3.6.5. Биологические методы очистки
Методы основаны на способности микроорганизмов использовать в качестве питательного субстрата многие органические и некоторые неорганические соединения, содержащиеся в сточных водах.
К достоинствам методов следует отнести возможность извлекать из воды разнообразные органические соединения (в том числе и токсичные), простоту аппаратурного оформления, относительно невысокие эксплуатационные расходы и приемлемый уровень требований к квалификации обслуживающего персонала. К недостаткам следует отнести высокие капитальные затраты, необходимость строгого соблюдения технологического режима очистки, необходимость разбавления сточных вод в случае высокой концентрации примесей, токсичное действие на микроорганизмы некоторых органических и неорганических соединений.
Биологическая очистка сточных вод может производиться в аэробных или анаэробных условиях. Наибольшее распространение имеют аэробные методы. Они основаны на использовании аэробных микроорганизмов, для жизнедеятельности которых необходимо присутствие в воде свободного кислорода. При анаэробной очистке, т.е. без доступа кислорода воздуха, органические вещества разрушаются анаэробными микроорганизмами. Анаэробный метод (сбраживание, ферментация) редко применяется для очистки производственных сточных вод. Основная область его применения – переработка влажных осадков и в ряде случаев – денитрификация сточных вод.
В процессах биологической очистки сточных вод часть окисляемых микроорганизмами веществ используется в процессах биосинтеза (образование биомассы – активного ила или биопленки), а другая часть превращается в безвредные продукты окисления – воду, углекислый газ, нитраты и др.
Процесс изъятия и потребления микроорганизмами органических примесей сточных вод состоит в основном из трех стадий:
1) массопередачи органического вещества и кислорода из жидкости к поверхности клетки;
2) диффузии вещества и кислорода через полупроницаемую мембрану клетки;
3) метаболизма (биологического превращения) диффундировавших продуктов, сопровождающегося приростом биомассы, выделением энергии, углекислого газа и др. метаболитов.
Интенсивность и эффективность биологической очистки сточных вод определяется скоростью размножения бактерий.
Для осуществления биологической очистки производственных сточных вод предприятий химической промышленности широко применяется очистка в аэротенках. Аэротенк представляет собой емкость с постоянно протекающей сточной водой, во всей толщине которой развиваются аэробные микроорганизмы, потребляющие субстрат, т.е. «загрязнение» этой сточной воды.
Микроорганизмы в аэротенке называются активным илом. Смесь сточной жидкости с активным илом должна аэрироваться на всем протяжение аэротенка. Это необходимо не только для того, чтобы обеспечить микроорганизмы-минерализаторы достаточным количеством кислорода воздуха, но и для поддержания ила во взвешенном состоянии. Воздух нагнетается в аэротенк воздуходувками или засасывается из атмосферы при сильном перемешивании содержимого аэротенка.
В отечественной практике получили распространение аэротенки с пневматической аэрацией (рис. 3.21). Они представляют собой длинные многосекционные железобетонные резервуары, преимущественно прямоугольной формы, оборудованные устройствами для обеспечения принудительной аэрации. Такие емкости бывают двух-, трех- и четырехкоридорного типа. Глубина аэротенков не менее 3 м. Концентрация загрязняющих веществ в подаваемых на очистку сточных водах не должна превышать 1200 мг O2/дм3 по БПКПОЛН.
Рис. 3.21. Общий вид (а), схема действия (б), вид сверху (в) проточного аэротенка: 1 – приток сточных вод; 2 – выход аэрированной воды во вторичный отстойник; 3 – фильтросы; 4 – труба для подачи воздуха от компрессора; 5 – шибер, регулирующий приток воды
Различают три основных типа аэротенков в зависимости от степени смешения сточной жидкости с жидкостью, находящейся в очистном сооружении:
– аэротенк, в котором поступающая сточная жидкость не смешивается с жидкостью, находящейся в аэротенке;
– аэротенк со ступенчатым впуском сточных вод, при котором поступающая жидкость смешивается с частью жидкости, находящейся в аэротенке;
– аэротенки-смесители, в которых поступающая сточная жидкость смешивается со всем объемом жидкости, находящейся в аэротенке.
Второй тип сооружений для биологической очистки – биофильтр (биологический фильтр). Биофильтры представляют собой сооружения, заполненные крупнозернистым материалом (гравий, керамзит, битый кирпич и т.д.; рис. 3.22).
Рис. 3.22. Биофильтры с естественной (а) и принудительной (б) подачей воздуха: 1 – водоподающие трубы; 2 – водораспределительные устройства; 3 – загрузка; 4 – водоотводящие лотки; 5 – гидравлический затвор; 6 – воздухоподводящие трубы; 7 – воздухопроницаемые стены
В отличие от аэротенков в биофильтрах окисление загрязняющих компонентов сточных вод осуществляется организмами биопленки, растущей на поверхности наполнителя (тела биофильтра), и окислительная мощность биофильтров ниже мощности аэротенков.
Биофильтр работает следующим образом. Осветленная в первичных отстойниках сточная жидкость самотеком (или под напором) поступает в распределительные устройства, которые периодически напускают воду на поверхность биофильтра. Профильтрованная через толщу биофильтра вода проходит через отверстия в дырчатом дне, поступает на сплошное непроницаемое днище, с которого стекает по отводным лоткам, расположенным за пределами биофильтра. Далее вода поступает во вторичные отстойники, задерживающие выносимую биопленку и отделяющие ее от очищенной сточной воды.
Применяют также биофильтры с пластмассовой загрузкой (насадкой). Отличительная их особенность в том, что они заполнены решетками, пакетами или кольцами, выполненными из полимерных материалов (рис. 3.23). Считается, что эти биофильтры более производительны, чем биофильтры других типов.
Помимо фильтров с крупнозернистой загрузкой возможно применение вращающихся дисковых или барабанных фильтров, на поверхности которых постепенно идет нарастание биопленки (рис. 3.24).
Рис. 3.23. Секция биофильтра с пластмассовой насадкой (а) и пластмассовая насадка (б): 1 – ороситель; 2 – трубопровод для подачи воды на очистку; 3 – блоки насадки; 4 – отвод очищенного стока; 5 – ввод воздуха
К сооружениям биологической очистки относят также биологические пруды – искусственно созданные неглубокие водоемы для биологической очистки сточных вод, основанной на тех же процессах, которые происходят при самоочищении водоемов (рис. 3.25). Их устраивают для полной биологической очистки сточных вод после надлежащего обоснования в районах со среднегодовой температурой более 0 ºC для круглогодичного использования, а также для сезонного – в средней полосе страны (с мая по октябрь).
Рис. 3.24. Дисковый вращающийся биофильтр (а) и схема движения потока массы g загрязнений в биопленку (б) (δσ – толщина биопленки)
Рис. 3.25. Схема биохимических взаимодействий в окислительном пруду: I – воздух; II – зона роста водорослей; III – зона аэробной переработки растворимых и коллоидных органических примесей; IV – ил (зона анаэробного разложения)
Высококонцентрированные и токсичные сточные воды химических отраслей промышленности, например: концентрированные рассолы установок опреснения; сточные воды, содержащие металлорганические, в частности ртутьорганические соединения, для которых еще не разработаны достаточно эффективные и экономичные методы, – могут быть захоронены в глубоких подземных горизонтах. При использовании подземного захоронения сточных вод требуется гидрогеологическое обоснование возможности применения этого метода, поскольку существует вероятность загрязнения этими водами водоносных горизонтов. Сточные воды, закачиваемые в подземные пласты, не должны содержать большого количества взвешенных и коллоидных частиц, жиров, масел и т.п.
Поскольку состав сточных вод различных химических предприятий и содержащихся в них загрязняющих веществ весьма разнообразен и различны также требования к водоподготовке перед ее повторным использованием, в данном учебном пособии авторы ограничились описанием общих методов и приемов очистки сточных вод и подходов к разработке замкнутых систем водного хозяйства. Рассматривая воду как ценнейший природный ресурс, следует уделять исключительное внимание предотвращению ее загрязнения и сокращению водопотребления в целом.