Биологическая очистка

Биологическую очистку применяют для выделения тонкодисперсных и растворимых органических веществ. Основана она на способности микроорганизмов или растений использования для питания, содержащихся в сточных водах органических веществ (кислоты, спирты, белки, углеводы и т.д.) и биогенных веществ. Процесс реализуется в две стадии, протекающие одновременно, но с различной скоростью: адсорбция из сточных вод тонкодисперсных и растворенных примесей органических веществ и разрушение адсорбированных веществ внутри клетки микроорганизмов при протекающих в них биологических процессах (окислении и восстановлении). Обе стадии реализуются как в аэробных (при доступе свободного кислорода воздуха), так и в анаэробных (без доступа свободного кислорода) условиях в зависимости от видов и свойств микроорганизмов. Биологическую очистку осуществляют в природных и в искусственных условиях. Сточные воды в природных условиях очищают на полях фильтрации, орошения и в биологических прудах. Очистку бытовых и производственных сточных вод на полях фильтрации и полях орошения в настоящее время используют очень редко в связи с малой пропускной способностью единицы площади полей и с непостоянством состава производственных сточных вод, а также из-за возможности попадания на поля токсичных для их микрофлоры примесей.

Биологические пруды используют для очистки и доочистки сточных вод суточным расходом не более 6 тыс. м³. Применяют пруды с естественной и искусственной аэрацией.

Для очистки нефти с водной поверхности морей с успехом используют микроорганизмы-эпифиты, в частности бурых водорослей, которые играют большую роль в очищении акваэкосистем северных морей.

Биологические фильтры широко применяют для очистки бытовых и производственных сточных вод. В качестве фильтровального материала для загрузки биофильтров применяют шлак, щебень, керамзит, пластмассу, гравий, крупный песок и т.д. Существуют биофильтры с естественной подачей воздуха: их применяют для очистки сточных вод с суточным расходом не более 1000 м³ в сутки. Для очистки производственных сточных вод больших расходов и сильно концентрированных используют биофильтры с принудительной подачей воздуха.

Нормальный ход биологической очистки сточных вод устанавливается после образования на загрузочном материале биофильтра биологической пленки, из микроорганизмов адаптированных к органическим примесям сточных вод. Период адаптации обычно составляет 2–4 недели, хотя в отдельных случаях он может продолжаться несколько месяцев. Для оценки состава сточных вод в процессе биологической очистки используют биологическую потребность воды в кислороде (БПК) – это количество кислорода, необходимое для окисления всех органических примесей, содержащихся в единице объема сточной воды.

Объем загрузочного материала

V = (L_В – L_t ) / М ,

где L_В и L_t – БПК исходной и очищенной сточной воды, кг/м³;

М – окислительная мощность биофильтра – масса кислорода, которая может быть получена в течение суток с единицы объема загрузочного материала биофильтра, кг/(м³·сут).

Поля фильтрации – это крупные земельные участки, разделённые на секции, на которые поверхностно равномерно по трубам или открытым каналам распределяется фильтруемая сточная вода, которая, проходя через поры грунта (лучше для таких целей использовать песчаные и супесчаные почвы или гравийные грунты), отфильтровывается от разных твердых примесей. Отфильтрованная вода собирается в дренажных трубах или каналах и самотеком стекает в водоёмы.

При этом уклон поля должен быть не менее 0,002, но не более 0,003 м/100 м длины поля. На поверхности почвы по истечении некоторого времени формируется биологическая плёнка из аэробных микроорганизмов, способных минерализовать органическое вещество.

Атмосферный воздух в лёгкие грунты проникает до глубины 40 – 50 см: в более глубоких слоях минерализация осуществляется в результате жизнедеятельности анаэробных микроорганизмов. Следовательно, очищение воды на полях фильтрации осуществляется двумя видами бактерий – аэробных и анаэробных. Пруды сооружаются как для первичной биологической очистки, так и для доочистки сточных вод после биофильтров и аэротенков. Насыщение воды кислородом происходит вследствие естественной атмосферной аэрации и фотосинтеза, но может применяться и принудительная аэрация с помощью воздушных насосов.

Биофильтры – это сооружения, в которых создаются условия для интенсификации естественных биохимических процессов. Они представляют собой резервуары с фильтрующим материалом и устройством для распределения воды. Сточная вода с помощью распределительных устройств периодически разливается по поверхности фильтрующего материала, а отфильтрованная вода отводится во вторичный отстойник. По истечении некоторого времени на поверхности фильтра формируется биологическая плёнка, состоящая из различных видов микроорганизмов, которые выполняют ту же самую функцию, что и на полях фильтрации, то есть минерализуют органическое вещество, находящееся в сточной воде. Отмершая со временем биологическая плёнка смывается с поверхности водой и задерживается во вторичном отстойнике.

Аэротенк – это резервуар, в который поступает сточная вода после механической очистки, куда подаётся активный ил и осуществляется непрерывное нагнетание свежего воздуха, богатого кислородом. Образующиеся при этом хлопья активного ила представляют собой биоценоз аэробных микроорганизмов – минерализаторов (бактерий, простейших, червей и т.д.). Постоянная аэрация воды в аэротенке способствует нормальной жизнедеятельности аэробных микроорганизмов. Из аэротенка сточная вода, смешанная с активным илом, поступает во вторичные отстойники, где ил оседает на дно. Основную массу ила возвращают повторно в аэротенк, а очищенная вода подаётся в контактные резервуары для хлорирования – обеззараживания.

Аэротенки, используемые для очистки больших расходов сточных вод, позволяют эффективно регулировать скорость и полноту протекающих в них биохимических процессов, это особенно важно для очистки промышленных стоков нестабильного состава по загрязняющим веществам. Окислительная мощность аэротенков взвешенных органических соединений не превышает 1,5 кг/м³ в сутки. В зависимости от состава примесей сточных вод и требуемой эффективности очистки применяют аэротенки с дифференцируемой подачей воздуха, аэротенки-смесители с дифференцируемой подачей сточной воды и аэротенки с регенераторами активного ила.

При БПК > 0,5 кг/м³ используют аэротенки с дифференцируемой (сосредоточенной) подачей смеси сточной воды и активного ила вначале сооружения. Воздух, интенсифирующий процесс окисления органических примесей, распределяется по всей длине аэротенка равномерно. Диспергирование воздуха в очищенной сточной воде осуществляют в механических и пневматических аэротенках. Окислительная мощность аэротенков существенным образом зависит от концентрации активного ила в сточной воде. При очищении производственных сточных вод концентрация ила обычно составляет 2–3 кг/м³ по сухому веществу.

Окситенки обеспечивают более интенсивный процесс окисления органических веществ по сравнению с аэротенками за счет подачи в них кислорода и повышения концентрации активного ила. Для увеличения коэффициента использования подаваемого в сточную воду кислорода реактор окситенка обычно плотно герметизируют.

Очищенная от органических примесей сточная вода из реактора поступает в илоотделитель, в котором происходит выделение отработанного ила. При проектировании окситенков необходимо предусматривать мероприятия по обеспечению их пожаро- и взрывоопасности с учетом вредных и опасных факторов, имеющих место при эксплуатации систем с применением газообразного кислорода и полученных при окислении некоторых горючих газов.

Иногда требуется доочистка сточных вод, если по условиям отведения перед сбросом в водоём необходимо дополнительно снизить концентрацию взвешенных в ней веществ: азота, фосфора, БПК и др. Доочистка сточных вод необходима при повторном использовании их в технологических процессах (рис.7.18).

Для доочистки сточных вод от взвешенных в ней веществ используют следующее оборудование: микрофильтры, фильтры с плавающей загрузкой, установки для пенной флотации и другие.

Для снижения биологической потребности в кислороде (БПК) используют коагуляционные, сорбционные и озонаторные установки в сочетании с фильтрами. Доочистку от азота и фосфора применяют для предотвращения эвтрофирования водоёмов и обрастания трубопроводов и аппаратов различными видами водорослей. Для удаления фосфора широко практикуют реагентный метод с использованием извести, сульфатов алюминия и железа. Серьёзной проблемой является очистка сточных вод на атомных электростанциях, так как они загрязнены радиоактивными веществами. Для их очистки используются специальные очистные сооружения, обеспечивающие приемлемую по санитарным нормам (для данных производств) очистку вод (рис.7.19).

Сточная вода

Отбросы

Песок

Газ

Сжатый

воздух Избыточный активный ил

Сырой

осадок

Циркулирующий активный ил

Сброженный осадок

Хлорная вода

Выпуск

Рис. 7.18. Технологическая схема очистной станции биологической очистки сточных вод

Рис.7.19. Схема переработки жидких радиоактивных отходов

Минеральные соединения азота (нитраты, нитриты и соли аммония) удаляют с помощью физико-химических методов: обдувкой аммиака, ионного обмена, адсорбции, электролиза, озонирования, обратного осмоса, электродиализа, дистилляции и т.д.; используют и биологические методы – нитрификацию и денитрификацию (микроорганизмов-нитрификаторов и денитрификаторов).