14 Ковальчук Очистка стічних вод

застосовується не тільки для очистки міських стічних вод, але і для очистки стоків фармацевтичної, паперової, молочної і спиртової промисловості.

Англійською фірмою ІСІ у 1977 р. запропоновані так звані шахтні аеротенки, в яких підвищена розчинність кисню повітря у воді досягалася за рахунок високого гідростатичного тиску при здійсненні процесу біологічної очистки у глибоких шахтах. Майже за аналогічним принципом працюють і так звані вежні аеротенки (аеротенки великої висоти), запропоновані фірмою «Байєр» (ФРН) у 1985 р.

Нинішній розвиток систем біологічної очистки пов’язаний, головним чином, із збільшенням концентрації активного мулу (біотенки, флототенки, реактори із завислим шаром активного мулу тощо). Розробляються також методи підвищення окислювальної здатності активного мулу шляхом застосування ультразвуку, хімічного мутагенезу, направленої селекції мікроорганізмів.

Література

1.П.Бертокс, Д.Радд. Стратегия защиты окружающей среды от загрязнений. Пер. с англ. - М.: Издательство «Мир», 1980. - 604 с.

2.Н.А.Лукиных. Роль школы С.Н.Строганова в развитии биологической очистки сточных вод в России // Водоснабжение и сан. техника. 1992. № 2. - с. 31-32.

3.Яковлев С.В., Воронов Ю.В. Биологические фильтры. - 2-е изд., перераб и доп. - М.: Стройиздат, 1982. - 120 с.

4.J.Chudoba, M.Dohányos, J.Wanner. Biologické čištení odpadních vod. - SNTL, Praha, 1991. - 465 c.

191

Розділ 8

БІОЛОГІЧНА ОЧИСТКА СТІЧНИХ ВОД У ПРИРОДНИХ УМОВАХ

8.1. Методи очистки стічних вод у грунті

Методи очистки стічних вод у грунті основані на здатності грунту до самоочищення. Самоочищення грунту зумовлюється його поглинальною спроможністю, під якою розуміють спроможність грунту затримувати розчинні, колоїдні і нерозчинні домішки. Внаслідок механічної поглинальної спроможності, яка пов’язана з пористістю грунту, затримуються нерозчинні домішки стічних вод, в тому числі бактерії і яйця гельмінтів. Завдяки хімічній поглинальній спроможності з води вилучаються ті аніони, які утворюють нерозчинні сполуки з катіонами грунту (наприклад фосфати). Біологічна поглинальна спроможність грунту полягає У використанні органічних і мінеральних домішок стічних вод організмами грунту.

Біоценоз грунту являє собою складне угруповання бактерій, грибів, актиноміцетів, водоростей, найпростіших, хробаків і личинок комах. В біологічному відношенні найбільш активним є шар грунту глибиною 20 см. Розгорнута поверхня частинок цього шару грунту площею 1 м2 складає 2,5 га. Підраховано, що сумарна поверхня мікробних клітин у цьому шарі грунту на полях зрошення приблизно складає 2,4 га [1]. Саме завдяки такій розвиненій активній поверхні механічні, хімічні й біологічні поглинальні процеси в грунті достатньо ефективні.

При фільтруванні стічних вод через шар грунту в ньому розвивається мікробна плівка, біоценоз якої складається з мікроорганізмів стічних вод і мікронаселення грунту, що пристосувалося до специфічних умов, які виникають в грунті при зрошенні його стічними водами. При цьому загальна кількість бактерій збільшується в декілька разів. Вважається, що основну частину бактеріального населення полів зрошення складають природні мешканці грунту, а більшість бактерій, які вносяться в грунт із стічними водами, відмирає під дією різноманітних фізичних, хімічних і біологічних чинників. Про це свідчить співвідношення між коковими і паличкоподібними формами бактерій у зрошуваних грунтах. В стічних водах більшість бактерії складають паличкоподібні форми, в культурних грунтах і грунтах полів зрошення переважають коки. Сумарна сира маса живих безхребетних у грунті може досягати 125-150 т/га, суха маса мікроорганізмів у орному шарі - 0,1-0,9 т/га [2].

Підраховано, що з моменту надходження на поля до моменту виходу в дренаж кожна порція стічних вод має контакт з грунтом протягом приблизно не менше 6-12 діб. Цим, а також розвиненою активною поверхнею грунту і

192

великою масою вміщених у ньому мікроорганізмів пояснюється високий ефект очистки стічних вод, що досягається на полях зрошення і полях фільтрації.

Різні види забруднень стічних вод проникають у шар грунту на різну глибину. Бактерії, віруси, яйця гельмінтів затримуються у самому верхньому шарі. Дещо глибше проникають органічні речовини і амонійний азот, ще глибше - хлориди і нітрати. Встановлено, що поверхнево-активні речовини слабко поглинаються грунтом і тому здатні проникати у дуже глибокі шари, потрапляючи в грунтові води. Крім того, знижуючи поверхневий натяг, ПАР зменшують можливість концентрації речовин на поверхні частинок грунту, іншими словами, знижують його поглинальну спроможність. В присутності ПАР бактерії, віруси і яйця гельмінтів мають можливість проникати в більш глибокі шари грунту.

Найважливішим чинником, що зумовлює швидке окислення домішок стічних вод, є кисень. Хороша аерація досягається тільки у верхньому шарі грунту глибиною 20-30 см, тому саме тут спостерігається найбільш інтенсивна мінералізація органічних речовин. Поряд із гетеротрофними бактеріями в окисленні органічних речовин приймають активну участь і гриби. Фотосинтетична активність водоростей, що розвиваються в самому верхньому шарі грунту, сприяє його аерації. В добре аерованому верхньому шарі грунту інтенсивно йдуть процеси нітрифікації. Твердий субстрат, яким є грунт, його особливі фізико-хімічні умови знижують шкідливий вплив амонійного азоту на Nitrobacter і органічних речовин на Nitrosomonas, створюючи можливість симбіотичної життєдіяльності гетеротрофних і нітрифікуючих бактерій. Нітратіон, що має велику рухливість, вільно проникає вглиб грунту, забезпечуючи можливість окислення залишкових концентрацій органічних речовин в результаті процесу денітрифікації.

Органічні речовини в грунті мінералізуються організмами трьох трофічних рівнів: перший складають бактерії і гриби, другий - найпростіші, третій - хробаки і личинки комах. Важлива функція багатоклітинних організмів грунту полягає в розкладі деяких стійких органічних сполук, таких як целюлоза і хітин. Багатоклітинні організми також інтенсифікують бактеріальне окислення, тому що розпушують грунт, сприяючи його аерації.

Стічні води, очищені на полях зрошення або полях фільтрації, при дотриманні допустимих гідравлічних навантажень практично повністю звільняються від патогенних бактерій і яєць гельмінтів. Однак санітарний стан грунту серйозно погіршується. Неспороносні патогенні бактерії зберігаються в грунті порівняно недовго, але спори ряду хвороботворних бактерій і яйця гельмінтів не втрачають життєздатності роками. З цих причин на полях зрошення рекомендується вирощувати культури, що не вживаються в їжу у сирому вигляді, головним чином трав’яні.

193

Ступінь очистки стічних вод на полях зрошення і полях фільтрації значно знижується в зимовий період в силу уповільнення і навіть припинення біологічних процесів при низьких температурах. У цей період поля всіх видів працюють здебільшого як накопичувачі стічних вод шляхом поверхневого наморожування.

Методи біологічної очистки стічних вод на полях зрошення і полях фільтрації за інтенсивністю біохімічних процесів значно поступаються аеротенкам і біофільтрам, але за якістю очищеної води вони порівнянні, а в деяких випадках забезпечують більш ефективну очистку, ніж у штучно створених умовах, особливо від біогенних елементів (табл. 8.1). Недоліком природних методів очистки є велика площа земельних ділянок, необхідних для влаштування полів, а також сезонність їх роботи.

Таблиця 8.1

Ефективність очистки господарсько-побутових стічних вод в природних і штучних умовах [1]

Окислювальна потужність грунту ще недостатньо вивчена і не може бути використана при розрахунку полів зрошення чи полів фільтрації. Ця невизначеність особливо помітна для стічних вод, що містять різноманітні виробничі домішки, присутність яких в останні роки спостерігається в стоках навіть невеликих населених пунктів через постійно зростаючу урбанізацію сільськогосподарських зон.

Слід відмітити, що в промислово розвинених країнах практично повністю відмовились від очистки стічних вод на полях зрошення і полях фільтрації, що зумовлено, крім вказаних вище, наступними причинами: поступовим накопичуванням у грунтах біологічно неокислюваних забруднень; надходженням в грунти із стічними водами речовин, які згубно впливають на флору й фауну грунтів; високою вартістю, труднощами у придбанні для очистки земель навколо населених пунктів і різким підвищенням енергетичних витрат при віддаленні таких споруд від населених пунктів; санітарною неблагонадійністю як самих цих споруд, так і вирощуваної на них сільськогосподарської продукції; практично повною відсутністю технологічного контролю і управління при очистці стічних вод у грунті; налагодженим серійним випуском малих очисних установок будь-якої продуктивності для очистки стічних вод у

194

штучно створених умовах; типізацією будівництва великих очисних споруд з використанням інтенсивних методів очистки і знезаражування стічних вод.

8.1.1. Поля фільтрації

Поля фільтрації - це сплановані горизонтально або з незначним похилом ділянки землі, поділені на карти земляними огороджувальними валиками. Стічні води розподіляються по картах за допомогою зрошувальної мережі; очищена вода, що профільтрувалася через шар грунту, відводиться за допомогою осушувальної мережі (дренажу).

При влаштуванні полів фільтрації вибирають відкриті, не затоплювані весняними водами ділянки із спокійним рельєфом місцевості й природним похилом не більше 0,02. Поля фільтрації краще влаштовувати на піщаних і супіщаних грунтах, однак їх можна влаштовувати також і на суглинистих і чорноземних грунтах, зменшуючи при цьому навантаження на них стічних вод. Важкі суглинки і глини не придатні для влаштування полів, бо вони заболочуються. Торф’яні грунти потребують попереднього осушення. Поля не влаштовують на землях, розташованих близько від місць виклинювання водоносних горизонтів.

Поля фільтрації рекомендується розміщувати нижче за течією грунтових вод від водозабірних споруд: на відстані не менше 200 м - для легких суглинків, 300 м - для супісків і 500 м - для пісків. По відношенню до населених пунктів поля рекомендується розміщувати з підвітряної сторони з розривами, розмір яких залежить від типу полів і об’єму стічних вод. Для полів фільтрації розриви (захисні зони) встановлені в залежності від витрати стіч-

них вод: до 5000 м3/добу - 300 м, 5000-50000 м3/добу - 500 м, більше 50000

м3/добу - 1000 м. По контуру полів фільтрації звичайно висаджують вербу й інші вологолюбиві дерева. Ширину смуги насаджень приймають рівною 1020 м в залежності від віддалення полів від населених пунктів.

Огроджувальні валики карт влаштовуються висотою до 1 м з укосом стінок 1:1,5 в супісках і легких суглинках і 1:2 - у пісках. При цьому різниця відміток сусідніх карт біля розділюючого валика не повинна перевищувати 0,8-1,0 м для запобігання просочуванню води з верхньої карти у нижню і сповзання укосів.

При влаштуванні полів фільтрації звичайно передбачають постійну і тимчасову зрошувальні мережі. Постійна зрошувальна мережа складається з магістрального каналу, групових розподільчих каналів і картових зрошувачів, які обслуговують окремі карти. Стічні води надходять із картових зрошувачів на поля через випуски, що влаштовуються через 30-50 м. При влаштуванні каналів на валиках ширину валика із сторони випусків на карту приймають 0,8 м, а з протилежної сторони - не менше 0,5 м. При відсутності на валиках

195

каналів їх ширину для можливості проходу по них призначають не менше 0,7

м (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Схема влаштування полів фільтрації

Канали зрошувальної системи влаштовуються з похилом до карт полів фільтрації для забезпечення можливості самопливного надходження стічних вод. Похил складає: 0,001-0,002 - для картових зрошувачів і 0,001-0,005 - для інших каналів. Магістральні і розподільчі канали можуть влаштовуватись у землі без облицювання чи з облицюванням залізобетонними плитами чи дерном. Картові зрошувачі влаштовують у вигляді лотків із залізобетону чи дерева поперечним перетином не менше 200х200 мм. В районах із суворими зимами зрошувальна система влаштовується із неметалевих труб, які вкладаються в товщу огороджувальних валиків.

Перед пуском полів фільтрації з їх робочої поверхні видаляється рослинність, поверхня зорюється і боронується для створення шару добре структурованого грунту. Після цього на поверхні карт нарізається тимчасова зрошувальна мережа у вигляді борозен чи чеків (рис. 8.2).

На поля фільтрації подаються стічні води, що пройшли очистку на решітках, у піскоуловлювачах і первинних відстійниках (тривалість відстоювання не менше 30 хв). При відстоюванні із стічних вод в осад видаляється до 50-80 % яєць гельмінтів, що знижує забруднення ними грунту в 7-10 разів. Дуже важливим є затримання у первинних відстійниках також жирів і нафтопродуктів. Не бажаним є надходження на поля фільтрації у великих кількостях миючих засобів.

Випуск стічних вод на поля фільтрації здійснюють періодично після того, як профільтрується вся вода і зневодниться верхній шар грунту товщиною до 1,5 м, що забезпечує проникнення у пори грунту атмосферного повітря. Звичайно, наступний напуск здійснюється не раніше, ніж через 2-10 діб.

196

Рис. 8.2. Зрошування карт:

а) - по борознах; б) - затопленням

Збір і відведення очищеної води, що профільтрувалася через шар грунту, здійснюється за допомогою дренажу, який для добре фільтруючих грунтів (пісок, супісок) влаштовується відкритим у вигляді дренажних каналів по периметру карт, а для погано фільтруючих грунтів (суглинок) влаштовується закритим і складається з дренажних труб, вкладених по карті на глибині 1,5-2 м, і дренажних каналів. Влаштування відкритого чи закритого дренажу на полях фільтрації є обов’язковим при заляганні грунтових вод на глибині, меншій 1,5 м від поверхні карт, незалежно від характеру грунту. Дренажна система є важливим складником полів фільтрації, бо дозволяє своєчасно відводити надлишкову вологу грунту і сприяє прониканню повітря в активний шар, без чого не може відбуватись аеробний окислювальний процес.

Дренажні канали прямокутного або трапецієподібного поперечного перетину виконують з цегли, бутового каменю, залізобетону, бетону або роблять земляними. Відстань між дренами залежить від ступеня водопроникності

197

грунту, глибини осушуваного шару, глибини закладання дрен, кількості води, що відводиться, тощо. Для попередніх розрахунків відстань між дренами у пісках приймають 16-25 м, у супісках - 12-15 м і у легких суглинках - 8-10 м. Дрени влаштовують здебільшого з неглазурованих гончарних труб діаметром 75-100 мм. Їх вкладають перпендикулярно до напрямку потоку грунтових вод з ухилом 0,0025-0,002. Між трубами залишають зазори по 4-5 мм. Під стиками вкладають глиняну подушку, згори стики перекривають толем або повстю.

Побутові стічні води, очищені на полях фільтрації, мають БПКповн 1015 мг/л, стабільність 99% (тобто практично не загнивають), містять до 25 мг/л нітратів. Кількість бактерій в процесі очистки в грунті зменшується на 9999,9% у порівнянні з їх вмістом в неочищеній воді. Спеціальне знезаражування очищених стічних вод не вимагається.

В зимовий період навіть при мінусових температурах відбувається підлідна фільтрація стічних вод. При промерзанні грунту при температурах зовнішнього повітря менше -10 °С відбувається зимове наморожування стічних вод. При цьому шар наморожених стічних вод приймається на 10 см меншим від висоти огороджувального валика. Після танення стічних вод талі води фільтруються через грунт.

8.1.2. Поля зрошення

Полями зрошення називаються спеціально підготовлені і сплановані земельні ділянки, призначені для очистки стічних вод і вирощування на них сільськогосподарських культур. При влаштуванні полів зрошення переслідують дві мети: санітарну - очистка стічних вод, і сільськогосподарську - використання стічних вод як джерела вологи і речовин, що містяться в ній, як добрива.

Використання стічних вод для зрошення, відоме з давніх часів. Особливо широке застосування воно отримало із середини дев’ятнадцятого сторіччя, коли з розвитком промисловості і зростанням міст збільшився об’єм стічних вод, що підлягають видаленню з їх території.

У Росії перші поля зрошення були влаштовані в Одесі (1887 р.), після цього у Києві (1894 р.) і, нарешті, в Москві (1898 р.). Однак в подальшому при збільшенні обсягу стічних вод поля зрошення були переведені на режим полів фільтрації, а надалі для більшої частини стоків замінені спорудами штучної біологічної очистки.

Станом на 1989 рік в Україні стічними водами зрошувалось біля 100 тис. га, що давало можливість припинити скидання у водойми 110-120 млн.м3/рік стічних вод, з яких 70 % складали очищені міські стічні води, 20% - тваринницькі стоки, 10 % - шахтні і стічні води інших промислових підприємств. Найбільшими зрошувальними системами з використанням стічних вод

198

на той час були Бортницька в Київській області (23,3 тис. га), Безлюдівська в Харківській (3,9 тис. га), Красінська, Каменська, Баглійська й ін. у Дніпропетровській, Жданівська й ін. у Донецькій (11,4 тис. га), Шкодогірська в Одеській області (1,6 тис. га) [3].

Таблиця 8.2

Вимоги до хімічного складу стічних вод (мг/л) при використанні їх для зрошення сільськогосподарських культур [3]

Придатність стічних вод для зрошення оцінюється комплексом показників: мінералізація не вище 2 г/л, нейтральна реакція, наявність елементів живлення (азот, фосфор, калій), відсутність токсичних речовин тощо. У відповідності до особливостей окремих грунтів визначені вимоги до хімічного складу стічних вод, що використовуються для зрошення (табл. 8.2). Невідповідність якості стічних вод для зрошення нормованим показникам може бути усунена шляхом попередньої підготовки води. В останні роки вимоги гігієністів до якості води, що використовується для зрошення, значно підвищилися, і у ряді випадків для зрошення дозволяється використовувати стічну воду тільки після її біологічної очистки. У цьому випадку поля зрошення виконують функцію споруд для доочистки стічних вод.

Концентрація біогенних елементів (азоту, фосфору і калію) в побутових стічних водах залежить від норми водовідведення. В середньому в них міститься 15-60 мг/л азоту, 3-12 мг/л фосфору, 6-25 мг/л калію. Біогенні елементи знаходяться головним чином в розчиненому стані: 85% від загальної кількості азоту, 60 % фосфору і 95 % калію. Співвідношення між азотом, фосфором і калієм, що містяться в стічних водах, складає 5:1:2, тоді як у гної це

199

співвідношення складає 2:1:2. Таким чином, побутові стічні води є добривом з дещо підвищеним вмістом азоту, який сприятливий для розвитку рослин.

Для зрошення можуть бути використані також виробничі стічні води, якщо вони не містять отруйних речовин в кількостях, шкідливо впливаючих на ріст рослин. Загальний вміст солей не повинен перевищувати 3-4 г/л, в тому числі біогенних - 1-1,5 г/л. При більшому вмісті солей в стічних водах вимагається їх спеціальна підготовка (розбавлення, нейтралізація тощо).

Розрізняють два види полів зрошення:

1.Комунальні поля зрошення, головним завданням яких є очистка стічних вод, а використання для сільськогосподарських цілей відіграє допоміжну роль. Експлуатація полів цього типу знаходиться у віданні комунальних органів. За конструкцією вони аналогічні полям фільтрації. Основна відмінність комунальних полів зрошення від полів фільтрації, крім вирощування

на них сільськогосподарських культур, полягає у менших навантаженнях, що складають 10-90 м3/(м2.добу). Однак ці навантаження є максимально допустимими за умовами вирощування сільськогосподарських культур (табл. 8.3). При комунальних полях зрошення влаштовуються поля фільтрації, які приймають стічні води у періоди посівної, збирання врожаю й сильних дощів. На цих же полях фільтрації здійснюється також зимове наморожування стічних вод.

2.Сільськогосподарські поля зрошення, на яких використання стічних вод для сільського господарства і їх очистка являють єдине ціле. Поля цього типу влаштовують на сільськогосподарських землях без вилучення їх у землекористувачів і залишають у віданні останніх. Стічні води подаються на поля незалежно від пори року і метеорологічних умов.

При влаштуванні і експлуатації полів зрошення будь-якого типу повинні дотримуватися певні санітарні вимоги. Зокрема, забороняється зрошувати неочищеними стічними водами поля при вирощуванні на них овочів, що вживаються в їжу в сирому вигляді.

Сільськогосподарські поля зрошення влаштовують у різноманітних кліматичних районах, за винятком північних, на грунтах, придатних для землеробства. Природний похил земельних ділянок не повинен перевищувати 0,03 (найбільш прийнятний похил 0,005-0,015), що у більшості випадків дозволяє відмовитись від попереднього горизонтального планування зрошуваних ділянок (можна обмежитися тільки вирівнюванням мікрорельєфу). У порівнянні з полями фільтрації санітарно-захисні зони полів зрошування зменшуються на 100 м.

При використанні на полях зрошення міських стічних вод вони спочатку подаються на очисну станцію, де піддаються механічній очистці на решітках, у піскоуловлювачах і первинних відстійниках. У нічний час вода надходить в регулюючі ємності. Після відстійників стічна вода самопливом чи за

200