Биохимический метод очистки сточных вод

Эти методы применяют для очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод от многих растворимых органических и некоторых неорганических (сероводорода, аммиака, сульфидов, нитритов и др.) веществ. Процесс очистки основан на способности микроорганизмов использовать перечисленные вещества для питания в процессе жизнедеятельности – органические вещества для микроорганизмов являются источником углерода. Биохимическая очистка сточных вод может протекать в аэробных (биохимическое окисление) и анаэробных (биологическое разложение) условиях.

Очистка в анаэробных условиях происходит под действием анаэробных микроорганизмов, в результате количество органических загрязнителей, содержащихся в сточной воде, уменьшаются благодаря превращению их в газы (метан, двуокись углерода) и растворенные соли, а также росту биомассы анаэробных растений. Распад осуществляется в 2 фазы: вначале органическое вещество превращается в органические кислоты и спирты (первая группа микроорганизмов), а затем органические кислоты и спирты – в метан и двуокись углерода (вторая группа микроорганизмов).

Процесс в целом зависит от поддержания благоприятных для обеих групп микроорганизмов среды и равновесие между фазами должен быть таким, чтобы кислоты удалялись с той же скоростью, с которой они образуются. Анаэробный метод используется в основном для сбраживания избыточного активного ила, образующегося при анаэробной очистке.

Очистка в анаэробных условиях происходит в присутствии растворенного в воде кислорода, представляя собой модификацию протекающего в природе естественного процесса самоочищения водоёмов. Для биоочистки промышленных сточных вод наиболее распространены процессы с использованием активного ила, проводимые в аэротенках. Активный ил создается за счет взвешенных частиц, не задержанных при отстаивании, и за счет коллоидных веществ с размножающимися на них микроорганизмами. Активный ил в аэрируемой жидкости значительно ускоряет процессы окисления и создает условия для процессов адсорбции органических веществ.

Разрушение органических веществ до углекислого газа и других безвредных продуктов окисления происходит вследствие биоценоза, т.е. комплекса всех бактерий и простейших микроорганизмов, развивающихся в данном сооружении. Потребление микроорганизмами органических составляющих сточных вод происходит в 3 стадии: 1) массопередача органического вещества и кислорода из жидкости к поверхности клетки; 2) диффузия вещества и кислорода через полупроницаемую мембрану клетки; 3) метаболизм диффундированных продуктов, сопровождающийся приростом биомассы, выделением энергии, диоксида углерода и т.д.

Интенсивность и эффективность биологической очистки сточных вод определяется скоростью разложения бактерий.

Биологическая очистка сточных вод может осуществляться в естественных или искусственных условиях.

В естественных условиях используют специально подготовленные участки земли (поля орошения и фильтрации) или биологические пруды. Они представляют собой земляные резервуары глубиной 0,5¸1 м, в которых происходят те же процессы, что и при самоочищении водоёма.

Поля орошения – специально подготовленные земельные участки, используемые одновременно для очистки сточных вод и агрокультурных целей, т.е. для выращивания зерновых и силосных культур, трав, овощей, а также для посадки кустарников и деревьев. Поля фильтрации предназначены только для биологической очистки сточных вод.

Поля орошения и биологические пруды располагают на местности, имеющей уклон ступенями, для того чтобы вода самотеком переливалась с одного участка на другой. Очистка от загрязнений происходит в процессе фильтрации вод через почву, в которой задерживаются взвешенные и коллоидные частицы, образуя в порах грунта пленку. В глубокие слои почвы проникновение кислорода затруднено, поэтому наиболее сильное окисление происходит в верхних слоях почвы, т.е. на глубине до 0,2¸0,4 м.

Биологические пруды – предназначены для биологической очистки и для доочистки сточных вод в комплексе с другими очистными сооружениями. Их выполняют в виде каскада прудов, составляющих из 3¸5 ступеней. Процесс очистки сточных вод реализуется по следующей схеме: бактерии используют для окисления загрязнений кислород, выделенный водорослями в процессе фотосинтеза, а также кислорода из воздуха. Водоросли потребляют двуокись углерода, фосфаты и аммонийный азот, выделяемый при биохимическом разложении органических веществ. Поэтому для нормальной работы прудов необходимо соблюдать оптимальные значения рН и температуру сточной воды. Температура должна быть не менее 6°С, в связи с чем, в зимнее время пруды не эксплуатируются.

Различают пруды с естественной и искусственной аэрацией. Глубина прудов с естественной поверхностной аэрацией не превышает 1 м. При искусственной аэрации прудов с помощью механических аэраторов или продувки воздуха через толщу воды их глубина увеличивается до 3 м. Применение искусственной аэрации ускоряет процессы очистки воды. Недостатками прудов является низкая окислительная способность, сезонность работы, потребность в больших территориях.

Сооружения для искусственной биологической очистки по признаку расположения в них активной биомассы можно разделить на 2 группы: 1) активная биомасса находится в обрабатываемой сточной воде во взвешенном состоянии (аэротенки, окситенки); 2) активная биомасса закрепляется на неподвижном материале, а сточная вода обтекает его тонким пленочным слоем (биофильтры).

Аэротенки представляют собой железобетонные резервуары, прямоугольные в плане, разделенные перегородками на отдельные коридоры.

Сточная вода после сооружений механической очистки смешивается с возвратным активным илом (биоценозом) и, последовательно пройдя по коридорам аэротенка, поступает во вторичный отстойник. Время нахождения в аэротенке обрабатываемой сточной воды в зависимости от её состава колеблется от 6 до 12 часов. За это время основная масса органических загрязнений перерабатывается биоценозом активного ила. Для поддержания активного ила во взвешенном состоянии, интенсивного его перемешивания и насыщения обрабатываемой смеси кислорода воздуха в аэротенках устраивают различные системы аэрации (чаще механическая или пневматическая). Из аэротенков смесь обработанной сточной воды и активного ила поступает во вторичный отстойник, откуда осевший на дно активный ил с помощью специальных устройств (илососов) отводится в резервуар насосной станции, а очищенная сточная вода поступает либо на дальнейшую доочистку, либо дезинфицируется. В процессе биологического окисления происходит прирост биомассы активного ила. Для создания оптимальных условий её жизнедеятельности избыток ила выводится из системы и направляется в сооружения по обработке осадка, а основная часть в виде возвратного ила снова возвращается в аэротенк.

Комплексы очистных сооружений, в состав которых входят аэротенки, имеют производительность от нескольких десятков до 2¸3 млн. м 3 сточных вод в сутки.

Вместо воздуха для пневматической аэрации сточных вод может подаваться чистый кислород. Для этого процесса используют окситенки, несколько отличные по конструкции от аэротенков. Окислительная способность окситенков в 3 раза выше.

Биофильтры находя широкое применение при суточных расходах бытовых и производственных сточных вод до 20¸30 тыс. м 3 в сутки. Важнейшей составной частью биофильтров является загрузочный материал. По типу загрузочного материала их разделяют на 2 категории: с объёмной и плоской загрузкой. Биофильтры – это резервуары кругло и прямоугольной формы, которые заполняются загрузочным материалом. Объёмный материал, состоящий из гравия, керамзита, шлака с крупностью фракций 15¸80 мм, после сортировки фракций засыпается слоем высотой 2¸4 м. Плоскостной материал выполняется в виде жестких (кольцевых, трубчатых элементов из пластмасс, керамики, металла) и мягких (рулонная ткань) блоков, которые монтируются в теле биофильтра слоем толщиной 8 м.

Сточная вода, подаваемая выше поверхности загрузочного материала, равномерно распределяется через него, при этом на поверхности материала образуется биологическая пленка (биоценоз), аналогичная активному илу в аэротенках. Загрузочный материал поддерживается решетчатым днищем, сквозь отверстия которого обработанная сточная вода поступает на сплошное дно биофильтра и с помощью лотков отводится из биофильтра во вторичный отстойник.

Биофильтры с объёмной загрузкой эффективны при полной биологической очистке. Биофильтры с плоскостной загрузкой также могут применяться для полной биологической очистки, но их целесообразнее применять в качестве первой ступени двухступенчатой биологической очистки тогда, когда имеют место залповые выбросы высококонцентрированных производственных сточных вод или производится реконструкция очистных комплексов.

При эксплуатации сооружений биологической очистки необходимо соблюдать технологический регламент их работы, не допускать перегрузок и особенно залповых поступлений токсичных компонентов, поскольку такие нарушения могут губительно сказаться на жизнедеятельности организмов. Поэтому в сточных водах, направляемых на биологическую очистку, содержание нефти и нефтепродуктов должно быть не более 25 мг/л, ПАВ – не более 50мг/л, растворенных солей – не более 10 г/л.

Биологическая очистка не обеспечивает полного уничтожения в сточных водах всех болезнетворных бактерий. Поэтому после неё воду дезинфицируют жидким хлором или хлорной известью, озонированием, ультрафиолетовым излучением, электролизом или ультразвуком.

Обеззараживание очищенных сточных вод проводится для уничтожения содержащихся в них болезнетворных бактерий, вирусов и микроорганизмов; эффект обеззараживания должен составлять практически 100%. Поэтому после полной очистки в сточные воды вводят соединения хлора или другие сильные окислители (озон), обеспечивающие защиту водоемов от попадания в них возбудителей заболеваний.

Для природных вод, здоровья людей, для животных и рыб наиболее опасны различные радиоактивные отходы, которые образуются на атомных электростанциях при обработке ядерного топлива. Обработка сточных вод, содержащих радиоактивные загрязнения, зависит от уровня активности и солесодержания. Воды с низким солесодержанием обрабатываются ионообменными и намывными фильтрами. При высоком солесодержании методы электродиализа и выпаривания, а остаточные загрязнения снимаются на ионообменных установках. Все сточные воды с радиоактивностью, выше допустимой, сливают в специальные подземные резервуары или закачивают в глубокие подземные бессточные бассейны.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

В составе любых сточных вод присутствуют компоненты органического и неорганического происхождения. Если от неорганических крупных и плотных включений легко избавиться методами механической фильтрации, то от сложных органических составляющих, присутствующих в воде в виде взвеси избавиться таким способом не получится. Для этого понадобится биохимическая очистка сточных вод. Данная методика не менее эффективная и не такая дорогостоящая, как искусственные методы очищения. Кроме того, такой способ очистки не требует выполнения сложного процесса утилизации используемых реагентов.

Суть метода

Биохимический способ очистки основан на использовании специальных бактерий, которые в ходе своей жизнедеятельности расщепляют сложные органические соединения на более простые элементы – воду, углекислый газ и минеральный осадок.

Эти бактерии постоянно присутствуют в почве и воде, где они способствуют естественному очищению почвы и воды. Но поскольку их концентрация невысока, процессы естественного очищения протекают довольно медленно.

В очистных сооружениях, где применяется способ биохимической очистки, присутствуют огромные колонии бактерий, участвующие в переработке стоков. При этом в этих сооружениях создаются благоприятные условия для жизнедеятельности микроорганизмов, что позволяет значительно ускорить процессы очищения воды в сооружении в сравнении с естественным очищением в природе.

Как правило, при биохимической очистке используется один из двух видов бактерий либо их комбинация:

Аэробные микроорганизмы перерабатывают сложные органические соединения. В результате окисления они расщепляются на воду, минеральный осадок и углекислый газ. Главная особенность этих бактерий в том, что они нуждаются в кислороде, поэтому конструкции с их использованием оборудуются аэраторами и компрессорами.
Анаэробные микроорганизмы в небольшом количестве всегда присутствуют в стоках. Эти бактерии не нуждаются в кислороде. Однако им нужен углекислый газ и нитраты, чтобы вести свою жизнедеятельность. Эти организмы в процессе жизни выделяют метан, поэтому в сооружении необходимо использовать систему вентиляции.

Способы биохимической очистки

Сегодня используются следующие биохимические методы очистки сточных вод:

Биологические пруды.
Конструкции с использованием аэробных методов очистки – аэротенки и биофильтры.
Очистные устройства с анаэробным разложением (септики, отстойники и метантенки).

Биопруды

Это искусственные водоёмы небольшой глубины (0,5-1 м), в которых стоки проходят процессы, очень напоминающие природное самоочищение. Эти пруды хорошо прогреваются солнцем, поэтому в них создаются благоприятные условия для жизни бактерий.

Самый высокий санитарный эффект прудов достигается в тёплое время года. Так, колонии кишечной палочки уничтожаются на 99 %, вредоносные микроорганизмы кишечной группы полностью истребляются, окисляемость среды снижается на 90 процентов, а концентрация аммонийного и органического азота уменьшается на 97 %.

Важно: такой способ очистки можно использовать и зимой. Пруды могут функционировать под слоем льда. Только с него нужно обязательно счищать снег, чтобы к бактериям поступал солнечный свет.

Биологические пруды бывают нескольких видов:

Проточные водоёмы , в которых стоки разбавляются речной водой. После отстойника стоки смешиваются с водой в соотношении 1 к 3-5. Здесь жидкость очищается на протяжении 14-21 дня. Пруд подходит для разведения рыбы и выращивания уток. Недостаток состоит в необходимости сооружения отстойника, потребности в речной воде.
Проточные пруды , в которых стоки не разбавляются речной водой. Этот способ очистки предусматривает прохождение сточной водой каскада из 4-5 водоёмов. В первом пруде должна быть преграда для сдерживания твёрдого осадка, а последний пруд годится для разведения рыбы.
Водоёмы для доочистки стоков используются на станциях биологической очистки, где не удаётся переработать большие объёмы стоков или требуется добиться высокой степени очищения. Обычно вся система состоит из 2-3 прудов, в которых тоже можно разводить рыбу.
Анаэробные пруды достигают нескольких метров в глубину. Здесь используются анаэробные способы очистки. Главными недостатками таких прудов является то, что в окружающую среду постоянно выделяется метан, также патогенные бактерии могут попасть в грунтовые воды.
Контактные водоёмы . Принцип очистки здесь основан на том, что в стоячей воде процессы биохимического окисления протекают намного быстрее. Система состоит из серии параллельно расположенных карт. Вода переходит из одного водоёма в другой каждый день. Процесс полной очистки выполняется за 5-10 дней.

Станции очистки с аэробным разложением

К таким сооружениям относятся биофильтры и аэротенки. Принцип работы биофильтра основан на том, что загрязнённые воды сначала проходят стадию механической очистки. Через некоторое время начинается обрастание загрузки (части биофильтра) биологической плёнкой. Этот процесс протекает благодаря адсорбции микроорганизмов из стоков. Только после этого начинаются процессы биохимического окисления органики.

Важно: главным условием выполнения эффективной очистки является наличие хорошей аэрации.

Биофильтр – это конструкция, заполненная крупнозернистым материалом, не поддающимся разбуханию (шлаком, галькой, щебёнкой). Поверхность этого материала орошается стоками через каждые 10-15 минут. Жидкость, прошедшая фильтр, проходит через дренажные отверстия и стекает в лотки. Аэрация биологического фильтра может быть искусственной или естественной. Искусственные способы аэрации позволяют значительно ускорить процессы биологического окисления.

Аэротенк – это очистные сооружения, в которых используются принципы естественного биологического очищения сточных вод. Однако интенсивность этих процессов намного выше. Аэрация стоков здесь выполняется посредством нагнетания воздуха при помощи аэраторов и компрессоров. Здесь функции биологической плёнки выполняет активный ил – это особые хлопья, которые состоят из взвеси микроорганизмов.

Принципы очистки в таком сооружения выглядят следующим образом:

Стоки, перемешанные с активным илом, попадают в длинный резервуар и продвигаются по нему.
Чтобы поддерживать ил во взвешенном виде и ускорять окислительные процессы, в систему постоянно нагнетается под давлением воздух.
По завершении окислительного процесса смесь ила со стоками попадает во вторичный отстойник, где происходит отделение активного ила от очищенных вод. Активный ил при помощи эрлифта перекачивается обратно в аэротенк.
После обеззараживания воду можно сливать в водоёмы.

Важно: такой способ очистки приводит к образованию большого количества активного ила, поэтому периодически его необходимо извлекать. Полученный активный ил можно использовать для удобрения полей.

Активный ил – это биомасса, состоящая из бактерий, простейших, микроорганизмов-нитрификаторов и денитрификаторов, а также грибов. В составе отсутствуют представители группы водорослей. Активный ил прекрасно адсорбирует бактерии группы кишечной палочки.

Станции очистки с анаэробным разложением

Осадок сточных вод на 95 процентов состоит из воды, на 5 – из углеводов, жиров и белков. Для обеззараживания осадка на очистных сооружениях также используются биохимические методы. Они позволяют изменить структуру осадка, в результате чего он становится быстро подсыхающим, легко поддающимся утилизации веществом.

Процессы анаэробного брожения в естественных условиях протекают с выделением метана, воды и углекислого газа. Существуют следующие виды очистных сооружений, в которых используются процессы анаэробного разложения:

Септики – это сооружения, в которых объединяются процессы сбраживания и образования осадка. Эти конструкции подходят для обслуживания небольших объектов – загородных домов и дач. Очистка септика может делаться вручную, поскольку габариты сооружения невелики. Обычно эта процедура выполняется 1-2 раза в год. Сброженный осадок из септика нельзя использовать в качестве удобрения, поскольку он представляет угрозу для окружающей среды. Перед утилизацией осадка его необходимо обеззаразить, подогрев до 60 градусов. Септики могут состоять из 1, 2 или 3-х камер. Эти конструкции подходят для предварительной очистки стоков, после чего они нуждаются в доочистке на полях фильтрации, в фильтрационных колодцах или канавах.
Метантенки . Здесь сбраживание осадка выполняется при искусственном подогреве. Сюда стоки попадают после первичного отстойника. Метантенк – это закрытый резервуар, в котором выполняется анаэробная переработка осадка. В таких конструкциях новый осадок постоянно перемешивается со зрелым. Эффективность работы всей конструкции зависит от количества зрелого осадка. Чем его больше, тем лучше.
Двухъярусные отстойники отличаются от септиков тем, что в них устранены многие их недостатки. Так, в жидкие стоки не могут попадать газы, выделяющиеся при разложении осадка. В этих конструкциях процесс брожения может длиться от 1 до 6 месяцев. При этом над двухъярусным отстойником стоит уловитель газов. Сброженный осадок подаётся для высушивания на иловые плантации. Разложение органики в отстойнике протекает намного быстрее и эффективнее, чем в септике. Такие конструкции не используют в средних широтах, поскольку зимой сбраживание осадка невозможно выполнить.

Общие положения

Биохимический метод применяют для очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод от многих растворенных органических и некоторых неорганических (сероводорода, сульфидов, аммиака, нитритов и др.) веществ. Процесс очистки основан на способности микроорганизмов использовать эти вещества для питания в процессе жизнедеятельности — органические вещества для микроорганизмов являются источником углерода.

Основные показатели.

Сточные воды, направляемые на биохимическую очистку, характеризуются величиной ВПК и ХПК. БПК — это биохимическая потребность в кислороде или количество кислорода, использованного при биохимических процессах окисления органических веществ (не включая процессы нитрификации) за определенный промежуток времени (2, 5, 8, 10, 20 сут), в мг 02 на 1 мг вещества. Например: БПК5 — биохимическая потребность в кислороде за 5 сут, БПКполн — полная биохимическая потребность в кислороде до начала процессов нитрификации. ХПК — химическая потребность в кислороде, т.е. количество кислорода, эквивалентное количеству расходуемого окислителя, необходимого для окисления всех восстановителей, содержащихся в воде. ХПК также выражают в мг 02на 1 мг вещества.

Контактируя с органическими веществами, микроорганизмы частично разрушают их, превращая в воду, диоксид углерода, нитрит- и сульфат-ионы и др. Другая часть вещества идет на образование биомассы. Разрушение органических веществ называют биохимическим окислением. Некоторые органические вещества способны легко окисляться, а некоторые не окисляются совсем или очень медленно.

Для установления возможности подачи промышленных сточных вод на биохимические очистные сооружения устанавливают максимальные концентрации токсичных веществ, которые не влияют на процессы биохимического окисления (МК_б) и на работу очистных сооружений (МК_бос). При отсутствии таких данных возможность биохимического окисления устанавливают по отношению БПК и

ХПК. При отношении (БПК/ХПК) 100 = 50% вещества поддаются биохимическому окислению. При этом необходимо, чтобы сточные воды не содержали ядовитых веществ и примесей солей тяжелых металлов. Биохимические показатели для некоторых органических веществ приведены в табл. II-14а.

Для неорганических веществ, которые практически не поддаются окислению, также устанавливают максимальные концентрации. Если такие концентрации превышены, воды нельзя подвергать биохимической очистке. Например, МК_б в мг/л для: меди —0,5; ртути — 0,02; свинца — 0,1; хлора —0,3; бора — 0,05; сероводорода — 1; хлорида железа — 5.

Известны аэробные и анаэробные методы биохимической очистки сточных вод. Аэробный метод основан на использовании аэробных групп организмов, для жизнедеятельности которых необходим постоянный приток кислорода и температура 20-40°С. При изменении кислородного и температурного режима состав и число микроорганизмов меняются. При аэробной очистке микроорганизмы культивируются в активном иле или биопленке. Анаэробные методы очи-

Биохимические показатели органических соединений (индекс у МКб.ос.: А — аэротенк, Б — биофильтр)