БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА ГОРОДСКИХ СТОЧНЫХ ВОД

Биохимическая очистка может осуществляться в естественных или искусственных условиях. Сооружениями очистки в естественных условиях являются биологические пруды и поля фильтрации. Эти сооружения рассмотрим в курсе «Водоотведение2». В искусственно созданных сооружениях моделируются процессы самоочищения, происходящие в природе. В аэротенках воспроизводится процесс самоочищения водной среды. Аэротенк представляет собой открытый проточный резервуар с очищаемой водой. Очистка происходит под действием микроорганизмов, находящихся во взвешенном состоянии; эта совокупность микроорганизмов называется активным илом. В биологических фильтрах моделируется самоочищение почвы; биофильтр – это резервуар, заполненный фильтрующим материалом. Здесь микроорганизмы находятся в прикрепленном состоянии; микрофауна формируется на зернах загрузки фильтра и называет биопленкой. Биофильтры тоже подробно рассмотрим в курсе «Водоотведение2».

Наибольшее распространении получили аэротенки.

Соединения углерода, азота и фосфора в городских сточных водах и методы их извлечения в аэротенках.

Биологическая обработка производится для извлечения из сточных вод, в основном, растворенных соединений углерода С, азота N и фосфора P. Высокий уровень требований к сбросу этих элементов объясняется, очевидно, тем, что, попадая в водоемы в определенных концентрациях и сочетаниях друг с другом, углерод, азот и фосфор способствуют угнетению гидробионтов, прежде всего, рыб, вызывают эвтрофирование водоема.

Напомню: содержание углерод содержащих, или органических, соединений в сточных водах характеризуется показателем БПК (см.лекцию «Состав городских СВ» из первого семестра- вопрос будет на экзамене).

Основной стадией обработки городских сточных вод является биохимическая очистка. Метод основан на действии микроорганизмов, которые используют органические загрязнения сточных вод для своей жизнедеятельности: питания и дыхания. Эти микроорганизмы называются активным илом. В результате воздействия микроорганизмов на сложные органические соединения те расщепляются до более простых, минерализуются; и за счет этого происходит очистка сточных вод.

Биологическая очистка может производиться при помощи аэробных или анаэробных микроорганизмов. Аэробные микроорганизмы живут только в присутствии кислорода воздуха. Они используют свободный кислород, растворенный в сточных водах, для окисления органических соединений. Они переводят свободный кислород в химически связанное состояние, то есть в состав органических веществ. Органические соединения при этом окисляются. Анаэробные микроорганизмы работают при отсутствии кислорода воздуха. Они «отбирают» связанный водород из органических соединений для своей жизнедеятельности. Тогда в соединении образуется избыток кислорода, то есть оно переходит в окисленную форму. И в аэробных, и в анаэробных условиях происходит окисление органических примесей, их расщепление, минерализация и, значит, очистка сточных вод.

БПК – это количество кислорода О, необходимое для окисления органических веществ, содержащихся в единице объема сточных вод (СВ), при помощи аэробных микроорганизмов. (МгО/л СВ).

БПК_полн городских сточных вод, поступающих на очистку, составляет 250-350мг/л. В результате механической очистки БПК снижается в 1,5-2 раза, т.к. извлекаются нерастворенные органические примеси. Растворенные органические соединения извлекаются из сточных вод в процессе биологической очистки в аэробных условиях.

Азот в городских сточных водах присутствует в растворенной форме, в виде следующих соединений:

- в виде иона аммония N-(NH⁴⁺)=30-50мг/л;

- в составе органических соединений Nорг – 10-15 мг/л;

(N_общ = N-(NH⁴⁺) + Nорг = 40-65 мг/л)

- Азот в окисленном и в свободном (молекулярном) состоянии тоже отсутствует: нитриты N-(NО₂^-)=0; нитраты N-(NО₃^-)=0; молекулярный азот N-N₂=0.

N-(NH⁴⁺) Аммонийный азот извлекается из сточных вод методом аэробно-анаэробной биологической очистки. Метод называется «нитрификация-денитрификация».

Нитрификация - превращение аммонийного азота в нитриты и нитраты в аэробных условиях :

- на первой стадии аммонийный азот окисляется до нитритов:

NH₄⁺ + О₂→ NО₂^- ;

- на второй – нитриты посредством дальнейшего окисления превращаются в нитраты:

NО₂^- + О₂→ NО₃ ^-.

Чтобы перевести 1 мг аммонийного азота NH₄⁺ в форму нитритов NО₂ ^-, требуется кислорода 2,33мг/л; для перевода 1 мг азота нитритов NО₂^- в нитраты NО₃ ^–, необходимо 3,4мг/л кислорода. чтобы перевести 1 мг аммонийного азота NH₄⁺ в форму нитритов NО₂ ^-, требуется кислорода 2,33мг/л; для перевода 1 мг азота нитритов NО₂^- в нитраты NО₃ ^–, необходимо 3,4мг/л кислорода;

Нитрификация начинается только после практически полного окисления органических примесей, а именно при БПК сточных вод не более 15мг/л. Дело в том, что органические соединения более легко усваиваются и перерабатываются микроорганизмами, чем азот содержащие примеси.

Денитрификация - восстановление нитритов и нитратов до свободного азота в анаэробных условиях: NО₃^- → N₂ ↑+ О₂↑ NО₂^- → N₂ ↑+ О₂↑

При восстановлении 1мг азота нитратов NО₃^- выделяется 2,86мг кислорода О₂, при восстановлении 1мг азота нитритов NО₂^- - 1,73мг О₂.

Ni и De осуществляют разные штаммы микроорганизмов.

Очень важно поддерживать в денитрификаторе достаточное количество органических соединений. Во-первых, углерод нужен для построения бактериальных клеток. Кроме этого органические соединения являются веществами восстановительной природы. Они связывают свободный кислород, образующийся при денитрификации; т.е. кислород переходит в состав этих органических соединений. Минимум свободного кислорода способствует эффективному протеканию самого процесса денитрификации. Вопрос важен, т.к. к моменту начала нитрификации в СВ уже остается мало органических соединений (БПК≤15мг/л). Необходимая органическая добавка в денитрификатор составляет от 3 до 6г органического вещества по величине БПК на каждый грамм восстанавливаемого азота. В качестве добавки используются сточные воды после первичного осветления. Денитрификаторы оборудуют мешалками. Это необходимо для перемешивания сточных вод с органической добавкой и для активизации выделения свободного азота в атмосферу.

Nорг Большая часть органического азота переходит в аммонийный еще в сетях, которые являются зоной дефицита кислорода (анаэробной зоной). Тем не менее, проектировщики предусматривают в начале биологической очистки дополнительную анаэробную зону, где происходит аммонизация органического азота Nорг----(N-NH₄⁺), т.е. превращение органического азота в аммонийный. Далее аммоний азот удаляется методом Ni-De.

Фосфор. В городских сточных водах почти весь фосфор находится в растворенном виде. Наличие минерального растворенного фосфора обусловлено применением в быту синтетических моющих средств. Органический фосфор находится в составе продуктов жизнедеятельности человека (фекалий). Концентрации фосфора в городских сточных водах имеют следующие величины: общего Р_общ – 9-13 мг/л, в том числе фосфатов (PO₄)^3- – 5-7мг/л. Соединения фосфора можно удалять реагентным и биологическим методом. Реагентный метод разберем позже, в теме «Доочистка».

Сущность биологического метода удаления фосфора состоит в следующем. Определенные группы бактерий активного ила способны накапливать в своих клетках растворенные формы фосфора в запас. В запас – значит больше, чем нужно для построения тела клетки и энергетических потребностей. Накопление фосфора этими микроорганизмами составляет до 3% от массы сухого вещества клетки; это много. Накопление фосфора бактериями происходит в аэробных условиях. В анаэробной зоне идет обратный процесс, т.е. выделение бактериями фосфора в воду. При этом, количество фосфора, поглощаемого илом, всегда больше количества фосфора, выделяемого бактериями в воду. Это явление и положено в основу технологии биологического удаления фосфора. Для удаления фосфора смесь сточных вод и ила помещается попеременно в зоны с противоположными кислородными режимами. Сначала в жестких анаэробных условиях, которые являются для микроорганизмов стрессовыми, фосфорудаляющий ил выделяет, выбрасывает фосфор из клеток в воду. Затем сточные воды поступают в зону избытка кислорода. Здесь фосфорудаляющие микроорганизмы поглощают преимущественно соединения фосфора. Поскольку в клетках дефицит фосфора, то поглощение идет сверх нормативного, требуемого уровня.

График изменения концентрации фосфора в сточных водах в процессе их обработки в зонах с разными кислородными режимами

Таким образом, самым эффективным и экологичным методом удаления С, N и Р является биологический метод. Необходима многоступенчатая биологическая очистка с чередованием аэробных и анаэробных условий:

1)анаэробная зона	- для аммонизации органического азота Nорг---- N-(NH4+), - для выделение микроорганизмами фосфора из клеток в воду
2) аэробная зона	- для очистки сточных вод от углерод содержащих (органических) соединений, т.е. для снижения БПК- это аэротенк; - для реализации процесса нитрификации, т.е. превращения аммонийного азота в нитриты и нитраты NH4+ + О2→ NО2- ; NО3 – - для интенсивного поглощения фосфора из воды фосфорудаляющими бактериями
3) анаэробная зона	- для проведения денитрификации, т.е. восстановления нитритов и нитратов до свободного азота: NО3- → N2 ↑+ О2↑ NО2- → N2 ↑+ О2↑
4) аэробная зона	Постаэрация необходима - для отдува из воды остаточного свободного азота N2 и для предотвращения его дальнейшего образования, - для окисления остатков органических соединений и аммонийного азота.

Было предложено все анаэробные процессы проводить в одной общей емкости, аэробные – другой; при этом анаэробную зону разместили перед аэробной. Такое решение было принято, во-первых, чтобы исключить большое количество емкостных сооружений. Но главное, это нужно для обогащения зоны денитрификации органическим углеродом; ведь в этом случае весь расход поступающих вод будет являться органической добавкой в зону денитрикации.

Это решение является именно конструктивным, а не принципиальным, т.к. денитрификация не может проходить раньше нитрификации. Для реализации процесса в схеме предусмотрена циркуляция смеси сточных вод и активного ила. Необходимая степень рециркуляции R_wi показывает, какая доля сточных вод после аэробной зоны возвращается в анаэробную зону. R_wi определяется на основе массового баланса азота в системе, она составляет R_wi=3-5. Если расход очищаемых сточных вод – Q, то циркулирующий поток составляет (3-5)Q.

Важно поддерживать в первой, анаэробной, зоне достаточное количество органических примесей и обеспечивать полное отсутствие кислорода. Иначе не получится стресса для фосфорудаляющих микроорганизмов и впоследствии в аэробной зоне не добиться интенсивного изъятия фосфора. Тем не менее, с циркулирующим потоком в анаэробную зону неизбежно будет поступать кислород в составе нитритов и нитратов. Кроме этого, в процессе денитрификации будет появляться кислород в свободном состоянии. Поэтому в анаэробную зону разделили на две подзоны:

- облигатную (строгую) анаэробную; здесь свободный кислород практически отсутствует, только очень небольшое количество химически связанного кислорода находится в составе органических соединений; в эту зону подают только исходные сточные воды и активный ил из вторичных отстойников;

- факультативную (нестрогую) анаэробную, или аноксидную. Сюда, кроме очищаемой воды и ила, поступает циркулирующая водно-иловая смесь. В этой зоне есть небольшое количество кислорода в составе нитритов и нитратов, а также свободный кислород, полученный при их расщеплении.

Схема биологической очистки сточных вод

от органических соединений, от азота и фосфора.

Названия отдельных зон схемы и иллюстрации процессов, протекающих в этих зонах:

I – первичный отстойник	Извлечение нерастворенных органических примесей
II – облигатная анаэробная зона; здесь происходит начальное расщепление сложных органических соединений, аммонизация органического азота и выделение фосфатов в воду
III – аноксидная зона; здесь идет - процесс денитрификации (нитриты и нитраты поступают в зону с циркулирующей смесью сточных вод и ила) - завершается аммонизация (органический азот поступает с исходными СВ)
IV – аэробная зона (аэротенк); в ней проходит несколько процессов: - окисление органических (углеродсодержащих) примесей, - нитрификация, - поглощение илом фосфора, - отдув свободного азота в атмосферу
V – вторичный отстойник	Отделение сточных вод от ила

В настоящее время учеными предпринимаются попытки составить кинетические уравнения рассматриваемого процесса, а пока необходимый объем различных зон принимается на основе экспериментальных научных исследований. Приблизительное распределение общего времени Т обработки сточных вод в различных условиях таково: в аэробной зоне - (0,6-0,7)Т; в аноксидной зоне - (0,15-0,25)Т; в анаэробной зоне - (0,1-0,15)Т.