Биологическая очистка сточных вод

Биологические методы очистки сточных вод (ОСВ) являются эффективным способом удаления органических загрязнителей – ценного источника энергии для бактерий и простейших микроорганизмов.

Очистные комплексы и установки, работающие по принципу биологической деградации органических веществ, оптимальны для очистки сточных вод предприятий пищевой промышленности, хозяйственно-бытовых вод в коттеджных поселках и изолированных базах отдыха, на охраняемых территориях.

Давайте посмотрим, как работает эта простая и экономичная технология очистки, какое оборудование используется и какую пользу приносят вам используемые бактерии, даже если вы даже не подозреваете об этом.

Понятие

СВ характеризуются различным составом, который зависит от природы их происхождения. При высокой концентрации растворенных органических веществ в сточных водах целесообразно использовать методы биологической очистки, поскольку они наиболее эффективны ввиду простоты и дешевизны.

В данной биотехнологии используется активный ил – биоценоз простейших и зоогенные скопления (колонии) бактерий.

Принципом биоочистки сточных вод является способность микроорганизмов разрушать (минерализовать) органические вещества для собственного роста. Поэтапная очистка сточных вод путем окисления, разложения и последующего разрушения органических загрязнителей является результатом их жизнедеятельности.

Помимо органических веществ, микроорганизмам для роста необходимы питательные вещества – азот и фосфор, которые они также получают из сточных вод. Следовательно, существуют микроорганизмы, поглощающие органические загрязнения в виде растворенных и твердых частиц, находящихся в сточных водах.

Органическое вещество и некоторые неорганические вещества подвергаются биохимическим превращениям под действием ферментов.

Бактериальные клетки используют полученное питание для:

1. Биологическое окисление при контакте с кислородом до безвредных продуктов – воды и углекислого газа. Энергия, вырабатываемая в результате окислительных процессов, используется клетками для жизнедеятельности.
2. Синтез новой клетки (размножение).

Микроорганизмы культивируют искусственно на орошаемых полях или в специальных устройствах – биофильтрах и аэротенках. Семейство микробов, используемых для БВ, разнообразно и представлено многими видами. Биомасса содержит различные инфузории, амебы и коловратки.

Поглощая органические вещества, они снижают концентрацию загрязняющих веществ по БПК и ХПК. Состав биомассы зависит от качественных характеристик очищаемых сточных вод и условий технологического процесса.

Эта экосистема способна постоянно адаптироваться к изменяющейся среде, помимо обновления населения и постоянного увеличения массы активного ила.

Технология биологической очистки показывает хорошие результаты, когда загрязняющие вещества биоразлагаемы и в сточных водах отсутствуют биоцидные соединения.

Преимущества

Удаление биоразлагаемых органических веществ, азота и фосфора из сточных вод путем биоремедиации является наиболее экономичным методом, применимым к большинству категорий загрязненных сточных вод.

Другие преимущества этого метода лечения:

• простая технология, основанная преимущественно на автоматизированных процессах;
• полученная очищенная вода не содержит химических примесей и поэтому может быть использована повторно;
• интенсивные процессы очистки даже значительных объемов сточных вод не требуют больших помещений;
• при анаэробной обработке образование осадка (осадка) минимально;
• можно получить ценный энергетический ресурс – биогаз.

Применение

Экономичность и простота метода делают его наиболее целесообразным и применимым для очистки следующих категорий сточных вод, загрязненных органическими веществами:

• городские сточные воды;
• бытовое и коммунальное хозяйство;
• техническая вода, используемая в пищевой промышленности;
• загрязненные сточные воды текстильной промышленности;
• сточные воды ферм и мясоперерабатывающей промышленности.

Каталог ИТС 10-2015 «Очистка сточных вод с использованием очистных сооружений в селах и районах» относит биоочистку сточных вод к обязательным мероприятиям, которые рекомендуется проводить с использованием оборудования, искусственно создающего необходимые условия для эффективной очистки:

• биофильтры различных типов;
• биореакторы с биопленкой;
• воздушные резервуары.

Естественные и искусственные методы

Аэробная

В основе очистки сточных вод оксидированием лежит способность микробных клеток расщеплять органические вещества в присутствии кислорода. В результате микроорганизмы достигают значительных энергетических затрат, что приводит к образованию больших объемов активного ила.

Основные виды аэробных БО:

1. Традиционный метод (активный ил). Биомасса внутри биореактора растет свободно или во взвешенном состоянии, образуя хлопья. Это наиболее широко используемая биологическая система, которую легко администрировать.
2. Последовательные биологические реакторы. Пакетная операция, при которой процессы происходят шаг за шагом в течение длительного периода времени в одном контейнере. Это приоритетный вариант для тех производств, где образуются небольшие объемы сточных вод с высокой изменчивостью состава.
3. Биологические мембранные реакторы. Внутри стандартной биосистемы установлен ультрафильтрационный мембранный модуль. Оборудование отделяет жидкость от осадка с помощью мембран, значительно лучше, чем результаты обычных вторичных осветлителей. Этот метод обычно используется в ограниченном пространстве.
4. Биокарбовый реактор. Это физико-химический и одновременно биологический процесс очистки сточных вод, основанный на работе аэробного реактора с неподвижным слоем загрузки бурого угля. Угольные гранулы фильтруют SW, адсорбируют загрязняющие вещества и поддерживают биопленку. Еще одна функция частиц угля – насыщение микроорганизмов минералами и микроэлементами. Этот метод наиболее эффективен при удалении цветных или трудно поддающихся биологическому разложению пятен.
5. Биологические диски Бактериальная биомасса прикрепляется к вращающимся биологическим контакторам. На нем последовательно образуется пленка, для которой растворимые органические примеси SW являются субстратом метаболизма. В момент контакта диска с прикрепленной биомассой с воздухом микроорганизмы получают кислород для активного расщепления органики в период погружения.
6. Бактериальные фильтры. Загрязненные сточные воды распределяются в верхней части фильтра, где опорным слоем выступает гравий или песок. Разрушение органики при прохождении SW через полости фильтра происходит за счет роста биомассы, осаждающейся на частицах наполнителя.
7. Фильтры с движущимся слоем. Пленка биомассы, содержащая микроорганизмы, расщепляющие органические вещества, крепится на подложки с высокой удельной поверхностью, помещенные внутри биореактора с подвижным слоем.

Анаэробная

Анаэробная обработка основана на расщеплении органических соединений без контакта с кислородом. Производство активного ила в этом случае уступает аэробным процессам и происходит на низком уровне, поэтому может сопровождаться производством ценного биогаза.

Аэрация

Экологичный метод биологической очистки заключается в искусственном насыщении сточной жидкости, поступающей в воздушные резервуары, с целью окисления и разрушения находящихся в ней органических веществ воздухом. Обычно его используют при работе на искусственных очистных сооружениях.

Самое главное в принципе вентиляции SW:

1. Обеспечить аэробные микроорганизмы в активном иле достаточным количеством кислорода.
2. Активная смесь для обеспечения контакта бактерий с органическим материалом.

Аэрация сточных вод – энергоемкий процесс, требующий 50-90% общей мощности очистных сооружений.

Как работают станции биологической очистки

Система очистных сооружений сточных вод, загрязненных органическими веществами, на специальных станциях выглядит следующим образом:

1. Предварительная подготовка сточной жидкости. Очистка сточных вод аппаратными методами требует предварительной очистки воды. Целью является устранение механических примесей, которые могут вывести из строя системы очистки. Перед поступлением на установку биологической очистки взвешенные частицы удаляются с помощью решеток с отверстиями различного размера и пескоуловителей. Частицы оседают в пескоуловителе под действием центробежных сил при круговом движении воды. Удаление жировых веществ осуществляется механическим способом в верхней части водоема.
2. Биологическое лечение. Это предполагает использование биофильтров, септиков или воздушных резервуаров. Газы, образующиеся в процессе БО, собираются в газосборниках, а осадок собирается на установке биопереработки для концентрирования и гомогенизации.
3. Очистка воды. Этап, на котором концентрация примесей снижается до минимума.

Биологическая очистка сточных вод осуществляется поэтапно:

1. Анаэробная стадия.
2. Аноксидная стадия.
3. Аэробная стадия.
4. Отстой в промежуточном отстойнике.
5. Глубокая биологическая очистка.
6. Разделение водно-иловой смеси в конечном отстойнике.
7. Обезвоживание осадка.
8. Термическая сушка осадка при высоких температурах.

В результате сушки объем осадка значительно уменьшается, одновременно происходит обеззараживание.

Существует множество различных технологий температурной обработки:

• барабаны;
• лента;
• скребок;
• диск.

Среди наиболее распространенных – сушильные машины, основанные на методе контактной сушки, где тепло передается через металлический барьер без подачи воздуха.

Высушенный осадок используют:

• как удобрение;
• как строительный материал;
• в качестве альтернативного топлива.

Необходимые условия для проведения эффективной биологической очистки с использованием активного ила:

• оптимальный баланс в СВ органического углерода, питательных веществ (азота и фосфора), а также серы, марганца, железа, кобальта;
• поддерживать предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ;
• отсутствие в SW соединений, токсичных для биомассы;
• достаточный объем кислорода и необходимая интенсивность процессов аэрации;
• температурная поддержка;
• допустимая нагрузка на активный ил в зависимости от объема загрязняющих веществ;
• продолжительность контакта биомассы и сточной жидкости;
• функции очистных сооружений и схем биоочистки сточных вод.

Искусственные биологические сооружения

Современные установки искусственной биологической очистки сточных вод путем минерализации органических веществ аэробными бактериями включают в себя:

1. Септики. Установки моделируют процессы биологического расщепления примесей в почве. В аэробном варианте очистка сточных вод в септиках требует аэрации; процессы требуют значительных энергозатрат. Анаэробное оборудование работает автономно; в результате БО активно выделяется метан.
2. Аэротанки. Это автономная канализация, где БО происходит с активным илом под воздействием кислорода. Конструкции имитируют процессы очистки сточных вод в биопрудах. Резервуары с воздухом можно эффективно использовать круглый год – это явное преимущество по сравнению с биопрудами, где процессы жизнедеятельности биомассы зимой приостанавливаются.
3. Биофильтры. Они представляют собой резервуар с дренажем, загруженный фильтратным материалом – щебнем, галькой, керамзитом.

Биологические пруды

Биологические пруды по своей сути являются искусственными объектами, но процессы очистки естественны, поскольку идентичны процессам, происходящим в естественных водоемах.

Это сооружения, как правило, большой площади и небольшой глубины, которые используются для очистки и глубокой очистки сточных вод, загрязненных органическими веществами.

Принцип действия биопрудов основан на способности водоема самоочищаться. Используются как аэробные, так и анаэробные методы. Обработка происходит в толще воды, а аэрация осуществляется естественным путем – воздухом. Развитие активного биоценоза зимой замедляется; при температуре ниже 6 °С процессы жизнедеятельности бактерий прекращаются.

Другие недостатки технологии:

• значительные площади необходимы для очистных сооружений;
• необходимо создать и соблюдать условия санитарно-защитных зон;
• неприятный запах возле водоемов.

Полями фильтрации обозначаются участки фильтрующей почвы — глинистой и песчаной почвы, заселенные колониями бактерий. Классификация аналогична биопрудам – условия естественные, но объекты созданы искусственно.

Контакт загрязненного дренажа с подземными питьевыми источниками исключен. Создается дренажная сеть – дренаж для отвода фильтрующихся водных масс.

Какие водоросли используются для БО

Чаще всего для биологической очистки сточных вод, в том числе промышленных, используют зеленые нитчатые водоросли (например Cladophora), отличающиеся высокой способностью поглощать и минерализовать органические вещества.

Эти водоросли обладают высокой бактерицидной активностью, значительно снижают концентрацию опасных сапрофитов в сточной жидкости и подавляют развитие дизентерибацилл.

После использования и соответствующей переработки биоабсорбент пригоден на корм животным, используется как сырье для производства каротина, хлорофилла и других ценных веществ.

Какие бактерии применяют для БО

В процессах биологической очистки участвуют многие группы бактерий и простейших микроорганизмов:

• нитчатые бактерии;
• амеба;
• инфузории;
• коловратки;
• жгутики;
• черви-олигохеты и так далее

Бактерии, расщепляющие органические вещества при очистке сточных вод, разделяются по образу жизни. Аэробным микроорганизмам для функционирования необходим кислород. Анаэробные бактерии развиваются в закрытой системе без доступа воздуха.

Микроорганизмы расщепляют органические вещества, используя или не используя кислород:

1. Аэробный метаболизм. Когда у микроорганизмов есть кислород, они получают максимум энергии.
2. Анаэробный метаболизм. Активируется только в случае нехватки кислорода. Если клетки находятся в питательной среде, рост продолжается, но с крайне низким энергопроизводством.

Биологический процесс анаэробного метода довольно сложен. В процессе переработки участвуют разные группы бактерий, и результат жизнедеятельности одних является первым продуктом для существования других.

Бескислородный метод требует сложных технических решений.

Самым большим преимуществом технологии насыщения кислородом является высокая скорость очистки при небольшом начальном количестве бактерий.

Выбор конкретного механизма биологической очистки – аэробного или анаэробного – зависит от качественных характеристик загрязненных сточных вод.

Биологические фильтры

Биофильтр – одно из сооружений для очистки сточных вод.

Большинство биофильтров построено по принципу постепенного прохождения очищенных водных масс:

• через толщу фильтрующего материала, покрытого активной микробиологической пленкой, минерализующей органические вещества;
• через пространство, занимаемое сообществом организмов-падальщиков.

Конструкция биофильтра обычно состоит из следующих элементов и узлов:

• фильтрующий материал в круглом или прямоугольном контейнере или резервуаре;
• водораспределительная установка, предназначенная для равномерного орошения слоя груза сточной жидкостью;
• дренажное устройство для удаления фильтрованной воды;
• устройство для подачи воздуха, необходимого для окислительных процессов.

Важнейшая характеристика биофильтров заключается в свойствах загрузочного материала:

• фильтры с объемной загрузкой (гравий, шлак, керамзит, щебень);
• фильтры с плоской загрузкой (пластик, асбоцемент, ткань, металл).

Биофильтры с объемной загрузкой бывают:

• капать;
• сильно заряжен;
• башня

Категория определяется размером фракций.

Биофильтры с плоской загрузкой:

1. С жесткой объемной нагрузкой – из керамической, пластиковой, металлической смеси.
2. С мягкой или рулонной загрузкой, изготовленные из синтетических материалов, полиэтиленовых пленок, металлических сеток, которые крепятся к рамам, опорам или укладываются в рулоны.

При объемах отходов до 1000 м3/сут применяют капельные биофильтры, до 50 000 м3/сут — высоконагрузочные или башенные фильтры. Самолеты наиболее эффективны при расходе СВ до 10 000 м3/сут.

Биологические фильтры – это:

• одно- или двухступенчатые;
• с утилизацией и без.

Доочистка сточных вод после биологической очистки

Для дальнейшей очистки воды после биологической очистки от остаточных загрязнителей до нормативных значений перед ее сбросом в водоемы или повторным использованием применяются реакторы доочистки.

Дополнительная обработка позволяет минимизировать концентрацию химических элементов, например:

• взвеси;
• нефтяные продукты;
• фосфор;
• азотистые соединения.

Также наблюдается снижение ХПК и БПК. Кроме того, в результате доочистки существенно повышается уровень кислорода в воде.

Интересное видео

В этой статье описан метод очистки сточных вод с помощью бактерий:

Заключение

Биоремедиацию сточных вод применяют в тех случаях, когда ее загрязнители способны разлагаться в результате биологического окисления. Такие процессы эффективны, когда микроорганизмы имеют достаточно органического материала для питания и роста. Этому требованию отвечает состав бытовых сточных вод населенных пунктов, промышленных сточных вод сельского хозяйства и производства продуктов питания.

Загрязнения удаляются путем метаболизма микроорганизмов без необходимости использования дорогостоящих реагентов, коагулянтов и флокулянтов. Метод наиболее экономичен и практически не требует энергетических ресурсов – как правило, процессы осуществляются самотеком, без дополнительной откачки.

Степень очистки выше, чем при использовании других технологий. Например, механический метод можно считать лишь предварительным, а флотационный метод не решает проблему удаления соединений азота и других биоразлагаемых веществ.

Биологическая очистка одновременно решает проблему минерализации и уменьшает объемы образования отложений. Для минерализованного осадка легче найти решение для утилизации. Например, его можно использовать в качестве удобрения.