В чем преимущества биологического метода очистки сточных вод

Определение и классификация

Сточные воды – это все виды вод, стекающие в водоемы,
впитывающиеся в землю с территории промышленных, сельскохозяйственных,
городских территорий. Они классифицируются по нескольким критериям:

• происхождению – объекту-источнику;
• загрязняющим компонентам;
• токсичности;
• уровню рН.

Источники грязной воды подразделяют на три вида:
производственные, поверхностные (ливневая канализация, самостекающие потоки),
бытовые, образующиеся в результате жизнедеятельности человека. Все эти сточные
воды содержат различные виды загрязнителей: органические,
минерально-органические, минеральные, смешанные. Они содержатся в растворенном,
взвешенном состоянии (суспензии), в виде осадка. По концентрации вредных
веществ сточные воды делятся по уровню загрязнения от слабо-загрязненных до
опасных. Степень токсичности и уровень рН тоже градируется.

Проблема загрязнения окружающей среды

Вода – это жизнь, но потребляем мы ее чистую, а возвращаем грязную. Если стоки не очищать, то время «драгоценной влаги», описанное многими писателями-фантастами, наступит очень скоро. Природа может очищать воду самостоятельно, но данные процессы протекают очень медленно. Количество людей увеличивается, объемы потребления воды также возрастают, поэтому проблем организованной и тщательной очистки стоков стоит особенно остро. Самой эффективной технологией очищения воды является именно биологическая. Но, прежде чем рассматривать основные принципы ее работы, нужно разобраться с составом воды.

Дезинфекция

Практически во всех типах сточных вод находятся опасные патогенные микроорганизмы, поэтому нельзя пренебрегать мероприятиями по дезинфекции.

Посредством специальных установок ультрафиолетового облучения осуществляется окончательное обеззараживание стоков. Эта методика является наиболее безопасной. Кроме нее прибегают к электролизу и хлорированию.

Важно! Хлор активно использовался в качестве обеззараживающего реагента, но из-за его высокой токсичности и возможного вреда на состояние окружающей среды, многие промышленные предприятия стали использовать другие вещества, к примеру, гипохлорит и дезавид.

Зачем проводить обеззараживание стоков

Недостаточно только очистить сточные воды путём использования установок принудительно и естественного удаления вредных микроорганизмов. Риск заражения от оставшихся малых процентов бактерий слишком велик. Рисковать в этой ситуации не следует, потому что очищенные стоки часто сливают в водоёмы или используют для хозяйственных нужд.

Поэтому очищающие установки дополнительно снабжаются станциями, которые самостоятельно подготавливают хлорированный раствор и далее подают его в очищенную жидкость. Также имеются установки, которые очищают воды путём применения электролиза. Такие конструкции не требуют использование дополнительного сырья, так как оно появляется из разложенных элементов стоков.

Сейчас также используют устройства, которые выделяют элементы хлорирования из поваренной соли. Монтировать такие установки необходимо непосредственно на месте, где производится очистка стоков. Метод является продолжительным по времени, но требует дорогостоящего оборудования или материалов.

Биологические и биохимические способы очистки сточных вод

Чтобы избавиться от загрязнений органического происхождения, прибегают к биохимическим способам. Их сущность заключается в применении специальных микроорганизмов, которые способны расщеплять органические соединения на простые компоненты:

• воду;
• углекислый газ;
• минеральный осадок.

Такие бактерии находятся в воде регулярно, однако их концентрация невысока, поэтому естественное очищение происходит не быстро.

При биохимической очистке прибегают к воздействию аэробных или анаэробных микроорганизмов.

Ниже приведена их сравнительная характеристика.

Аэробные микроорганизмы	Анаэробные микроорганизмы
Они способны переработать сложные соединения органического происхождения. На фоне окисления они распадаются на углекислый газ, воду и минеральный осадок. Аэробным микроорганизмам требуется кислород, поэтому конструкции оборудуют специальными аэраторами и компрессорами.	Они присутствуют в стоках в малых количества. Им не требуется кислород, но для нормальной жизнедеятельности необходим углекислый газ и нитраты. Конструкция должна быть оснащена системой вентиляции, поскольку эти бактерии выделяют метан.

Очистка может осуществляться в естественных или искусственно созданных условиях. Ниже рассмотрены основные способы.

Биологические пруды

Биологические пруды – искусственно созданные резервуары малой глубины.  Они предназначены для очистки и доочистки сточных вод в совокупности сооружениями.

Технологическая схема процесса следующая:

• Микроорганизмы применяют для окисления загрязнений кислород, который образуется в результате фотосинтеза.
• Поскольку водоросли потребляют двуокись углерода и аммонийный азот, который выделяется в результате разложении органических веществ, требуется придерживаться оптимальных условий – температуры и рН.
• Пруды обустраивают в несколько ступеней, общая продолжительность пребывания в них составляет несколько дней.

Высокая результативность достигается летом. Различают несколько видов прудов:

Наименование	Специфика
Проточные пруды	Их особенность заключается в том, что стоки не разбавляются речной водой
Анаэробные пруды	Они подразумевают применение анаэробных методик. Глубина прудов – 2-3 метра
Проточные водоемы	В отличие от проточных прудов, стоки разбавляют посредством речной воды
Контактные водоемы	Сущность очистки заключается в том, что в стоячей воде биохимическое окисление происходит значительно быстрее.

Конструкции с аэробным разложением

Сооружения по локализации в них биомассы подразделяются на две основные группы:

1. Аэротенки (биомасса локализируется во взвешенном состоянии). Они представляют собой железобетонные конструкции прямоугольной формы, разделенные перегородками.
2. Биофильтры (биомасса фиксируется на неподвижном материале, который сточная вода обтекает тонким слоем). Это резервуары, заполненные крупнозернистым материалом, бывают с одной или двумя ступенями очистки.

Конструкции с анаэробным разложением

Анаэробное разложение происходит с выделением метана, воды и углекислого газа.

Наиболее распространены следующие типы очистных сооружений:

1. Септики. Сооружения могут быть с одной, двумя или тремя камерами, они используются для обслуживания небольших объектов. Подходят только для предварительной очистки стоков, после чего требуется доочистка.
2. Отстойники. В отличие от септиков, разложение органических примесей протекает эффективно и быстро.
3. Метантенки. Они представляют собой закрытые резервуары, где процесс минерализации органического вещества выполняется при искусственном подогреве.

Основные биохимические процессы в анаэробных и аэробных условиях

Эксплуатация Очистных сооружений биологической очистки сточных вод

Все процессы полностью автоматизированы – от подачи воздуха воздуходувками до учёта стоков.

Для подачи воздуха в биореакторы для процессов аэрации используются воздуходувки. Они устанавливаются в технологическом павильоне. Управление их работой полностью автоматическое. Работу воздуходувок программируют на подачу электроэнергии пуск-стоп 1:1.

Остальные системы также снабжены датчиками и измерительными приборами. При штатной прогнозируемой ситуации достаточно контролировать данные о pH, ОВП и температуре. При переходе к внештатной ситуации оператор может вручную скорректировать работу оборудования. Однако многие современные системы могут самостоятельно, без участия человеческого фактора, основываясь на полученных данных, изменять режим работы оборудования в реальном времени

Система искусственного интеллекта накапливает в базе данных информацию с датчиков и анализаторов. Этот массив данных является фундаментом для определенных закономерностей минимальных и максимальных значений стоков, степени загрязнений и прочих показателей. На основе этих закономерностей делается прогноз работы оборудования в стандартном штатном режиме. Учитывается также время суток. При увеличении нагрузки днём, либо при снижении нагрузки ночью или выходные, система будет задействовать оборудование, необходимое для конкретного случая –освобождать резервные резервуары, корректировать подачу воздуха и т.д.

Биологическая очистка

Любой механический метод, является достаточно распространенным, но для его реализации необходимо учитывать, что жидкость, которая прошла первый уровень фильтрации, тем не менее, нуждается в дополнительной очистке. Для этого нужно возвести дополнительные подземные траншеи, а это слишком затратно по деньгам и по времени.

Именно за счет этого многие уделяют особое внимание более модернизированной методике очистки загрязненных вод, который заключается в возведении специализированных конструкций, применяя биологический метод.

Для того чтобы отдать свое предпочтение тому или иному методу, необходимо провести сравнительный анализ, по результатам которого данные механической очистки дают 65% фильтрации, а биологической очистки – 98%.

Септик из бетонных колец

Этот вид локального очистного сооружения, работая по анаэробному принципу, несмотря на свою простоту и дешевизнутребует вдумчивого подхода. Вот какие особенности могут быть у этого вида септиков.

Главный инженер Дмитрий Задруцкий:

– Хотя подобный вид очистного сооружения на участке часто сооружают самостоятельно, следует учесть ряд особенностей данного вида септика:

Очищение в этом виде септика происходит путем перелива стоков из камеры в камеру

И поэтому устанавливают 3-х камерные септики из бетонных колец.
Необходимо обратить внимание на диаметр колец. От этого зависит объем септика

Чем больше количество проживающих людей, тем больше нужен объем септика и количество камер.
Если на участке высокий уровень грунтовых вод, то для того чтобы избежать просачивания загрязненных вод в почву требуется лучшая герметизация септика.
Для лучшего очищения стоков, можно использовать специальные бактерии, а для доочистки стока, рекомендуется устроить поле фильтрации.

К недостаткам подобного вида септика можно отнести:

• Сложность монтажа и большой объём земляных работ;
• В отличие от пластиковых септиков не обеспечивается полная герметичность стыков колец;
• Необходимость использования для установки септика спецтехники и подъёмного крана.

Проблема загрязнения окружающей среды

Вода – это жизнь, но потребляем мы ее чистую, а возвращаем грязную. Если стоки не очищать, то время «драгоценной влаги», описанное многими писателями-фантастами, наступит очень скоро. Природа может очищать воду самостоятельно, но данные процессы протекают очень медленно. Количество людей увеличивается, объемы потребления воды также возрастают, поэтому проблем организованной и тщательной очистки стоков стоит особенно остро. Самой эффективной технологией очищения воды является именно биологическая. Но, прежде чем рассматривать основные принципы ее работы, нужно разобраться с составом воды.

Виды станций

Биопрепараты

Биопрепараты применяют для выполнения таких задач:

• Разложения органики: жиров, углеводов, белков;
• Стимуляции работы активного ила;
• Сокращения объема побочных продуктов в виде осадка;
• Ускорения процесса переработки;
• Снижения показателей биохимического потребления кислорода (БПК, ХПК);
• Наращивания и восстановления активного ила.

Производители выпускают препараты, где сконцентрировано определенное количество штаммов натуральных бактерий.

Каждый биопрепарат содержит разные штаммы микроорганизмов, которые подбираются в зависимости от состава сточных вод.

Внимание. Производитель в описании своей продукции указывает, с какими загрязнениями она справляется

Популярные биопрепараты:

Название	Цель использования	Цена
Biofos	Очистка бытовых сточных вод	43 р./25 мг
bioExpert BIO STARTER	Стимуляция развития активного ила в септике или выгребной яме	565 р./400 г
Unibac (compost, start, winter, effect)	Очистка бытовых и промышленных стоков, наращивание активного ила	470-750 р./0,5 л.

Какую воду использовать

Помимо правильного выбора соли, значение имеет и качество воды. Для морского аквариума подойдут три вида:

1. Водопроводная – перед использованием жидкость рекомендуется настаивать в течение суток. В обязательном порядке ее нужно профильтровать. Для этого следует использовать угольный фильтр. Чтобы качественно очистить воду, можно применять специализированные кондиционеры для воды.
2. Дистиллированная жидкость – идеальный вариант для приготовления соленой воды. За счет качественной очистки от вредных веществ и примесей эту воду отстаивать не нужно. Она сразу готова для применения.
3. Обратный осмос – с помощью этой установки можно качественно очистить водопроводную воду. Данный способ приготовления жидкости менее затратный, нежели дистилляция.

Преимущества осмоса. Опытные аквариумисты отдают предпочтение системе обратного осмоса. Купить установку можно в любом зоомагазине.

Недостатки воды из-под крана. Использовать просто отстоянную водопроводную воду категорически запрещено. Без фильтрации в ней остаются химические примеси, которые крайне негативно влияют на здоровье аквариумных рыб.

Необходимость очистки

Водопроводная вода содержит в себе ряд химических примесей. Их наличие негативно сказывается на рыбах и не позволяет создать в аквариуме правильную среду.

Это измерительное устройство рекомендуется приобрести каждому аквариумисту, который серьезно относится к своему хобби.

Правила использования:

1. Прибор опускается в набранную водопроводную воду.
2. Наличие и количество вредных и опасных примесей будет показано на табло в виде отметки ppm. Если данный параметр показывает число 350 ppm, это означает, что столько примесей присутствует в воде.

Использовать прибор нужно и после того, как вода отстоится и пройдет процесс фильтрации. Если результат очистки будет неудовлетворительным, процедура фильтрации проводится еще раз.

Сооружения биоочистки

В систему биологической очистки сточные воды поступают после механической очистки – фильтрации и удаления крупного мусора. Крупный мусор – не то, с чем бактерии в состоянии справиться. В системе биоочистки используются такие методы, как биопрепараты, взаимодействие с активным илом, с планктоном, биофильтры, биологические пруды, агрокультурное использование и т.д.

Наиболее активно совмещает очистку и хозяйственное применение сточных вод агрокультурное использование. Оно происходит через так называемые поля орошения и поля фильтрации – это сооружения в виде прудов, где сточные воды отстаиваются, а затем используются для полива агрокультур и фильтрации через почву.

Взаимодействие с активным илом производится в сооружениях, которые называются «аэротенки». Процессы, происходящие в аэротенках, можно отнести также к биохимической очистке сточных вод. Аэротенки – это система сообщающихся водоемов глубиной около 5 метров, куда вводится активный ил, насыщенный кислородом и аэробными бактериями. Из аэротенков жидкость поступает в отстойники, где активный ил оседает на дно для дальнейшего повторного использования, а вода осветляется.

Биологические фильтры бывают разных видов. Они являются довольно компактными и представляют собой устройства-резервуары с загрузочным материалом. Материал может быть, как природным (щебень, кокс), так и искусственным. Поверхность загрузочного материала покрыта биологической пленкой, в которую входят аэробные бактерии, беспозвоночные и водоросли. Загрузочный материал осуществляет механическую очистку воды, а биологическая пленка – биологическую. Кроме того, в биофильтр входят также система дренажа для удаления очищенной воды, система равномерного распределения воды по фильтру и воздухораспределительная система. Биофильтры бывают:

• капельные;
• двухступенчатые.

Капельные отличаются низкой производительностью, но очень высокой эффективностью работы. Двухступенчатые несколько ниже по эффективности, зато быстрее работают.

Из активного ила и биопленки выделяются биопрепараты – это наборы активных микроорганизмов, содержащие быстрорастущие штаммы, обычно 6 – 12 штаммов аэробных организмов, которые в комплексе обеспечивают быстрое очищение вод. Каждый штамм «отвечает» за отдельные виды загрязнений. В некоторые биопрепараты входят даже специализированные бактерии, разлагающие нефтепродукты. Биопрепараты используются для очистки стоков местного масштаба: в деревне, на небольшом заводе и т.п. Кроме штаммов, в биопрепараты входят питательные элементы – соли фосфора и азота.

В биологических прудах сточные воды очищаются самостоятельно. Это система неглубоких – до 1 метра – прудов. Для эффективной работы вода должна хорошо прогреваться, поэтому при температуре воздуха ниже 6 ºС эффективность работы падает. Биопруды бывают нескольких типов: многоступенчатые; для доочистки воды; рыбоводческие.

Многоступенчатые пруды – это система из 4-5 прудов, в каждом из которых сточные воды отстаиваются по 30 дней. За это время бактерии очищают воды, а то, что не поддалось очистке, оседает на дно. В последнем пруде вода практически чистая и пригодная для рыбоводства, особенно, для разведения карповых рыб.

Рыбоводческие пруды также представляют собой каскад прудов. Стоки в них разбавляются речной водой и отстаиваются около 2 недель. В нижних прудах уже можно разводить рыбу, что с успехом и делается.

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.

Сооружения биологической очистки сточных вод

В естественных условиях, малые объемы воды очищаются самостоятельно. Из-за увеличения работы заводов стоков слишком много. Справиться с данной проблемой помогают станции биоочистки.

Существует четыре типа обработки стоков:

1. Механический.
   Перед тем как вода попадет в резервуар, она отстаивается и фильтруется с помощью решеток, сита, септики, фильтров, уловителей, ловушек. После механической обработки идут другие методы очищения. Не удаляет углеводы, гумусовые вещества, химические компоненты, фенолы, азотосодержащие соединения.
2. Биологический.
   Используют специальные бактерии, которые в процессе жизни устраняют органику.
3. Химический.
   Химические вещества, реагенты, вступают в реакцию с примесями находящимися в воде. В результате реакции образуется нерастворимый осадок, который оседает на дно.
4. Физико-химический.
   Используется метод сгущения, сорбции, окисления, экстракции, электролиз, флотация. На данном этапе удаляются органические примеси и неорганические включения.

Метантенки

Метантенк – это водорезервуар, предназначенный для анаэробного фотолиза органических и жидких отходов с образованием углеводорода. Резервуар прямоугольной или цилиндрической формы, стены выполнены из железобетона и погружены в землю. Внутри встроен паровой или водяной теплообменник и смешивающие лопасти. Дно уклонено к центру. Крыша отсека плавающая или закрытая.

Основная задача – переработать в отстойнике и очистном сооружении взвеси и осадки.

Аэротенки

После прохождения механической фильтрации происходит поступление сточных вод в емкость с активным илом, простейших организмов, бактерий. Содержащиеся в иле бактерии при своевременной подаче оксигена поглощают органические примеси.

Взаимодействие происходит в нескольких секциях оснащенных системой аэрации. В иле содержатся аэробные микроорганизмы, которые абсорбируют определенные виды загрязнений.

Полноценное очищение происходит только при условии непрерывной подачи воздуха. После переработки органики потребности в кислороде снижаются, вода переходит в следующий резервуар.

Здесь бактерии – нитрификаторы устраняют нитраты и азот аммонийную соль. Далее сток подается во вторичный отстойник, ил выпадает в осадок, а вода направляется обратно в резервуар.

Биофильтры

Биофильтры для очистки сточных вод покупают владельцы загородных домов, которые беспокоятся о природе. Считается полноценной станцией очищения стоков. Модуль компактный, в нем размещен резервуар с загрузочным материалом.

В биофильтр встроена активная лента с бактериями. С канализационной трубы сток направляется в первый отсек, в нем оседают крупные элементы и загрязнения. Потом в тело фильтра, где отсеиваются растворенные частицы.

Микрозагрязнения оседают на ленте, бактерии начинают активно расщеплять органику. При оптимальных условиях, они быстро размножаются. Качество и скорость очистки повышается. Чтобы поддерживать необходимый микроклимат в отсек подается воздух с помощью вентилятора.

Биологические пруды

Биологические пруды или биоплато самый действенный способ очищения стоков. Возможна эксплуатация мелких прудов, глубина которых начинается от 50 см. За счет большой площади вода достаточно прогревается, что положительно сказывается на процессе жизнедеятельности организмов, которые занимаются очисткой.

Данную схему целесообразно использовать с апреля по ноябрь, когда столбик термометра не опускается ниже 7 градусов. При более низкой температуре процессы оксидирования замедляются и останавливаются.

Варианты биопрудов:

• многоступенчатый (без разбавления речной водой);
• рыбоводческий (с разбавлением);
• пруд доочистки.

В биоплато вместе со стоком подается вода из близлежащей реки в определенных соотношениях. Длительность очищение – около двух недели. Чтобы ускорить процесс очищения в пруд запускают рыбу, в основном карповых пород.

В многоступенчатый пруд сток подается неразбавленным. Он постоянно перегоняется из одного пруда в другой, концентрация загрязнений снижается. Данный процесс длиться около месяца.

Поля фильтрации

Поля фильтрации это еще один способ биоочистки. Проводится на специальных полях заселенных почвенными микроорганизмами. Сложные органические вещества окисляются на поверхности почвы. Данную воду целесообразно использовать только для орошения сельскохозяйственных участков.

Поля фильтрации и биологические пруды можно использовать когда грунтовые воды находятся довольно низко. В противном случае загрязненная вода может попасть в источники питьевой воды. Немаловажным фактором является сезонность, только при постоянной плюсовой температуре делятся и активно растут бактерии.

Механизм процесса

Для улучшения качества сточных вод используется два метода: аэробная и анаэробная биологическая очистка. В первом случае процесс протекает с помощью кислорода, во втором – без него.

Важно. В каждом очистном сооружении формируется специфический биоценоз (совокупность живых организмов, способных переработать загрязнения).

Механизм очистки зависит от выбранного метода и биоценоза

Механизм очистки зависит от выбранного метода и биоценоза.

Технологическая схема аэробной чистки

Агентом выступает биопленка или активный ил.

Это совокупность бактерий, грибов, простейших, представителей микрофауны того или иного рода/группы с заданными характеристиками.

Классическая схема аэробной очистки выглядит так:

1. Сточные воды попадают в анаэробную зону аэротенка-вторичного отстойника. Там они перемешиваются с активным илом.
2. В установку нагнетается кислород, при необходимости вводятся компоненты, способствующие переработке.
3. Происходит два биохимических процесса: окисление органического углерода и нитрификация.
4. Осуществляется один или несколько рециклов: воды снова перемешиваются с активным илом и обогащаются кислородом.
5. Переработанные стоки отстаиваются – происходит гравитационное разделение иловой смеси.
6. Избыточный активный ил поступает на переработку, а часть массы возвращается на исходную позицию.
7. Очищенные воды поступают на доочистку или спускаются в водоем.

Этапы очистки отличаются в разных системах, но суть метода остается той же.

Анаэробной

Этот метод применяется, когда в сточных водах большое количество органических загрязнений, твердых осадков и активного ила. В ходе метаногенеза (так называется процесс анаэробной очистки) загрязнения конвертируются в биогаз, который состоит из метана и углекислого газа.

Технологическая схема классической анаэробной очистки:

Сточные воды попадают в отсек, где происходит метановое брожение. После взаимодействия анаэробных бактерий с загрязнениями образуется метан, углекислый газ, сероводород. Эти газы утилизируются.

Сброженный осадок поступает в следующий отсек, где происходит обезвоживание ила в центрифуге. Затем очищенная вода спускается в водоем.
Обезвоженный ил поступает в барабанную сушилку. Выделившуюся воду утилизируют.
Сухой ил обеззараживается и становится материалом для компостирования.