Биологические методы очистки водных стоков

Использование и получение огромного количества продуктов в различных сферах человеческой деятельности сопровождается образованием сточных вод, загрязненных разнообразными органическими и неорганическими, в том числе токсичными, соединениями. Физико-химические показатели состава сточных вод определяются профилем промышленного предприятия, вида перерабатываемого сырья, эколого-географическими условиями места размещения предприятия. Сбрасываемые в природные водоемы стоки существенным образом влияют на качество воды, нарушают биологическое равновесие в водоемах, тем самым затрудняют рациональное водопользование, а в отдельных случаях полностью выводят водоемы из строя.

Органические вещества, попавшие в водоемы, окисляются до СО₂ и Н₂О в пределах способности водоемов к самоочищению. Количество кислорода, расходуемое в этих процессах (БПК), определяется концентрацией и спектром присутствующих в воде примесей. Различают БПК₅ (пятидневный), БПК₂₀ (двадцатидневный) и БПК_п (полный). БПК_п обозначает время, в течение которого все вещества стоков окисляются в водоеме полностью до конечных продуктов. Сточные воды представляют сложные системы с комплексом веществ, их БПК составляет от 200 до 3000 мг О₂/л. При сбросе в водоем таких сточных вод в неочищенном виде возможно полное расходование запасов кислорода. Поэтому перед сбросом сточных вод в природные водоемы их необходимо очищать до такой степени, при которой после сброса БПК остается в пределах санитарных норм.

Очистка сточных вод - это система методов, вызывающих разрушение или удаление из них присутствующих веществ, а также патогенных микроорганизмов. В процессах естественного самоочищения водоемов в большинстве случаев поступающие со стоками вещества подвергаются разрушению. В ходе этого процесса структура, свойства и концентрации веществ изменяются во времени и пространстве. В результате вода приобретает исходные свойства. Таким образом, водоемы в определенных пределах играют роль природного очистного сооружения.

Схема проведения очистки сточных вод зависит от многих факторов. Она должна предусматривать максимальное использование очищенных сточных вод в системах повторного и оборотного водоснабжения предприятий и минимальный сброс сточных вод в естественные водоемы. Для очистки стоков применяют несколько типов сооружений: локальные (цеховые), общие (заводские) и районные (городские). Локальные очистные сооружения предназначены для очистки стоков непосредственно после технологических процессов. На локальных очистных сооружениях очищают воды перед направлением их в систему оборотного водоснабжения или в общерайонные очистные сооружения. На таких установках обычно применяют физико-химические методы очистки (отстаивание, ректификацию, экстракцию, адсорбцию, ионный обмен, огневой метод).

Общие очистные сооружения включают несколько ступеней очистки: первичную (механическую), вторичную (биологическую), третичную (доочистку). Районные или общегородские сооружения очищают в основном бытовые стоки методами механической и биологической очистки.

Биологический метод очистки основан на способности микроорганизмов использовать в качестве ростовых субстратов различные соединения, входящие в состав сточных вод. Достоинства данного метода заключаются в возможности удаления из стоков широкого спектра органических и неорганических веществ, простоте аппаратурного оформления и протекания процесса, относительно невысоких эксплуатационных расходах. Однако для успешной реализации метода необходимы большие капитальные вложения для строительства очистных сооружений. В ходе процесса очистки необходимо строго соблюдать технологий режим очистки и учитывать чувствительность микроорганизмов к высоким концентрациям загрязнителей. Поэтому перед биоочисткой стоки необходимо разбавлять.

Для биологической очистки сточных вод применяют два типа процессов: аэробные, в которых микроорганизмы используют для окисления веществ кислород, и анаэробные, при которых микроорганизмы не имеют доступа ни к свободному растворенному кислороду. В этих процессах в качестве акцептора электронов микроорганизмы могут использовать углерод органических веществ. При выборе между аэробными и анаэробными процессами предпочтение обычно отдают первым. Аэробные системы более надежны, стабильно функционируют; они также больше изучены.

Анаэробные процессы, существенно уступающие аэробным в скорости протекания процесса очистки, имеют ряд преимуществ:

- масса, образуемого в них активного ила практически на порядок ниже по сравнению с аэробными процессами;

- в них существенно ниже энергозатраты на перемешивание;

- дополнительно образуется энергоноситель в виде биогаза.

В процессах аэробной биологической очистки принимает участие сложная биологическая ассоциация, состоящая не только из бактерий, но также включающая одноклеточные организмы - водные грибы, простейшие организмы (амебы, жгутиковые и ресничные инфузории), микроскопические животные (коловратки, круглые черви– нематоды, водные клещи) и др. Эта биологическая ассоциация в процессе биологической очистки формируется в виде активного ила или биопленки. Активный ил представляет собой буро-желтые хлопья размером 3–150 мкм, взвешенные в воде, и образован колониями микроорганизмов, в том числе бактериями. Последние образуют слизистые капсулы - зооглеи. Биопленка - это слизистое обрастание материала фильтрующего слоя очистных сооружений живыми микроорганизмами, толщиной 1 - 3 мм.

Биологическая очистка стоков проводится в различных по конструкции сооружениях - биофильтрах и аэротенках.

Капельный биофильтр - наиболее распространенный тип биореактора с неподвижной биопленкой, применяемый для очистки стоков. По существу, это реактор с неподвижным слоем и противотоком воздуха и жидкости. Биомасса растет на поверхности насадки в виде пленки. Особенностью насадки или фильтрующего слоя является высокая удельная поверхность для развития микроорганизмов и большая пористость. Последнее придает необходимые газодинамические свойства слою и способствует прохождению воздуха и жидкости через него. Биофильтры представляют собой прямоугольные или круглые сооружения со сплошными стенками и двойным дном: верхним в виде колосниковой решетки и нижним, – сплошным. Дренажное дно биофильтра состоит из железобетонных плит с площадью отверстий не менее 5 - 7% от общей площади поверхности фильтра. Фильтрующим материалом обычно служит щебень, галька горных пород, керамзит, шлак. Нижний поддерживающий слой во всех типах биофильтров должен содержать более крупные частицы фильтрующего материала (60 - 100 мм).

Входной поток предварительно отстоянных сточных вод с помощью водораспределительного устройства периодически равномерно орошает поверхность биофильтра. В ходе просачивания сточных вод через материал фильтрующего слоя происходит ряд последовательных процессов:

- контакт с биопленкой, развивающейся на поверхности частиц фильтрующего материала;

- сорбция органических веществ поверхностью микробных клеток;

- окисление веществ стоков в процессах микробного метаболизма.

Через нижнюю часть биофильтра противотоком жидкости продувается воздух. Во время паузы между циклами орошения сорбирующая способность биопленки восстанавливается. Биопленка, формирующаяся на поверхности фильтрующего слоя биофильтра, представляет собой сложную экологическую систему.

Бактерии и грибы образуют нижний трофический уровень. Вместе с микроорганизмами-окислителями углерода они развиваются в верхней части биофильтра. Нитрификаторы находятся в нижней зоне фильтрующего слоя, где процессы конкуренции за питательный субстрат и кислород менее выражены. Простейшие, коловратки и нематоды, питающиеся бактериальной компонентой экосистемы биопленки, служат пищей высшим видам (личинкам насекомых). В биофильтре происходит непрерывный прирост и отмирание биопленки. Отмершая биопленка смывается током очищаемой воды и выносится из биофильтра. Очищенная вода поступает в отстойник, в котором освобождается от частиц биопленки, и долее сбрасывается в водоем.

Процесс окисления органических веществ сопровождается выделением тепла, поэтому биофильтры обогреваются за счет собственного тепла. Крупные установки, снабженные слоем теплоизоляционного материала, способны функционировать при отрицательных внешних температурах. Эксплуатация биофильтров - достаточно несложный процесс. Важным условием для эффективной работы биофильтров является тщательная предварительная очистка стоков от взвешенных частиц, способных засорить распределительное устройство. Неблагоприятным моментом в эксплуатации биофильтров является вероятность заливания, размножение мух на поверхности, дурной запах, как вследствие избыточного образования микробной биомассы.

Аэротенк относится к гомогенным биореакторам. Типовая конструкция биореактора представляет собой железобетонный герметичный сосуд прямоугольного сечения, связанный с отстойником. Аэротенк разделяется продольными перегородками на несколько коридоров, обычно 3 - 4. Процесс биоочистки в аэротенке состоит из двух этапов. Первый этап заключается во взаимодействии отстоявшихся сточных вод, содержащих около 150 - 200 мг/л взвешенных частиц и до 200 - 300 мг/л органических веществ, с воздухом и частицами активного ила в аэротенке в течение некоторого времени (от 4 до 24 часов и выше в зависимости от типа стоков, требований к глубине очистки и пр.). На втором - происходит разделение вод и частиц активного ила во вторичном отстойнике. Биохимическое окисление органических веществ стоков в аэротенке на первом этапе реализуется в две стадии: на первой микроорганизмы активного ила адсорбируют загрязняющие вещества стоков, на второй - окисляют их и восстанавливают свою окислительную способность. Подача воздуха в «коридоры» аэротенка осуществляется через пористые железобетонные плиты или через систему пористых керамических труб. Обычно воздухораспределительное устройство располагают не по центру, а около одной их стен коридора. В результате этого в аэротенке происходит турбулизация потока, и сточные воды не только продвигаются вдоль коридора, но и закручиваются по спирали внутри него. Это улучшает режим аэрации и условия очистки. Процесс очистки в аэротенке представляет собой непрерывную ферментацию.

Активный ил является совокупностью микроорганизмов и простейших, обладающих набором ферментов для удаления загрязнений из стоков. Активный ил имеет также поверхность с сильной адсорбционной способностью. Концентрация активного ила в аэротенке обычно составляет 1,5 - 5 г/л. Эта величина зависит от уровня загрязнений стоков, от возраста ила и его продуктивности. Возраст ила вычисляют по уравнению:

Где М - взвешенные частицы иловой смеси, кг/м³; V - объем аэротенка, м³; m_{y -} количество удаляемого ила, кг/сут.; G - расход воды, м₃/сут.; с_вых - концентрация ила в выходном стоке, кг/м³.

Например, для достижения нитрификации с участием медленно растущих нитрификаторов используют ил большого возраста (12 суток), а для окисления органики - возраст ила существенно ниже.

Следующим важным параметром для расчета процесса биоочистки в гомогенных проточных биореакторах является режим перемешивания. Известны системы полного смешения и идеального вытеснения. Первый тип обеспечивает мгновенное разбавление входного потока в аэротенке. Это защищает микрофлору активного ила от ингибирующего воздействия загрязнителей стоков. Активный ил в такой системе, однако, имеет худшую способность к оседанию в отличие от систем идеального вытеснения. В последних активный ил поступает в первый коридор, где в ходе аэрации восстанавливает свою окислительную способность. Сточные воды поступают во второй коридор вместе с регенерированным активным илом. Концентрация загрязняющих веществ снижается постепенно, по мере прохождения стоков по системе коридоров аэротенка. В таких системах концентрация загрязняющих веществ во входном потоке не должна превышать предельно допустимую для биологических компонентов, образующих активный ил.

Опыт эксплуатации различных типов аэротенков показывает, что содержание органических веществ в стоках, подаваемых на очистку, не должно превышать 1000 мг/л. Оптимальная величина рН обычно лежит в диапазоне 6,5 – 8,5.

Анаэробные процессы очистки сточных вод не получили достаточно широкого развития в настоящее время. Эти процессы по сравнению с аэробными процессами очистки сточных вод имеют ряд несомненных преимуществ. Главными являются высокий уровень превращения углерода загрязняющих веществ при относительно небольших объемах прироста биомассы и получение дополнительного ценного продукта - биогаза. Анаэробные процессы для очистки стоков применяются в Европе около 100 лет. Используемые для этих целей биореакторы - септиктенки, представляют собой отстойники, в которых осевший ил подвергается анаэробной деградации. Септиктенки эксплуатируются обычно при температуре 30 - 35°С. Время пребывания в них очищаемых стоков существенно выше – около 20 суток. При проектировании биореакторов такого типа одним из основных параметров является его вместимость в литрах (V), рассчитываемая с учетом количества обслуживаемого населения P:

V= 180P+2000.

Половина объема в 180 л на душу населения отводится для жидкости, половина служит для накопления ила. Объем септиктенка распределяется между двумя камерами, при этом первая занимает 2/3 объема и имеет наклонное днище для удержания ила. Ил периодически (примерно раз в год) удаляется, а небольшая его часть остается в биореакторе. Септиктенки применяют в системе городских очистных сооружений. В них перерабатывают осадки, удаляемые из первичных отстойников. При этом сброженный ил ликвидируют или закапывают. При сбраживании уменьшается объем ила, снижается содержание в нем патогенных микроорганизмов и дурной запах.

Особенно эффективно применение сравнительно недорогих анаэробных систем для сильно загрязненных стоков пищевой промышленности и отходов интенсивного животноводства. Данные стоки имеют высокие уровни нагрузки по БПК и ХПК (химическая потребность в кислороде), а навозные стоки - также высокое содержание нерастворимых компонентов, не поддающихся биодеградации. Для их очистки применяют сбраживатели полного смешения. Стоки свино- и птицекомплексов освобождаются в ходе анаэробной биоочистки только на 50% ХПК, а стоки ферм крупного рогатого скота – на 30%. Высокие концентрации органики и аммонийного азота (до 4000 мг/л) способны ингибировать процесс деградации. Время удержания таких стоков в биореакторе объемом до 600 - 700 м³ удлиняется до 15 - 20 суток при норме суточной загрузки 20 - 30 м³. Биогаз, образуемый при этом, содержит до 70% метана. Биореактор сравнительно небольшого объема очищает стоки средних ферм с содержание 1200 – 1500 голов свиней.