Биохимические методы очистки сточных вод. Учебное пособие

лепользователей, которые обязаны круглогодично и круглосуточно принимать сточные воды и утилизировать их.

Земледельческие поля орошения принимают небольшую нагрузку сточных вод на единицу площади и требуют меньше затрат на их планировку и оборудование по сравнению с коммунальными полями орошения.

В сточных водах населенных мест содержатся химические вещества, необходимые для питания растений (азот, фосфор, калий, кальций и др.), большая часть которых находится в растворенном состоянии, вследствие чего они легко усваиваются корнями растений. Соотношение между основными элементами питания растений – азотом, фосфором и калием – в сточных водах составляет 5:1:2, в то время как в навозе это соотношение 2:1:2. При выпадении взвешенных частиц в отстойниках фосфора становится еще меньше. Таким образом, сточные воды представляют собой ценное удобрение с увеличенным содержанием азота, способствующего развитию вегетативной массы.

Направление сточных вод для орошения без предварительного отстаивания приводит к задержанию на поверхности почвы содержащихся в сточных водах взвешенных и жироподобных веществ. Это влечет за собой закупорку пор почвы, что затрудняет или вовсе прекращает доступ кислорода воздуха в почву и нарушает процесс минерализации органических загрязнений сточных вод. Следовательно, с агрономической точки зрения целесообразно сточные воды до направления на поля орошения предварительно подвергнуть осветлению в отстойниках. Это важно также и с санитарной точки зрения. При отстаивании в течение 1–2 ч можно освободить сточные воды на 75–95 % от гельминтов, которые выпадают вместе с осадком на дно отстойников и отличаются наибольшей выживаемостью из всех патогенных микроорганизмов, которые могут жить в почве на глубине 2 см около полутора лет. Поэтому на полях орошения по санитарным правилам запрещается орошение сточными водами овощей, употребляемых в пищу в сыром виде (морковь, редис, лук, репа, брюква, петрушка и т. п.). Для всех работающих на полях орошения обязательно соблюдение личной гигиены во избежание заболевания желудочно-кишечными болезнями и заражения глистами. Персонал, имеющий отношение к полям орошения, си-

61

стематически подвергается профилактическому осмотру и прививкам от инфекционных болезней [7].

Отстаивание сточных вод незначительно снижает их удобрительную ценность, но зато позволяет увеличить нагрузку сточных вод на поля.

Производственные сточные воды также могут быть подвергнуты биологической очистке на полях орошения и полях фильтрации при условии, если их состав идентичен бытовым сточным водам, и если они не содержат токсических и ядовитых веществ.

Поля фильтрации также предназначены для биологической очистки сточных вод. В отличие от полей орошения на них не выращиваются сельскохозяйственные культуры, поэтому они принимают нагрузку значительно большую, чем поля орошения.

Коммунальные поля орошения и поля фильтрации состоят из карт, представляющих собой отдельные участки, спланированные горизонтально или с небольшим уклоном и ограниченные по периметру земляными валиками. Обычно для коммунальных полей орошения и полей фильтрации выделяются участки с естественным уклоном не более 0,02, не затопляемые весенними водами.

Пригодность почвы для орошения характеризуется ее проницаемостью и влагоемкостью. Наиболее благоприятными для орошения являются пески, супеси, суглинки и черноземы в структурном или агрегатном (соединение частиц в комочки) состоянии. Примесь пылевидных частиц в почве уменьшает их фильтрационную способность и воздухопроницаемость из-за уменьшения пустот в почве. Непригодны для устройства полей орошения глинистые почвы, тяжелые суглинки и солончаки, а для полей фильтрации – торфяные и глинистые почвы, а также солончаки. Все грунты делятся на одиннадцать групп. Для каждой группы грунтов рекомендуются инженерные мероприятия при устройстве на них полей орошения и полей фильтрации, а также нормы нагрузки сточных вод.

Санитарно-защитные зоны (разрывы) между населенными пунктами и полями зависят от количества сточных вод, поступающих на очистку. Так, для полей фильтрации эти разрывы составляют при количестве сточных вод в сутки, направляемых на поля, от 0,2 до 5 тыс. м3 – 300 м; более 5 до 50 тыс. м3 – 500 м и более 50 до 500 тыс. м3 – 1000 м. Для полей орошения эти разрывы соответственно составляют 200, 400 и 1000 м [3].

62

Поля орошения и поля фильтрации следует располагать таким образом, чтобы избежать загрязнения сточными водами грунтовых вод, служащих источниками водоснабжения.

Сточные воды поступают на карты полей орошения и фильтрации по системе открытых каналов и лотков, называемых оросительной сетью. Эта сеть состоит из магистральных, распределительных и картовых оросителей.

Профильтровавшаяся (очищенная) жидкость собирается и отводится при помощи дренажа. Дренаж может быть открытый, устраиваемый в виде канав по периметру карт, и комбинированный, состоящий из закрытого дренажа в виде труб, уложенных по карте на глубине 1,2–2 м, и канав. Система дренажа и канав, служащая для отвода очищенных сточных вод, называется осушительной сетью.

Сточные воды канализации населенных мест, очищенные на полях орошения или фильтрации, имеют стойкость до 99 %, т. е. не загнивают, БПК 10–15 мг/л, содержат нитратов до 25 мг/л. Количество бактерий уменьшается на 99–99,9 % по сравнению с содержанием их в исходных сточных водах [5]. Такие показатели характеризуют весьма высокую степень очистки сточных вод. Таким образом, сточные воды, очищенные на полях орошения или фильтрации, не нуждаются в дезинфекции, что применяется при биологической очистке в искусственно созданных условиях.

24. БИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРУДЫ

Биологические пруды представляют собой неглубокие земляные резервуары, в которых осуществляется биологическая очистка сточных вод. При этом в прудах происходят те же процессы, что и при самоочищении водоема. Биологические пруды работают лишь при температуре сточных вод не менее +6 °С; при понижении этой температуры и в особенности после образования ледяного покрова они практически выходят из строя. Поэтому в средней полосе России они могут эксплуатироваться 4–5 месяцев, а в южных районах – 7–9 месяцев [2].

Биологические пруды могут быть использованы как самостоятельные сооружения при необходимости сезонной очистки сточных вод или для их доочистки после прохождения через другие сооружения для биологической очистки.

63

Биологические пруды устраиваются следующих типов:

1)пруды для биологической очистки отстоенных сточных вод;

2)пруды для доочистки биологически очищенных сточных вод;

3)рыбоводные пруды.

Первый тип прудов устраивается в виде 4–5 серий на местности, имеющей уклон, и располагаемых ступенями так, что вода из верхнего пруда направляется в нижерасположенный.

Впервом по движению жидкости пруде установлены поперечные стенки из фашин или плетня, которые улучшают распределение жидкости и удерживают плавающие вещества. Валики, разделяющие пруды, имеют по верху ширину 1–1,5 м.

Впоследних двух прудах сточные воды содержат растворенный кислород, поэтому в них можно разводить рыбу. Из последнего пруда вода выпускается при помощи шахтных водосбросов. Кроме перепусков, в прудах на уровне их дна устраивают запасные выпуски

вотводную канаву, которые используются при их опорожнении. Второй тип прудов устраивается в виде 2–3 серий и также мо-

жет быть использован для разведения рыбы.

В третьем типе прудов сточные воды разбавляются чистой водой в соотношении 1:3 до 1:5. Вода для разбавления забирается из ближайшего водоема.

Биологические пруды проектируются на слабо фильтрующих грунтах. Средняя глубина воды в прудах принимается в зависимости от местных условий от 0,5 до 1 м. При этом дну пруда придают уклон в сторону течения воды. Площадь пруда обычно составляет 0,5–2,5 га [3].

Расчетная нагрузка на пруды принимается для отстоенных сточных вод без разбавления до 250 м3/га в сутки и для биологически очищенных до 5000 м3/га в сутки или по величине реаэрации, принимаемой из расчета 6–8 г кислорода в сутки на 1 м2 пруда, в зависимости от климатических условий. Время пребывания сточных вод в прудах в зависимости от величины нагрузки колеблется от 2,5 до 10 суток.

Весной в пруды пускают мальков карпа, общий прирост веса которых за сезон составляет от 0,3 до 1 т на 1 га прудов.

При разведении рыбы, кроме биологических прудов, устраивают зимовальные малые пруды (для сохранения рыбы), работающие

64

на чистой воде. Глубину таких прудов принимают не менее 2,5 м, а смену воды – в течение 5–7 суток.

Для предупреждения зарастания прудов ряской разводят на них уток, для которых ряска является хорошим кормом. Это повышает рентабельность хозяйства.

Очистка сточных вод может производиться и в одиночных прудах, которые могут работать как проточные, так и контактные.

Контрольные вопросы

1.Какие сооружения применяются для биологической очистки сточных вод в естественных условиях ?

2.Какие процессы протекают при очистке сточных вод на полях орошения и полях фильтрации ?

3.Какая задача решается устройством полей орошения?

4.Какие виды полей орошения различают в настоящее время?

5.Каково соотношение между основными элементами питания растений?

6.Правила техники безопасности для персонала, имеющего отношение к полям орошения.

7.Назовите условия очистки производственных сточных вод на полях орошения и полях фильтрации.

8.Состав сточных вод канализации населенных мест, очищенных на полях орошения или фильтрации.

9.Какие процессы происходят при очистке сточных вод в биологических прудах? При каких условиях работают биологические пруды?

10.Назовите типы биологических прудов.

65

РАЗДЕЛ 7. БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД В ИСКУССТВЕННО

СОЗДАННЫХ УСЛОВИЯХ

25. БИОЛОГИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ

Биологическая очистка сточных вод в искусственно созданных условиях производится на следующих сооружениях: 1) биологических фильтрах (биофильтрах) и 2) аэротенках [7].

Биологическими фильтрами называются сооружения, в которых биологическая очистка сточных вод осуществляется при их фильтрации через слой крупнозернистого материала; поверхность зерен этого материала покрыта биологической пленкой, заселенной аэробными микроорганизмами.

Сточные воды направляются на биофильтры после их осветления в первичных отстойниках. При фильтрации сточных вод через слой загрузки происходит адсорбция биологической пленкой тонкодиспергированных веществ, оставшихся в жидкости после первичных отстойников, а также коллоидных и растворенных веществ. Органическая часть загрязнений, задержанных биопленкой, подвергается биохимическому окислению (минерализации) при помощи аэробных бактерий. Кислород, необходимый для жизнедеятельности бактерий, поступает в тело биофильтра путем его естественной или искусственной вентиляции. Величину нагрузки на капельные биофильтры определяют по их окислительной мощности (ОМ). Окислительная мощность – это количество кислорода, получаемое с 1 м3 фильтрующего материала в сутки для снижения БПК, направляемых на биофильтры сточных вод. Сущность процесса биологической очистки сточных вод на биофильтрах не отличается от процесса очистки на полях орошения и полях фильтрации. Однако вследствие искусственно созданных благоприятных условий для жизнедеятельности аэробных микроорганизмов процесс биохимического окисления в биофильтрах происходит значительно интенсивнее, чем на полях орошения и полях фильтрации. Поэтому и размеры сооружений для биологической очистки сточных вод в искусственно созданных условиях во много раз меньше сооружений в естественных условиях.

66

Биологические фильтры стали впервые применяться в Англии в 1893 г. С тех пор они получили большое распространение во всем мире. В настоящее время применяются преимущественно биофильтры, на которые очищаемые сточные воды подаются непрерывно с небольшими интервалами времени, они называются непрерывно действующими.

Биофильтры непрерывного действия состоят из следующих основных элементов:

1)ограждающих стен, располагаемых по периметру биофильтра, удерживающих фильтрующий материал;

2)дренажного устройства, представляющего дырчатое дно биофильтра, на котором располагается фильтрующая загрузка;

3)сплошного днища, расположенного под дренажом на расстоянии 0,4–0,6 м, благодаря чему образуется междудонное пространство;

4)фильтрующей загрузки, состоящей из щебня твердых пород, гравия, керамзита, котельного шлака, пластических масс и т. д.;

5)устройства для равномерного распределения сточных вод по поверхности фильтрующего слоя с небольшими интервалами времени.

Непрерывно действующие фильтры разделяются на капельные

ивысоконагружаемые [9].

Капельные (стандартные) биофильтры применяются для полной биологической очистки сточных вод, до значения БПК20 очищенной жидкости 15 мг/л. Задержанные в биофильтре органические вещества почти полностью подвергаются биохимическому окислению. Характерной особенностью этих фильтров является небольшая нагрузка на них сточных вод: 0,5–1,0 м3 жидкости на 1 м3 фильтрующего материала. Крупность загрузки биофильтра при высоте его 2 м составляет 30–50 мм, при этом нижний (поддерживающий) слой высотой 0,2 м принимается размером 60–100 мм. Капельные биофильтры допускается применять на производительность не более 1000 м3/сут.

Высоконагружаемые биофильтры отличаются от капельных (стандартных) значительно большей нагрузкой сточных вод. Так, например, если гидравлическая нагрузка на капельные биофильтры, выраженная в м3/м2 поверхности фильтра, составляет 1,0–

67

2,0 м3/м2, то на высоконагружаемые она повышается в пределах от 10 до 30 л3/л2 в сутки. Увеличенная нагрузка приводит к большим скоростям фильтрации, способствующим постоянному выносу из тела фильтров биопленки.

Загрузка высоконагружаемых биофильтров устраивается из крупных частиц размером 40–60 мм. Это создает большой объем пор в теле фильтра. Так как вентиляция в высоконагружаемых биофильтров применяется искусственная, то обмен воздуха в них происходит значительно интенсивнее, чем в капельных биофильтрах.

Благодаря большим скоростям фильтрации и усиленному обмену воздуха в высоконагружаемых биофильтрах происходит главным образом адсорбция загрязнений сточных вод и биохимическое окисление легко окисляющихся органических веществ. Трудно окисляющиеся вещества вымываются из фильтра вместе с отмирающей пленкой. В результате биохимическая очистка сточных вод, прошедших через высоконагружаемые биофильтры, может быть неполной и полной. При этом гидравлическая нагрузка сточных вод на высоконагружаемые биофильтры в 10–30 раз больше, чем на капельные фильтры. Следовательно, окислительная мощность первых в несколько раз больше, чем вторых.

Высоконагружаемые биофильтры под названием аэрофильтры были изобретены и исследованы в СССР коллективом ученых под руководством проф. С. Н. Строганова с участием проф. Н. А. Базякиной, И. Г. Поварнина и др. В 1929 г. аэрофильтры были впервые в мире построены и введены в эксплуатацию в составе Кожуховской станции аэрации в Москве. За рубежом высоконагружаемые биофильтры, названные биофильтрами Строганова, начали применять лишь в 1936 г. Однако примерно с 1946 г., когда началась так называемая «холодная война» против СССР и стран социализма, авторство высоконагружаемых биофильтров стали приписывать Ходгсону (США) [5].

Высоконагружаемые биофильтры имеют некоторые особенности, отличающие их от капельных биофильтров.

К конструктивным особенностям относятся следующие:

1.Высота биофильтра принимается 2–4 м вместо 1–2 м для капельных.

2.Устройство междудонного пространства, огражденного глухими стенами, с гидрозатвором, обеспечивающее возможность ис-

кусственной вентиляции биофильтра.

68

К эксплуатационным особенностям относятся следующие:

1.Орошение поверхности биофильтра сточными водами непрерывное или с меньшими интервалами, чем капельного.

2.Работа на неполную (частичную) и полную очистку сточных

вод.

3.При поступлении концентрированных сточных вод необходимо их разбавление условно чистыми водами или очищенной жидкостью, что осуществляется ее рециркуляцией. При полной биологической очистке часто требуется рециркуляция сточных вод.

После высоконагружаемых биофильтров устраиваются вторичные отстойники для выделения из сточных вод вынесенной из тела фильтра биопленки.

Расчет капельных биофильтров производится по их окислительной мощности. Окислительная мощность биофильтров зависит от температуры сточных вод и наружного воздуха, характера загрязнений сточных вод, загрузки и др.

При среднегодовой температуре воздуха до 3–4 °С биофильтры любой производительности, а при среднегодовой температуре воздуха более 3–4 °С и до 4–6 °С биофильтры производительностью до 500 м3/сут размещаются в отапливаемых помещениях с пятикратным воздухообменом в час и расчетной температурой внутреннего воздуха на 2 ° выше температуры сточных вод. Биофильтры производительностью более 500 м3/сут. при среднегодовой температуре воздуха более 3–4 до 4–6 °С необходимо размещать в не отапливаемых помещениях облегченной конструкции.

Вентиляция биофильтров необходима для снабжения аэробных микроорганизмов кислородом воздуха, а также для удаления из толщи загрузки образующейся в процессе жизнедеятельности микроорганизмов углекислоты [5].

Вентиляция может быть естественная и искусственная. Движение воздуха в фильтрующей загрузке биофильтров при естественной вентиляции происходит вследствие разности температур очищаемых сточных вод и воздуха. Если температура сточных вод выше температуры воздуха, то движение воздуха в загрузке биофильтра будет восходящим от дренажа к поверхности фильтра. При обратном соотношении – нисходящий, а при равенстве температур движение воздуха становится неустойчивым и возможно прекращение доступа его в тело биофильтра.

69

Интенсивность вентиляции биофильтров зависит от их высоты и размеров зерен загрузки. Чем выше биофильтры, тем лучше в них тяга воздуха. Чем мельче зерна фильтрующего материала, тем меньше объем пустот между ними и тем больше сопротивлений при движении воздуха в фильтре.

Доступ воздуха в биофильтр обеспечивается через дренаж путем устройства отверстий или щелей в ограждающей поверхности стен на высоте междудонного пространства. Вентиляция биофильтров путем устройства ажурных стен или отверстий в них себя не оправдала, так как воздух проникает сквозь отверстия всего лишь на глубину 2–3 м от них, и при этом они способствуют дополнительному охлаждению биофильтров.

При искусственной вентиляции воздух подается вентиляторами в закрытые шатры биофильтров либо нагнетается в междудонное пространство. При этом воздух предварительно подогревается.

Температура в теле биофильтра не должна быть меньше 4–6 °С, так как при более низких температурах биохимический процесс окисления органических веществ затухает.

Биофильтры выполняются прямоугольными или круглыми в плане. Ограждающие стены биофильтров устраиваются из кирпича, бута, бетона и сборного железобетона. Толщина стен определяется по расчету. Высота их принимается на 0,5 м больше поверхности загрузки во избежание разбрызгивания сточных вод за пределы биофильтра [2].

Дырчатое днище, представляющее дренаж биофильтров, в настоящее время устраивается из железобетонных плит в виде колосниковых решеток стандартной формы. Общая площадь отверстий дренажа должна быть не менее 5–8 % площади поверхности биофильтра. Дренаж располагается на высоте 0,4–0,6 м от сплошного днища, образуя междудонное пространство, служащее для сбора профильтрованной биологически очищенной жидкости, а также для вентиляции биофильтров. Сплошное дно выполняется из бетона. Для предупреждения заиливания днища биофильтра и лотков биопленкой, вымываемой сточными водами, целесообразно предусмотреть возможность периодической промывки междудонного пространства чистой водой из брандспойта.

За рубежом (США, Канада и др.) применяют загрузку биофильтров из пластмасс: жесткого поливинилхлорида, сарана и др. Мате-

70