Они применяются для очистки бытовых и производственных сточных вод от органических веществ, а также от сероводорода, сульфидов, аммиака, нитритов. Процесс очистки основан на способности микроорганизмов использовать эти вещества на обеспечение своей жизнедеятельности. Очистка осуществляется сообществом множества различных бактерий, простейших, а также грибов, водорослей, которые образуют биологически активный ил.
Известны аэробные и анаэробные методы биохимической очистки.
Аэробные методы основаны на использовании аэробных групп микроорганизмов, для жизнедеятельности которых необходим постоянный приток воздуха.
Анаэробные биохимические процессы протекают без доступа кислорода. Их используют для обработки осадков. Оптимальная температура очистки 20-40 °С.
Достоинства биохимической очистки: можно удалять из сточных вод широкий спектр органических и некоторые неорганические вещества, простота аппаратуры, низкие эксплуатационные затраты, возможна высокая степень очистки. Недостатки метода: высокие капитальные затраты (огромные сооружения), необходимость точного соблюдения технологического режима очистки, разбавления сточных вод из-за высокой концентрации примесей, возможно наличие примесей, отравляющих микроорганизмы.
Механизм процесса очистки микроорганизмами веществ из сточных вод условно делят на три стадии: массопередачу вещества из жидкости к поверхности клетки путем конвенции воды и диффузией примесей; диффузию вещества примеси через оболочку клетки микроорганизма вследствие градиента концентрации; процесс превращения вещества в клетке (метаболизм) с выделением энергии и синтезом нового клеточного вещества.
Скорость массопередачи определяется законами диффузии и гидродинамики. Вихревое движение потока разрушает хлопья активного ила на мелкие колонии микробов и приводит к быстрому обновлению поверхности их раздела со средой. Скорость биохимических превращений в клетке, их последовательность определяется ферментами. Синтез новых белковых веществ (анаболические превращения) протекает с затратой энергии Q, например:
Биохимическое аэробное окисление органического вещества клетки (катаболизм) или сточной воды сопровождается потреблением кислорода и выделением энергии Q:
Условия биохимической очистки. На эффективность биохимической очистки сточной воды оказывают влияние следующие факторы: равномерность поступления сточной воды, концентрация в ней примесей, наличие кислорода в воде, ее температура, рН, перемешивание воды, присутствие в воде примесей, токсичных для микроорганизмов, концентрация биомассы. Снабжение сооружений биохимической очистки кислородом воздуха должно быть непрерывным и в таком количестве, чтобы в очищенной воде содержание кислорода было не менее 2 мг/л. Оптимальная температура для аэробных процессов 20-30 °С, хотя отдельные бактерии выдерживают температуру от -8 до 85 °С. Оптимальная реакция среды — нейтральная (рН около 6,5). Количество взвешенных частиц для биологических фильтров должно быть не более 100 мг/л. Оптимальное количество микроорганизмов в виде активного ила 2-4 г/л. Наиболее эффективен молодой активный ил возраста 2-3 суток.
Регенерация активности ила: его аэрация в отсутствие питательных веществ.
Для жизнеобеспечения микроорганизмов, очищающих сточные воды, необходимо наличие в ней достаточного количества соединений углерода, азота, фосфора. Однако соединения ртути, свинца, сурьмы, серебра, хрома, кобальта являются клеточными ядами. Их концентрация должна быть ниже ПДК для микроорганизмов.
Технология биохимической очистки
Аэробную очистку проводят в естественных условиях и в искусственных сооружениях.
Естественные условия: поля орошения и фильтрации, биологические пруды.
Поля орошения — это сельскохозяйственные угодья, предназначенные для очистки сточных вод и одновременного выращивания растений. На полях фильтрации растения не выращивают. Обычно это резервные участки типа прудов для принятия сточных вод. На полях орошения очистка сточных вод основана на воздействии микрофлоры почвы, воздуха, солнца и жизнедеятельности растений. Солей в стоках должно быть меньше 4-6 г/л. Сточные воды подаются на поля орошения в летний период через 5 дней.
Биологические пруды — искусственные водоемы глубиной 0,5-1 м, хорошо прогреваемые солнцем и заселенные водными организмами. Они могут быть проточные (серийные или каскадные) и непроточные. Время пребывания воды в прудах с естественной аэрацией от 7 до 60 суток, с искусственной — 1-3 суток. В последних ступенях каскадных прудов разводят рыбу, что позволяет избежать образования ряски. В непроточных прудах сточная вода подается после ее отстаивания и разбавления. Продолжительность очистки — 20-30 суток.
Достоинства биологических прудов — невысокая стоимость строительства и эксплуатации. Недостатки: сезонность работы, большая площадь, низкая окислительная способность, трудность чистки.
Биохимическая очистка в биофильтрах
Б иофильтры это большие круглые или прямоугольные сооружения из железобетона или кирпича, загруженные фильтрующим материалом, на поверхности которого выращивается биопленка. Аэрация их может быть естественной и искусственной. По типу загрузки материала биофильтры делятся на две группы: с объемной (зернистой) и плоской загрузкой. гравий, щебень, галька, шлак, керамзит, кольца, кубы, шары. металлические, тканевые и пластмассовые сетки, решетки, гофрированные листы, пленки.
Биофильтры с объемной загрузкой могут быть трех типов: капельные, высоконагружаемые, башенные. Капельные биофильтры наиболее просты, загружаются мелким материалом высотой 1-2 м, имеют производительность до 1000 м 3 /сутки и обладают высокой степенью очистки. Высоконагружаемые биофильтры заполняют крупным материалом высотой 2-4 м. Высота загрузки башенных биофильтров — 8-16 м, производительность до 50 тыс. м 3 /сутки.
Применение находят также биофильтры с плоской загрузкой, обладающие более высокой окислительной способностью, погружные (дисковые) биофильтры и биотенк-биофильтры. В них в шахматном порядке по горизонтали и вертикали размещены лотки в виде блюдец, которые сверху заполняются сточной водой до их переполнения и перелива избытка воды. Снаружи лотков образуется активная биопленка. Она обеспечивает высокую эффективность очистки воды. Недостатки биофильтров: заиливание фильтров, снижение их окислительной способности, появление неприятных запахов.
Биохимическая очистка в аэротенках. Аэротенки — крупные 1 500-15 000 м 3 железобетонные сооружения глубиной 3-6 м со свободно плавающим в воде активным илом, бионаселение которого использует загрязнения сточных вод для своей жизнедеятельности. Объем сточных вод, очищаемых при использовании аэротенков, весьма большой: от нескольких сот до миллионов кубических метров в сутки.
Классификация аэротенков. Ее показатели:
конструкция: круглые, прямоугольные, шахтные, комбинированные, фильтротенки, флототенки;
режим сточных вод: проточные, полупроточные, капитальные, с переменным уровнем;
структура потока: аэротенки-вытеснители, аэротенкисмесители, аэротенки с рассредоточенной подачей сточной воды, окситенки (рис. 4.11);
аэрация: пневматическая, комбинированная гидродинамическая, пневмомеханическая;
способ регенерации активного ила: в отдельном аппарате, в совмещенном аппарате;
число ступеней: одно-, двух-, многоступенчатые;
высокая, обычная, низкая.В аэротенках-вытеснителях (рис. 4.11а) нагрузка загрязнений на ил максимальна в начале и минимальна в конце процесса. Их длина достигает 50-150 м, объем от 1,5 до 30 тыс. м 3 .
Аэротенки-смесители (рис. 4.11 б) наиболее пригодны для очистки концентрированных производственных сточных вод (БПК п до 1 г/л) при значительных колебаниях их расхода и концентрации загрязнения. Их недостаток — высокая остаточная концентрация примесей в очищенной воде.
Рис. 4.11. Схемы аэротенка-вытеснителя (а), аэротенка-смесителя (б), аэротенка с рассредоточенной подачей сточной воды (в)
В аэротенках с равномерной подачей сточной воды нагрузка на ил по его длине равномерно уменьшается (рис. 4.11в). Они используются для очистки смесей промышленных и городских стоков.
В окситенках вместо воздуха применяется технический кислород. Это позволяет увеличить в 5-10 раз окислительную способность процесса, повысить дозы активного ила до 6-10 г/л.
Важный фактор биологического окисления примесей — кислород. При механической аэрации воду с илом перемешивают мешалками, турбинками, щетками и т. п. Пневматическую аэрацию в зависимости от размера пузырьков воздуха подразделяют на три вида: мелкие пузыри (1-4 мм) при подаче воздуха в аэротенк под давлением через керамические или пластинчатые диффузоры; средние пузыри (5-10 мм) — подача воздуха через перфорированные трубы, щелевые устройства; крупные пузыри (>10 мм) — подача воздуха через сопла, трубы.
Рис. 4. 12. Технологическая схема очистки сточных вод в азротенке с регенерацией ила: 1 — аэротенк; 2 — отстойник; 3 — насосная станция; 4 — регенератор ила
На рисунке 4.12 приведена технологическая схема аэротен ка с регенерацией ила. Сточная вода подается в аэротенк 1, где обрабатывается активным илом. Смесь воды с илом поступает в отстойник 2, из которого после отстоя через верхнюю часть выводится очищенная вода, а через донное отверстие — отстоянный ил. Из насосной станции 3 часть ила через его регенератор 4 возвращается в аэротенк, а избыточного часть ила отправляется на переработку в метантенк.
При высокой исходной концентрации органических примесей в воде (БПКn > 0,15 г/л) используют двухступенчатую очистку с окислением 50-70% примесей на первой ступени.
n1.doc
| 1. Биохимические методы очистки сточных вод. Сущность метода. | |
| 2. Закономерности распада органических веществ | 5 |
| 3. Влияние различных факторов на процесс биохимической очистки | |
| 4. Классификация биохимических методов | 8 |
| 4.1. Аэробные методы очистки | 9 |
| 4.2. Анаэробные методы очистки | 15 |
| Список литературы | 17 |
1. Биохимические методы очистки сточных вод. Сущность метода.
Биологическое окисление – широко применяемый на практике метод очистки сточных вод, позволяющий удалить из них многие органические и некоторые неорганические (сероводород, сульфиды, аммиак, нитриты и др.) вещества. Биохимическая очистка сточных вод основана на способности микроорганизмов использовать растворенные и коллоидные органические загрязнения в качестве источника питания в процессах своей жизнедеятельности. Биологическим путем обрабатываются, подвергаясь частичной или полной деструкции, многие виды органических загрязнений городских и производственных сточных вод. Контактируя с органическими веществами, микроорганизмы частично разрушают их, превращая в воду, диоксид углерода, нитрит- и сульфат-ионы и др. Другая часть вещества идет на образование биомассы. Некоторые органические вещества способны легко окисляться, а некоторые не окисляются совсем или очень медленно.
Широкое использование биохимического метода обусловлено его достоинствами: возможностью удалять из сточных вод разнообразные органические и некоторые неорганические соединения, находящиеся в воде в растворенном, коллоидном и нерастворенном состоянии, в том числе токсичные; простотой аппаратурного оформления, относительно невысокими эксплуатационными затратами, глубиной очистки. К недостаткам следует отнести высокие капитальные затраты, необходимость строгого соблюдения режима очистки, токсичное действие на микроорганизмы ряда органических и неорганических соединений, необходимость разбавления сточных вод в случае высокой концентрации примесей.
Для определения возможности подачи промышленных сточных вод на биохимические очистные сооружения устанавливают максимальные концентрации токсичных веществ, которые не влияют на процессы биохимического окисления (МК б) и на работу очистных сооружений (МК бос). При отсутствии таких данных возможность биохимического окисления устанавливается по биохимическому показателю БПК п /ХПК. Для бытовых сточных вод это отношение составляет примерно 0,86, а для производственных изменяется в очень широких пределах: от 0 до 0,9. Сточные воды с низким отношением БПК п /ХПК, как правило, содержат токсичные примеси, предварительное извлечение которых может повысить это отношение, т.е. обеспечить возможность биохимического окисления. Поэтому сточные воды не должны содержать ядовитых веществ и примесей солей тяжелых металлов. Биохимическую очистку считают полной, если БПК п очищенной воды составляет менее 20 мг/л и неполной, если БПК п > 20 мг/л. Такое определение условно, так как даже при полной биохимической очистке происходит лишь частичное освобождение воды от суммы находящихся в ней примесей.
Биологическое окисление осуществляется сообществом микроорганизмов (биоценозом), включающим множество различных бактерий, простейших, а также водорослей, грибов и т.д., связанных между собой в единый комплекс сложными взаимоотношениями (метабиоза, симбиоза и антагонизма). Главенствующая роль в этом сообществе принадлежит бактериям, число которых варьируется от 10 6 до 10 14 клеток на 1 г сухой биомассы. В процессе биохимического окисления при аэробных условиях сообщество микроорганизмов носит название активного ила или биопленки. Активный ил состоит из живых микроорганизмов и твердого субстрата и по внешнему виду напоминает хлопья коагулянта с цветом от белесо-коричневого до темно-коричневого. Скопления бактерий в активном иле окружены слизистым слоем (капсулами) и называются зооглеями. Они способствуют улучшению структуры ила, его осаждению и уплотнению.
Активный ил представляет собой амфотерный коллоид, имеющий в интервале значений рН=4-9 отрицательный заряд, и обладающий большой адсорбционной способностью за счет развитой суммарной поверхности бактериальных клеток. Адсорбционная способность активного ила с течением времени понижается из-за насыщения загрязнениями сточной воды. Процесс восстановления идет за счет жизнедеятельности микроорганизмов, заселяющих активный ил, и называется регенерацией. Несмотря на существенные различия очищаемых сточных вод, элементарный химический состав активных илов достаточно близок, хотя и неидентичен. Это сходство есть результат общности его основы - бактериальных клеток. В состав клеток входят Н, N, S, С, О, Р, зола, белок, а также различные микроэлементы - В, V, Fe, Co, Мn, Мо, Сu и др. Н, N, С и О образуют группу органогенных веществ, эти элементы входят в бактериальные клетки в виде воды, белков, жиров и углеводов; 80-85 % веса микробов составляет вода.
Сухое вещество активного ила представляет собой комплекс минеральных (10-30 %) и органических (70-90 %) веществ. Основную массу органических соединений составляют белки. В состав зольных частей клеток входят микроэлементы - Са, К, Mg, S, Мn, Сu, Na, Fe, Zn и др. Кроме того для построения бактериальной клетки необходимы биогенные элементы - фосфор, азот, калий. Качество ила определяется скоростью его осаждения и степенью очистки воды. Состояние ила характеризует иловый индекс, представляющий собой отношение объема осаждаемой части активного ила к массе высушенного осадка (в граммах) после отстаивания в течение 30 минут. Чем больше иловый индекс, тем хуже оседает ил.
2.Закономерности распада органических веществ
Механизм изъятия веществ из сточных вод и их потребление микроорганизмами весьма сложен. В целом этот процесс может быть условно разделен на три стадии:
1) массопередача вещества из жидкости к поверхности клетки, за счет молекулярной и конвективной диффузии;
2) диффузия вещества через полупроницаемую мембрану поверхности клетки, возникающая вследствие разности концентраций вещества в клетке и вне ее;
3) процесс превращения вещества (метаболизм), протекающий внутри клетки, с выделением энергии и синтезом нового клеточного вещества.
Скорость протекания первой стадии определяется законами диффузии и гидродинамическими условиями в сооружении биохимической очистки. Турбулентность потока вызывает распад хлопьев активного ила на мельчайшие колонии микробов и приводит к быстрому обновлению поверхности раздела между микроорганизмами и средой.
Процесс переноса вещества через полупроницаемые мембраны клеток может быть осуществлен двумя путями: растворением диффундирующего вещества в материале мембраны, благодаря чему оно проходит внутрь клетки или присоединением проникающего вещества к специфическому белку-переносчику, растворением образующегося комплекса и диффузией его внутрь клетки, где комплекс распадается и белок-переносчик высвобождается для совершения нового цикла.
Основную роль в очистке сточных вод играют процессы превращения вещества внутри клеток микроорганизмов, в результате чего происходит окисление вещества с выделением энергии (катаболические превращения) и синтез новых белковых веществ, который протекает с затратой энергии (анаболические превращения).
Скорость химических превращений и их последовательность определяют ферменты, выполняющие роль катализаторов и представляющие собой сложные белковые соединения с молекулярной массой до сотен тысяч и миллионов. Их активность зависит от температуры, рН и присутствия в сточной воде различных веществ.
Суммарные реакции биохимического окисления в аэробных условиях можно представить в следующем виде:
Окисление органического вещества
C x H y O z (х + 0,25у - 0,5z)O 2 ? хС0 2 + 0,5уН 2 О + ?Н;
Синтез бактериальных клеток
C x H y O z + nNH 3 + n(x + 0,25у - 0,5z - 5)0 2 ? n(C 5 H 7 N0 2) + n(x-5)C0 2 + 0,5n(y-4)H 2 O - ?Н;
Окисление клеточного материала
N(C 5 H 7 N0 2) + 5n0 2 ? 5nC0 2 + 2nH 2 0 + nNH 3 + ?Н.
Химические превращения являются источником необходимой для микроорганизмов энергии. Живые организмы способны использовать только связанную химическую энергию. Универсальным переносчиком энергии в клетке является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ).
Микроорганизмы способны окислять многие органические вещества, но для этого требуется различное время адаптации. Легко окисляются многие спирты, гликоли, бензойная кислота, ацетон, глицерин, сложные эфиры и др. Плохо окисляются нитросоединения, некоторые ПАВ и хлорпроизводные органические соединения.
В процессе аэробного окисления потребляется кислород, растворенный в сточной воде. Для насыщения сточной воды кислородом проводят процесс аэрации, разбивая воздушный поток на пузырьки, которые, по возможности, равномерно распределяются в сточной воде. Из пузырьков воздуха кислород абсорбируется водой, а затем переносится к микроорганизмам. Этот процесс происходит в два этапа. На первом идет перенос кислорода из воздушных пузырьков в основную массу жидкости, на втором - перенос абсорбированного кислорода из основ ной массы жидкости к клеткам микроорганизмов, в основном под действием турбулентных пульсаций.
Наиболее надежный способ увеличения подачи кислорода в сточную воду - повышение интенсивности дробления газового потока, т.е. уменьшение размеров газовых пузырьков. Скорость потребления кислорода зависит от многих взаимосвязанных факторов: величины биомассы, скорости роста и физиологической активности микроорганизмов, вида и концентрации питательных веществ, накопления токсичных продуктов обмена, количества и природы биогенных элементов, со держания кислорода в воде.
3. Влияние различных факторов на процесс биохимической очистки
Эффективность биологической очистки зависит от целого ряда факторов, одни из которых поддаются изменению и регулированию в широких диапазонах, регулирование же других, таких, как например, состав поступающих на очистку сточных вод, практически исключено. К основным факторам, определяющим пропускную способность системы и степень очистки сточной воды, относятся: наличие кислорода в воде, равномерность поступления сточной воды и концентрация в ней примесей, температура, рН среды, перемешивание, присутствие токсичных примесей и биогенных элементов, концентрация биомассы и др.
Наиболее благоприятные условия очистки заключаются в следующем. Концентрация в очищаемых сточных водах биохимически окисляемых веществ не должна превышать допустимую величину МК б или МК бос, которая устанавливается обычно опытным путем. Сточные воды с более высокой концентрацией необходимо подвергать разбавлению. ПДК веществ при поступлении на сооружения биологической очистки приведены в справочной литературе.
Снабжение сооружений биохимической очистки кислородом воздуха должно быть непрерывным и в таком количестве, чтобы в очищенной сточной воде, выходящей из вторичного отстойника, его было не менее 2 мг/л. Скорость растворения кислорода в воде не должна быть ниже скорости его потребления микроорганизмами. В начальный период окисления скорость потребления кислорода может в десятки раз превышать ее в конце процесса, она зависит от характера загрязнения воды и пропорциональна количеству биомассы.
Оптимальной температурой для аэробных процессов, происходящих в очистных сооружениях, считается 20-30 °С, хотя температурный оптимум бактерий различных групп варьируется в широких пределах, от -8 °С до +85 °С. Повышение температуры за пределы физиологической нормы микроорганизмов приводит к их гибели, а понижение лишь снижает активность микроорганизмов. С повышением температуры уменьшается растворимость кислорода в воде, поэтому в теплое время года надо проводить более интенсивную аэрацию, а в зимнее - поддерживать более высокую концентрацию микроорганизмов в циркулирующем иле и увеличивать продолжительность аэрации.
Оптимальной реакцией среды для значительной части бактерий является нейтральная или близкая к ней, хотя есть виды, хорошо развивающиеся в кислой (грибы, дрожжи) или слабощелочной среде (актиномицеты).
Для нормального процесса синтеза клеточного вещества, а следовательно, и для эффективного процесса очистки сточных вод должна быть достаточная концентрация всех элементов питания - органического углерода (БПК), азота, фосфора.
Кроме основных элементов клетки (С, О, N, Н) для ее построения необходимы в незначительных количествах и другие компоненты - микроэлементы (Mn, Cu, Zn, Mo, Mg, Co и др.). Содержание указанных элементов в природных водах, из которых образуются сточные воды, обычно достаточно для биохимического окисления. Недостаток азота тормозит окисление органических загрязнений и приводит к образованию трудно оседающего ила. Недостаток фосфора инициирует развитие нитчатых бактерий, что является основной причиной вспухания активного ила, плохого оседания и выноса его из очистных сооружений, замедления роста ила и снижения интенсивности окисления. Биогенные элементы лучше всего усваиваются в форме соединений, в которой они находятся в микробных клетках: азот - в форме NH 4 , а фосфор - в виде солей в фосфорных кислотах. При нехватке азота, фосфора, калия в сточную воду вносят различные азотные, калийные и фосфорные удобрения. Эти элементы содержатся в бытовых сточных водах, поэтому многие химические вещества могут оказывать на микроорганизмы токсичное воздействие, нарушающее их жизнедеятельность. Такие вещества, попадая в бактериальную клетку, взаимодействуют с ее компонентами и нарушают их функции, среди них: S в, Ag, Cu, Co, Hg, Рв и др. Количество взвешенных частиц не должно быть более 100 мг/л для биологических фильтров и 150 мг/л для аэротенков.
Интенсивность и эффективность очистки сточных вод зависят не только от условий обитания микроорганизмов, но и от их количества, т.е. дозы активного ила, которая поддерживается в аэротенках обычно равной 2-4 г/л. Повышение концентрации микроорганизмов в сточной воде позволяет ускорить процесс биологической очистки, но при этом одновременно необходимо увеличивать количество растворенного в воде кислорода, что ограничено состоянием насыщения, и улучшать условия массообмена. При биологической очистке необходимо применять "молодой" активный ил с возрастом 2-3 суток. Он не вспухает, более вынослив к колебаниям температуры, рН среды, мелкие хлопья его лучше осаждаются. Важным условием улучшения биологической очистки и уменьшения объема очистных сооружений является регенерация активного ила, заключающаяся в его аэрации при отсутствии питательного субстрата.
Для создания наиболее благоприятных условий массопередачи питательных веществ и кислорода к поверхности микробных клеток необходимо перемешивание сточной воды и активного ила. При этом турбулизация жидкости приводит к разрушению хлопьев активного ила, обновлению их поверхности, лучшему снабжению клеток питательными веществами и кислородом, создает более благоприятные условия обитания микроорганизмов.
4. Классификация биохимических методов
Известны аэробные и анаэробные методы биохимической очистки. Аэробные методы основаны на использовании аэробных групп микроорганизмов, для жизнедеятельности которых необходим постоянный приток кислорода и температура 20-40 °С. При изменении температурного и кислородного режимов состав и число микроорганизмов меняется, они культивируются в активном иле или биопленке. Анаэробные методы протекают без доступа кислорода, их используют главным образом для обработки осадков. Всю совокупность сооружений биологической очистки можно разделить на три группы по признаку расположения в них активной биомассы:
1) активная биомасса закреплена на неподвижном материале, а сточная вода тонким слоем скользит по материалу загрузки - биофильтры;
2) активная биомасса находится в воде в свободном (взвешенном) состоянии - аэротенки, циркуляционные окислительные каналы, окситенки;
3) сочетание обоих вариантов расположения биомассы - погружные биофильтры, биотенки, аэротенки с заполнителями.
Биологическая очистка может также осуществляться в естественных условиях на сооружениях почвенной очистки и в биологических прудах.
4.1. Аэробные методы очистки.
Очистку на полях орошения, полях фильтрации и биологических прудах - отличают сравнительно низкие строительные и эксплуатационные затраты, буферная способность при залповых сбросах сточных вод, колебаниях рН, температуры, достаточную степень изъятия из воды биогенных элементов. К недостаткам относится сезонность работы, низкая скорость окисления загрязнений. Поля орошения и поля фильтрации относятся к почвенным методам очистки.
Поля орошения являются сельскохозяйственными угодьями, специально предназначенными для очистки сточных вод и одновременного выращивания растений. На полях фильтрацииочистка производится без участия растений. Очистка сточных вод на полях орошения основана на воздействии почвенной микрофлоры, кислорода воздуха, солнца и жизнедеятельности растений. В очистке сточных вод в той или иной степени участвует активный слой грунта толщиной 1,5-2 м. Минерализация органического вещества происходит в основном в верхнем полуметровом слое почвы. При этом повышается плодородие почвы, что связано с обогащением почвы нитратами, фосфором и калием. Однако общий солевой состав стоков не должен превышать 4-6 г/л для предотвращения засоления почвы. Сточные воды подаются на поля орошения периодически с интервалом 5 дней. В зимний период для местностей с холодной зимой на них производится намораживание сточных вод. Для сбора сточной воды, используемой на полях орошения, служат пруды-накопители вместимостью, равной шестимесячному накоплению в них воды.
Биологические пруды - искусственно созданные или естественные водоемы, в которых очистка сточных вод идет под воздействием природных процессов самоочищения. Они могут применяться как для самостоятельной очистки, так и для глубокой доочистки сточных вод, прошедших биологическую очистку. Представляют собой неглубокие водоемы (0,5-1 м), хорошо прогреваемые солнцем и заселенные водными организмами.
В процессах, протекающих в биопрудах, наблюдается полный природный цикл разрушения органических загрязнений. Воздействие на работу прудов различных факторов может создавать в них как аэробные, так и аэробно-анаэробные условия. Пруды, постоянно работающие в аэробных условиях, называются аэрируемыми, а пруды с переменными условиями - факультативными.
Аэробные условия в прудах могут поддерживаться либо за счет естественного поступления кислорода из атмосферы и фотосинтеза, либо за счет принудительной подачи воздуха в воду. Поэтому различают пруды с естественной и искусственной аэрацией. Время пребывания воды в прудах с естественной аэрацией составляет от 7 до 60 суток. Вместе со сточными водами из вторичных отстойников выносится активный ил, который является посевным материалом. Эффективность очистки в прудах определяется временем года, в холодный период она резко снижается.
Пруды с искусственной аэрацией имеют значительно меньший объем и требуемая степень очистки в них обычно достигается за 1-3 суток.
Биофильтры - искусственные сооружения биологической очистки - представляют собой круглые или прямоугольные в плане сооружения из кирпича или железобетона, загруженные фильтрующим материалом, на поверхности которого развивается биопленка. Сточная вода фильтруется через слой загрузки, покрытой пленкой из микроорганизмов, за счет жизнедеятельности которых осуществляется очистка. Отработанная (омертвевшая) биопленка смывается протекающей сточной водой и выносится из биофильтра.
По типу загрузочного материала биофильтры делятся на две категории: с объемной (зернистой) и плоской загрузкой. В качестве зернистой загрузки используют щебень, гравий, гальку, шлак, керамзит, керамические и пластмассовые кольца, кубы, шары, цилиндры и т.п. Плоская загрузка - это металлические, тканевые и пластмассовые сетки, решетки, блоки, гофрированные листы, пленки и т.п., нередко свернутые в рулоны.
Биофильтры с объемной загрузкой подразделяются на капельные, высоконагружаемые, башенные. Капельные биофильтры наиболее просты по конструкции, загружаются материалом мелких фракций высотой 1-2 м и имеют производительность до 1000 м 3 /сут, на них достигается высокая степень очистки. В высоконагружаемых фильтрах применяется больший размер кусков загрузки, а ее высота составляет 2-4 м. Высота загрузки в башенных фильтрах достигает 8-16 м. Два последних вида фильтров применяются при расходах сточных вод до 50 тыс.м 3 /сут как для полной, так и неполной биологической очистки.
Биологические фильтры с плоской загрузкой обладают значительно более высокой окислительной способностью, чем фильтры с объемной загрузкой. Окислительная способность - это скорость растворения кислорода в процессе аэрации полностью обескислороженной воды при атмосферном давлении и температуре 20 °С (г О 2 /ч)); к ней близко понятие окислительной мощности - скорости реакций окисления загрязнений (г О 2 /(м 3 ч)).
Промежуточное положение между аэротенками и биофильтрами занимают погружные биофильтры и биотенки-биофильтры.
Погружные (дисковые) биофильтры представляют собой резервуар, в котором имеется вращающийся вал с насаженными на него дисками, попеременно контактирующими со сточной водой и воздухом. Размер дисков 0,5-3 м, расстояние между ними 10-20 мм, они могут быть металлическими, пластмассовыми и асбестоцементными, число дисков на валу от 20 до 200. Биотенк-биофильтрпредставляет собой корпус, в котором заключены лотковые элементы загрузки, расположенные в шахматном порядке. Эти элементы орошаются сверху водой, которая наполняя их стекает через края вниз. На наружных поверхностях элементов образуется биопленка, внутри - биомасса, напоминающая активный ил. Конструкция обеспечивает высокую производительность и эффективность очистки.
По принципу поступления воздуха в толщу аэрируемой загрузки биофильтры могут быть с естественной и принудительной аэрацией.
В пусковой период биологических фильтров на кусках загрузки выращивается биологическая пленка. Основным агентом этой пленки является микробное население. Микроорганизмы биопленки используют органические примеси сточных вод как источники питания и дыхания, при этом масса биопленки увеличивается. По мере увеличения толщины пленки происходит ее отмирание и смыв протекающей сточной водой. Очищенная в биофильтре вода вместе с частицами отмершей биопленки поступает во вторичный отстойник. Рециркуляцию биологически активного материала обычно не предусматривают, что обусловлено высокой удерживающей способностью сооружения массы биопленки.
При поступлении сточных вод с БПКп > 300 мг/л во избежание частого заиливания поверхности биофильтра предусматривается рециркуляция - возврат части очищенной воды для разбавления исходной сточной воды. Рециркуляция очищенной воды увеличивает содержание растворенного кислорода в смеси, поддерживается более равномерная гидравлическая нагрузка, выравнивается концентрация биопленки по высоте сооружения. Однако при этом возрастает потребность в объемах отстойников, увеличивается расход энергии на перекачивание воды.
Распределение сточных вод по поверхности биофильтра производится стационарными разбрызгивающими оросителями (спринклерами) или вращающимися реактивными оросителями с циклической подачей воды в течение 5-10 минут.
Применение биофильтров ограничивается возможностью их заиливания, снижением окислительной мощности в процессе эксплуатации, появлением неприятных запахов, трудностью равномерного наращивания пленки.
Очистка в аэротенках. Аэробная биологическая очистка больших объемов сточных вод осуществляется в аэротенках - железобетонных аэрируемых сооружениях со свободно плавающим в объеме обрабатываемой воды активными илом, бионаселение которого использует загрязнения сточных вод для своей жизнедеятельности.
Аэротенки можно классифицировать по следующим признакам:
1) по структуре потока - аэротенки-вытеснители, аэротенки-смесители и аэротенки с рассредоточенным впуском сточной жидкости (промежуточного типа);
2) по способу регенерации активного ила - аэротенки с отдельно стоящими или совмещенными регенераторами ила;
3) по нагрузке на активный ил - высоконагружаемые (для неполной очистки), обычные и низконагружаемые (с продленной аэрацией);
4) по числу ступеней - одно-, двух- и многоступенчатые;
5) по режиму ввода сточных вод - проточные, полупроточные, с переменным рабочим уровнем, контактные;
6) по типу аэрации - с пневматической, механической, комбинированной гидродинамической или пневмомеханической;
7) по конструктивным признакам - прямоугольные, круглые, комбинированные, шахтные, фильтротенки, флототенки и др.
Аэротенки используются в чрезвычайно широком диапазоне расходов сточных вод от нескольких сот до миллионов кубометров в сутки.
В аэротенках-смесителяхнагрузка на ил и скорость окисления загрязнений практически неизменны по длине сооружения. Они наиболее пригодны для очистки концентрированных (БПКп до 1000 мг/л) производственных сточных вод при значительных колебаниях их расхода и концентрации загрязнений. В аэротенках-вытеснителяхнагрузка загрязнений на ил и скорость их окисления изменяются от наибольших значений в начале сооружения до наименьших в его конце. Такие сооружения применяются в том случае, если обеспечивается достаточно легкая адаптация активного ила. В аэротенках с рассредоточенной подачей водыпо его длине единичные нагрузки на ил уменьшаются и становятся равномерными. Такие сооружения используются для очистки смесей промышленных и городских сточных вод. Работа аэротенка неразрывно связана с нормальной работой вторичного отстойника, из которого возвратный активный ил непрерывно перекачивается в аэротенк. Вместо вторичного отстойника для отделения ила от воды может быть использован флотатор.
В одноступенчатой схеме без регенератора нельзя интенсифицировать процесс очистки стоков. При наличии регенератора в нем заканчиваются процессы окисления и ил приобретает первоначальные свойства. Одноступенчатые схемы без регенерации ила применяют при БПКп 150 мг/л. Двухступенчатая схема используется при высокой исходной концентрации органических загрязнений в воде, а также при наличии в воде веществ, скорость окисления которых резко различается. На первой ступени очистки БПКп сточных вод снижается на 50-70 %.
Для обеспечения нормального хода процесса биологического окисления в аэротенк необходимо непрерывно подавать воздух. Система аэрациипредставляет собой комплекс сооружений и специального оборудования, обеспечивающего снабжение жидкости кислородом, поддержание ила во взвешенном состоянии и постоянное перемешивание сточной воды с илом. Для большинства типов аэротенков система аэрации обеспечивает одновременное выполнение этих функций. По способу диспергирования воздуха в воде на практике применяются следующие системы аэрации: пневматическая, механическая, пневмомеханическая и струйная. В нашей стране большее распространение получила пневматическая система аэрации.
Современный аэротенк - это гибкое в технологическом отношении сооружение, представляющее собой железобетонный резервуар коридорного типа, оборудованный аэрационной системой. Рабочую глубину аэротенков принимают от 3 до 6 м, отношение ширины коридора к рабочей глубине от 1:1 до 2:1. Для аэротенков и регенераторов количество секций должно быть не менее двух; при производительности до 50 тыс.м 3 /сут назначается 4-6 секций, при большей производительности 8-10 секций, все они рабочие. Каждая секция состоит из 2-4 коридоров.
Аэротенки-вытеснители- длинные коридорные сооружения, в которых вода и активный ил подаются в начало сооружения, а иловая смесь отводится в конце его. При этом практически не происходит перемешивание поступающей воды с ранее поступившей. Такие аэротенки состоят из нескольких коридоров и могут быть со встроенным регенератором и без него. Длина таких аэротенков достигает 50-150 м и объем от 1,5 до 30 тыс.м 3 . В большой степени режиму вытеснения соответствуют конструкции аэротенков ячеистого типа.Они представляют собой прямоугольные в плане сооружения, разделенные на ряд отсеков поперечными перегородками. Смесь из первого отсека поступает во второй (снизу), из второго в третий переливается через перегородку (сверху) и т.д. В каждой ячейке устанавливается режим полного смешения, а сумма ряда последовательно расположенных смесителей составляет практически идеальный вытеснитель. При этом предотвращается возвратное движение воды, отсутствует продольное перемешивание.
Сточная вода и ил в аэротенках-смесителяхподводится и отводится равномерно вдоль длинных сторон сооружения. Считается, что поступающая смесь очень быстро (в расчетах мгновенно) смешивается с содержимым всего аэротенка. Это позволяет равномерно распределять органические загрязнения и растворенный кислород и обеспечивать работу сооружения при постоянных условиях и высоких нагрузках. Ширина коридора аэротенка-смесителя составляет 3-9 м, число коридоров 2-4, длина до 150 м.
По сравнению с аэротенками-вытеснителями в аэротенках-смесителях высокая остаточная концентрация примесей в очищенной воде. Поэтому их целесообразно применять для очистки концентрированных сточных вод на первой ступени, а аэротенки-вытеснители – на второй ступени.
Аэротенки - смесители могут быть сблокированы со вторичными отстойниками и выполнены отдельно от них. Аэротенки-отстйники(аэроакселаторы) компактны, позволяют увеличить рециркуляцию иловой смеси без применения специальных насосных станций, улучшить кислородный режим отстойника и повысить дозу ила до 3-5 г/л, соответственно увеличив окислительную мощность.
Аэротенки промежуточного типасовмещают элементы аэротенков-вытеснителей и аэротенков-смесителей. К ним относятся аэротенки с рассредоточенной подачей воды и сосредоточенной подачей активного ила, а также каскад аэротенков-смесителей. В них создаются условия для более высокой средней концентрации активного ила, чем в аэротенках-вытеснителях, и обеспечивается более высокое качество очистки, чем в аэротенках-смесителях. Выполняются они в виде двух- или четырехкоридорных сооружений. Капитальные затраты на строительство таких аэротенков снижаются не менее чем на 15 % по сравнению с рассмотренными выше, при этом сохраняется высокое качество очистки.
Окситенкипредназначены для биохимической очистки сточных вод, где вместо воздуха применяется технический кислород. Благодаря этому создаются условия для повышения дозы активного ила (до 6-10 г/л), снижаются энергозатраты на аэрацию, увеличивается окислительная мощность (в 5-10 раз выше, чем у аэротенков), эффективность использования кислорода составляет 90-95 %.
Типовые схемы биохимической очистки включают, как правило, целый ряд установок по усреднению стоков, их механической очистки, собственно сооружения биологической очистки, устройства для приготовления и дозирования реагентов, доочистки сточных вод и обработки осадков. Схемы могут быть одноступенчатыми и многоступенчатыми. По приведенной схеме осуществляется совместная очистка промышленных и бытовых сточных вод. При такой очистке процесс протекает более устойчиво и полно, т.к. бытовые стоки содержат биогенные элементы, а также разбавляют производственные сточные воды. Сточные воды, предварительно очищенные на сооружениях механической очистки, направляются на биологическую очистку в аэротенках с регенераторами. Выделенный во вторичных отстойниках активный ил делится на два потока: циркулирующий с помощью насосной станции перекачивается в регенератор, а затем в аэротенк, избыточный поступает на осветление в первичные отстойники. Очищенная вода хлорируется и направляется в водоем или возвращается в производство. Выделенный осадок обрабатывается в метантенках и обезвоживается на иловых площадках, Выделяющийся при сбраживании газ идет на сжигание в котельную.
4.2. Анаэробные методы очистки.
Для обезвреживания осадков сточных вод и предварительной очистки концентрированных сточных вод может использоваться процесс анаэробного сбраживания. В зависимости от конечного вида продукта различают следующие виды брожения: спиртовое, пропионово-кислое, молочнокислое, метановое и др. Конечными продуктами брожения являются спирты, кислоты, ацетон, газы брожения (СO 2 , Н 2 , СН 4).
Для очистки сточных вод используют метановое брожение. Процесс этот сложен и состоит из многих стадий, в метановом брожении различают две фазы. В первой фазе брожения (кислой) расщепляются сложные органические вещества с образованием органических кислот, а также спиртов, аммиака, ацетона, H 2 S, CO 2 , Н 2 и др., в результате чего сточные воды подкисляются до рН=5-6. Затем под действием метановых бактерий (щелочная фаза) кислоты разрушаются с образованием СН 4 и СO 2 . Считается, что скорости превращения в обеих фазах одинаковы. В среднем степень распада органических соединений составляет 40 %.
Процессы метанового брожения осуществляют в метантенках - герметически закрытых резервуарах, оборудованных приспособлениями для ввода обрабатываемого и отвода сброженного осадка.
Процессы сбраживания ведут в мезофильных (30-35 °С) и термофильных (50-55 °С) условиях. В термофильных условиях разрушение органических соединений происходит более интенсивно. Метантенк представляет собой железобетонный резервуар с коническим днищем, снабженный устройством для улавливания и отвода газа, а также оборудованный подогревателем и мешалкой. Применяются метантенки диаметром до 20 м и полезным объемом до 4000 м 3 .
Процесс брожения сточных вод ведут в две ступени. При этом часть осадка из второго метантенка возвращается в первый, где обеспечивается хорошее перемешивание. При сбраживании выделяются газы со средним содержанием СН 4 - 63-65 %, СO 2 - 32-34 %. Теплотворная способность газа 23 МДж/кг, он сжигается в топках паровых котлов. Полученный при этом пар используется для нагрева осадков в метантенках или для других целей.
Список литературы
Техника защиты окружающей среды /Родионов А.И., Клушин В.Н., Торочешников Н.С. Учебное пособие для вузов. – М.: Химия, 1989.
КомароваЛ.Ф., Кормина Л.А. Инженерные методы защиты окружающей среды. Техника защиты атмосферы и гидросферы от промышленных загрязнений: Учебное пособие. – Барнаул, 2000.
После прохождения сточных вод через устройства механической и физико-химической очистки перед сбросом в водоем они подвергаются биохимической очистке, заключающейся в окислении органических загрязнений микроорганизмами.
Для обеспечения нормальной жизнедеятельности микроорганизмов требуются не только органические вещества, но и биогенные элементы, такие как азот, кальций, фтор, хлор и др. Источниками биогенных элементов являются прежде всего бытовые сточные воды. Оптимальное количество бытовых сточных вод для разбавления нефтесодержаших производственных стоков зависит от состава производственных стоков и определяется в каждом конкретном случае экспериментально. Ненормированное использование бытовых стоков может привести к деградации, т.е. к ослаблению адаптированной к данным загрязнениям микрофлоры.
Критерием пригодности методов биохимического окисления для обезвреживания органических загрязнений в сточных водах является биохимический показатель, определяемый как отношение полной биохимической потребности в кислороде (БПК п) к химической потребности в кислороде (ХПК).
БПК – это количество кислорода, необходимое для окисления органических веществ в результате происходящих в воде аэробных биохимических процессов. Например БПК 20 соответствует длительности процесса 15...20 суток, БПК 5 – пятисуточному потреблению. БПК используется для текущего контроля эксплуатируемых очистных сооружений.
Показатель ХПК выражает количество кислорода, необходимое для окисления всех углердсодержащих соединений.
Биохимическое окисление проводят как в естественных условиях на полях фильтрации, орошения, биологических прудах, так и в искусственно созданных условиях.
Биологическая очистка сточных вод в искусственных сооружениях осуществляется в биологических фильтрах, аэротенках и окситенках.
На рис. 26 представлена схема биологического фильтра с принудительной подачей воздуха. Исходная сточная вода по трубопроводу 3поступает в фильтр 2и через водораспределительные устройства 4равномерно разбрызгивается по площади фильтра. При разбрызгивании сточная вода поглощает часть кислорода воздуха. В процессе фильтрования через загрузку 5, вкачестве которой используют, например, шлак, щебень, керамзит, пластмассу, гравий, на загрузочном материале образуется биологическая пленка, микроорганизмы которой поглощают органические вещества. Интенсивность окисления органических примесей в пленке существенно увеличивается при подаче сжатого воздуха через трубопровод 1 и опорную решетку 6 в направлении, противоположном фильтрованию. Очищенная от органических примесей вода выводится из фильтра через трубопровод 7.
Благодаря наличию гидравлических затворов, герметизирующих поддон-ное пространство, нагнетаемый воздух может выйти только через слой загруз-ки, вследствие чего происходит насыщение биопленки кислородом воздуха.
Рис. 26. Схема биологического фильтра
В процессе окисления загрязнений происходит образование новой пленки и отмирание старой, которая срывается с поверхности загрузки движущейся водой и выносится из биофильтра. Для ее задержания после биофильтров устраивают отстойники.
В основу аэротенков положена деятельность микроорганизмов, обитающих в природных водоемах, т.е. активного ила (АИ). Аэротенки подразделяются на аэротенки с регенерацией и без регенерации активного ила, аэротенки-смесители, аэротенки-вытеснители и аэротенки-отстойники.
В стоках содержатся вещества органического и неорганического происхождения, причем органических намного больше. И если от неорганических включений проще всего избавиться механическим способом, то для удаления органических примесей нужны другие методы. Одним из основных является биологическая очистка сточных вод. О его особенностях, разновидностях и технологиях вы узнаете в этой статье.
Вода – это жизнь, но потребляем мы ее чистую, а возвращаем грязную. Если стоки не очищать, то время «драгоценной влаги», описанное многими писателями-фантастами, наступит очень скоро. Природа может очищать воду самостоятельно, но данные процессы протекают очень медленно. Количество людей увеличивается, объемы потребления воды также возрастают, поэтому проблем организованной и тщательной очистки стоков стоит особенно остро. Самой эффективной технологией очищения воды является именно биологическая. Но, прежде чем рассматривать основные принципы ее работы, нужно разобраться с составом воды.
Состав бытовых сточных вод
В любом доме с водопроводом есть и канализация. Она обеспечивает нормальные процессы транспортировки стоков из квартир и домов к станциям очистки. В канализационных трубах течет обычная вода, но загрязненная. Примесей в ней всего лишь 1%, но именно он делает стоки непригодными для дальнейшего применения. Только после очистки воду можно будет повторно использовать для питья и в быту.
Точный состав сточных вод назвать нельзя, поскольку он зависит от места взятия специальной пробы, но даже в одном и том же месте количество и набор примесей могут различаться. Чаще всего в воде содержатся твердые частички, биологические примеси, неорганические включения. С неорганикой все просто – ее удаляет даже самый простой фильтр, но с органикой вам придется побороться. Если ничего не делать, данные вещества начинают распадаться и образовывают гниющий осадок (отсюда – неприятный характерный «запах канализации»). Причем гнить начинают не только разложившиеся органические вещества, но и вода.
Если в двух словах, то в состав стоков входят жиры, ПАВы, фосфаты, хлоридные и азотные соединения, нефтепродукты, сульфаты. Самостоятельно из воды они исчезнуть не могут – нужна комплексная очистка. Особенно остро проблема стоит в тех домах, в которых проведена автономная система водоотведения и водоснабжения, ведь на каждом участке есть и выгребная яма, и скважина на воду. Если стоки не очищать, они могут попасть в кран – и ситуация станет опасной для жизни.
Методы очистки бытовых и промышленных стоков
Сточные воды могут самоочищаться в природных условиях, но только если их объем небольшой. Поскольку промышленная отрасль сегодня развита высоко, объемы стоков на выходе образуются значительные. И чтобы получить чистую воду, человек должен решить вопрос с нечистотами – то есть их очисткой. Всего существует несколько методов очищения стоков – это механический, химический, физико-химический и биологический. Рассмотрим подробнее особенности каждого из них.
Механическая очистка предполагает применение таких методик как фильтрация и отстаивание. Основные инструменты – решетки, сита, фильтры, ловушки и уловители. Когда вода проходит первичную очистку, она попадает в отстойник – емкость, предназначенную для отстаивания стоков с образование осадка. Механическая очистка используется в большинстве современных систем, но редко как самостоятельный способ. А все дело в том, что она не подходит для удаления химических компонентов и органических примесей.
Химическая очистка проводится с применением реагентов – особых химических веществ, которые вступают в реакцию с примесями, содержащимися в воде, и образовывают нерастворимый осадок. В результате содержание растворимых взвесей снижается на 25%, а нерастворимых на 95%.
Физико-химическая очистка предполагает применение таких методик как окисление, коагуляция, экстракция и так далее. Данные процессы позволяют удалять из воды неорганические включения и разрушать плохо окисляемые органические примеси. Самой популярной физико-химической методикой очистки является электролиз.
Биологическая очистка – процесс, основанный на применении специфических микроорганизмов и принципов их жизнедеятельности. Бактерии направленно воздействуют на специфические органические загрязнители, и происходит очистка воды.
Методы биологической очистки сточных вод и ее польза. Станции и сооружения биологической очистки сточных вод
К методам биологической очистки сточных вод относят аэротенки, биологические фильтры и так называемые биопруды. Каждый способ имеет свои особенности, о которых мы расскажем вам далее.
Аэротенки
Данная биологическая методика очистка предполагает взаимодействие очищенных предварительно механическим способом стоков и активного ила. Взаимодействие происходит в специальных емкостях – они состоят минимум их двух секций и оборудуются системами аэрации. Активный ил содержит большое количество аэробных микроорганизмов, которые в соответствующих условиях выводят из стоков различные загрязнители. Ил – это сложная система биоценоза, в которой бактерии при условии регулярного поступления кислорода начинают поглощать органические примеси. Биологическое очищение происходит постоянно при одном главном условии – в воду должен поступать воздух. Когда переработка органики завершается, уровень потребления кислорода (БПК) падает, и вода подается в следующие секции.
В других секциях в работу включаются бактерии-нитрификаторы, которые перерабатывают такой элемент как азот аммонийных солей с образование нитритов. Данные процессы осуществляет одна часть микроорганизмов, другая же поедает нитриты с образованием нитратов. По завершении данного процесса очищаемые стоки подаются во вторичный отстойник. Тут активный ил выпадает в осадок, а очищенная вода направляется в водоемы.
Биофильтр – популярная среди владельцев загородных домов биологическая станция очистки. Она представляет собой компактное устройство, в состав которого входит резервуар с загрузочным материалом. В виде активной пленки в биофильтре находятся микроорганизмы, которые осуществляют те же процессы, что и в первом случае.
Виды установок:
- двухступенчатые;
- капельной фильтрации.
Производительность устройств с капельным типом фильтрации низкая, но именно они гарантируют максимальную степень очистки стоков. Второй тип более производительный, но качество очистки будет примерно таким же, как и в первом случае. Оба фильтра состоят из так называемого «тела», распределителя, дренажной и воздухораспределительной систем. Принцип работы биофильтров аналогичен принципу работы аэротенков.
Биологические пруды
Для проведения очистки стоков данным способом должен быть открытый искусственный водоем, в котором будут протекать процессы самоочистки. Данный способ является самым эффективным, подходят даже неглубокие пруды глубиной до одного метра. Значительная площадь поверхности позволяет воде хорошо прогреваться, что также оказывает необходимое воздействие на процессы жизнедеятельности принимающих участие в очистке микроорганизмов. Максимально эффективным данный способ является в теплое время года – при температуре около 6 градусов и ниже процессы окисления приостанавливаются. Зимой очистка не происходит вообще.
Виды прудов:
- рыбоводческие (с разбавлением);
- многоступенчатые (без разбавления);
- пруды доочистки.
В первом случае стоки смешиваются с речной водой, после чего направляются в пруды. Во втором вода направляется в водоем без разбавления сразу после отстаивания. Первый способ требует около двух недель времени, а второй месяц. Преимущество многоступенчатых систем – сравнительно невысокая цена.
В чем преимущества биологического метода очистки сточных вод?
Биологическое очищение стоков гарантирует получение практически на 100% чистой воды. Однако учтите – как самостоятельный метод биостанция не используется. Получить кристально чистую воду можно только в том случае, если сначала удалить неорганические примеси другими способами, а потом убрать органику биологическим методом.
Ээробные и анаэробные бактерии – что это?
Микроорганизмы, применяемые в процессе переработки сточных вод, делятся на аэробные и анаэробные. Аэробные существуют только в кислородсодержащей среде и полностью расщепляют органику до СО2 и Н2О, одновременно синтезируя собственную биомассу. Формула данного процесса выглядит следующим образом:
CxHyOz + O2 -> CO2 + H2O + биомасса бактерий,
где CxHyOz – органическое вещество.
Анаэробные микроорганизмы нормально обходятся без кислорода, но и прирост биомассы у них небольшой. Бактерии данного типа нужны для бескислородного брожения органических соединений с образованием метана. Формула:
CxHyOz -> CH4 + CO2 + биомасса бактерий
Анаэробные методики незаменимы при высоких концентрациях органики – которые превышают предельно допустимые для аэробных микроорганизмов. При низком содержании органики анаэробные микроорганизмы, наоборот, малоэффективны.
Назначение биологических способов очистки воды
Большую часть загрязнителей стоков составляют вещества органического происхождения. Основные источники данных загрязнений и потребители очищенных стоков:
- ЖКХ, предприятия пищевой промышленности и животноводческие комплексы.
- Предприятия химической, нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной, а также кожевенной промышленности.
Состав стоков в данных случаях будет разным. Одно можно сказать точно – только при условии комплексной очистки с обязательным применением биологических методов можно добиться идеальных результатов.
Принципы биологической очистки и список необходимого оборудования
С учетом текущих принципов биологической очистки подбирается оборудование для организации очистной биостанции. Основные варианты:
- биологические пруды;
- поля фильтрации;
- биофильтры;
- аэротенки;
- метатенки;
- фильтрующие колодцы;
- песчано-гравийные фильтры;
- каналы циркуляционного окисления;
- биореакторы.
Обратите внимание, что для искусственной и естественной очистки стоков могут применяться различные методики.
Очистка сточных вод биологическими методами: преимущества и недостатки
Биологические методики эффективны для очищения сточных вод от органики, но добиться действительно высоких результатов можно только при условии комплексного использования разных методов. Кроме того, возможности бактерий не безграничны – микроорганизмы убирают незначительные примеси органики. Стоимость биологических очистных станций сравнительно невысокая.
Все способы очистки сточных вод
До попадания в систему биологической чистки стоки должны подвергаться механическому очищению, а после нее – обеззараживанию (хлорирование, воздействие ультразвуком, электролиз, озонирование и т.д.) и дезинфекции. Поэтому в рамках комплексной очистки стоков применяются также химические, механические, мембранные, реагентные методы.
Биохимические методы очистки сточных вод основаны на использовании микроорганизмов, окисляющих органические вещества, присутствующие в сточных водах в коллоидном и растворенном состоянии. Микроорганизмы разрушают молекулы различных соединений, используя вещества, необходимые для их питания, размножения и увеличения биологической массы - активного ила и биопленки.
Активный ил представляет собой комочки и хлопья размером от 5 до 150 мкм, состоящие из живых организмов и твердого субстрата. К живым организмам активного ила относится скопление бактерий, простейших червей, бактериальных клеток, грибов, дрожжей. Твердым субстратом является отмершая часть микроорганизмов активного ила. Биопленка имеет вид слизистых обрастаний толщиной 1-3 мм на наполнителе биофильтра и состоит также из бактерий, грибов, дрожжей и других организмов.
Для нормальной жизнедеятельности микроорганизмам нужны различные химические элементы, которые они усваивают из сточных вод. Недостающие элементы - азот, фосфор, калий - искусственно вводят в очищаемую сточную воду.
Биохимические методы обычно применяют для окончательной очистки сточных вод после использования физико-химических методов обработки. С помощью физико-химических методов удаляют вещества, не поддающиеся биологической очистке, или снижают их концентрацию. В настоящее время широко применяют совместную очистку бытовых и производственных сточных вод, так как в бытовых стоках содержатся растворенные вещества, наиболее легко усваиваемые микроорганизмами.
Процесс биохимической очистки сточных вод осуществляется в устройствах различного типа: аэротенках, биофильтрах и прудах. Активный ил разрушает различные соединения в аэротенках, где осуществляется искусственная аэрация сточных вод и ила, находящегося во взвешенном состоянии. Биопленка прикрепляется к наполнительной массе биофильтра и соприкасается с воздухом при фильтрации сточных вод.
аэротенки имеют различную форму. Благодаря аэрации сточных вод и ила, активный ил разрушает различные соединения. Аэрировать сточные воды в аэротенках можно механическими и пневматическими методами. Чем мельче диспергирован воздух, тем больше поверхность контакта пузырьков воздуха с водой, т. е. тем полнее насыщаются сточные воды кислородом, необходимым для жизнедеятельности микроорганизмов. Иногда используют поверхностную аэрацию сточных вод, заключающуюся в поверхностном разбрызгивании воды, откачиваемой из нижней части аэротенка. При пневматической аэрации часто вместо воздуха вводят кислород. Применение кислорода, с одной стороны, удорожает процесс биохимической очистки, сточных вод, а с другой - значительно интенсифицирует его, так как почти в два раза увеличивается концентрация активного ила и уменьшается время, необходимое для разложения микроорганизмами различных веществ.
По схеме полной биохимической очистки сточных вод (рис. 111) сточная вода поступает в усреднитель 1 , снабженный решеткой для механической очистки вод от крупных частиц и различных предметов. Из усреднителя вода подается в песколовку 2 , представляющую собой цилиндроконический резервуар с тангенциальным вводом воды. В песколовке осаждается зернистая фракция - песок. Слив песколовки поступает в первичный отстойник 3 , в котором осаждается тонкозернистая фракция взвешенных частиц. Слив первичных отстойников совместно с возвратным илом подается в аэротенки 4 с поперечным сечением прямоугольной формы, где с помощью микроорганизмов разлагаются различные органические и минеральные вещества. В аэротенках сточные воды аэрируют сжатым воздухом. Из аэротенка сточную воду с активным илом направляют на отстаивание во вторичный отстойник 5 для улавливания активного ила. Слив вторичного отстойника поступает в контактный резервуар 6, в который подают также жидкий хлор для обеззараживания сточных вод. Продолжительность контактирования сточных вод с жидким хлором 15-20 мин. После контактирования с хлором сточные воды отстаивают в чане 7 . а затем подают в буферные пруды, в которых очищенная вода должна находиться не менее З сут.
Ил из вторичного отстойника откачивают насосами станции 8 в илоуплотнитель 9 . Часть ила - возврат - подают в аэротенк. Уплотненный ил и осадок первичного отстойника подают в метантенк 10 - герметически закрытый резервуар для брожения осадка без доступа кислорода. Осадок в метантенке интенсивно перемешивается пропеллерной мешалкой. Интенсивность брожения осадка повышается при температуре 50-55 °С, поэтому в метантект из котельной 12 подают пар. При брожении 1 т осадка образуется около 10 м 3 газа. Газ, выделяемый в результате брожения и содержащий 70-75 % метана и 20-25 % углекислого газа, сжигают в котельной. Из метантенка осадок подают на иловую площадку 11 с искусственным или естественным дренирующим основанием.
Дренажная вода иловых площадок перекачивается в первичный отстойник. На иловых площадках осадок обезвоживается до содержания 75-80 % твердого. После этого его можно использовать в качестве удобрений. Иногда осадок метантенков обезвоживают в фильтр-прессах типа ФПАКМ и в термических сушилках.
В биофильтрах окисление загрязнений сточной воды осуществляется при ее фильтровании через наполнитель фильтра, на поверхности которого растут и развиваются организмы биопленки. Биофильтры представляют собой сооружения чаще цилиндрической формы, выполненные из бетона, железобетона или кирпича. Биофильтр заполняют фильтрующим материалом, состоящим из кусков размером 4-6 см. Материал должен быть шероховатым для лучшего удержания биопленки. Сточная вода в биофильтре создает условия для развития микроорганизмов, прикрепляющихся к фильтрующему материалу. При фильтровании сточных вод через наполнитель фильтра биопленкой разлагаются различные соединения сточных вод. Очищенные воды концентрируются на непроницаемом для воды днище фильтра, откуда отводятся по дренажным трубам.
Биофильтры подразделяют на высоконагруженные и слабона-груженные или капельные. Высота высоконагруженного фильтра составляет 2-4 м, а капельного менее 2 м. В высоконагруженных фильтрах применяют искусственную вентиляцию сточных вод.
Производительность по очищаемой воде высоконагруженных и капельных биофильтров соответственно 10-30 и 0,5-3 м 3 /(м 2 ·сут).
Оптимальные условия работы биофильтров следующие: рН сточных вод 7-8; температура 18-25 °С; концентрация в сточных водах, элементов калия, азота и фосфора и взвешенных веществ не более 100 мг/л.
Сточные воды очищают биохимическими методами и в естественных условиях: на полях орошения и фильтрации и в биологических прудах. Поля орошения и фильтрации используют для очистки стоков сравнительно редко. Обычно для окончательной очистки и отстаивания сточные воды направляют в биологические пруды.