Биологическая очистка сточных вод

Биологическая очистка сточных вод

С каждым годом окружающая среда загрязняется большими темпами. Человечество нуждается в эффективных системах быстрой очистки водоемов.  Главный источник загрязнения  окружающей среды – производственные сточные воды. Они изменяют жизнь гидробионтов, а соответственно и качество воды.

Большинство водоемов невозможно использовать для санитарно-бытовых и рыбохозяйственных нужд. Водоочистка стоков предприятий и водоподготовка для их дальнейшего использования стоит на первом месте. Основная проблема очистки – большое разнообразие примесей различного химического и биологического состава. Их разнообразие растет с развитием новых материалов и технологий. Популярным способом очистки является биологическая очистка производственных сточных вод на основе активного ила. Симбиотические иловые культуры выделяют технический кислород, необходимый для биологического окисления. За последнее десятилетие аэрационное оборудование подверглась значительной модернизации, которая повысила его производительность в несколько раз. Однако в биологической очистке сточных вод существует ряд нерешенных проблем. Народное хозяйство остро нуждается в их решении.

Процессы биологической очистки

Биологический метод очистки воды
Биологический метод очистки воды

Методы биологической очистки основаны на работе системы сточная воды — активный ил. Она имеет сложную структуру с несколькими уровнями. В основе биологической очистки сточных вод лежит реакция окисления в результате ряда процессов. Начинается все с низшего уровня – обмена электронов между атомами, а заканчивается сложным биоценозом. Активный ил состоит из множества различных популяций простейших организмов, находящихся в динамическом равновесии. Оно допускает малое отклонение концентрации в активном иле определенных видов.

Сооружения биологической очистки

Биологическая очистка сточных вод может проходить как в природных условиях, так и в искусственно созданных человеком.

Природная очистка включает:

  • Фильтрующие колодцы при низком потреблении воды – до 1 кубического метра за сутки. Загрузкой является природный грунт местного происхождения.
  • Поле для подземной фильтрации используют при потреблении воды более 15 кубометров в сутки. Фильтрующей массой является местный грунт.
  • Поле фильтрации эффективно при потреблении воды до 1,4 тысячи кубических метров. Загрузкой является местный грунт.
  • Траншеи для фильтрации, песчано-гравийные фильтры могут пропускать от 15 кубометров воды. Для организации очистных сооружений используют систему из привезенного грунта. Актуальны в условиях низкой водной проницаемости местных пород.
  • Фильтрующие кассеты способны перерабатывать до 6 кубометров воды за сутки. Используют при низкофильтрующих грунтах с пропускной способностью меньше 0,1 кубометра в сутки.
  • Циркуляционно-окислительные каналы пропускают от 100 до 1,4 тысячи кубометров воды за сутки.
  • Биологические пруды могут иметь естественную или искусственную подачу кислорода и фильтруют около 1,4 тысячи кубометров воды.

Сооружения биологической очистки используют в определенных условиях:

  • средняя температура воздуха более 10 градусов;
  • грунтовые воды должны залегать на глубине большей метра от поверхности;
  • должно быть обеспечение нужной площади для возведения требуемых сооружений.

Если не соблюдается температурное требование в течении всего года, то прибегают к сезонной эксплуатации очистных станций.

Естественная биологическая очистка на основе грунта не всегда возможна. Часто санитарные условия, особенности местного климата и грунта не позволяют обеспечить требуемые условия для качественной очистки. Прибегают к искусственной биологической очистке сточных вод. К подобным сооружениям относят:

  • биофильтраторы;
  • биодисковые фильтры;
  • биофильтры на основе пеностекла и пластмасс;
  • биореакторы;
  • аэрационные установки с полным окислением;
  • аэрационные установки на основе аэробной стабилизации лишнего активного ила.

Биофильтры на основе пеностекла и пластмасс

Фильтр для воды "Filter 1"
Фильтр для воды Filter 1

Данный тип биофильтров особенно эффективен при небольших расходах воды и большом содержании органических веществ. Основные достоинства: простота и удобства в использовании, быстрая очистка в течение 0,5 часа.

Традиционными вариантами биофильтров является загрузка из керамзита и щебня. Пеностекло придает ряд преимуществ сооружениям биологической фильтрации. В первую очередь это строительный материал для обеспечения теплоизоляции. Пеностекло обладает высокой прочностью; хорошо противостоит влаге, пару и газу; не поддается воздействию продуктов разложения и кислот; выдерживает высокие и низкие температуры. Активная площадь для адсорбции может достигать 200 квадратных метров на кубометре. Благодаря большому количеству пор пеностекло может удерживать большую поверхность биопленки. Очистка происходит быстро и эффективно. Вода с помощью оросителя разбрызгивается по всей поверхности биофильтра.

Пластмассовая загрузочная масса моет быть трех видов:

  • жесткая – части труб;
  • жестко-блочная – пластмассовые листы плоской и гофрированной формы;
  • мягкая – пластмассовые пленки.

Благодаря использованию пластмассовой загрузки достигается увеличенная активная поверхность и повышенная пустотность. Биопленка плохо сцепливается с поверхностью, что провоцирует организацию только тонкого слоя.

Пластмассовые биофильтры не заиливаются – достигается максимальный приток кислорода для окислительных реакций.

Однако у них есть свои минусы:

  • вода поступает неравномерно, что негативно сказывается на работе аэротенков;
  • биопленка местами может высыхать;
  • разность температур в биопленки;

Для ликвидации перечисленных недостатков очистки отфильтрованные сточные воды повторно переганяют через биофильтры. Рециркуляция воды требует дополнительную энергию.

Биодисковые фильтры

Биодисковые фильтры используют при загрузке до 1 тыс. кубометров воды. Фильтрующей массой служит синтетический материал с низкой плотностью в форме дисков. Фильтры состоят из множества секций с движущейся загрузкой. Диски закреплены на горизонтальном волу с дистанцией в 20 мм. В штатном режиме работы диски погружают в воду на 40-45%, но бывает и более. Размер дисков определяет производительность сооружения.

Биодисковые фильтры фильтруют воду следующим образом: перфорированная поверхность вращающихся дисков покрыта биопленкой, а в создаваемых гидродинамических условиях отторгнутая биопленка работает с прежней производительностью. Таким образом, наблюдается два режима работы одновременно: закрепленного биоценоза и активного ила. Кислород для микроорганизмов поступает из атмосферы. Время очистки в биодисковых фильтрах равняется 1-1,5 часа, а в обычных аэротенках – 6 часов. К тому же этот вид биохимической очистки сточных вод  не требует больших площадей, легко переносит перемены в нагрузке и потребляет мало электроэнергии.

Биодисковые фильтры имеют от 3 до 6 секций. Максимальная нагрузка идет на первые два диска. Нитрификация и понижение концентрации азота начинает происходить в третьей секции и продолжается в остальных.  Достигнутый результат превосходит классические аэротенки на 40%. Иногда назначают дополнительную доочистку от азотистых солей.  Биопленка удаляется с помощью гравитации.

Биофильтраторы

Схема Биофильтратора
Схема Биофильтратора

Биофильтраторы используются при низком потреблении воды – до 600 кубометров. В процессе биологической очистки сточных вод удаляются разнообразные загрязнения в любой концентрации. Сооружения стоят не много и потребляют мало электроэнергии. Плюсами являются простата в использовании и отсутствие особого ухода.

В биофитраторах предусмотрено две зоны: сорбционная и осветление. В сорбционной зоне вращаются диски из пористого материала (пенопласта) с помощью мотора-редуктора. Разделительная перегородка имеет специальные отверстия для перелива жидкости и взвешенной биопленки. В зоне осветления активный ил оседает и отсасывается назад в сорбционную зону, что обеспечивает обмен биомассой. Отфильтрованную воду выводят из биофильтратора.

Для усиления биопроцессов используют струйную аэрацию. В этом случае мотор-редуктор уже не нужен. Метод эффективен при очистки воды больших объемов и высокой степенью загрязнения БПК.

Биореакторы

Биореакторы представляют собой многоступенчатую установку с движущимися барабанами. Производительность этого типа сооружения от 50 до 700 кубометров в сутки.

Они состоят из каскада цилиндрических емкостей, объединенные в систему сообщающихся сосудов. Вода самотеком проходит по патрубкам.  Что бы обеспечить равномерную подачу воды, в первом поддоне предусматривают специальный карман с щелевым переливом.  Очищенная жидкость собирается в сборном канале после последней емкости.

Каждая емкость загружена волокнистым барабаном для закрепления биопленки. Он достаточно легкий и может легко вращаться для естественной аэрации. Для обеспечения движения всех барабанов достаточно одного привода. На дне емкостей предусмотрены сборно-отводящие каналы для сбора осадка. Он собирается со всех бункеров и подвергается обезвоживанию. В низу биореактора установлены перфорированные трубы для восстановления ершей методом барботирования.

Использовать биореакторы могут даже неквалифицированные работники. На их работу не влияет степень загрязнения сточной воды органическими веществами.

Аэротенки

Аэроционные установки эффективны в небольших населенных пунктах. Существует два вида аэрационных установок:

  • с полным окислением;
  • со стабилизацией лишнего активного ила.

Оба вида хорошо зарекомендовали в любых климатических условиях, на любом грунте и гидрогеологических показателях. Они не нуждаются в большой площади для сооружений.

Схема очистного сооружения с доочисткой в аэротенках
Схема очистного сооружения с доочисткой в аэротенках

Аэрационные установки с полным окислением

Позволяют полностью очистить стоки. Окончательное кисление достигается в 3 этапа:

  1. большая концентрация органических примесей сточной воды обеспечивает активный рост микроорганизмов;
  2. количество органики снижается, что ограничивает рост микроорганизмов; можно наблюдать зависимость между увеличением активного ила и оставшейся органикой;
  3. размножение микроорганизмов сокращается из-за дефицита органики; микроорганизмы начинают перерабатывать отмершие организмы – происходит минерализация активного ила.

Общий прирост ила незначительный в процессе всего окисления. Его забирают в среднем через 2-3 месяца.

Существуют компактные установки  (КУ) в виде одного металлического блока. Это небольшой аэротенко-отстойник с принудительной циркуляцией активного ила. Пропускная способность установок 12 и 25 кубометров в сутки. Они оснащены щитами для защиты от низких температур зимой.

Аэрационные установки со стабилизацией излишков активного ила

Под аэробной стабилизацией понимают окисление органики при принудительной подаче кислорода. Кинетически процесс схож с окислением в аэротенках. Производительность не превышает 1,4 тыс. кубометров воды за сутки. При незначительно концентрации загрязнений процесс очистки не занимает много времени и труда. Используют механическую и пневматическую аэрацию. Затрудняют очистку токсичные и агрессивные вещества, которые плохо окисляются. Основные достоинства этого метода:

  • простая конструкция сооружений;
  • нет вероятности взрыва;
  • отличные санитарно-гигиенические показатели4
  • возможно автоматизация процесса;
  • простое обслуживание.

Переработка осадка

Осадок перерабатывается в аэробных условиях без подачи кислорода. Органические вещества разлагаются благодаря работе аэробных микроорганизмов. Примерами могут быть:

  • биотуалеты для домов;
  • септики;
  • отстойники и осветлители с двумя ярусами – перегниватели.

В септиках и перегнивателях сточные воды отстаиваются и обрабатывается осадок.

Если обеспечена подача кислорода, то органика в осадке окисляется:

  • аэротенки;
  • аэробные стабилизаторы.

Доочистка сточных вод

Фильтрующие колодцы

Фильтрующий колодец
Фильтрующий колодец

Естественная биологическая очистка не нуждается в дополнительной доочистки. Если фильтрующие колодцы правильно построены и работают, то санитарная обстановка вокруг сооружения удовлетворительна.

Фильтрующие колодцы и биологические пруды используются для доочистки в некоторых технологиях. Они расположены за сооружениями биологической очистки.

Биологические пруды

Биологические пруды могут иметь искусственную или естественную подачу воздуха. Концентрация органики снижается до 5 мг/л. Они просты, надежны и экономичны.

Если отсутствует возможность постройки биологических прудов, то прибегают к искусственным способам доочистки стоков.

Фильтры с зернистой загрузкой

Бывают двух видов:

  • гравийные;
  • каркасно-засыпные.

Загрузочный материал расположен по убывающей зернистости. Используемый материал не является дефицитным и расположен на многих районах. Каркас и фракцию засыпки подбирают так, что бы зерна свободно поступали в каналы.  В верхних слоях сточные воды очищаются от взвесей, а в нижних происходит тонкая очистка. Для песчаных фильтров нужно сооружение большого объема.

Намывные фильтры и микрофильтры

Микрофильтры состоят из сеточного металлического барабана. Очистка БПК до 30%, а взвешенных примесей – до 70%.

Намывные фильтры – емкость с монтированными сетчатыми элементами. Фильтрующий материал намывается на сетки и очищает воду. Сточная вода после намывных фильтров схожа по составу с речной.

Заключение

Метод очистки выбирается по следующим показателям:

  • ежедневное потребление воды;
  • неравномерность подачи сточной воды;
  • период работы очистных станций: сезонно, целый год;
  • система канализации;
  • средняя концентрация органики, фосфатов и азота;
  • требования к очищенной воде;
  • местные условия расположения очистных сооружений.

В начале, следует выбирать естественные методы очистки – они самые экономичные. Очистные станции должны полностью очищать и обезвреживать воду для ее дальнейшего беспроблемного использования.