Биологическая очистка сточных вод

Биологическая очистка 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. В основном, биоочистка применяется для очищения хозяйственно-бытовых сточных вод. Основные загрязнения, содержащиеся в хозяйственно-бытовых сточных водах – это БПК (биохимическое потребление кислорода), ХПК (химическое потребление кислорода), взвешенные вещества, соединения азота и соединения фосфора. Биологическое окисление 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.

Таблица 12 - Характеристики механической и биологической очистки в зависимости от производительности очистки

+ рекомендовано к использованию

- не рекомендовано

х рекомендовано при обосновании

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.

В зависимости от производительности станции и принятого способа очистки сточных вод по условиям их сброса в водоем намечаются сооружения в соответствии с таблицей 12.

После биофильтров очищенная до 90-95% сточная вода поступает в Мировой океан на природно-естественную доочистку.

Классификация биофильтров

Принципы классификации биофильтров различаются по степени очистки, способу подачи воздуха, режиму работы (наличие или отсутствие рециркуляции), технологической схеме (одно-, двух или трехступенчатые) и другим параметрам:

1. По степени очистки - биофильтры классифицируются на:

• Высокопроизводительные , которые могут работать на полную или неполную биологическую очистку в зависимости от необходимой степени очистки.

• Малопроизводительные - работают только на полную биологическую очистку.

2. По способу подачи воздуха с:

• естественной

• искусственной подачей воздуха (аэрофильтры). В настоящее время находят наибольшее применение.

имеют биофильтры с искусственной подачей воздуха.

3. По режиму работы – работающие:

• с рециркуляцией воды (при очистке концентрированных сточных вод рециркуляция необходима, т.к. позволяет понизить концентрацию сточных вод до необходимой величины)

• без рециркуляции воды (концентрация загрязнений в поступающих на биофильтр сточных водах не высока и они подаются на биофильтр в объеме, достаточном для самопроизвольной промывки)

4. По технологической схеме:

• одноступенчатые (применяются в обычных условиях)

• двухступенчатые (применяются при неблагоприятных климатических условиях, при отсутствии возможности увеличивать высоту биофильтров и при необходимости более высокой степени очистки)

Иногда предусматривается переключение фильтров, то есть периодическая эксплуатация каждого из них в качестве фильтра первой и второй ступени.

5. По пропускной способности биофильтры делят на:

• малой пропускной способности (низконагружаемые/капельные)

• большой пропускной способности (высоконагружаемые)

6. По конструктивным особенностям загрузки биофильтры

• с объемной

• с плоскостной загрузкой.

7. Биофильтры с объемной загрузкой подразделяются на три группы:

• низконагружаемые - капельные с размером загрузочного материала 20–30 мм и высотой слоя загрузки 1–2 м

• высоконагружаемые с размером загрузочного материала 40–60 мм и высотой слоя загрузки 2–4 м

• башенные (большой высоты), имеющие крупность фракций загрузочного материала 60–80 мм и высоту слоя загрузки 8–16 м

Капельные биофильтры. В капельном биофильтре сточная вода самотеком (или под напором) подается на поверхность биофильтра при помощи специальных распределительных устройств различного типа в виде капель или струй. Вода, отфильтрованная через загрузку биофильтра, попадает в дренажную систему и далее по сплошному непроницаемому днищу стекает к отводным лоткам, расположенным за пределами биофильтра.

Затем вода поступает во вторичные отстойники, в которых выносимая пленка отделяется от очищенной воды. Естественная вентиляция воздуха осуществляется через открытую поверхность биофильтра и дренаж.

Они предназначаются для частичной (БПК₂₀ = 25–30 мг/л) и полной (БПК₂₀ = 15–20 мг/л) биологической очистки сточной воды [9]. При нагрузке по загрязнениям больше допустимой поверхность капельных биофильтров быстро заиливается, и работа их резко ухудшается. Скорость потока сточных вод на биофильтр не должна быть слишком высокой, чтобы слой насадки не оказался под водой.

Для обеспечения необходимой скорости поступления кислорода, поступающие в систему сточные воды должны обтекать покрытую микроорганизмами насадку достаточно тонким слоем, не препятствующему дыханию аэробных микроорганизмов, находящихся на поверхности биопленки. Фильтрующий слой в капельных биофильтрах может быть выполнен из щебня или гравия (размер 25–60 мм) или отдельных конструкций, состоящих из пространственных пластмассовых элементов.

Подобные фильтры не требуют принудительной аэрации; поступление воздуха происходит через отверстия поддерживающей загрузку решетки, расположенной на дне фильтра. Данные биофильтры могут быть использованы как для очистки воды от органических загрязнений, так и для реализации процесса нитрификации — процесса окисления кислородом воздуха аммонийного азота до нитритов и нитратов за счет нитрифицирующих микроорганизмов; в последнем случае часто требуется установка биофильтра первой и второй ступеней.

Рекомендуется также использовать такие биофильтры для предварительной очистки высококонцентрированных сточных вод. Капельные биофильтры обеспечивают снижение БПК сточных вод до 80 %, содержание БПК в очищенных сточных водах — менее 30 (мг⋅О2)/дм³ (в СНиП 2.04.03–85, пункт 6.129, указывается, что остаточная концентрация загрязнений сточных вод по БПКполн может быть принята 15 (мг⋅О2)/дм3), а аммонийного азота — менее 2 мг/дм³.

Недостатки капельного биофильтра, которые могут проявляться в период эксплуатации: возможность заиления загрузки; чувствительность к колебаниям температуры; невозможность достижения низких значений БПК в очищенной сточной воде даже в случае низкой нагрузки по органическим загрязнениям; сравнительно высокие капитальные затраты.

Высоконагружаемые биофильтры. Высоконагружаемые биофильтры отличаются от капельных большей окислительной мощностью, равной 0,75– 2,25 кг БПК/(м³⋅сут.), обусловленной лучшим обменом воздуха и незаиляемостью загрузки, что достигается применением загрузочного материала крупностью 40–70 мм, увеличением рабочей высоты загрузки до 2–4 м и гидравлической нагрузки до 10–30 м3/(м³⋅сут.).

Высоконагружаемые фильтры применяются при расходах сточных вод 30– 60 тыс. м³/сут.; при обосновании применение высоконагружаемых биофильтров допускается на водоочистных сооружениях большей пропускной способности. Находят применение в качестве биологических окислителей в комплексе сооружений, предназначенных для очистки бытовых и производственных сточных вод.

Высоконагружаемые фильтры могут быть с естественной и искусственной аэрацией, последние обозначаются аэрофильтрами, в которых активный ил находится во взвешенном состоянии. Их конструктивными отличиями являются большая высота слоя загрузки, большая крупность ее зерен и особая конструкция днища и дренажа, обеспечивающая возможность искусственной продувки материала загрузки воздухом.

Междудонное пространство, в которое подается вентиляторами воздух, должно быть закрытым. Особенностями эксплуатационного характера являются необходимость орошения всей поверхности биофильтра с возможно малыми перерывами в подаче воды и поддержание повышенной нагрузки по воде на 1 м² площади фильтра. Материалом загрузки высоконагружаемых биофильтров является антрацит, сланец, пемза, гравий, щебень со средним диаметром частиц 40–60 мм.

Направление потока обрабатываемой сточной воды может быть как нисходящим, так и восходящим. Если аэрофильтр рассчитывается с учетом нитрификации, то определяемыми параметрами являются нагрузка по аммонийному азоту, выраженная в килограммах NН₄–N/м³ загрузки в сутки (0,3–2,0 кг NН₄–N/м³ загрузки в сутки и гидравлическая нагрузка — 3–15 м³/ м² в час.

При правильном проектировании аэрофильтра удаление загрязнений из сточных вод по БПК5 может достигать 90 % и более (БПК₅ очищенной воды менее 20 (мг⋅О₂)/дм3; концентрация взвешенных веществ — 25 мг/дм3 и менее). При осуществлении процесса нитрификации, содержание аммонийного азота в очищенной воде составляет менее 2 мг/дм3; взвешенных веществ — менее 15 мг/дм3. Затраты энергии для функционирования аэрируемых биофильтров сопоставимы с затратами для систем с активным илом.

Аэрофильтры имеют незначительную чувствительность к колебаниям температуры, стабильное качество очищенной водыНа многих промышленных предприятиях, использующих для биологической очистки сточных вод на биофильтры подается вода с БПК₂₀ более 300 мг/л и значительным содержанием взвешенных веществ (свыше 100– 150 мг/л), что ведет к заиливанию биофильтров.

Заиливанию биофильтров способствует присутствие в сточных водах жиров, масел, мазута, нефтепродуктов, остатков растительной и животной пищи (сточные воды мясокомбинатов, масломолочных заводов, птицефабрик и др.). Избыточную биомассу необходимо подвергать промывке 1 %-м раствором (HClO + HCl) или 1 %-м Са(Сl)OCl для предотвращения гниения.

Высоконагружаемые биофильтры могут обеспечить любую заданную степень очистки сточных вод, поэтому применяются как для частичной, так и для полной их очистки. Согласно многим исследованиям, при одинаковых условиях (одинаковая высота и крупность загрузки, характер загрязнений, степень очистки сточных вод и т.д.) высоконагружаемые биофильтры по сравнению с капельными имеют большую пропускную способность по объему пропускаемой через них воды, а не по количеству переработанных органических загрязнений.

Таблица 13 - Сравнение методов очистки сточных вод с помощью биофильтров и активного ила