Биохимическая очистка сточных вод в биологических прудах

Биологические очистные пруды имитируют естественные водоемы, причем максимально усиливают их свойства, способствующие процессам самоочистки. Они неглубоки (0,5 - 1,0 м), хорошо прогреваются солнцем, что создает благоприятные условия для широкого развития водорослей, высшей растительности, простейших, автотрофных и гетеротрофных групп бактерий. Для эффективной очистки сточных вод на сооружениях искусственной очистки необходимы значительные расходы энергии, тогда как в прудах используется солнечная энергия.

Санитарный эффект работы прудов в летнее время является очень высок. Кишечная палочка погибает на 95 - 99 %, патогенные бактерии кишечной группы - полностью, окисляемость снижается на 90 %, содержание органического и аммонийного азота - на 97 %.

Биологические пруды могут работать и зимой, когда их поверхность покрыта льдом. Нужно обязательно очищать поверхность льда от снега для поступления солнечного света.

Тип биологических очистных прудов:

1. проточные пруды с разбавлением сточной жидкости речной водой;

2. проточные пруды без разбавления сточной жидкости;

3. пруды для доочистки сточной жидкости;

4. контактные пруды;

5. анаэробные пруды.

Проточные пруды с разбавлением сточной жидкости речной водой. Осветленная в отстойниках сточная жидкость разбавляется в 3 - 5 раз чистой речной водой. Эта жидкость находится в прудах около 2 - 3 недель. В прудах можно выращивать рыбу (карпа), а также разводить уток. Недостатком таких прудов является то, что необходимо строить первичные отстойники, сооружать дамбу для пруда - резервуара чистой речной воды и иметь вблизи чистую реку.

Проточные пруды без разбавления сточной жидкости. Неочищенная сточная жидкость проходит последовательно через серию из 4 - 5 прудов. В первом из них оборудуется преграда для удержания твердой фазы. В последнем, в воде которого содержится растворенный кислород, можно разводить рыбу.

Пруды для доочистки сточной жидкости. Если на станции биологической очистки нельзя обработать весь объем или требуется высокая степень очистки, используют проточные пруды для доочистки недостаточно окисленной органической фазы сточных вод. Этот тип прудов устраивается из 2 - 3 прудов и может быть использован для разведения рыбы.

Контактные пруды. Работа их прудов основана на том, что в стоячей воде, по сравнению с водой проточной, биохимические процессы проходят быстрее. Сточная жидкость подается в серию параллельно размещенных карт, причем каждый день один из прудов наполняется, а другой опоражнивается. Для территории Украины длительность контакта жидкости в прудах составляет 5 - 10 дней.

Анаэробные пруды. Сточная жидкость, которая содержит как твердую, так и жидкую фазу, поступает в глубокий пруд (несколько метров глубиной). В нем происходят анаэробные процессы. Такие пруды имеют ряд недостатков: газы брожения выделяются в окружающий воздух, есть опасность попадания патогенных микробов в грунтовые воды.

Очистные сооружения с аэробным разложением.

Биофильтры. На биологических фильтрах загрязненная вода в начале эксплуатации сооружения осветляется, и только спустя некоторое время, когда происходит обрастание частиц загрузки биологической пленкой в результате адсорбции бактерий из сточной воды, начинаются процессы биохимического окисления органического вещества. Для успешного процесса очистки необходима хорошая аэрация.

Биофильтры представляют собой сооружения, заполненные крупнозернистым не набухающим материалом, поверхность которого орошается сточной жидкостью. Орошение выполняется периодически (через 5-15 мин). Вода, которая прошла через биофильтр, вытекает через отверстия (дренаж) и стекает в лотки. Загружают фильтры щебенкой, шлаком, галькой. Эти материалы должны иметь достаточную пористость, поскольку она способствует хорошей аэрации биофильтра и максимальному контакту сточной воды с биопленкой. Аэрация фильтров может быть естественной и искусственной. Использование искусственной аэрации позволяет значительно интенсифицировать работу биофильтра (аэрофильтры).

Схема аэрируемого биофильтра: 1 - воздух, 2 – сточная вода, 3 – очищенная вода.

Эффективность работы биофильтра зависит от количества поданного воздуха, использование которого, в свою очередь, зависит от пористости заполнителя - с ее увеличением создаются лучшие условия для обеспечения биопленки воздухом.

Использование биофильтров в значительной мере зависит от климатических условий. Они плохо работают при низкой температуре и поэтому требуют утепления. Резкое изменение температурных условий, к которым адаптировались биоценозы, например, весной или осенью, приводит к огромному выносу биологической пленки из тела биофильтра. Поэтому, сравнительно с аэротенками, биологические фильтры находятся в большей зависимости от климатических условий. Биологические фильтры открытого типа строят лишь в местностях с теплым и умеренным климатом. При значительной производительности рекомендуется утеплять биофильтры при среднегодовой температуре меньше 3^оС, а если производительность не высока (500 м³/сут), утепление проводят при среднегодовой температуре 6°С.

Степень очистки сточных вод в биологических фильтрах высокая – БСК₂₀ составляет 15-20 мгО₂/л (снижение на 85-90 %).

Аэротенк - это сооружение, в котором осуществляется биологическая очистка загрязненных вод, имитирующая самоочистку в водоемах, но с большей интенсивностью. В отличие от естественной аэрации в водоеме насыщение сточной жидкости кислородом происходит в аэротенке путем нагнетания воздуха под давлением. Если в биологическом фильтре пленка прикреплена к неподвижному субстрату и омывается сточной жидкостью, то в аэротенке роль биологической пленки играет так называемый активный ил - хлопья, которые состоят в основном из бактерий во взвешенном состоянии.

Схема аэротенка: 1 – сточная вода, 2 – воздух, 3 – отстойник, 4 – очищенная вода, 5 – активный ил.

Сточные воды и активный ил поступают в длинный бетонный резервуар и двигаются вдоль него. Для поддержки активного ила во взвешенном состоянии и обеспечения окислительных процессов в смесь непрерывно подается воздух. По окончании процессов биохимического окисления органических веществ сточных вод смесь активного ила и сточных вод поступает во вторичный отстойник для отделения активного ила. Осветленная в отстойнике вода обычно после обеззараживания сбрасывается в водный объект, а активный ил направляется опять в аэротенк. В итоге может образовываться избыток активного ила, который приходится изымать.

Активный ил - это взвешенные в воде биологические хлопья, которые отличаются от биопленки биологических фильтров:

• в активном иле отсутствуют представители водорослей;

• биоценоз активного ила постоянно находится в толще воды.

В состав ила входят простейшие, бактерии, бактерии-нитрификаторы, бактерии-денитрификаторы и значительное количество грибов. К микробам, которые адсорбируются активным илом, относится вся группа кишечной палочки:

Количество организмов в массе активного ила велико - 100•10¹² в 1 м³; суммарная поверхность их равняется 1200 м³. Поэтому активный ил по адсорбционной способности можно сравнить с активированным углем, но он еще выполняет и функцию переработки загрязняющих веществ.

Изучение влияния основных физико-химических факторов на жизнедеятельность биоценозов свидетельствует, что ил является достаточно стойким к температурным колебаниям; существует при значительной амплитуде изменения рН 4,5-9,5.

В зависимости от степени очистки сточных вод аэротенки могут работать на полную или неполную очистку. При полной очистке процесс проходит в три фазы:

1) взвешенные и коллоидные вещества адсорбируются и коагулируют, окислительные процессы лишь начинаются;

2) преобладают процессы окисления, начинаются процессы нитрификации;

3) процессы окисления заканчиваются; преобладают процессы нитрификации аммонийных солей; происходит регенерация активного ила.

По полноте очистки процесс проходит в две фазы:

1) взвешенные и коллоидные вещества адсорбируются и коагулируют;

2) происходит окисление адсорбированных активным илом взвешенных и коллоидных, а также растворенных веществ.

Очистные сооружения с анаэробным разложением

Осадок (твердая фаза) сточных вод содержит 95 % воды; 5 % - это углеводы, белки, жиры и зольные элементы (белки составляют 20 %, жиры -15, углеводы – 35, зола - 10 %). С помощью биохимической переработки осадка на очистных сооружениях происходит его обеззараживание, а в также изменение структуры, которое превращает осадок в легко подсыхающее, удобное для утилизации вещество.

Биохимические процессы в естественных условиях при анаэробном брожении протекают с образованием метана, углекислого газа и воды.

На очистных сооружениях анаэробное брожение используется в септиках, двухъярусных отстойниках, метантенках.

Септики - это бассейны гниения. В них соединены процессы осаждения и сбраживания осадка.

Трехкамерный септик: 1 – подводящая труба, 2 – насыпь, 3 – труба с отверстием для прочистки, 4 – люк 5 – перекрытие, 6 – отводная труба, 7 – кладка, 8 – бетонная основа, 9. – основа из щебенки, 10 – отверстие для прохождения жидкой фазы.

После запуска септика в эксплуатацию поверхность воды в нем темная, гладкая. Это означает, что разложение осадка еще не началось. Первым признаком начала брожения является сильное выделение газов. Через несколько дней вся поверхность септика затягивается пленкой, которая потом превращается в толстую корку, и газ выделяется лишь в местах ее разрыва.

В септике происходят следующие процессы. Твердая фаза сточных вод, осев на дно бассейна, сначала не разлагается, поскольку для размножения микробов анаэробного брожения необходимо определенное время. Разложение органического вещества сопровождается интенсивным газообразованием. Пузырьки газа в результате гниения поднимаются со дна, захватывают с собой частицы осадка, выходят в атмосферу, но частицы осадка не опускаются на дно, поскольку все новые и новые пузырьки подходят к поверхности вместе с микродозами осадка. Поэтому частицы твердой фазы слипаются и образуют сначала пленку, а затем массивную корку толщиной иногда до 1 м. Корка не позволяет остыть осадку и массе воды.

Позитивные характеристики септика - простота оборудования, высокий процент задержки нерастворенных веществ и несложность в эксплуатации, негативные – неполнота разложения органических веществ из-за непрерывного поступления свежего осадка. Очищенная сточная жидкость, вытекающая из септика, содержит в своем составе все газы анаэробного разложения осадка: метан, углекислоту, водород, сероводород, аммиак, практически не содержит кислорода. К недостаткам септика относится возможность распространения неприятного запаха.

Септик – это сооружение для обслуживания небольших объектов канализации (группы домов, санаториев, лагерей и тому подобное) - до 500 лиц и объемом сточных вод до 50 м³/сут. При правильном оборудовании и эксплуатации септика он должен располагаться на расстоянии не менее 50 м от жилищ, общественных сооружений и предприятий общественного питания.

Очистка септика (один-два раза в год) из-за малых размеров проводится вручную. Сброженный осадок представляет опасность в эпидемиологическом отношении, поэтому возникают трудности с использованием его в качестве удобрений, поскольку он может стать источником распространения гельминтов и возникновения инфекций. Вывоз осадка на городскую свалку может вызывать заражение грунтовых вод. Поэтому сброженный осадок, изъятый из септика, должен быть сначала обеззаражен, что достигается подогревом в котле до 60°С в течение часа. При этом полностью погибают как возбудители острых желудочно-кишечных заболеваний, так и яйца гельминтов.

В зависимости от объемов сточных вод септики устраиваются однокамерные (до 1 м³), двухкамерные (до 10 м³) и трехкамерные (более 10 м³).

Обычно септики используются для предварительной обработки сточных вод, которые поступают на сооружения подземной фильтрации (поля подземной фильтрации, песчано-гравиевые фильтры, фильтрующие траншеи, фильтрующие колодцы).

Двухъярусные отстойники (эмшеры). В этих сооружениях устранено большинство основных недостатков септиков. Устранено попадание в жидкую фазу газообразных продуктов, которые образуются при разложении осадка.

Двухъярусный отстойник: 1 – кладка, 2 - желоб; 3 - лоток; 4 - поперечная стенка; 5 - труба для откачивания твердой фазы; 6 - обзорный колодец; 7 –заслонка; 8 - выпуск твердой фазы.

Газ, поднимающийся со дна, не попадает в сточную жидкость, которая течет по желобам. Кроме того, состав газов, достигающих поверхности, отличается от состава газов в септике. Речь идет о сероводороде, который выделятся при анаэробном разложении осадка сточных вод. Поскольку глубина эмшерного колодца намного больше, чем септика, сероводород успевает прореагировать с железом, которое всегда есть в сточных водах. В итоге образуется сульфид железа, устраняется неприятный запах, жидкость приобретает черный цвет. Реакция проходит в условиях нейтральной или слабощелочной среды; в кислой среде взаимодействия между сероводородом и железом не происходит.

Над двухъярусным отстойником обычно устраивается перекрытие для улавливания газов (метана и углекислоты). При нормальных условиях процесс брожения проходит при участии микробов, разлагающих органическое вещество по схеме

углеродсодержащие органические вещества

+

микробы

=

жирные кислоты

+

микробы

=

метан, углекислота, водород, спирты, оксид углерода

Процесс брожения осадка в двухъярусном отстойнике происходит от одного до шести месяцев. Сброженный осадок поступает для подсушивания на иловые площадки. В нем также как и в осадке септика, присутствуют яйца гельминтов и патогенные микробы, но он не имеет неприятного запаха и легко отдает воду.

Разложение органического вещества в двухъярусном отстойнике проходит интенсивнее, чем в септике.

Брожение осадка сточных вод осуществляется при невысоких температурах, в результате чего скорость разложения невелика, а выход метана незначителен. В зимний период в средних широтах сбраживание осадка являются практически невозможным и поэтому в этих районах эмшеры не используют.

Процессом брожения в двухъярусном отстойнике трудно управлять. Единственное, чем может повлиять технолог на ход процесса, - это изменением дозирования несброженного осадка и его перемешивания. Подогрев твердой фазы осуществить невозможно, поскольку, кроме осадка, пришлось бы подогревать и весь объем воды над ним.

Значительная глубина эмшера (до 11 м) увеличивает его стоимость.

Метантенки. Управление процессом брожения может быть осуществлено путем регуляции температуры, что фактически возможно лишь за отделение осадка от жидкостной фазы. Этот процесс происходит в первичном отстойнике, после чего твердая фаза направляется в особенное сооружение - метантенк, где сбраживается при искусственном подогреве.

Упрощенная схема метантенка: 1 – сбор газа, 2 – свежий осадок, 3 – горячая вода, 4 – сброженный осадок, 5 – смеситель.

Метантенк представляет собой закрытый резервуар, предназначенный для анаэробной переработки осадков, а также избыточного ила аэротенков. Интенсификация разложения органической части осадка достигается искусственным подогревом и перемешиванием осадка. Необходимым условием интенсивного брожения является постоянное перемешивание свежего осадка с общей массой зрелого. Чем более большим является объем зрелого осадка («бактериальной закваски»), тем лучше работает метантенк.

В метантенке разлагается от 40 до 60 % органического вещества; значительная часть его переходит в газ (70 % метана, 30 % углекислоты). Реализуются два типа брожения - мезофильное и термофильное. При мезофильном брожении температура сбраживаемой массы поддерживается в пределах от 30 до 35°С; при термофильном - от 50 до 55°С. Термофильное брожение позволяет интенсифицировать процесс, что делает возможным увеличение загрузки метантенка в 1,8-2,0 раза. Кроме того, при искусственном введении в бродильную массу экспериментальных метантенков очень больших доз патогенных микробов в термофильных условиях все они погибали в течении несколько часов, в то время как при мезофильном брожении жизнедеятельность их сохранялась на протяжении нескольких дней. Основной причиной гибели патогенных микробов при термофильном брожении является температурный фактор, а не деятельность микробов-антагонистов.

Осадок, изъятый из сточных вод и сброженный в метантенках, влажностью 90-97 %, перекачивается на иловые площадки. Это наиболее простой и распространенный способ подсушивания осадка до влажности 75 - 80 %. Устройство площадок бывает различно. Иногда делают крытые иловые площадки, благодаря чему не распространяется неприятный запах, не привлекаются мухи. С эпидемиологической точки зрения решающим является наличие патогенных микроорганизмов в подсыхающем осадке. Подсушенный осадок (влажность 75-80%) может быть использован как удобрение. При отсутствии грунта с хорошей фильтрующей способностью иловые площадки устраивают на искусственной основе.