Биохимические методы 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. м³ 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. м³ 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.