Биологическая очистка сточных вод: основные методы и их особенности

Биологические методы очистки сточных вод (СВ) – эффективный способ удаления органических загрязнений – ценного источника энергии для бактерий и простейших микроорганизмов.

Очистные комплексы и установки, работающие по принципу биологического разложения органики, оптимальны для обработки стоков предприятий пищевой промышленности, хозяйственно-бытовых вод в коттеджных поселках и изолированных базах отдыха, на территориях заповедных зон.

Рассмотрим, как работает эта простая и экономичная технология очистки стоков, какое оборудование применяется, а также как используемые бактерии приносят пользу, не подозревая об этом.

Понятие

СВ характеризуются различным составом, который зависит от природы их происхождения. Если в стоках наблюдается высокая концентрация растворенной органики, целесообразно использовать биологические методы очистки как наиболее эффективные при своей простоте и невысокой стоимости.

При этой биотехнологии используется активный ил – биоценоз простейших организмов и зоогенных скоплений (колоний) бактерий.

Принцип биоочистки стоков – способность микроорганизмов разрушать (минерализовать) органические вещества для собственного роста. Поэтапная обработка СВ через окисление, расщепление и последующее уничтожение органических загрязнений – результат их жизнедеятельности.

Помимо органики, микроорганизмам требуется питание для роста – азот и фосфор, которые они также получают из сточной воды. Следовательно, именно микроорганизмы поглощают органическое загрязнение в виде растворенных и твердых частиц, присутствующих в СВ.

Органика и некоторые неорганические вещества под воздействием ферментов подвергаются биохимической трансформации.

Бактериальные клетки используют полученное питание для:

1. Биологического окисления в контакте с кислородом до безвредных продуктов – воды и углекислого газа. Образующаяся в результате окислительных процессов энергия используется клетками для жизнедеятельности.
2. Синтеза новой клетки (размножения).

Микроорганизмы искусственно культивируются на полях орошения или в специальных устройствах – биофильтрах и аэротенках. Семейство микробов, используемых для БО, разнообразно и представлено многими видами. В составе биомассы присутствуют различные инфузории, амебы, коловратки.

Поглощая органику, они снижают концентрацию загрязнений по показателям БПК и ХПК. Состав биомассы зависит от качественных характеристик очищаемых стоков, условий технологического процесса.

Эта экосистема способна постоянно адаптироваться к изменяющейся среде, а также возобновлять популяцию, постоянно увеличивая массу активного ила.

Технология биологической обработки показывает высокие результаты, когда загрязняющие вещества относятся к биоразлагаемым, а в СВ отсутствуют биоцидные соединения.

Преимущества

Удаление биоразлагаемой органики, азота и фосфора из СВ с помощью биоочистки – наиболее экономичный способ, применимый для большинства категорий загрязненных сточных вод.

Другие преимущества этого способа обработки:

• несложная технология, основанная в основном на автоматизированных процессах;
• образующиеся очищенные воды не содержат химических примесей, поэтому могут использоваться повторно;
• интенсивные процессы очистки даже значительных объемов стоков не нуждаются в больших пространствах;
• при анаэробной очистке производство шлама (ила) минимально;
• может быть получен ценный энергетический ресурс – биогаз.

Применение

Экономичность и простота метода делают его наиболее целесообразным и применимым для очистки следующих категорий СВ, загрязненных органическими веществами:

• городских стоков;
• бытовых и коммунальных;
• технической воды, используемой в пищевой промышленности;
• загрязненных стоков текстильных производств;
• сточных вод с ферм и мясоперерабатывающей промышленности.

Справочник ИТС 10-2015 «Очистка СВ с использованием ЦСВ поселений, городских округов» относит биоочистку стоков к обязательным мероприятиям, которые рекомендовано проводить с применением оборудования, искусственно создающего нужные условия для эффективной обработки:

• биофильтров различных видов;
• биореакторов с биопленкой;
• аэротенков.

Естественные и искусственные методы

Аэробная

Основа БО стоков с окислением – способность микробных клеток разлагать органику в присутствии кислорода. В результате микроорганизмы достигают значительных энергетических выходов, что приводит к образованию больших объемов активного ила.

Основные виды аэробной БО:

1. Традиционный способ (активированный ил). Биомасса разрастается свободно или в суспензии, находясь внутри биореактора, образуя хлопья. Это наиболее применяемая, простая в управлении биологическая система.
2. Последовательные биологические реакторы. Пакетная операция, при которой процессы протекают поэтапно, продолжительно, в условиях одной емкости. Это приоритетный вариант для тех производств, где образуются небольшие объемы стоков с высокой изменчивостью состава.
3. Биологические мембранные реакторы. Внутри стандартной биосистемы устанавливается ультрафильтрационный мембранный модуль. Оборудование отделяет жидкость от осадка с помощью мембран, значительно превосходя результат обычных вторичных отстойников. Способ обычно применяется в условиях ограниченного пространства.
4. Реактор BioCarb. Это физико-химический и, одновременно, биологический процесс очистки СВ, который базируется на работе аэробного реактора с неподвижным загрузочным слоем из бурого угля. Гранулы угля фильтруют СВ, адсорбируют загрязнения и являются опорой для биопленки. Другая функция частиц угля – насыщать микроорганизмы минералами и микроэлементами. Метод наиболее эффективен при удалении загрязнений, которые окрашены или с трудом поддаются биологическому разложению.
5. Биологические диски.Бактериальная биомасса крепится к вращающимся биологическим контакторам. На ней последовательно формируется пленка, для которой растворимые органические примеси СВ является субстратом для метаболизма. В момент соприкосновения диска с прилипшей биомассой с воздухом микроорганизмы получают кислород, чтобы в период погружения активно разлагать органику.
6. Бактериальные фильтры. Загрязненные стоки распределяются в верхней части фильтра, в котором опорным слоем служит гравий или песок. Органика разлагается по мере прохождения СВ сквозь полости фильтра за счет роста биомассы, осевшей на частицах наполнителя.
7. Фильтры с подвижным слоем. Пленка из биомассы с микроорганизмами, которые разлагают органику, крепится на опорах с высокой удельной поверхностью, расположенных внутри биореактора с подвижным слоем.

Анаэробная

Анаэробная обработка основана на разложении органических соединений без контакта с кислородом. Производство активного ила в этом случае уступает аэробным процессам и происходит на низком уровне, поэтому может сопровождаться производством ценного биогаза.

Аэрация

Экологически безопасный метод биологической очистки заключается в искусственном насыщении сточной жидкости, поступившей в резервуары-аэротенки для окисления и разрушения содержащейся в ней органики воздухом. Используется, как правило, при работе на канализационных искусственных очистных сооружениях.

Главное в принципе аэрации СВ:

1. Снабжение аэробных микроорганизмов активного ила достаточным количеством кислорода.
2. Активное перемешивание для обеспечения контакта бактерий с органическими веществами.

Аэрация сточных вод – энергозатратный процесс, требующий 50-90% от общей мощности очистных сооружений.

Как работают станции биологической очистки?

Схема БО загрязненных органикой стоков в специальных станциях выглядит следующим образом:

1. Предварительная подготовка сточной жидкости. Обработка стоков с применением аппаратных методов нуждается в начальной водоподготовке. Ее цель – устранение механических примесей, которые способны вывести очистные комплексы из строя. Перед поступлением в блок биологической очистки взвешенные частицы удаляются с помощью решеток с отверстиями различной величины и песколовок. Частицы осаждаются в песколовке под воздействием центробежных сил во время кругового движения воды. Удаление жиросодержащих веществ производится механически в верхней части водной массы.
2. Биологическая очистка. Заключается в применении биофильтров, септиков или аэротенков. Образовавшиеся в процессе БО газы собираются в газоуловителях, а осадок – в блоке биоочистки для его концентрирования и гомогенизации.
3. Доочистка воды. Этап, на котором концентрация примесей сокращается до минимума.

Биологическая очистка СВ проводится поэтапно:

1. Анаэробный этап.
2. Аноксидная стадия.
3. Аэробный этап.
4. Отстаивание в промежуточном отстойнике.
5. Глубокая биологическая доочистка.
6. Разделение в окончательном отстойнике водно-иловой смеси.
7. Обезвоживание илового шлама.
8. Термическая сушка осадка под воздействием высоких температур.

В результате сушки объем осадка значительно уменьшается, одновременно происходит и обеззараживание.

Существует немало различных технологий температурной обработки:

• барабанные;
• ленточные;
• скребковые;
• дисковые.

Среди самых распространенных – сушильные аппараты, основанные на контактном методе сушки, при котором теплопередача осуществляется через металлический барьер без подачи воздуха.

Высушенный осадок применяется:

• как удобрение;
• как строительный материал;
• в качестве альтернативного топлива.

Необходимые условия для проведения эффективной БО с помощью активного ила:

• оптимальный баланс в СВ органического углерода, биогенных элементов (азота и фосфора), а также серы, марганца, железа, кобальта;
• выдерживание ПДК загрязняющих примесей;
• отсутствие в СВ токсичных для биомассы соединений;
• достаточный объем кислорода и требуемая интенсивность процессов аэрации;
• поддержка температурного режима;
• допустимая нагрузка на активный ил по объему загрязнений;
• продолжительность контакта биомассы и сточной жидкости;
• особенности очистных сооружений и схемы биообработки стоков.

Искусственные биологические сооружения

К современным сооружениям для искусственной биологической очистки стоков путем минерализации органических веществ бактериями-аэробами относятся следующие:

1. Септики. Устройства моделируют процессы биологического разложения примесей в почве. В аэробном варианте очистка СВ в септиках нуждается в аэрации, процессы требуют значительных энергозатрат. Анаэробное оборудование работает автономно, в результате БО активно выделяется метан.
2. Аэротенки. Это автономная система канализации, где происходит БО активным илом под воздействием кислорода. Сооружения имитируют процессы обработки стоков в биопрудах. Аэротенки могут эффективно использоваться круглогодично – это явное преимущество перед биопрудами, в которых зимой процессы жизнедеятельности биомассы приостанавливаются.
3. Биофильтры. Представляют собой бассейн с дренажом, загруженный материалом-фильтратом — щебнем, галькой, керамзитом.

Биологические пруды

Биологические пруды по сути являются искусственными объектами, но процессы очистки относятся к естественным, поскольку идентичны тем, что протекают в природных водоемах.

Это сооружения, как правило, большой площади и малой глубины, используемые для очистки и глубокой очистки СВ, загрязненных органикой.

Принцип работы биопрудов основан на способности водоема к самоочищению. Используются как аэробные, так и анаэробные методы. Обработка происходит в толще воды, а аэрация проводится естественным путем – воздухом. Развитие активного биоценоза в зимнее время снижается, при температуре ниже 6 °С процессы жизнедеятельности бактерий прекращаются.

Другие недостатки технологии:

• нужны значительные площади для очистных сооружений;
• необходимо создание и соблюдение условий санитарно-защитных зон;
• неприятные запахи вблизи прудов.

Поля фильтрации представляют собой отведенные участки с фильтрующими грунтами – суглинками и песчаными землями, заселенные колониями бактерий. Классификация аналогична биопрудам – условия естественные, но объекты – искусственно созданные.

Контакт загрязненного дренажа с подземными питьевыми источниками исключается. Создается осушительная сеть – дренаж для отведения отфильтрованных масс воды.

Какие водоросли используются для БО?

Чаще для биологической очистки стоков, в том числе и промышленных, используются зеленые нитчатые водоросли (например, кладофору — Cladophora), которые отличает высокая способность поглощения и минерализации органического вещества.

Эти водоросли обладают высокой бактерицидной активностью, значительно понижают в сточной жидкости концентрацию опасных сапрофитов, угнетают развитие дизентерийной палочки.

Биопоглотитель после использования и соответствующей обработки пригоден на корм животным, его используют как сырье для получения каротина, хлорофилла и других ценных веществ.

Какие бактерии применяют для БО?

В процессах биологической очистки участвует множество групп бактерий и простейших микроорганизмов:

• нитчатые бактерии;
• амебы;
• инфузории;
• коловратки;
• жгутиковые;
• малощетинковые черви и т. д.

Бактерии, расщепляющие органику при очистке СВ, разделяются по способу жизнедеятельности. Аэробным микроорганизмам для функционирования нужен кислород. Анаэробные бактерии развиваются в замкнутой системе без доступа воздуха.

Микроорганизмы разлагают органику, используя либо не используя кислород:

1. Аэробный метаболизм. Когда у микроорганизмов есть кислород, они обеспечены максимумом энергии.
2. Анаэробный метаболизм. Активируется только в условиях дефицита кислорода. Если клетки находятся в питательной среде, рост продолжается, но с крайне низким выходом энергии.

Биологический процесс анаэробного метода достаточно сложен. В процессе обработки участвуют различные группы бактерий, а итог жизнедеятельности одних является исходным продуктом для существования других.

Бескислородный метод требует сложных инженерных решений.

Главным преимуществом технологии с насыщением кислородом является высокая скорость очистки при малом исходном количестве бактерий.

Выбор конкретного биологического механизма очистки – аэробного или анаэробного – зависит от качественных характеристик загрязненных СВ.

Биологические фильтры

Биофильтр – одно из сооружений для БО стоков.

Большинство биофильтров построено на принципе постепенного прохождения очищаемых водных масс:

• через толщу фильтрующей загрузки, покрытой активной микробиологической пленкой, минерализующей органические вещества;
• через пространство, занятое сообществом организмов-очистителей.

Сооружение биофильтра обычно состоит из следующих элементов и узлов:

• фильтрующая загрузка в емкости или резервуаре круглой или прямоугольной формы;
• водораспределительный узел, предназначенный для равномерного орошения загрузочного слоя сточной жидкостью;
• дренажное устройство для отвода отфильтрованной воды;
• устройство для поступления воздуха, необходимого для окислительных процессов.

Главный отличительный признак биофильтров заключается в особенностях загрузочного материала:

• фильтры с объемной загрузкой (гравий, шлак, керамзит, щебень);
• фильтры с плоскостной загрузкой (пластмассы, асбестоцемент, ткань, металл).

Биофильтры с объемной загрузкой бывают:

• капельные;
• высоконагружаемые;
• башенные.

Категория определяется крупностью фракций.

Биофильтры с плоскостной загрузкой бывают:

1. С жесткой насыпной загрузкой – из керамической, пластмассовой, металлической смеси.
2. С мягкой или рулонной загрузкой, сделанной из синтетических тканей, пластмассовых пленок, сеток из металла, которые фиксируются на каркасы, опоры или укладываются рулонами.

При объемах стоков до 1 000 м³/сут используются капельные биофильтры, до 50 000 м³/сут – высоконагружаемые или башенные. Плоскостные наиболее эффективны при расходе СВ до 10 000 м³/сут.

Биологические фильтры бывают:

• одно- или двухступенчатые;
• с рециркуляцией и без нее.

Доочистка сточных вод после биологической очистки

Для доочистки воды после биологической очистки от остаточных загрязнений до нормативных значений перед сбросом в водные объекты или вторичного использования применяются реакторы доочистки.

Дополнительная обработка позволяет максимально снизить концентрацию химических элементов, таких, как:

• взвешенные вещества;
• нефтепродукты;
• фосфор;
• азотные соединения.

Также происходит снижение ХПК и БПК. Кроме того, в результате доочистки в воде значительно увеличивается уровень содержания кислорода.

Интересное видео

В данном сюжете рассказывается о методе очистки сточных вод с помощью бактерий:

Заключение

Биоочистка стоков применяется в случаях, когда их загрязнения способны разлагаться в результате биологического окисления. Такие процессы эффективны, когда микроорганизмам достаточно органики для питания и роста. Этому требованию отвечает состав хозяйственно-бытовых стоков населенных пунктов, производственных стоков сельского хозяйства и пищевых производств.

Загрязнения удаляются в процессе метаболизма микроорганизмов, при этом дорогостоящие реагенты, коагулянты и флокулянты не требуются. Метод наиболее экономичный, практически не нуждающийся в энергоресурсах – как правило, процессы осуществляются самотеком, без дополнительных перекачек.

Степень очистки выше, чем при использовании других технологий. Например, механический метод можно считать лишь предварительным, а флотационный не решает вопрос с удалением азотных соединений и других биоразлагаемых веществ.

При биологической очистке одновременно решается вопрос минерализации и сокращения объемов образования осадка. Для минерализованного осадка легче найти решение по утилизации. К примеру, он может применяться в качестве удобрения.