8.2. Водоочистка.

Сточные воды, загрязненные бытовыми и производственными отхо­дами, удаляются с территории населенных мест и промышленных пред приятии системами канализации. Содержащиеся в сточных водах орга­нические вещества, попадая в значительных количествах в водоемы или скапливаясь в почвах, быстро загнивают и ухудшают санитарное состоя­ние водоемов и атмосферы, способствуя распространению различных заболеваний. Поэтому вопросы очистки, обезвреживания и утилизации сточных вод являются неотъемлемой частью системы охраны природы в целом, оздоровления окружающей человека среды и обеспечения сани­тарного благоустройства городов и других населенных пунктов.

Под качеством воды понимают совокупность и концентрацию содер­жащихся в ней примесей. К общим показателям загрязненности сточных вод относятся те, которые характеризуют общие свойства воды:

органолептические — цвет, вид, запах, прозрачность;

физико-химические—содержание нерастворимых примесей (взвешенные частицы или золи) и концентрация растворенных веществ;

химическое и биохимическое потребление кислорода (ХПК и БПК соответственно).

Совокупность этих показателей позволяет оценить общее состояние сточных вод и предложить наиболее эффективный способ их очистки.

Кроме того, в сточных водах могут присутствовать химические со­единения, которые и в очень незначительных количествах могут сильно влиять как на качество воды, так и на возможность очистки данного вида стоков. Поэтому необходим детальный анализ состава сточных вод с вы­яснением не только концентрации тех или иных соединений, но и более полным определении качественного или количественного состава загряз­нения.

Целью очистки сточных вод является удаление из них взвешенных и растворимых соединений до уровня концентрации, не превышающего допустимых норм.

В зависимости от загрязнения, уровня его концентрации будет зави­сеть и конкретная схема очистных сооружений. Основные этапы очист­ных сооружений:

механическое отстаивание сточных вод и их фильтрация;

механико-физические, включающие в себя коагуляцию, нейтрали* зацию сточных вод с последующим их отстаиванием;

физико-химические методы обработки сточных вод (ионный об­ мен, сорбция);

термические и биологические способы обработки сточных вод.

Главным действующим звеном биохимической очистки являются мик­роорганизмы, которые используют в качестве питательных веществ и источников энергии органические и неорганические соединения, содержащиеся в сточных водах. Микроорганизмы разрушают эти соеди­нения до диоксида углерода и воды и синтезируют соли азотистой и азот­ной кислот.

К основным достоинствам биохимической очистки относятся: возмож­ность удаления из сточных вод широкого спектра органических соедине­ний; автоматическая настройка системы к изменению состава и концент­рации органических соединений; относительно невысокие эксплуатаци­онные затраты.

В зависимости от видов используемых микроорганизмов очистные сооружения подразделяются на аэробные и анаэробные.

Очистные сооружения — это комплекс инженерных сооружений в системе канализации населенного пункта или промышленного предприя­тия, предназначенный для очистки сточных вод от содержащихся загряз­нений.

Целью очистки сточных вод является их подготовка к повторному ис­пользованию на производстве или к спуску в водоемы.

В универсальную схему очистных сооружений входят сооружения механической, биологической, физико-химической и дополнительной очистки.

В зависимости от степени загрязнения сточных вод схема инженер­ных сооружений может быть упрощена либо за счет отдельных компо­нентов этой схемы, либо за счет их отсутствия в общей схеме.

Схема очистки сточных вод приведена на рис. 8.2 (30.1). На этапе механи­ческой очистки из сточных вод удаляют до 75 % нерастворимых загряз­нений. Это мелкие минеральные примеси, песок, нефтепродукты, жиры и др.

Для удаления нефтепродуктов, жиров и других веществ применяются нефтеловушки, жироловки и флотаторы. Конструктивно эта установка представляет собой резервуар, в котором происходит замедление (гаше­ние скорости) движения сточных вод, особенно их поверхностной части, где и располагаются вышеперечисленные загрязнения. Если предвари­тельно не удалять жиры, нефтепродукты и пр., то они сосредоточиваются на поверхности воды, покрывая их пленкой. Эта пленка в свою очередь затрудняет доступ кислорода, нарушает работу биологических очистных сооружений.

Поверхностная пленка, а вместе с ней и загрязняющие воду компо­ненты удаляются насосами или вакуумными установками. В отдельных случаях для этих целей сточные воды подогревают.

На этом этапе из сточных вод удаляют до 95 и более процентов нефте­продуктов, жиров и пр., которые представляют ценный продукт для даль­нейшего их использования.

Из резервуара-замедлителя сточные воды поступают в здание, где с помощью решеток и сит из них извлекаются крупные и мелкие взвешен­ные частицы, которые потом дробятся и перерабатываются.

Песок и другие мелкие минеральные примеси задерживаются при пропуске сточных вод через песколовки. Применение песколовок обус­ловлено тем, что присутствие песка в отстойниках вместе с органи­ческими примесями затрудняет дальнейшую переработку этих орга­нических примесей. Песколовки представляют собой горизонтальные железобетонные конструкции, в которых песок выпадает нз сточных вод под действием сил тяжести при движении сточных вод в этих кон­струкциях.

Осевший песок перемешается на песковые площадки или бункеры, откуда вывозится и используется для планировки местности, в строитель­стве и для других целей.

После механической очистки сточная вода поступает в первичный отстойник, который служит для выделения из нее взвесей.

Отстойники — это резервуары или бассейны для удаления из сточных вод взвешенных примесей осаждением их под действием силы тяжести. Отстойники бывают вертикальные и горизонтальные. Отстойники очист­ных сооружений оснащаются вспомогательной системой для постоянно­го удаления осадков во избежание их загнивания.

Сырой осадок с первичного отстойника поступает в приемник ила 14. В дальнейшем этот ил разбавляется водой и подвергается сепарации. Вода сепарации с содержащимся в ней активным илом направляется в аэротенки 6, 7. Сгущенный осадок сепарации поступает в илонакопители и в дальнейшем используется как удобрение.

В случае необходимости в отстойники подаются биогенные элементы (азот и фосфор), необходимые для жизнедеятельности микроорганизмов и аммиачная вода для создания определенной кислотности в сточных во­дах.

При концентрации в сточной воде примесей выше предельно допус­тимого ее усредняют биологически очищенной водой.

Биологическая очистка сточных вод — это способ очистки, заключа­ющийся в биологическом разрушении микроорганизмами загрязнений органического происхождения, растворенных и эмульгированных в сточ­ных водах. Микроорганизмы (бактерии) используют эти загрязнения как источник питания и энергии для своей жизнедеятельности. Часть энер­гии идет на процессы синтеза клеточного вещества, т.е. на увеличение массы бактерий (количества активного ила) и биологической пленки в очистных сооружениях.

Период расширения промышленного использования микроорганизмов совпал по времени с периодом пристального внимания человека к эколо­гии и охране окружающей среды.

При рассмотрении связанных с биотехнологией экологических про­блем необходимо учитывать, что основной целью современной биотех­нологии является очистка воды от загрязнений и утилизация всевозмож­ных отходов агропромышленного комплекса.

Несмотря на постоянное совершенствование методов химической очи­стки сточных вод, результаты их далеки от желаемых. Добиться опти­мальных результатов можно только при использовании биологических методов очистки вод. Эти методы очистки основаны на использовании специфических биологических сообществ, носящих общее название ак­тивного ила, для глубокой утилизации как органических, так и неоргани­ческих загрязнений, оставшихся в воде после осуществления всех других возможных вариантов ее очистки.

Активный ил—это совокупность популяций микроорганизмов (биоце­ноз), характеризующихся определенными отношениями как между отдель­ными популяциями внутри биоценоза, так и с окружающей их средой.

Жизнедеятельность активного ила, с одной стороны, тесно связана с комплексом веществ, загрязняющих сточные воды и являющихся пита­тельной средой и источником энергии для одного вида популяций микро­организмов, составляющих активное начало (центр) процесса конверсии (крекинга) загрязняющих воду компонентов. С другой стороны, продук­ты конверсии этой популяции являются питательной средой для других популяций и т.д.

В микробиологии питательные среды микроорганизмов называют суб­стратом, а их промежуточные продукты конверсии метаболитом.

С другой стороны, на жизнедеятельность микроорганизмов и, соот­ветственно, на их популяцию влияет способ потребления кислорода. Одни микроорганизмы (аэробы) способны жить и развиваться только при наличии свободного кислорода, другие (анаэробы) способны жить и разви­ваться при отсутствии свободного кислорода, получая его расщеплением органических и неорганических веществ.

На взаимоотношения микроорганизмов, рост и снижение отдельных популяций активного ила влияют состав сточных вод, его возможные из­менения, продукты конверсии различных популяций, влияние внешней среды (сезонные колебания температура, насыщенность кислородом и т.п.).

Возможно не только тесное сожительство различных популяций мик­роорганизмов (симбиоз) и антагонизм между отдельными группами, но также и взаимодействие их по принципам: аменсализма — когда форма взаимоотношений между микроорганизмами полезна для одного вида, но вредна для другого; комменсализма—сожительство одних популяций за счет других без причинения им вреда.

На формирование ценозов активного ила оказывают сильное влияние сезонные колебания температуры, обеспеченность кислородом, фосфо­ром, азотом и др.

Существенная роль в создании и функционировании активного ила принадлежит простейшим микроорганизмам. Они не принимают непос­редственного участия в потреблении загрязняющих компонентов сточ­ной воды, но регулируют видовой и возрастной состав микроорганизмов в активном иле, поддерживая его на оптимальном уровне: поглощают большое количество бактерии в основном старых ослабленных форм, облегчая появление молодых, биологически активных особей.

Роль всех перечисленных выше параметров формирования активного ила делает процесс достаточно сложным и практически не воспроизво­димым: даже для стоков, имеющих одинаковый состав, но возникающих в разных регионах, невозможно получить одинаковые биоценозы актив­ного ила.

Формирование биоценозов очистных сооружений — процесс доста­точно длительный, протекающий практически независимо от условии проведения очистки. Заселение очистных сооружений, работающих под открытым небом, происходит постоянно. Микроорганизмы, попавшие в очистные сооружения извне, вступают в конкурентную борьбу за субстрат (питательную среду), при этом выигрывают в первую очередь те формы, которые способны с большей скоростью утилизировать органические соединения сточных вол.

Адаптация активного ила происходит постоянно, возникают новые и новые формы организмов, более активных в утилизации загрязнений сточ­ных вод, вытесняя менее активные старые формы.

В технологическом аспекте для ускорения образования естественных ценозов очистных вод в качестве начальной стадии реализуют активный ил с уже работающих очистных сооружений.

Стадия биологической очистки происходит в аэротенках, хотя частич­ная биологическая очистка начинается уже на предшествующих этапах.

Аэротенки — сооружения для биологической очистки сточных вод, представляющие собой бетонные или железобетонные резервуары, раз­деленные перегородками на ряд коридоров (ширина коридоров 8—10 м, высота 4—5 м, длина до 150 м). В аэротенки подаются сточные воды, активный ил и воздух для снабжения активного ила кислородом и его тщательного перемешивания со сточными водами.

Сточные воды, протекая по аэротенку, очищаются микроорганизмами активного ила от загрязнений. Продолжительность пребывания сточных вод в аэротенках колеблется в пределах б—10 часов в зависимости от степени загрязненности сточных вод, влияния внешних условий, напри­мер, температуры и др.

Конструктивно аэротенки отличаются друг от друга способом пере­мешивания активного ила со сточными водами и воздухом, а также фор­мой течения сточной воды с илом. Именно форма течения жидкости яв­ляется определяющей при выборе конструкций аэротенков.

Различают турбулентную и ламинарную формы течения жидкости.

Ламинарное — это упорядоченное течение жидкости. Сточные воды перемешаются как бы слоями, параллельными направлению течения. Скорость движения жидкости стабильна по всему объему ее движения.

Турбулентное движение (от лат. turbulentus — бурный, беспорядоч­ный) —это такая форма течения жидкости, при которой все ее компонен­ты совершают неупорядоченное движение по сложным траекториям, что приводит к интенсивному перемешиванию слоев. Для турбулентного дви­жения характерна неравномерная скорость движения жидкости по всему ее объему, причем наибольшей скорости достигает жидкость у стенок корпуса, снижаясь при перемещении к центру.

В зависимости от гидродинамических режимов движения сточных вод в аэротенках они подразделяются: на аэротенки вытеснения, смешения и сложного типа. Схема этих аэротенков приведена на рис. 8.3(30.2).

Гидродинамические режимы движения сточных вод в аэротенках вли­яют в первую очередь на физиологическое состояние популяций микро­организмов и, следовательно, на скорость и глубину потребления субстра­та, которым являются загрязнения в сточной воде.

В аэротенках-вытеснителях развитие популяции микроорганизмов происходит под влиянием турбулентности движения сточных вод и имеет нестабильный характер. Поступающий активный ил имеет определен­ный исходный состав популяций. Вначале, после контакта со сточной водой, развиваются те формы популяций, которые потребляют наиболее легко усвояемые компоненты загрязнений. Концентрация загрязнений в сточной воде по мере ее продвижения снижается, одновременно в актив­ном иле увеличивается концентрация клеток этой популяции.

Остальные формы микроорганизмов на данной стадии остаются в пассивном или малоактивном состоянии: если и потребляют субстрат, то с меньшей скоростью.

Когда концентрация легкоусвояемых компонентов начинает падать, падает и рост соответствующих популяций микроорганизмов. Возраста­ет активность другой популяции, которая питается метаболитом (продук­том) первой популяции и т.д.

Турбулентное движение сточных вод, их различных слоев приводит к нарушению пропорции различных популяций в активном иле — умень­шению первых видов микроорганизмов и росту следующих, что в конеч­ном счете приводит к снижению активности активного ила в целом и, соответственно, его способности к очистке сточных вод, особенно при возрастании концентрации загрязняющих компонентов в сточной воде.

Нарушение пропорций в активном иле исправляется за счет саморегу­лирования активного ила и увеличения времени нахождения сточных вод в аэротенках либо за счет разбавления сточных вод очищенной водой.

Этих недостатков лишен аэротенк-смеситель, поскольку сточная вода, попадая в аэротенк, практически мгновенно распределяется по всему объему. При этом концентрация загрязнений снижается до стационарных значений. Движение сточных вод становится ближе к ламинарному, чем турбулентному. Соответственно, сохраняются оптимальные пропорции между популяциями микроорганизмов в активном иле.

Наиболее эффективны аэротенки сложного типа, которые аккумули­руют преимущества первых двух аэротенков: высокую эффективность смешения активного ила со сточной водой за счет турбулентности ее дви­жения в первом аэротенке и высокую скорость распространения актив­ного ила во всем объеме второго аэротенка.

Из аэротенков очищенная вода и активный ил подаются во вторичный отстойник, где происходит отделение активного ила от воды. Как прави­ло, в этот отстойник очищенная вода с микроорганизмами подается под давлением в его нижнюю часть. В отстойнике предусмотрено постоянное удаление активного ила.

Дополнительная очистка сточных вод от микроорганизмов осуществ­ляется в открытом канале реагентной обработкой — хлорированием или озонированием.

Конечным этапом очистки сточных вод является буферный пруд, из которого вода поступает либо для повторного использования в техноло­гическом процессе, либо для сброса ее в естественные водоемы.

Часть активного ила (суспензия) поступает в регенератор (эрлифтка-меру). Интенсивная аэрация активного ила кислородовоздушной смесью приводит к расширению его способности конверсировать органические примеси сточных вод, которые трудно утилизируются микроорганизма­ми активного ила без этой регенерации.

Другая часть ила поступает на иловые площади с последующим его использованием в качестве удобрения или для сбраживания в метантен-ках.

Очистка сточной воды биофильтрами.Биофильтр представляет собой круглый или прямоугольный резерву­ар с двойным дном, наполненный пористым заполнителем. В качестве заполнителя используют керамзит, щебень, шлаки и др. Высота фильтру­ющего слоя составляет 1,5—2 м. Крупность фракции заполнителя колеб­лется от 30-50мм в верхнем слое до 60—100 мм нижнего подстилающего слоя. Высота между днищами не менее 0,4 м.

При прохождении сточной воды через заполнители на его поверхнос­ти образуется биологическая пленка из скоплений бактерий, грибков, окис­ляющих и минерализующих органические вещества сточной воды. Схе­ма биофильтра приведена на рис. 8.4 (30.3).

В биофильтрах микроорганизмы находятся в неподвижном состоянии, прикрепляясь к поверхности пористого материала. В верхнем слое филь­трующего слоя накапливаются микроорганизмы, которые способны ути­лизировать органические загрязнения с большой скоростью. При этом группы микроорганизмов образуют совместные популяции, объединен­ные общей оболочкой, закрепленной на пористом носителе. Продукты конверсии (крекинга и синтеза) популяции верхнего слоя биофильтра яв­ляются питающей средой для следующего фильтрующего слоя (популя­ции микроорганизмов) и т.д. В самом нижнем слое, как правило, распо­лагаются простейшие микроорганизмы, питательной средой которых являются омертвленные, оторвавшиеся микроорганизмы верхних слоев биофильтра.

Насыщение кислородом микроорганизмов биофильтра осуществля­ется двояким способом: продувкой воздухом (или кислородовоздушной смесью) фильтрующего слоя; насыщением кислородом очищаемой воды путем ее разбрызгивания (фонтанированием).

Преимущество применения биофильтров состоит в том, что форми­рование конкретно га биосинтеза приводит практически к полному унич­тожению органических примесей.

К недостаткам биофильтров относится ограниченность их примене­ния. Ограничивающими факторами являются пропускная способность фильтра и степень загрязнения сточных вод.

Использование сточных вод с высокой степенью загрязнения, значи­тельно превышающей нормативы для данного фильтра, может привести к полному и частичному уничтожению биологической пленки. К анало­гичным результатам может привести и увеличение объемов подаваемой сточной воды.

Сточная вода, подаваемая в биофильтры, как и в случае аэротенков, должна очищаться от взвешенных частиц (особенно песка). В противном случае каналы биофильтров забиваются, происходит их заклинивание и т.п.

Биологическая очистка сточных вод в аэротенках и биофильтрах от­носится к интенсивным методам очистки. В последнее время все боль­шее применение находят аэротенки с элементами биофильтров, значи­тельно повышающих эффективность работы этих аэротенков. С этой це­лью на пути движения сточных вод в аэротенках устанавливаются одно за другим неподвижные устройства, например, в виде ершей. Они не пре­пятствуют движению сточных вод, и на них по принципу и подобию био­фильтров образуются биопленки микроорганизмов, повышающие эффек­тивность работы аэротенков.

Экстенсивные методы очистки сточных вод. Несмотря на высокую эффективность интенсивных методов очистки, до сих пор еще широко применяются и экстенсивные методы очистки. К таким методам очистки сточных вод относится их очистка в биологичес­ких прудах, на полях фильтрации и орошения.

В биологических прудах очистка сточных вод осуществляется под действием биоценоза активного ила. Формирование активного ила в био­прудах аналогично его формированию в аэротенках и биофильтрах, но носит специфичный характер. Популяции микроорганизмов в биопрудах располагаются в виде слоев в зависимости от способов потребления кис­лорода (в свободном или связанном состоянии) и степени насыщения воды свободным кислородом. Так, в верхних слоях, где насыщение воды кис­лородом максимально, развиваются в основном аэробные культуры. В придонных слоях, где практически отсутствует кислород в свободном виде, в основном развиваются анаэробные формы микроорганизмов, получаю­щие энергию для своей жизнедеятельности расщеплением (крекингом) органических и неорганических веществ.

Промежуточные слои между верхними (аэробными) и нижними (ана­эробными) составляют так называемые факультативные (условные) мик­роорганизмы. Эти микроорганизмы способны развиваться как при отсут­ствии свободного кислорода, так и при его наличии.

К недостаткам применения биопрудов следует отнести: 1) низкую ско­рость очистки сточных вод; 2) неуправляемость этих процессов биочист­ки; 3) большие площади, занимаемые биопрудами, особенно при крупно­тоннажных производствах.

Все эти перечисленные недостатки ограничивают применение био­прудов для биологической очистки сточных вод.

Биофильтром является и сама земля, в почве которой формируется биоценоз. В верхних слоях почвы (25—30 см), которые доступны для сво­бодного кислорода, формируются аэробные формы организма, и в этих слоях происходит интенсивная минерализация органических соединений, необходимых для роста растений.

В нижней части почвы располагаются анаэробные микроорганизмы. На обрабатываемых землях образуется большое количество нитратов, которые с потоком жидкости поступают в нижние горизонты и разруша­ются анаэробными микроорганизмами. Выделяющийся при этом кисло­род используется для очистки поступающих в эти слои органических ве­ществ.

Анаэробная очистка сточных вод применяется для сбраживания вы­сококонцентрированных стоков, сырого остатка из первичных отстойни­ков и избыточного активного ила из вторичных отстойников. Для сбра­живания используют также крупные примеси механической очистки сточ­ных вод (фекалии и др.).

Анаэробные процессы осуществляются в метантенках — железобе­тонных резервуарах значительной емкости (до нескольких тысяч м3) с помощью анаэробных бактерий без доступа воздуха. Схема метантенка приведена на рис 8.5 (30.4).

Процесс сбраживания отходов сточных вод — это процесс анаэроб­ного расщепления органических веществ, преимущественно углеводов, происходящий под влиянием микроорганизмов или выделяемых ими фер­ментов.

В ходе брожения в результате сопряженных окислительно-восстано­вительных реакций освобождается энергия, необходимая для жизнедея­тельности микроорганизмов и образования химических соединений, ко­торые микроорганизмы используют для биосинтеза. В первой фазе сбра­живания из углеводов, жиров и белков отходов сточных вод образуются жирные кислоты, водород, аминокислоты и пр. Во второй фазе происхо­дит разрушение кислот с образованием преимущественно метана и угле­кислого газа.

В метантенке происходит снижение концентрации органических заг­рязнений в отходах или сточных водах с образованием биогаза. Поэтому метантенки целесообразно использовать и как первую ступень очистки высококонцентрированных стоков с последующей их аэробной доочисткой.

Активное использование метаногенеза при сбраживании органичес­ких отходов является одним из наиболее перспективных путей совмест­ного решения экологических и энергетических проблем, который позво­лит, например, агропромышленным комплексам перейти на самостоятель­ное энергоснабжение. Вопросы технологического оформления процессов метаногенеза — одна из важнейших задач современной промышленной биотехнологии.