Биологическая очистка сточных вод

Биологическая очистка сточных вод основана на биохимических процессах с участием микроорганизмов, которые в процессе своей жизнедеятельности разрушают органические соединения (кислоты, спирты, белки, углеводы и т. д.). Микроорганизмы используют органические вещества в качестве источника питательных веществ и энергии [16].

Необходимые для жизнедеятельности микроорганизмов азот, фосфор, калий они получают из различных соединений: азот - из аммиака, нитратов, аминокислот и других азотосодержащих соединений (некоторые микроорганизмы - азотобактерии - могут использовать азот из воздуха), фосфор и калий - из минеральных солей этих веществ. В процессе питания микроорганизмов происходит прирост их массы.

Биологическое окисление осуществляется сообществом микроорганизмов (биоценозом), включающим множество различных бактерий, простейших и ряд более высокоорганизованных организмов - водорослей, грибов и других водных организмов.

Биологическое окисление может происходить в аэробных и анаэробных условиях.

Очистка анаэробным способом, т. е. без доступа кислорода воздуха, происходит в метантанках - резервуарах закрытого типа, содержащих анаэробный ил в интервале температур 20...60 °C [1]. В этом иле содержатся различные группы микроорганизмов, осуществляющих процессы брожения.

Аэробная очистка осуществляется организмами, нуждающимися в свободном кислороде воздуха, и происходит как в естественных условиях (водоемах, окислительных прудах, на полях орошения), так и в искусственных сооружениях (в аэротенках различных систем, аэрофильтрах, биофильтрах).

Наибольшее распространение получили аэробные методы биологической очистки.

Эффективность процессов биологической очистки сточных вод зависит от следующих факторов [1].

Температура. Оптимальной температурой для аэробных процессов, происходящих в очистных сооружениях, считается 20...30 °C, при этом биоценоз при прочих благоприятных условиях представлен наиболее разнообразными и хорошо развитыми микроорганизмами.

Реакция среды. Концентрация водородных ионов существенно влияет на развитие микроорганизмов. Значительная часть бактерий развивается лучше всего в среде нейтральной или близкой к ней, однако есть виды, хорошо растущие в кислородной среде с pH 4...6 (грибы, дрожжи) или, наоборот, в слабощелочной среде (актиномицеты).

Биологическая очистка наиболее эффективна, если pH не выходит за пределы 5...9, оптимальной считается среда с pH 6,5...7,5.

Биогенные элементы. Для нормального процесса синтеза клеточного вещества, а следовательно, и для эффективного процесса очистки воды в среде должна быть достаточная концентрация всех основных элементов питания - органического углерода, уровень которого определяется по величине биологического потребления кислорода (БПК), азота, фосфора.

Кроме основных элементов состава клетки (С, N, О, Н) для ее построения необходимы в незначительных количествах и другие компоненты: марганец, медь, цинк, молибден, селен, магний, кобальт, кальций, натрий, калий, железо, карбонат-ион и т. д. Содержание указанных элементов в природных водах, из которых затем образуются сточные воды, обычно достаточно, чтобы полностью удовлетворить требованиям бактериального метаболизма. Азота и фосфора часто не хватает, и их добавляют искусственно в виде суперфосфата, ортофосфорной кислоты, аммофоса, сульфата, нитрата или хлорида аммония, мочевины и т. п.

Уровень питания. За меру уровня питания принимают величину суточной нагрузки по загрязнениям в расчете на 1 м3 очистного сооружения или на 1 г сухой биомассы.

Кислородный режим. В аэробных биологических системах подача воздуха (а также чистого кислорода или воздуха, обогащенного кислородом) должна обеспечивать постоянное наличие в смеси растворенного кислорода не ниже 2 мг/дм3. Система аэрации должна обеспечивать также постоянное поддержание ила во взвешенном состоянии.

Токсичные вещества. Токсичным действием на биологические процессы могут обладать как органические, так и неорганические вещества. Токсичное действие может быть и микробостатическим, если задерживается рост и развитие микроорганизмов, и убивающим (микро-боцидным). Большинство веществ оказывают то или иное действие в зависимости от концентрации их в очищаемой смеси.

Биохимический процесс очистки может протекать как в естественных условиях (поля орошения и фильтрации, биологические пруды), так и в искусственно созданных (аэротенки, биофильтры).

Биологическая очистка в природных условиях

В естественных условиях очистка происходит на полях орошения, полях фильтрации и биологических прудах. Искусственными сооружениями являются аэротенки и биофильтры разной конструкции [11].

Поля орошения - это специально подготовленные земельные участки, используемые одновременно для очищения сточных вод и агрокультурных целей. Очистка сточных вод в этих условиях идет под действием микрофлоры, солнца, воздуха и под влиянием жизнедеятельности растений.

В почве полей орошения находятся бактерии, актиномицеты, дрожжи, грибы, водоросли, простейшие и беспозвоночные животные. В сточных водах содержатся в основном бактерии. В смешанных биоценозах активного слоя почвы возникают сложные взаимодействия микроорганизмов симбиотического и конкурентного порядка.

Если на полях не выращиваются сельскохозяйственные культуры и они предназначены только для биологической очистки сточных вод, то их называют полями фильтрации.

Поля фильтрации - это земельные участки, искусственно разделенные на секции, по которым равномерно распределяется сточная вода, фильтрующаяся через поры грунта. Профильтрованная вода собирается в дренажных трубах и канавах и стекает в водоемы.

В процессе биологической очистки сточные воды проходят через фильтрующий слой почвы, в котором задерживаются взвешенные и коллоидные частицы, образуя в порах грунта микробиальную пленку. Затем образовавшаяся пленка адсорбирует коллоидные частицы и растворенные в сточных водах вещества. Проникающий из воздуха в поры кислород окисляет органические вещества, превращая их в минеральные соединения. В глубокие слои почвы проникание кислорода затруднено, поэтому более интенсивное окисление происходит в верхних слоях почвы (0,2...0,4 м). При недостатке кислорода в прудах начинают преобладать анаэробные процессы.

Поля орошения лучше устраивать на песчаных, суглинистых и черноземных почвах. Уровень залегания грунтовых вод 1,25 м от поверхности земли. Если грунтовые воды залегают выше этого уровня, то необходимо устраивать дренаж.

Биологические пруды - это специально созданные неглубокие водоемы, где протекают естественные биохимические процессы самоочищения воды в аэробных и анаэробных условиях.

Биологические пруды представляют собой каскад прудов, состоящих из 3-5 ступеней, через которые с небольшой скоростью протекает осветленная или биологически очищенная сточная вода. Пруды предназначены для биологической очистки и для доочистки сточных вод в комплексе с другими очистными сооружениями. Различают пруды с естественной или искусственной аэрацией. Пруды с естественной аэрацией имеют небольшую глубину (0,5... 1 м), хорошо прогреваются солнцем и заселены водными организмами.

Бактерии окисляют загрязнения с помощью кислорода, выделяемого водорослями в процессе фотосинтеза, а также из воздуха. Водоросли, в свою очередь, потребляют СО2, фосфаты и аммонийный азот, выделяемые при биохимическом разложении органических веществ. Для нормальной работы необходимо соблюдать оптимальные значения pH и температуру сточных вод. Температура должна быть не менее 6 °C. В зимнее время пруды не работают.

Биологическая очистка в искусственных условиях

Всю совокупность сооружений биологической очистки производственных сточных вод в искусственных условиях целесообразно делить на три группы по признаку расположения в них активной биомассы [1].

Первая группа. Активная биомасса закреплена на неподвижном материале, а сточная вода тонким слоем скользит по материалу загрузки.

Вторая группа. Активная масса находится в воде в свободном (взвешенном) состоянии.

Третья группа. Промежуточная группа, сочетающая оба варианта расположения биомассы.

Первую группу сооружений составляют биофильтры, вторую - аэротенки, третью - погружные биофильтры, биотенки с заполнителями.

В искусственных условиях биологическую очистку проводят в биофильтрах или аэротенках.

Биофильтры - это сооружения для биологической очистки сточных вод, построенные на принципе постепенного прохождения очищаемых масс либо через толщу фильтрующего материала, покрытого активной микробиологической пленкой, либо через пространство, занятое искусственно созданным сообществом организмов-очистителей (например, камышей) [5].

В биофильтрах создаются условия для интенсификации естественных биохимических процессов разложения органических веществ. Это резервуары с фильтрующим материалом, дренажем и устройством для растпределения воды. Сточная вода с помощью распределительных устройств периодически разливается по поверхности загрузки, профильтровывается и отводится в отстойник. На поверхности фильтра постепенно созревает биопленка из различных микроорганизмов. Микроорганизмы биопленки адсорбируют и перерабатывают органические вещества, используя их как источники питания и энергии. Таким образом, из сточной воды удаляются органические вещества, а масса активной биопленки увеличивается. Отработанная (омертвевшая) биопленка смывается протекающей сточной водой и выносится из биофильтра.

В качестве загрузки используют различные материалы с высокой пористостью, малой плотностью и большой удельной поверхностью: щебень, гравий, шлак, керамзит, керамические и пластмассовые кольца, кубы, шары, цилиндры, шестигранные блоки, металлические и пластмассовые сетки, скрученные в рулоны.

По способу поступления воздуха в толщу загрузки биофильтры делят на сооружения с естественной и принужденной подачей воздуха (рис. 20) [1].

Биофильтры с естественной (А) и принудительной (Б) подачей воздуха

Рис. 20. Биофильтры с естественной (А) и принудительной (Б) подачей воздуха:

  • 7 - водоподающие трубы; 2 - водораспределительные устройства;
  • 3 - загрузка; 4 - водоотводящис лотки; 5 - гидравлический затвор;
  • 6 - воздухо-подводящие трубы; 7 - воздухопроницаемые стенки

Наиболее совершенными сооружениями для биологической очистки сточных вод (как бытовых, так и промышленных) являются аэротенки.

Аэротенки - это аэрируемые резервуары, представляющие собой открытый бассейн, оборудованный устройствами для принудительной аэрации. Аэрация воды - это обогащение воды кислородом воздуха [15]. Растворимость кислорода в воде мала (зависит от температуры и давления), поэтому для насыщения ее кислородом подают большое количество воздуха. Глубина аэротенков 2...5 м. Процесс очистки в аэротенке идет по мере протекания через него аэрированной смеси сточной воды и активного ила. Аэрация необходима для насыщения воды кислородом и поддержания ила во взвешенном состоянии.

Растворимость кислорода в чистой воде при давлении 0,1 МПа представлена ниже [11].

Температура, °C 5 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

Растворимость, мг/л 12,8 11,3 10,8 10,3 9,8 9,4 9,0 8,7 8,3 8,0 7,7 При аэрации должна быть обеспечена большая поверхность контакта между воздухом, сточной водой и илом, что является необходимым условием эффективной очистки. На практике используют пневматический и пневмомеханический способы аэрации сточной воды в аэротенках. Выбор способа аэрации зависит от типа аэротенка и от необходимой интенсивности аэрации.

В аэротенки после механической очистки поступают сточная вода, активный ил и непрерывно подается воздух. Хлопья активного ила представляют собой биоценоз аэробных микроорганизмов-минерализаторов (бактерий, червей, простейших и др.). Для нормальной жизнедеятельности микроорганизмов необходима постоянная аэрация воды.

Аэротенки могут быть различных видов и отличаться друг от друга иногда существенными элементами. Общим для всех аэротенков является принцип их работы, а также то, что они дают возможность эффективно влиять на скорость и полноту протекающего в них биохимического процесса.

Если ВПК очищаемых сточных вод не превышает 500 мг/дм3, применяют сооружения с сосредоточенной подачей смеси сточной жидкости и активного ила в начале сооружения, так называемые аэротенки-вытеснители.

Воздух в них распределяется равномерно по всей длине сооружения или подается в большом количестве в его начале (рис. 21,а). При очистке более концентрированных стоков (ВПК до 1000 мг/дм3), особенно стоков с резко колеблющимся составом, применяют аэротенки-смесители. Этот тип сооружений обеспечивает практически полное выравнивание скорости потребления кислорода во всех точках по живому сечению и длине аэротенка, что способствует более полному использованию подаваемого воздуха и повышает общий эффект очистки. Такие условия создаются при децентрализованном впуске сточной жидкости и активного ила или при децентрализованном впуске сточной жидкости и централизованной подаче ила (рис. 21,6) [ 1 ].

Технологические схемы работы аэротенков

Рис. 21. Технологические схемы работы аэротенков:

а - аэротенки с дифференциальной подачей воздуха; б - аэротенк-смеситель с рассредоточенной подачей воды и активного ила; 1 - водоподающий клапан;

  • 2 - первичный отстойник; 3 — аэротенки; 4 — вторичные отстойники;
  • 5 - трубопровод избыточного ила; 6 - трубопровод очищенной воды

Возможны и другие технологические схемы работы аэротенков. Однако при всех вариантах схем обработанные сточные воды совместно с активным илом поступают во вторичный отстойник, где происходит отстаивание иловой смеси. Вторичный отстойник связан с работой аротенка, так как из него отбирается активный ил, который непрерывно подается в аэротенк. Вторичные отстойники рассчитываются на срок пребывания в них иловой смеси не менее 2 ч. В поступающей иловой смеси должно быть такое количество растворенного кислорода, чтобы в выходящей из отстойника воде его содержалось не менее 2 мг/дм3.

Избыток активного ила из вторичных отстойников, имеющий влажность 95...99,6 %, подвергается сбраживанию в метантенках. Сбраживание производится в мезофильных (при температуре 33 °C) или термофильных (при температуре 53 °C) условиях. Продолжительность сбраживания в обоих случаях зависит в основном от состава осадка, скорости его распада и начальной влажности.

Образующийся при сбраживании в метантенках газ, содержащий 60...65 % метана, 16...34 % углекислоты, 0...3 % азота, 0...3 % водорода, имеет теплотворную способность в среднем 5000 ккал/м3 и сжигается в котельной для получения пара, используемого для нагрева метантенков.

Сброженный осадок промывают очищенной водой (2...3 м3 на 1 м3 осадка), уплотняют для сокращения его объема в 1,5-2 раза по сравнению с объемом, загруженным в метантенк, и направляют на обезвоживание.

Уплотненный осадок обезвоживают на иловых площадках, вакуум-фильтрах или фильтр-прессах. Удельная производительность и влажность обезвоженных осадков на вакуум-фильтрах и фильтр-прессах составляет соответственно 10... 12 кг/ч, 72...75 % и 8... 10 кг/ч, 55...60 %. Обезвоженные осадки можно использовать в качестве удобрений, если содержание токсичных веществ (в частности, тяжелых металлов) в них не превышает ПДК для почв. Если необходимо, осадки сжигают или складируют при соблюдении соответствующих условий. Осадки с влажностью 60...65 % можно сжигать без дополнительных затрат топлива.

Обеззараживание сточных вод

Прошедшие биологическую очистку сточные воды для повторного их использования или для сброса в водоемы должны подвергаться обеззараживанию.

Обеззараживание сточных вод - это обработка сточных вод с целью удаления из них патогенных и санитарно-показательных организмов (ГОСТ 17.1.1.01-77).

В сточных водах, отводимых в водные объекты для водопользования, должны соблюдаться критерии, приведенные в табл. 8 [21].

Таблица 8

Критерии эффективности обеззараживания сточных вод, отводимых в водные объекты

№ п /п

Показатели

Допустимые остаточные уровни

Сточные воды, отводимые в водные объекты

1

Общие колиформные бактерии (КОЕ/100 мл)

Не более 100

2

Колифаги (БОЕ/ЮО мл по фагу М2)

Не более 100

3

Термотолерантные колиформные бактерии (КОЕ/ЮОмл)

Не более 100

4

Фекальные стрептококки (КОЕ/100 мл)

Не более 10

5

Патогенные микроорганизмы

Отсутствуют

6

Специфические вещества, образующиеся в результате обеззараживания

Регламентируются в соответствии с требованиями санитарных норм и правил

Для обеззараживания сточных вод используют окислительные методы. Наибольшее распространение получил способ дезинфекции воды при помощи газообразного хлора С12 или веществ, содержащих активный хлор: гипохлорита кальция Са(ОС1)2, гипохлорита натрия NaOCl, хлорной извести СаОС12 и т. д. При обеззараживании производственной сточной воды хлорированием основное технологическое требование сводится к тому, чтобы в обеззараживаемой воде оставалось хлора не менее чем 1,5 мг/дм3. При столь высокой остаточной дозе санитарный эффект обеззараживания составляет практически всегда 100 %.

Возможно обеззараживание и другими бактерицидными веществами, ультразвуком, ультрафиолетовыми лучами и озоном.

Большой интерес представляет применение озонаторных установок для обеззараживания производственной сточной воды.

Скорость распада озона возрастает с увеличением солесодержания, pH и температуры воды. При повышении температуры от 1 до 20 °C скорость распада озона возрастает в 22 раза, а при повышении pH воды от 7,6 до 9,2 - в 15 раз. В технологической схеме температуру воды перед озонированием следует поддерживать около 25 °C. Тип озонаторной установки и расход озона определяются из дозы озона 5 мг/дм3 обрабатываемой воды. Концентрация остаточного озона в воде - от 0,2 до 0,5 мг/дм3 [1].

На рис. 22 приведена технологическая схема очистки сточных вод с биологической очисткой.

Технологические схемы очистки сточных вод с биологической очисткой, обеззараживанием, утилизацией осадка и газа используют для очистки хозяйственно-бытовых и производственных сточных вод.

Сточная вода

Очищенная вода

Рис. 22. Технологическая схема очистки сточных вод с биологической очисткой

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >