веществ на поверхности активного ила, который идет после смешения в стоках и их коагуляция. Поэтому на этой стадии очистки вредные вещества в стоках удаляются вследствие механического изъятия их активным илом из воды и началу процесса биологического разложения органики. В среднем за 1,5 часа содержание органики с вредными веществами уменьшается на 50-60 %. Осветленные сточные воды проходят в канализационную насосную станцию, она располагается вне здания, поблизости от него. Часть может направляться в усреднитель при максимальном притоке. При минимальном притоке она обратно поступает в КНС. После этого сточные воды проходят цикл очистки.
• Сточные воды с расчетным расходом подаются через распределительную камеру на второй этап — биологическая очистка. В результате биологической очистки в блоках удаляется основная масса органических загрязнений. Сточные воды очищаются от азотистых соединений. После биоочистки сточные воды направляются на этап доочистки и до норм сброса в водоем рыбохозяйственного назначения, а именно подвергаются обработке коагулянтом, затем флокулянтом в смесителе для доочистки от соединений фосфора. На этом этапе продолжительность этого процесса в аэротенках может быть от 6 до 8 часов — для бытового случая и от 10 до 20 часов при смешанной очистке бытового с производственными стоками. Эта стадия при бытовом случае может быть 4-6 часов, также может достигать и 15 часов.
• Далее происходит фильтрация через специальную загрузку в блоках глубокой очистки. Процесс завершается ультрафиолетовым обеззараживанием.

Где купить очистные сооружения для хозбытовых стоков?

Вторым методом удаления азота в виде N2 является доочистка в анаэробном денитрификаторе на последнем этапе биологической очистки. Там используется наша биозагрузка (ББЗ).

Сами аэробные условия создаются благодаря принудительной подаче воздуха в зону аэрации при помощи специальных вспомогательных устройств, а именно компрессоров и воздуходувок, обеспечивающих необходимое нагнетание. Рассеивание воздуха происходит при помощи аэраторов различных исполнений, а сами бактерии образуют биопленку на блоках биологической загрузки.

Эти процессы могут происходить и в естественных условиях, однако такие фазы процесса происходят очень медленно.

В процесс денитрификации происходит очищение воды от  NO₂ и  NO₃. Здесь используются гетеротрофные бактерии.

Данный этап протекает в анаэробных условиях (аноксидная зона). Она необходима для восстановления окисленных форм азота до газообразного азота:

NO₃= NO₂^-NO=N₂O=N₂

Аноксидным процесс называется потому, что расщепление органических веществ ведется под влиянием химически связанного кислорода, поступающего с нитратными формами.

Важными факторами нормального протекания процесса являются контроль за поступлением свободного кислорода, растворенного в воде, оно должно быть минимально, и наличие достаточного количества органического субстрата, определяемого исходя из соотношения С:N=4:1. При нехватке легкоокисляемых веществ необходима специальная установка для подпитки стоков.

При построении технологических схем очистки аноксидные зоны могут быть реализованы либо перед аэробной очисткой, либо после нее.

Пост-денитрификация отлично зарекомендовала себя при очистке высококонцентрированных по органике стоков с небольшой концентрацией аммонийных групп.

Предвключенная аноксидная зона позволяет максимально эффективно использовать имеющийся легкоокисляемый запас в случае поступления среднеконцентрированных сточных вод.

Применение анаэробно-аэробной технологии очистки с высокопроизводительными и компактными анаэробными реакторами нового поколения позволяет удалять основную массу загрязнений (до 80-95%) из стоков с высоким содержанием органических веществ при минимальных энергозатратах и тепловых потерях. Оставшаяся часть загрязнений разлагается в аэробных условиях на второй ступени очистки.

Сооружения биологической очистки

Представляют собой комплекс емкостей, насосного, воздуходувного и прочего оборудования, предназначенный для очистки сточных вод путем создания специальных условий для развития микрофлоры активного ила.

Далее рассмотрим основные виды биологического емкостного оборудования.

Анаэробные реакторы

Для очистки концентрированных сточных вод в технологических схемах нередко применяются двухступенчатые анаэробные сооружения.

Анаэробные реакторы I ступени нашей компании представляют собой вертикальные цилиндрические емкости, выполненные из стеклопластика, и оснащенные погружными мешалками.

Анаэробные реакторы II ступени представляют собой вертикальные цилиндрические резервуары с коническим днищем, оборудованные технологической загрузкой, на которой непрерывно развивается иммобилизованная активная биомасса. Материал — стеклопластик.

При прохождении сточных вод через технологическую загрузку органическая часть растворенных, взвешенных и коллоидных веществ перерабатывается прикрепленными на ней микроорганизмами. Образующийся при этом осадок минерализуется и периодически выгружается насосами на механическое обезвоживание.

В блоки I ступени для поддержания оптимальной дозы ила идет непрерывный его возврат с помощью центробежных насосов из блоков II ступени.

На первой ступени сточные воды мгновенно смешиваются с рециркулируемым активным илом из реакторов второй ступени, обеспечивающим их анаэробную обработку и перевод трудноокисляемых веществ в доступные для последующих ступеней формы.

В блоках анаэробного реактора I ступени создаются высокие концентрации анаэробного ила за счет постоянного его возврата во взвешенной форме. При этом иловая смесь тщательно перемешивается механическим путем, что обеспечивает равномерное распределение ила в водной массе и предотвращает осаждение его на дне и загнивание.

Аэротенки

Подразделяются на смесители и вытеснители. Первые отличаются равномерным распределением стоков по всему объему сооружения. В них осуществляется полное смешение сточных вод с иловой массой.  В вытеснителях же снижение содержания загрязнителей происходит постепенно при перемещении жидкости от места ввода до выпуска очищенной массы.

Также аэрационные емкости разделяются на аэротенки и биофильтры. В аэротенках механизм изъятия веществиз стоков  происходит в результате деятельности взвешенной в воде активной биомассы. Аэротенки иначе можно назвать биотенками. Биотенк — аэрационное  сооружение со специальной загрузкой,  способствующей увеличению общего  количества биомассы.

Биофильтр же оснащен специальным фильтрующим материалом, на котором образуется биологическая пленка – иммобилизованная форма. Она адсорбирует на своей поверхности примеси, которые под воздействием ферментов поглощаются живыми клетками.

Наши блоки биологической очистки работают в режиме биофильтра с затопленной технологической загрузкой и представляют собой цилиндрические емкости, по техническим особенностям разделенные на три зоны – центральную, отстаивания и периферии.

В центральной части установлена пластинчатая загрузка, на которой развивается прикрепленная аэробно-факультативная биомасса, обеспечивающая совместно с возвратным активным илом окисление органических загрязнений сточных вод.  В периферийных блоках происходит доокисление органических составляющих и переток в отстойные зоны. В них стоки вначале фильтруются через взвешенный слой биоценоза, а затем проходят тонкослойные модули, где происходит разделение очищаемых вод от биомассы ила.

Биологические пруды

Представляют собой искусственно созданные водоемы, в которых аэрация сточных вод проводится естественным воздухом.

Они имеют существенный недостаток в области наращивания активного биоценоза в зимнее время. Это связано с тем, что при снижении температуры ниже 6 °С 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.

Выводы

Основными преимуществами биологической очистки, проявляющимися при использовании её в различных сферах промышленности — мясной, молочной, рыбной, кондитерской, спиртовой, целлюлозно-бумажной, нефтеперерабатывающей и т. д., являются:

1. Удаление широкого спектра загрязняющих веществ — азотных и фосфорных групп, нефтепродуктов, фенолов, СПАВ, соединений во взвешенной, растворенной, коллоидной формах.
2. Экологическая безопасность. Сложные вещества используются живой экосистемой как средство питания, при этом они перерабатываются до простых безвредных продуктов, таких как вода, диоксид углерода и т. п.
3. Низкая себестоимость очистки. По сравнению с физико-химической очисткой применение реагентов сводится к минимуму.
4. Использование образующегося в процессе очистки активного ила в качестве удобрений и для рекультивации почв после его обеззараживания. Он содержит большое количество питательных элементов, необходимых для роста и развития растений.