Биологические очистные сооружения: принцип работы и виды

Биологические очистные сооружения: как работают и какие бывают

Биологическая очистка сточных вод — это удаление органических загрязнений с помощью микроорганизмов активного ила. В процессе жизнедеятельности они перерабатывают органические вещества, снижая показатели БПК и ХПК, а также участвуют в удалении соединений азота.

Биологическая ступень является частью общей технологической схемы очистных сооружений. В зависимости от состава сточных вод она применяется после механической или физико-химической подготовки, а после нее могут выполняться доочистка и обеззараживание.

Что такое биологическая очистка сточных вод

В основе биологической очистки лежат естественные процессы жизнедеятельности микроорганизмов, но в очистных сооружениях для них искусственно создаются условия, позволяющие значительно ускорить переработку загрязнений.

Микроорганизмы используют содержащиеся в сточных водах органические вещества как источник питания и энергии. В результате сложные органические соединения преобразуются в более простые продукты, а часть веществ используется для образования новой биомассы.

Совокупность микроорганизмов формирует биоценоз активного ила. В его состав входят бактерии и другие микроорганизмы, участвующие в разложении растворенных, коллоидных и мелкодисперсных органических загрязнений. В существующей статье также отмечается, что активный ил содержит инфузорий, амеб, коловраток и другие организмы.

Для работы аэробной биомассы необходим кислород. Поэтому в аэротенках применяется аэрация: воздуходувки подают воздух, а аэраторы распределяют его в воде. Одновременно обеспечивается перемешивание сточных вод с активным илом.

В очистных сооружениях может использоваться и биозагрузка — специальный материал, на поверхности которого закрепляется и развивается биопленка. Это позволяет увеличить количество рабочей биомассы в сооружении. Такой принцип используется, в частности, в биофильтрах. В действующей статье Агростройсервиса описано применение прикрепленной биомассы совместно с активным илом.

Что происходит с загрязнениями

Если упростить процесс, биологическая очистка работает следующим образом:

сточные воды → контакт с активным илом и биопленкой → переработка органических загрязнений микроорганизмами → отделение биомассы → дальнейшая доочистка воды

В результате снижается содержание органических загрязнений по БПК и ХПК. При правильно организованной технологии также протекают процессы нитрификации и денитрификации, необходимые для удаления соединений азота.

Как очищается вода: основные этапы

Биологические очистные сооружения являются частью общей технологической схемы очистки. Перед поступлением на биологическую ступень из сточных вод необходимо удалить загрязнения, которые могут мешать работе микроорганизмов, а после биоочистки вода при необходимости проходит дополнительные стадии.

Конкретная технологическая схема определяется составом и объемом сточных вод, требованиями к качеству очищенной воды и условиями ее дальнейшего сброса или использования.

В общем виде процесс можно представить как последовательность:

механическая очистка → биологическая очистка → доочистка → обеззараживание

1. Механическая очистка

На первом этапе из сточных вод удаляют крупные включения, мусор, песок, взвешенные вещества и другие механические загрязнения.

Для этого в составе очистных сооружений могут применяться решетки, песколовки, отстойники и другое оборудование.

Механическая подготовка снижает нагрузку на последующие ступени и создает условия для стабильной работы биологической очистки.

2. Биологическая очистка

После предварительной подготовки сточные воды поступают на биологическую ступень.

Здесь основную работу выполняют микроорганизмы активного ила и биопленки, которые используют содержащиеся в воде органические вещества в процессах жизнедеятельности.

В аэробных сооружениях для поддержания необходимой концентрации кислорода используется система аэрации. Воздух подается воздуходувками и распределяется в жидкости через аэраторы.

В действующей статье Агростройсервиса процесс описан как взаимодействие сточной воды, кислорода и активного ила, при котором органические вещества сорбируются биомассой и подвергаются биохимическому окислению.

Биологическая очистка позволяет значительно снизить содержание органических загрязнений, характеризуемых в том числе показателями БПК и ХПК, а при соответствующей организации процесса — удалять соединения азота.

3. Доочистка

После основной биологической ступени в воде могут оставаться взвешенные вещества, остаточные органические соединения, соединения азота и фосфора и другие загрязнения.

В зависимости от требований к очищенной воде применяются дополнительные технологические процессы и оборудование.

Доочистка особенно важна в тех случаях, когда установлены строгие требования к качеству воды перед сбросом в водный объект или предполагается ее дальнейшее повторное использование.

4. Обеззараживание

Завершающей стадией технологической схемы может быть обеззараживание очищенных сточных вод.

Его задача — снижение микробиологических показателей до требуемых значений перед отведением очищенной воды.

Таким образом, биологическая очистка — не изолированный процесс, а одна из ключевых ступеней комплексной системы очистных сооружений.

Коротко: механическая ступень подготавливает стоки, биологическая удаляет основную часть биоразлагаемых органических загрязнений, доочистка доводит показатели воды до требуемых значений, а обеззараживание обеспечивает необходимое санитарно-микробиологическое качество.

Методы очистки сточных вод

Состав сточных вод на разных объектах существенно отличается. Поэтому универсального метода, который одинаково эффективно удалял бы все виды загрязнений, не существует.

На практике различные методы объединяют в единую технологическую схему.

Механические методы

Механические методы предназначены прежде всего для отделения загрязнений за счет их физических свойств.

С их помощью удаляют крупные включения, песок и значительную часть взвешенных веществ. Такая обработка обычно предшествует биологической ступени и защищает последующее оборудование от избыточной нагрузки.

Физико-химические методы

Физико-химические процессы применяют для удаления загрязнений, которые недостаточно эффективно отделяются механическими или биологическими методами.

Выбор конкретной технологии зависит от состава стоков и требуемых показателей очищенной воды. Такие методы могут использоваться как перед биологической очисткой, так и на стадии доочистки.

Биологические методы

Биологические методы очистки сточных вод основаны на способности микроорганизмов перерабатывать содержащиеся в воде органические загрязнения.

Процесс может протекать с участием свободно плавающего активного ила или микроорганизмов, закрепленных на поверхности биозагрузки.

В зависимости от технологии применяются аэробные и анаэробные процессы. В аэробных условиях микроорганизмам необходим кислород, поэтому используется принудительная аэрация. Анаэробные процессы протекают без свободного растворенного кислорода.

Именно сочетание различных условий позволяет решать несколько задач: удалять органические загрязнения, снижать БПК и ХПК и обеспечивать преобразование соединений азота.

Как работает биологическая очистка

Основная задача биологической ступени — создать условия, в которых микроорганизмы смогут эффективно перерабатывать загрязнения, содержащиеся в сточных водах.

Для этого необходимо обеспечить контакт сточной воды с достаточным количеством биомассы и поддерживать условия, необходимые для протекания биохимических процессов.

В зависимости от выбранной технологии микроорганизмы могут находиться в воде в виде активного ила или развиваться на поверхности специальной биозагрузки, образуя биопленку. На практике эти способы могут сочетаться.

Активный ил и аэротенк

Аэротенк — сооружение биологической очистки, в котором сточные воды смешиваются с активным илом и насыщаются кислородом.

Активный ил представляет собой биомассу микроорганизмов, способных использовать содержащиеся в сточных водах органические вещества в процессах жизнедеятельности.

В аэротенке одновременно происходят несколько процессов:

• сточная вода контактирует с активным илом;
• органические загрязнения сорбируются биомассой;
• микроорганизмы перерабатывают доступные им вещества;
• воздух обеспечивает необходимый для аэробных процессов кислород;
• перемешивание поддерживает активный ил во взвешенном состоянии.

В существующей статье Агростройсервиса отдельно отмечается, что после контакта активного ила со сточной водой начинается сорбция загрязнений, а затем их биохимическое окисление. Интенсивность процесса зависит в том числе от состава загрязнений, концентрации микроорганизмов и условий их жизнедеятельности.

Для подачи кислорода применяется система аэрации. Воздуходувка подает воздух к аэраторам, которые распределяют его в жидкости в виде пузырьков.

После завершения биологической обработки смесь воды и активного ила направляется на разделение. Для этого может использоваться вторичный отстойник, где биомасса отделяется от очищенной воды.

Часть осевшего активного ила возвращают в технологический процесс для поддержания необходимого количества микроорганизмов, а образующийся избыточный ил отводят на дальнейшую обработку.

Биофильтры и биозагрузка

Другой способ организации биологической очистки — использование прикрепленной биомассы.

В этом случае микроорганизмы развиваются не только во взвешенном состоянии, а закрепляются на поверхности специального материала — биозагрузки. Постепенно на ней формируется активная биопленка.

В существующей статье Агростройсервиса этому принципу уделено отдельное внимание: технологическая загрузка позволяет создать дополнительную поверхность для развития микроорганизмов и увеличить количество биомассы в рабочем объеме сооружения.

Биофильтр работает по принципу контакта сточной воды с биопленкой, сформированной на загрузочном материале. Органические загрязнения из воды поступают к микроорганизмам и подвергаются биохимическому преобразованию.

Прикрепленная биомасса особенно ценна тем, что позволяет удерживать значительное количество микроорганизмов внутри сооружения.

В очистных сооружениях могут применяться технологии, сочетающие активный ил и прикрепленную биомассу. Конкретная схема выбирается при проектировании с учетом характеристик сточных вод и требуемой степени очистки.

Нитрификация и денитрификация

Биологическая очистка используется не только для снижения концентрации органических загрязнений. При правильно организованном процессе микроорганизмы участвуют также в преобразовании соединений азота.

Два важных процесса в такой системе — нитрификация и денитрификация.

Нитрификация

Нитрификация — биологический процесс окисления аммонийного азота, протекающий при наличии растворенного кислорода.

Процесс проходит последовательно: аммонийные соединения преобразуются сначала в нитриты, а затем в нитраты.

Для стабильной нитрификации необходимо поддерживать условия, подходящие для работы нитрифицирующих микроорганизмов. В существующей статье среди значимых факторов указаны температура, pH, концентрация растворенного кислорода и характеристики поступающих сточных вод.

Денитрификация

Денитрификация — следующий биологический процесс преобразования соединений азота. Он протекает в условиях отсутствия свободного растворенного кислорода при наличии нитратов.

Микроорганизмы используют кислород, содержащийся в нитратных соединениях, в результате чего азот преобразуется в газообразную форму и удаляется из воды.

Таким образом, процессы работают последовательно:

аммонийный азот → нитриты → нитраты → газообразный азот

Нитрификация и денитрификация позволяют существенно снизить содержание азотных соединений в очищенной воде.

Важно: удаление азота требует не просто наличия активного ила. В сооружении необходимо создать и поддерживать разные технологические условия для нитрификации и денитрификации.

Сооружения биологической очистки

Биологические процессы могут быть реализованы в сооружениях различного типа. Они отличаются способом удержания биомассы, условиями работы микроорганизмов и назначением.

Аэротенк или биофильтр — в чем разница

Главное различие заключается в состоянии биомассы.

В аэротенке основная масса микроорганизмов находится во взвешенном активном иле. В биофильтре микроорганизмы закрепляются на поверхности загрузки и образуют биопленку.

При этом современные технологические решения позволяют сочетать оба подхода, используя одновременно свободно плавающий активный ил и прикрепленную биомассу.

Поэтому выбирать сооружение только по принципу «аэротенк или биофильтр» некорректно. Технологическую схему необходимо определять исходя из расхода и состава сточных вод, концентрации загрязнений и требований к качеству очищенной воды.

Что влияет на эффективность биологической очистки

Работа сооружений биологической очистки зависит от состояния биоценоза. Микроорганизмам необходимо обеспечить условия, при которых они смогут стабильно перерабатывать поступающие со сточными водами загрязнения.

Поэтому эффективность очистки определяется не одним параметром, а сочетанием состава стоков, нагрузки на сооружения и технологического режима.

Температура сточных вод

Температура влияет на скорость биохимических процессов и активность микроорганизмов. При ее изменении меняется интенсивность переработки органических веществ, а также процессов нитрификации и денитрификации.

В существующей статье отдельно отмечается, что при снижении температуры скорость биохимических реакций уменьшается. Поэтому температурный режим необходимо учитывать при расчете сооружений и выборе технологических параметров.

Содержание растворенного кислорода

Для аэробных процессов необходим растворенный кислород. Его требуемая концентрация поддерживается системой аэрации.

Воздуходувки и аэраторы должны обеспечивать подачу воздуха, достаточную для работы микроорганизмов с учетом фактической нагрузки на очистные сооружения.

При этом принцип «чем больше воздуха, тем лучше» неверен. Режим аэрации должен соответствовать расчетным условиям конкретного технологического процесса.

pH сточных вод

Активность микроорганизмов зависит от кислотно-щелочного баланса среды. Значительные отклонения pH могут замедлять биохимические процессы и изменять состав биоценоза.

Особенно чувствительны к условиям среды микроорганизмы, участвующие в нитрификации.

Органическая нагрузка

Количество загрязнений, поступающих на биологическую ступень, должно соответствовать ее расчетной производительности.

Для оценки органического загрязнения используются в том числе показатели БПК и ХПК.

Резкое увеличение нагрузки может нарушить установившийся режим работы активного ила. Поэтому при проектировании важно учитывать не только средний расход сточных вод, но и возможные изменения их объема и состава.

Соединения азота и фосфора

Азот и фосфор участвуют в жизнедеятельности микроорганизмов, однако их содержание и соотношение с органическими веществами необходимо учитывать при организации биологического процесса.

Если требуется глубокое удаление азота, технологическая схема должна предусматривать условия для последовательного протекания нитрификации и денитрификации.

Удаление фосфора является отдельной технологической задачей. В зависимости от требований к очищенной воде могут использоваться биологические либо физико-химические методы.

Токсичные загрязнения

Некоторые вещества способны подавлять активность микроорганизмов или приводить к нарушению работы биоценоза.

Особенно это важно для производственных сточных вод, состав которых может существенно меняться в зависимости от технологических процессов предприятия.

Поэтому перед выбором сооружений необходимо исследовать состав стоков и определить наличие веществ, способных отрицательно воздействовать на активный ил и биопленку.

Для каких сточных вод применяется биологическая очистка

Биологический метод наиболее эффективен для сточных вод, содержащих загрязнения, которые могут быть переработаны микроорганизмами.

Классический пример — хозяйственно-бытовые сточные воды, содержащие значительное количество биоразлагаемых органических веществ.

Биологическая очистка также широко применяется для производственных стоков, если их состав позволяет использовать биохимические процессы.

К таким объектам могут относиться:

• предприятия пищевой промышленности;
• мясоперерабатывающие и молочные производства;
• предприятия по переработке сельскохозяйственной продукции;
• жилые комплексы и населенные пункты;
• гостиничные и туристические объекты;
• административные и социальные объекты;
• другие предприятия, стоки которых содержат биоразлагаемые органические загрязнения.

При этом сам факт наличия органических веществ еще не означает, что сточные воды можно сразу направлять на биологическую ступень.

Например, производственные стоки могут содержать высокие концентрации взвешенных веществ, жиров, нефтепродуктов, токсичных соединений или других компонентов, мешающих работе микроорганизмов. В таких случаях перед биоочисткой предусматривается соответствующая предварительная обработка.

Именно поэтому состав очистных сооружений определяется не только отраслью предприятия, но прежде всего характеристиками конкретных сточных вод.

Как подбирают технологию биологических очистных сооружений

Универсальной схемы биологической очистки, одинаково подходящей для любого объекта, не существует.

Для двух предприятий с одинаковым расходом сточных вод могут потребоваться разные технологические решения, если различаются состав загрязнений и требования к качеству очищенной воды.

При проектировании учитывают:

• среднесуточный и максимальный расход сточных вод;
• БПК и ХПК;
• содержание взвешенных веществ;
• концентрации соединений азота и фосфора;
• pH и температуру;
• наличие жиров, нефтепродуктов и токсичных примесей;
• неравномерность поступления стоков;
• требования к качеству очищенной воды;
• условия сброса или дальнейшего использования воды.

На основании исходных данных определяется необходимая последовательность технологических ступеней, объем сооружений, способ организации биологических процессов, параметры аэрации и количество биомассы.

Например, если основной задачей является удаление органических загрязнений, технологическая схема может строиться преимущественно вокруг аэробной биологической ступени. Если необходимо дополнительно обеспечить глубокое удаление соединений азота, предусматриваются зоны и режимы для нитрификации и денитрификации.

При использовании прикрепленной биомассы рассчитывается необходимое количество и характеристики биозагрузки. При технологии с активным илом определяются параметры его рециркуляции и поддержания требуемой концентрации биомассы.

Поэтому подбор биологических очистных сооружений начинается не с выбора конкретной установки, а с анализа сточных вод и постановки требований к результату очистки.

Такой подход позволяет сформировать технологическую схему, соответствующую реальным условиям эксплуатации объекта, а не только его расчетной производительности.

Очистные сооружения БИОТОК

Для биологической очистки хозяйственно-бытовых и производственных сточных вод НПО «Агростройсервис» разрабатывает и производит комплексные очистные сооружения БИОТОК.

Технологическая схема подбирается под конкретный объект с учетом расхода и состава сточных вод, концентрации загрязнений, неравномерности их поступления и требований к качеству очищенной воды.

В зависимости от исходных условий в составе комплекса могут быть предусмотрены механическая подготовка стоков, биологическая очистка, процессы удаления соединений азота, доочистка и обеззараживание.

Такой подход позволяет рассматривать очистные сооружения не как набор отдельных емкостей и оборудования, а как единую технологическую систему.

Линейки БИОТОК К, М и Р

В линейку очистных сооружений БИОТОК входят несколько конструктивных исполнений, позволяющих подобрать решение с учетом производительности, особенностей площадки и условий эксплуатации объекта.

БИОТОК К — комплексные очистные сооружения контейнерного исполнения.

БИОТОК М — модульные очистные сооружения, позволяющие формировать комплекс необходимой производительности из отдельных технологических модулей.

БИОТОК Р — решение для объектов, где технологическое оборудование и сооружения проектируются с учетом индивидуальных параметров объекта.

При этом конкретный состав комплекса определяется расчетом. При выборе учитывается не только требуемая производительность в м³/сутки, но и фактическая загрязненность поступающих сточных вод.

Биологическая загрузка ББЗ

Одним из элементов, применяемых для интенсификации биологических процессов, является блочная биологическая загрузка ББЗ производства НПО «Агростройсервис».

Биозагрузка создает развитую поверхность, на которой закрепляются микроорганизмы и формируется биопленка.

В отличие от свободно плавающего активного ила, такая биомасса удерживается на поверхности загрузочного материала. Это позволяет увеличить количество микроорганизмов, участвующих в очистке, в рабочем объеме сооружения.

Использование биозагрузки может применяться как часть технологии биологической очистки и определяется расчетом конкретного объекта.

В существующем материале Агростройсервиса технология прикрепленной биомассы рассматривается именно как способ увеличения поверхности для развития микроорганизмов и повышения количества активной биомассы в сооружении.

Как заказать расчет очистных сооружений

Правильный подбор очистных сооружений начинается со сбора исходных данных.

Для предварительного расчета специалистам необходима информация о расходе сточных вод, их происхождении и составе, режиме поступления, требованиях к очищенной воде и условиях размещения оборудования.

Если имеются результаты лабораторного анализа стоков, они позволяют значительно точнее определить необходимую технологическую схему.

После анализа исходных данных специалисты НПО «Агростройсервис» могут определить состав сооружений, подобрать оборудование и подготовить технико-коммерческое предложение.

Для подбора очистных сооружений БИОТОК заполните опросный лист или направьте исходные данные специалистам НПО «Агростройсервис».