22. Биологическая очистка воды

Биологический (или биохимический) метод очистки сточных вод применяется для очистки производственных и бытовых сточных вод от органических и неорганических загрязнителей. Данный процесс основан на способности некоторых микроорганизмов использовать загрязняющие сточные воды вещества для питания в процессе своей жизнедеятельности.

Основной процесс, протекающий при биологической очистке сточных вод, — это биологическое окисление. Данный процесс осуществляется сообществом микроорганизмов (биоценозом), состоящим из множества различных бактерий, простейших водорослей, грибов и др., связанных между собой в единый комплекс сложными взаимоотношениями (метабиоза, симбиоза и антагонизма).

Главенствующая роль в этом сообществе принадлежит бактериям.

Очистку сточных вод рассматриваемым методом проводят в аэробных (т. е. в присутствии растворенного в воде кислорода) и в анаэробных (в отсутствие растворенного в воде кислорода) условиях.

Очистка сточных вод в природных условиях

Аэробные процессы биохимической очистки могут протекать в природных условиях и в искусственных сооружениях. В естественных условиях очистка происходит на полях орошения, полях фильтрации и биологических прудах. Искусственными сооружениями являются аэротенки и биофильтры разной конструкции. Тип сооружений выбирают с учетом местоположения завода, климатических условий, источника водоснабжения, объема промышленных и бытовых сточных вод, состава и концентрации загрязнений. В искусственных сооружениях процессы очистки протекают с большей скоростью, чем в естественных условиях.

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

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

Поля орошения лучше устраивать на песчаных, суглинистых и черноземных почвах. Грунтовые воды должны быть не выше 1,25 м от поверхности. Если грунтовые воды залегают выше этого уровня, то необходимо устраивать дренаж.

Часть территории земледельческого поля орошения отводят под резервное поле фильтрации, так как некоторые периоды года не допускают выпуск сточной воды на поля орошения.

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

Для нормальной работы необходимо соблюдать оптимальные значения рН и температуры сточных вод. Температура должна быть не менее 6°С. В зимнее время пруды не работают, их обычно опорожняют и могут использовать как накопители. Один раз в два — три года рекомендуется производить перепашку дна и посадку растительности.

Очистка в биофильтрах

Биопленка растет на наполнителе биофильтра, она имеет вид слизистых обрастаний толщиной 1-3 мм и более. Эта пленка состоит из бактерий, грибов, дрожжей и других организмов. Число микроорганизмов в биопленке меньше, чем в активном иле.

Биологические фильтры достаточно широко применяются для очистки бытовых и производственных сточных вод при их объемном расходе до 30 тыс. м3/сут.

Биофильтры — искусственные сооружения биологической очистки представляют собой круглые или прямоугольные в плане сооружения, загруженные фильтрующим материалом, на поверхности которого выращивается биопленка; изготовляются они из железобетона или кирпича. Сточная вода фильтруется через слой загрузки, покрытой пленкой из микроорганизмов; 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 т.п., нередко свернутые в рулоны.

Биофильтры с объемной загрузкой подразделяются на капельные, высоконагружаемые, башенные

Применяются также погружные (дисковые) биофильтры. Они представляют собой резервуар, в котором имеется вращающийся вал с насаженными на него дисками, попеременно контактирующими со сточной водой и воздухом.

Очистка в аэротенках

Аэробная биологическая очистка больших объемов вод осуществляется в аэротенках — прямоугольных в плане железобетонных сооружениях со свободно плавающим в объеме обрабатываемой воды активным 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) рисунок 51;

2. по способу регенерации активного ила — аэротенки с отдельно стоящими или совмещенными регенератов рами 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 кубических метров в сутки.

Система аэрации представляет собой комплекс сооружений и специального оборудования, обеспечивающего снабжение жидкости кислородом, поддержание ила во взвешенной 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 три системы аэрации: пневматическая, механическая и комбинированная.

Современный аэротэнк — это гибкое в технологическом отношении сооружение, представляющее собой железобетонный резервуар коридорного типа, оборудованный аэрационной системой. Рабочую глубину аэротенков принимает 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.м3/сут назначается 4-6 секций, при большей производительности 8-10 секций, все они рабочие. Каждая секция состоит из 2-4 коридоров.

Окситенки — это сооружения биологической очистки, в которых вместо воздуха используется технический кислород или воздух, обогащенный кислородом.

Основным отличием окситенка от аэротенка, работающего на атмосферном воздухе, является повышенная концентрация ила. Это связано с увеличенным массообменом кислорода между газовой и жидкой фазами.

Конструктивная схема окситенка представлена на рисунке 53 Он представляет собой резервуар, круглой в плане формы с цилиндрической перегородкой, которая отделяет зону аэрации от зоны илоотделения.

Рекомендуемая концентрация ила в окситенках составляет 6-8 г/л. Возможна работа данного устройства и при более высоких концентрациях активного ила.

В средней части цилиндрической перегородки прорезаны окна для перемещения иловой смеси из зоны аэрации в илоотделитель, в нижней части — для поступления возвратного ила в зону аэрации. В зону аэрации с помощью турбоаэратора подается кислород.

Анаэробные методы биохимической очистки используют для сбраживания осадков, образующихся при биохимической очистке производственных сточных вод, а также как первую ступень очистки очень концентрированных промышленных сточных вод (БПКполн 4-5 г/л), содержащих органические вещества, которые разрушаются анаэробными бактериями в процессах брожения. В зависимости от конечного вида продукта различают следующие виды брожения: спиртовое, пропионовокислое, молочнокислое, метановое и др. Конечными продуктами броже¬ния являются: спирты, кислоты, ацетон, газы брожения (СО2, Н2, СН4).

Для очистки сточных вод используют метановое брожение. Этот процесс очень сложный и многостадийный. Процесс брожения проводят в метантенках — герметически закрытых резервуарах, для ввода несброженного и отвода сброженного осадка. Схема метантенка показана на рисунке 54.

Перед подачей в метантенк осадок должен быть по возможности обезвожен.

Основными параметрами аэробного сбраживания являются температура, регулирующая интенсивность процесса, доза загрузки осадка и степень его перемешивания. Процессы сбраживания ведут в мезофильных (30 — 35 °С) и термофильных (50 — 55 °С) условиях. 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 м3.

Метантенки применяются для минерализации осадков бытовых и производственных сточных вод, содержащих доступные для микроорганизмов органические вещества.