2022-01-20 - Автор Ігор Вихристюк

Биологическая очистка стоков и вод

Биологическая очистка стоков применяется с XIX века. Был разработан новый метод очистки сточных вод, который произвел революцию в этой области: процесс с использованием активного ила (зачастую используется формулировка "активированного ила").

Этот процесс был впервые разработан британским ученым Эдвардом Арденом в 1914 году. Арден обнаружил, что если добавить аэробные бактерии в сточные воды и аэрировать смесь, бактерии будут разрушать органические вещества в сточных водах быстрее и эффективнее, чем в капельном фильтре. Этот процесс был назван «активным» илом, потому что бактерии «активировались» аэрацией.

Позже этот процесс был усовершенствован другими британскими учеными - Ардерном и Локеттом, которые разработали метод повторного использования ила из процесса очистки путём возвращения его обратно в аэротенк, что значительно повысило эффективность процесса. Технология Ардерна и Локетта стала основой современного процесса активного ила и используется до сих пор во всех биологических очистных сооружениях в мире.

После своего развития технология биологической очистки с использованием активного ила была быстро принята в использование на очистных сооружениях по всему миру. В Соединенных Штатах первая установка по очистки сточных вод посредством активного ила была построена в 1916 году в Плейнфилде, штат Нью-Джерси. К 1920-м годам этот процесс стал стандартным методом очистки городских сточных вод в США и Европе. К сожалению, в Украине, даже в настоящее время, такие очистные сооружения функционируют лишь самых крупных областных центрах.

Со временем исследователи и инженеры продолжали совершенствовать процесс, разрабатывая новые методы аэрации. В 1950-х годах стало популярным использование диффузионных систем аэрации, которые вводили воздух в сточные воды через мелкие пузырьки. Этот метод был более эффективным, чем старые системы поверхностной аэрации, и позволял лучше контролировать процесс очистки.

В настоящее время очистка стоков с помощью бактерий применяется промышленными комплексами, городскими канализационными сетями и частными локальными очистными сооружениями.

Принцип биологической очистки

В основе биологического метода очистки сточных вод лежит способность некоторых микроорганизмов расщеплять органические примеси для простейших элементов (воды, углекислого газа, метана и так далее). Иными словами загрязнения, содержащиеся в бытовых и промышленных стоках, являются пищей для бактерий, позволяющей им расти и развиваться.

Обязательным компонентом биологической очистки считается активный ил — сообщество живых микроорганизмов, который и перерабатывает загрязнения. Состав активного ила подбирается персонально для каждого очистного комплекса, так как зависит от количества стоков и видов преобладающих загрязнений.

Очищение стоков проводится с применением двух видов бактерий:

• Аэробных, для активной работы которых требуется постоянное поступление кислорода. Бактерии живут при температуре +9°С — +28°С и рН в пределах 5,0–7,0. К аэробным относятся псевдомонады, серобактерии, нитрифицирующие, нитчатые, тионовые и целлюлозоразлагающие бактерии.
• Анаэробных, способных быстро перерабатывать отходы в системах без доступа воздушных масс. Такой вид бактерий способен жить и размножаться при температуре +9°С — +37°С и рН в диапазоне 6,0–8,0. К анаэробным относятся гидролитики, ацидогенные, гетероацитогенные и метаногенные бактерии.

Схема станции биологической очистки с аэробными бактериями выглядит следующим образом:

1. Подготовка стоков. Перед применением метода следует очистить сточные воды от твердых примесей. Для этого используются фильтра механической очистки, песколовки, жироловки и другие аналогичные сооружения.
2. Основная очистка живыми бактериями. При сильном загрязнении стоки могут проходить последовательно несколько циклов.
3. Отстаивание. Процесс позволяет отделить активный ил от очищенной воды и направить его на дальнейшее использование.
4. Доочистка, позволяющая еще снизить уровень концентрации вредных веществ в воде. Дополнительная очистка требуется если планируется утилизировать стоки в маломощные водоемы, используемые для рыбной ловли или применять очищенную воду вторично. Для доочистки преимущественно применяется метод отстаивания.
5. Утилизация.

Система с применением анаэробных микроорганизмов несколько отличается от предыдущего метода:

1. На первом этапе стоки попадают в отсек, где под воздействием бактерий проходит процесс брожения. В результате начальной очистки образуются газы (метан, сероводород и так далее), которые впоследствии утилизируются.
2. В следующем отсеке стоки обезвоживаются, что позволяет разделить их на активный ил и очищенную воду, готовую к повторному употреблению или утилизации, в том числе и природные водоемы.
3. Вода утилизируется, а высушенный ил используется вторично в качестве материала для получения компоста.

Ускорить процесс биоочистки стоков помогают различные биопрепараты, которые дополнительно:

• способствуют восстановлению и наращиванию активного ила, реагирующего с загрязнениями;
• снижают расход кислорода и затраты на обслуживание установок;
• сокращают объемы остатков, подлежащих принудительному удалению из очистных сооружений;
• ускоряют процесс разложения органики (белков, жиров и так далее).

Выбор биопрепарата зависит от состава стоков. С какими типами загрязнений хорошо справляется тот или иной биокомплекс указывается производителем на упаковке. Там же находятся нормы внесения и способы применения.

Что такое бытовые сточные воды

Бытовые стоки образуются в результате жизни и деятельности человека. Это канализационные воды от квартир, культурных и торговых комплексов, кафе, столовых, больниц и так далее. Стоки образуются в результате уборки помещений, мытья посуды и человека, приготовления пищи, стирки, справления естественных нужд и так далее.

Основными загрязнителями считаются:

• органические соединения, содержащие в больших количествах азот, фосфат, нитраты (экскременты, остатки пищи и так далее);
• мелкие взвешенные вещества (отмершие участки кожного покрова, песок, частицы пыли и так далее);
• моющие средства и другая бытовая химия;
• нефтехимические продукты;
• биологические отходы (грибки, бактерии, вирусы).

Ввиду многообразия загрязнений бытовым стокам перед утилизацией требуется глубокая очистка, в том числе и биологическим методом.

Полная очистка сточных вод также требуется в загородных домах, водоснабжение которых организовано из колодца или скважины. Утилизация загрязненных вод приведет к попаданию вредных веществ в источники водоснабжения и заражению человека.

Способы биологической очистки сточных вод

Биологическая очистка стоков осуществляется в естественных и искусственных условиях.

К естественным способам относятся:

• фильтрационные поля, колодцы, траншеи;
• биологические пруды.

К искусственным относятся:

• аэротенки;
• биофильтра;
• прочее оборудование.

Поля фильтрации

Фильтрационное поле — это участок земли, на который поступают сточные воды для очистки.

Очищение происходит в два этапа:

1. Фильтрация — задерживание мусора и других частиц в верхнем слое грунта. Уровень очистки зависит от состава и размера фильтрующего слоя.
2. Генерирование биопленки и окисление органических соединений.

Для полной очистки канализационных стоков требуется от 6 до 12 месяцев. Обязательным условием является предварительная очистка стоков с помощью песколовок, жироловок и других аналогичных устройств или отстаивание воды в специальных емкостях.

Поле фильтрации обустраивается с соблюдением следующих условий:

• преимущественное наличие на участке песчаных и суперпесчаных почв, обеспечивающих высокий уровень фильтрации;
• отсутствие на участке уклонов;
• удаленность от искусственных источников водоснабжения и естественных водоемов.

Поля фильтрации привлекают своей энергонезависимостью, глубокой очисткой, экономичностью. Но

фильтрационные участки требуют регулярного обслуживания. Каждые 5–8 лет требуется убирать скопившийся мусор, проводить промывку или замену щебня или верхнего слоя грунта.

К недостаткам также относятся:

• скопление в почве соединений, не способных к самостоятельному разложению;
• ограниченное использование земельного участка;
• высокая цена на земли, находящиеся вблизи населенных пунктов;
• низкая скорость очистки.

При отсутствие больших площадей фильтрационные поля заменяются на фильтрационные колодцы или фильтрационные траншеи.

Биологические пруды

Недорогим и эффективным способом очистки стоков является организация биологических прудов.

Биопруды — это искусственные водоемы глубиной не более 1 м, заселенные живыми микроорганизмами. Используются как самостоятельные системы очистки, так и дополнительные сооружения, входящие в состав комплекса.

Биологические пруды бывают с естественной и искусственной аэрацией. Круглогодичное использование биопрудов допускается в 3 и 4 климатических зонах (субтропики и тропики). В полярном и умеренном климате сооружения могут работать исключительно в летний период.

Искусственная аэрация бывает:

• механической (оборудование для насыщения воды кислородом устанавливается на специальных понтонах);
• пневматической (по дну водоема прокладываются перфорированные трубы).

Водоемы биологической очистки разделяются по видам. Выделяют пруды:

• С разбавлением. Перед поступлением стоки смешиваются с речной водой, что позволяет разводить в таких водоемах рыбу;
• Без разбавления. Представляют собой многоступенчатую конструкцию. Стоки перед поступлением не смешиваются с чистой водой, что увеличивает время полной очистки с 8–12 дней (для прудов с разбавлением) до 30 дней;
• Для доочистки.

Биопруды обустраиваются на плотных грунтах с минимальным уровнем фильтрации. Очистные сооружения рекомендуется располагать с подветренной стороны относительно населенного пункта. Размеры и форма прудов рассчитываются на основании вида системы, количества стоков, скорости движения воды и других существенных показателей.

Аэротенки

Наиболее распространенными искусственными сооружениями для проведения биологической очистки стоков являются аэротенки. Устройство представляет собой железобетонное сооружение, в котором установлены:

• насосы для перекачки стоков;
• компрессор и аэратор, насыщающие содержимое кислородом, за счет которого работают микроорганизмы.

Установка может дополняться первичным и вторичным отстойником и другими компонентами. Полное время очистки зависит от размеров и наполнения аэротенка и составляет от 2 до нескольких десятков часов.

Аэротенки делятся:

1. По гидравлической схеме работы на следующие виды:
• Вытеснители. Движение стоков происходит постепенно, без смешивания с вновь поступающими отходами, что обеспечивает высокую степень очистки. Недостатком считается чувствительность оборудования к колебаниям нагрузки и изменению состава сточных вод. Применяются для очистки бытовых стоков.
• Смесители. Нагрузка на микроорганизмы происходит равномерно, что позволяет сглаживать неравномерность поступлений стоков, но степень очистки при таком подходе существенно снижается. Применяются для обработки стоков от промышленных комбинатов.
• Конструкции с рассредоточенным впуском. Представляют собой среднее между вытеснителями и смесителями и применяются при одновременном стоке канализации промышленного и бытового характера.

2. По нагрузке:
   • высоконагружаемые (свыше 500 мг/(г⋅сут);
   • классические (150–500 мг/(г⋅сут);
   • низконагружаемые (65–150 мг/(г⋅сут).
3. По количеству ступеней:
   • одноступенчатые:
   • двухступенчатые;
   • многоступенчатые.

Аэротенки отличаются полным отсутствием неприятных запахов, высоким (до 98%) уровнем очистки стоков, большой скоростью очистки, небольшими размерами и длительным сроком службы.

К отрицательным качествам можно отнести высокую цену на установки, большой расход электроэнергии, необходимость регулярного обслуживания.

Биофильтры

Эффективно очищать стоки биологическим методом можно при помощи другого оборудования — биофильтра. Очистка происходит за счет прохождения стоков через фильтрующий материал, который покрыт биопленкой, созданной колониями микроорганизмов.

Установка состоит из резервуара, в котором размещены:

• фильтрующая загрузка, созданная из щебня, гравия, керамики или других аналогичных материалов;
• водораспределительное устройство, отвечающее за равномерную подачу стоков на фильтрующий элемент;
• воздухораспределительное устройство, по которому поступает кислород, необходимый для работоспособности активных бактерий;
• дренаж, предназначенный для удаления жидкости, прошедшей через фильтр.

Биологические фильтры классифицируются:

1. По степени очистки. Выделяют оборудование полного и неполного цикла. Во втором случае требуется доочистка стоков.
2. По технологическим особенностям: одноступенчатые установки с низким показателем очистки и многоступенчатые фильтры, обеспечивающие удаление до 96% загрязнений.
3. По пропускной способности: капельные (низконагружаемые) и большие (высоконагружаемые).
4. По режиму работы: с рециркуляцией (часть очищенных стоков возвращается в биофильтр) или без рециркуляции.
5. По режиму аэрации: с естественной и принудительной вентиляцией.
6. По типу загрузки: с объемной и плоской загрузкой. В первом случае используются гравий или щебень, а во втором — ткань, пластмасса, асбоцемент.
7. По типу погружения: погружные, вращающиеся или орошаемые.

К достоинствам биофильтров относятся:

• простота оборудования и малая вероятность поломок;
• длительный (до 50 лет) срок службы;
• высокая степень очистки (до 96%);
• простота обслуживания;
• низкое энергопотребление;
• стойкость к пониженным температурам и колебаниям количества сбросов.

Недостатками оборудования считаются более низкая степень очистки по сравнению с аэротенками и меньшая производительность.

Прочее оборудование

Для биологической очистки также используются:

• Биотенки. Основное отличие от аэротенка заключается в наличии большего количества биомассы.
• Станции биологической очистки. Стоки, очищенные от загрязнений, уходят в грунт или используются вторично в хозяйственных целях, а оставшиеся массы используются для изготовления органических удобрений.
• Септиктенки. Сточные воды медленно протекают через установку, подвергаясь аэробной очистке, а оставшиеся отложения перегнивают.
• Метантенки, используемые для обеззараживания осадков, собирающихся в отстойниках. Реакция проходит с выделением метана.
• Мембранные биореакторы, в которых механическая фильтрация, осуществляемая при помощи трубчатых, плоскорамных или половолоконных фильтров дополнена активной работой микроорганизмов.

Для очистки стоков применяются как одиночные станции, так и комплексные очистные сооружения, включающие несколько приборов для биологической очистки. Смешанные системы позволяют удалить большую часть загрязнений за короткое время.

Преимущества и недостатки биологической очистки

Биоочистка широко применяется для переработки промышленных и бытовых стоков. Такая популярность обусловлена большим количеством преимуществ, к которым относятся:

• Простота технологии, которая контролируется многочисленными автоматическими системами. Для обслуживания комплексов достаточно 1–3 человек.
• Малое количество отходов, подлежащих последующей утилизации. В результате разложения чаще всего образуются углекислый газ и вода, которые быстро и легко утилизируются. Отработанный ил используется в производстве органических удобрений, а если в ходе реакции выделяется метан, то он применяется для получения тепловой энергии.
• Очищенные воды можно использовать вторично, так как в их составе отсутствуют вредные химические примеси.
• Для размещения искусственных очистных сооружений не требуется большое количество места.
• Экологичность обработки. Процесс очистки не наносит вреда энергосистемам и природным ресурсам.
• Низкая цена.

Множество преимуществ не исключает и некоторые недостатки. К отрицательным характеристикам биологической очистки стоков относятся:

• Необходимость постоянного сохранения биомассы. Если концентрация активных микроорганизмов будет ниже нормы, но и в стоках останется большое количество загрязнений.
• В ходе взаимодействия бактерий и загрязнений могут выделяться токсичные вещества, которые требуется утилизировать в короткий срок. Если проблему не выявить в ближайшее время и не принять меры по ее устранению, то вся колония микроорганизмов погибнет.
• Необходимость строгого соблюдения технологического режима. Наличие ошибок в технологии приведет с снижению эффективности всей системы.

Биологическая очистка сточных вод — это простой и эффективный метод удаления из воды вредных примесей. Очистные сооружения можно устанавливать на любых, в том числе ограниченных по площади участках. Соблюдение технологий водоочистки делает процесс полностью безопасным для окружающей среды.

Автор: Игорь Вихристюк   

Директор ООО “Спец буд инжиниринг”