Лекция №8.
Биологическая очистка сточных вод
План лекции:
1.
Метод
биологической очистки сточных вод.
2. Очистка в естественных условиях:
2.1.
поля
орошения;
2.2.
поля
фильтрации;
2.3.
биопруды.
3.
Сооружения с очисткой сточных вод в искусственно созданных условиях:
3.1.
биофильтры;
3.2.
аэротенки.
1.
Метод биологической очистки сточных вод.
Биологический метод основан на
использовании жизнедеятельности аэробных микроорганизмов, для которых органические вещества сточных
вод (в растворенном и коллоидном состоянии) являются источником питания. При наличии свободного кислорода в сточных
водах микроорганизмы окисляют (минерализуют) органические вещества.
Основной целью биологической
очистки городских сточных вод являются разложение и минерализация органических
веществ, находящихся в коллоидном и растворенном состоянии. Эти вещества нельзя
удалить из стоков механическим путем. Освобождение сточных вод от органических веществ
происходит в две фазы.
Первая – фаза сорбции. В основе ее лежат
физико-химические процессы адсорбции органических веществ и коллоидов
поверхностью микробной клетки. Вторая фаза – последовательное окислениерастворенных и адсорбированных органических веществ, в
основе которого лежит усвоение микроорганизмами
органических веществ.
С гигиенической точки
зрения полная минерализация всех органических примесей сточных вод
не считается необходимой. Задача биологической очистки городских
сточных вод состоит в минерализации органических веществ до такой степени, при
которой сточные воды можно было бы сбросить в водный объект, не нарушая его
санитарного режима.
Распад органических соединений разных классов
происходит в определенной последовательности и с различной скоростью. Разложение углеводов до углекислого газа и воды идет
чрезвычайно быстро, всего несколько часов. Медленнее окисляются жиры. Наиболее сложно и длительно осуществляется распад белковых веществ,
поступающих в сточные воды большей частью в виде мочевины. Мочевина
гидролизуется под влиянием бактерий до карбоната аммония. На следующем этапе аммонийные соли окисляются в нитриты, затем нитриты превращаются в нитраты.
Процесс нитрификации связан
с потреблением большого количества кислорода, что учитывается при
организации биологической очистки. Нитрификация – процесс экзотермический, это значительно облегчает эксплуатацию очистных
сооружений в зимнее время. Нитрификацию следует
рассматривать не только как минерализацию азотистых органических шлаков, но и
как накопление связанного кислорода в воде. При дефиците кислорода в водном
объекте связанный кислород нитратов может быть мобилизован в процессе денитрификации.
Условиями
жизнедеятельности микроорганизмов являются:
- температура в пределах 20
– 30оС;
- рН в пределах 6,5 – 7,5;
- БПКполн : N : Р = 100 : 5 : 1;
- концентрация кислорода не
менее 2 мг/л;
- БПКнач 
5000 мг/л; БПКкон 10 мг/л;
- невысокое содержание
токсичных веществ (в пределах ПДКб), в противном случае гибнет
микрофлора.
Биологическая очистка
сточных вод может происходить в естественных и искусственных условиях.
1.
Очистка в естественных условиях (почвенные методы).
Способ известен с древних времен. Он
используется в основном для очистки бытовых и городских сточных вод, а не чисто
производственных. Для очистки сточных вод применяют поля орошения, поля фильтрации и
биологические пруды (биопруды).
2.1. Земледельческие поля
орошения (ЗПО) – это специально подготовленные
(спланированные) участки земли
для приема предварительно очищенных (прошедших механическую очистку)
сточных вод с целью их доочистки. Поля состоят из карт, спланированных горизонтально или с незначительным уклоном и
разделенных земляными оградительными валиками. Они используются одновременно
для очистки сточных вод и агрокультурных целей. Очистка в этих условиях идет под действием почвенной микрофлоры, солнца, воздуха
и под влиянием жизнедеятельности растений. Сточная вода распределяется по
картам оросительной сетью. Вода,
профильтрованная через слой почвы, отводится осушительной сетью.
При фильтрации сточных вод через почву в ее верхнем
слое задерживаются взвешенные
и коллоидные вещества,
образующие на поверхности густонаселенную микроорганизмами пленку. Пленка адсорбирует на своей поверхности растворенные
вещества, находящиеся в сточных водах. Микроорганизмы минерализуют органические
вещества с использованием растворенного кислорода.
Очистка сточных вод на
полях фильтрации происходит в результате жизнедеятельности микрофлоры, населяющей почву. В 1 г почвы присутствуют сотни
тысяч, а в некоторых почвах до миллиарда бактерий. При орошении сточной водой,
содержащей много питательного субстрата, увлажняющей и согревающей, создаются условия для
интенсивного размножения и ускорения обменных реакций почвенного биоценоза.
Каждая структурная единица почвы на полях оказывается покрытой сплошным слоем
микрофлоры – так называемой биологической пленкой. На поверхности биопленки
сорбируются и минерализуются растворенные и коллоидные вещества сточной
жидкости.
Затем эти участки
используют для сельскохозяйственных целей, На них выращивают
сельскохозяйственные культуры, то есть сточные воды используются как удобрение. На полях выращивают огородные или кормовые культуры,
сеяные травы. ЗПО могут быть круглогодичного или сезонного действия. На ЗПО
разрешается подавать сточную жидкость, прошедшую механическую очистку. Нормы нагрузки на ЗПО
невелики: 5 – 15 м3/(га . сут), что в 5 – 15 раз меньше, чем на
коммунальных полях орошения. При правильной эксплуатации ЗПО не могут являться
фактором передачи возбудителей кишечных инфекций, поэтому необходим строгий и
тщательный контроль соблюдения правил эксплуатации ЗПО.
При использовании метода
достигается высокий (до 99%) эффект бактериальной очистки. Однако для полей орошения основной задачей является
очистка сточных вод.
1.2.
Поля фильтрации –
это земельные участки, предназначенные только для полной биологической очистки предварительно
осветленных сточных вод. При очистке сточных вод на полях фильтрации
используется самоочищающая способность почвы: наиболее интенсивно
процесс окисления органических загрязнений идет в верхних слоях почвы (0,2
– 0,3 м), где соблюдается благоприятный кислородный режим.
Их устраивают на
песках, супесях. Поля можно устраивать также на суглинистых грунтах и тощих
глинах, однако нагрузку по сточным водам в этом случае снижают. На полях
производится распределение и фильтрация через почву сточных вод. Уровень грунтовых (УГВ) вод
на территории, используемой под поля, должен быть на глубине не менее 1,5 м от
поверхности. При более высоком положении УГВ необходимо устройство дренажа.
Для небольших рабочих
поселков, малых городов устройство
полей орошения и фильтрации можно признать весьма целесообразным в связи со
сравнительной простотой их устройства и эксплуатации. Рекомендовать поля
орошения для отдельно стоящих объектов в неканализованной местности (санатории, дома отдыха) не
следует из-за трудности обеспечения обслуживающим персоналом.
2.3. Биопруды (рис.
1) – это искусственно созданные неглубокие водоемы на слабофильтрующих грунтах глубиной
0,5 – 1 м. Они представляют собой каскад прудов, состоящий из трех-пяти ступеней, через которые с небольшой скоростью протекает
осветленная или биологически очищенная сточная вода. Их применяют в случаях,
когда при наличии достаточных площадей отсутствуют хорошо фильтрующие почвы. Иногда устраивают биопруды с искусственной аэрацией глубиной
до 3 м.
Рис. 1. Схема биопруда.
Процесс очистки в этих
сооружениях аналогичен процессам, происходящим при
самоочищении водоемов. Для устройства биологических
прудов могут быть использованы естественные впадины местности, заброшенные карьеры, а
также специально созданные водоемы.
Пруды используют в качестве второй ступени биологической
очистки, а также для глубокой очистки биологически очищенных сточных
вод с доведением величины БПКп до
5 – 6 мг/л. Небольшая глубина позволяет создать значительную поверхность контакта обрабатываемой
воды с воздухом, обеспечить прогрев всей толщи воды и хорошее ее перемешивание.
Биологические пруды
обеспечивают высокоэффективную очистку – количество кишечной палочки
снижается на 95,9 – 99,9% исходного, почти полностью задерживаются яйца
гельминтов.
Однако нормальный ход
очистки в биологических прудах возможен лишь в теплое время года.
При температуре воды
ниже 6оС очистка резко ухудшается, что ограничивает использование
биологических прудов как самостоятельных сооружений. При необходимости
повышенной очистки биопруды можно устраивать после биофильтров или аэротенков
как 3-ю ступень очистки.
К
недостаткам метода очистки сточных вод в естественных
условиях относятся:
- низкая окислительная
способность;
- сезонность работы;
- потребность в больших
территориях.
2.
Сооружения с очисткой сточных вод в искусственно созданных
условиях.
Разработка искусственных методов очистки
началась в начале прошлого века. Для очистки сточных вод применяют биофильтры
и аэротенки.
3.1. Биофильтр (рис.
2) представляет собой слой фильтрующего материала
высотой 1,5 – 2 м, через который пропускается сточная вода.
Через 2 – 3 недели (период адаптации микроорганизмов)
на загрузочном материале образуется биопленка толщиной 1 – 3 мм и более, способная сорбировать на своей
поверхности органические вещества. Загрузочный материал заселяется бактериями,
грибами, простейшими и другими организмами. По мере увеличения толщины пленки
ее нижние минерализованные слои отмирают и уносятся вместе с водой.
Отличительной особенностью биофильтров является то, что
фильтрующая загрузка (следовательно, и активная биомасса)
закреплена на неподвижном материале.
Сверху биофильтры имеют оросители для
распределения сточных вод по загрузке. В нижней части
резервуаров имеются окна, обеспечивающие естественную или
принудительную аэрацию поверхности биопленки, формирующейся
на поверхности загрузки. Сточная вода проходит через толщу фильтрующего материала,
дырчатое дно фильтра, а затем поступает через междудонное пространство на
непроницаемое днище, откуда отводится по лоткам, расположенным за пределами
биофильтра.
Рис. 2. Схема устройства биофильтра
1 – ограждающая стенка; 2 – горизонтальное
дырчатое дно фильтра; 3 – сплошное
непроницаемое днище; 4 – загрузка (слой
фильтрующего материала); 5 – распределительное
устройство для равномерного распределения
сточной воды по поверхности
3.2. Аэротенк – это проточное сооружение со свободно плавающим активным илом. Аэротенки
выполняют в виде длинных железобетонных прямоугольных резервуаров глубиной
3 – 6 м, шириной 6 – 10 м. длиной до 100 м. Аэротенки состоят из нескольких секций (коридоров),
разделенных перегородками.
В аэротенках происходит
образование активного ила – совокупности микроорганизмов и
твердых частиц. Активный ил включает в себя бактерии, простейшие,
грибы, водоросли, способные сорбировать на своей поверхности органические
загрязнения и окислять их в присутствии кислорода. Принципиальная схема работы
аэротенка показана на рис. 3.
Рис. 3. Принципиальная схема работы
аэротенка
1 – первичный отстойник; 2 – аэротенк; 3 –
вторичный отстойник; 4 – насосная станция;
5 - циркулирующий активный ил; 6 – избыточный
активный ил; 7 – подача воздуха в аэротенк
Сточная жидкость после
осветления в первичных отстойниках поступает в аэротенк и смешивается с
циркулирующим активным илом. Смесь сточных вод и активного ила по всей длине
аэротенка продувается воздухом, поступающим из компрессорной станции.
Аэробные микроорганизмы сорбируют
органические вещества из сточных вод и в присутствии кислорода окисляют их.
Из аэротенка смесь сточных
вод с активным илом направляется во вторичный отстойник,
где активный ил оседает. В результате роста микроорганизмов масса ила в
аэротенке непрерывно возрастает. Поэтому насосная станция
перекачивает избыточный активный ил из вторичного отстойника в илоуплотнители, а циркулирующий активный ил – обратно в аэротенк.
При биологической очистке сточных вод протекают два процесса: сорбция загрязнений активным илом и их внутриклеточное окисление микроорганизмами. Скорость сорбции значительно превышает скорость биоокисления, поэтому после окончания процесса сорбции и достижения требуемого эффекта очистки по БПК отделившийся в отстойнике ил направляют в регенератор (секцию аэротенка) с целью биоокисления остаточных загрязнений сточных вод.
Таким образом, для
обеспечения устойчивой работы
аэротенков устраивают регенераторы – сооружения, в которых
восстанавливается сорбирующая способность
активного ила. Ил в регенераторах постоянно аэрируется. Под регенераторы обычно
выделяют часть коридоров аэротенка.
Для обеспечения
микроорганизмов кислородом, а также для поддержания ила во взвешенном состоянии
применяют непрерывную искусственную аэрацию смеси сточных вод и активного ила.
Таким образом, активная биомасса находится в аэротенке во взвешенном состоянии.
Система
аэрации является
важнейшим конструктивным элементом аэротенка. Эта
система состоит из комплекса
сооружений и специального оборудования, обеспечивающего снабжение жидкости
кислородом, поддержание ила во взвешенном состоянии и постоянное перемешивание
сточной воды с илом. Для большинства типов аэротенков система аэрации обеспечивает одновременное выполнение
всех этих функций, лишь в окситенке перемешивание механическими мешалками не
связано с системой подачи кислорода.
Различают три системы аэрации:
- пневматическая (воздух
нагнетается в аэротенк под давлением);
- механическая (воздух
поступает в аэротенк при вращении в нем жидкости механическими устройствами,
например, вращающимися мешалками, щетками, турбинками и т.п.);
- комбинированная (смешанная,
пневмомеханическая).
Наибольшее распространение получили пневматические системы
аэрации.
Аэротенки можно классифицировать по
следующим основным признакам (рис. 4).
По
структуре потока - аэротенки-вытеснители,
аэротенки-смесители и аэротенки с рассредоточенным впуском сточной жидкости,
аэротенки промежуточного типа.
По
способу регенерации активного ила - аэротенки с отдельно
стоящими регенераторами ила, аэротенки, совмещенные с регенераторами.
По
нагрузке на активный ил - высоконагружаемые, обычные и
низконагружаемые.
По
числу ступеней - одно-, двух- и многоступенчатые.
По
конструктивным признакам - прямоугольные, круглые, комбинированные,
противоточные, шахтные, фильтротенки, флототенки и др.
По
типу систем аэрации - с пневматической, механической,
комбинированной гидродинамической или пневмомеханической.
Аэротенки могут быть успешно применены для полной
или частичной очистки многих видов сточных вод в широком диапазоне концентраций
загрязнений и расходов сточных вод.
Существуют различные классификации (схемы
работы) аэротенков: аэротенки-вытеснители, аэротенки-смесители и аэротенки с
рассредоточенным выпуском сточной жидкости (промежуточного типа).
В аэротенках-вытеснителях, имеющих один - четыре коридора,
вода и ил подаются в начало сооружения, а смесь отводится в конце его.
Теоретически режим потока в вытеснителях должен быть поршневым без продольного
перемешивания. Их применяют для
очистки сравнительно слабо загрязненных городских и подобных им
производственных сточных вод (БПКп до
500 мг/л). Однако, в коридорных
аэротенках существует значительное продольное перемешивание. В большей степени
режиму вытеснителя соответствуют конструкции аэротенков ячеистого типа.
Аэротенк ячеистого типа представляет собой прямоугольное
в плане сооружение, разделенное на ряд отсеков поперечными перегородками. Смесь
из первого отсека переливается во второй (снизу), из, второго - в третий
(сверху) и т. д. В каждой ячейке устанавливается режим полного смешения, а
сумма ряда последовательно расположенных смесителей составляет практически
идеальный вытеснитель.
В аэротенках-смесителях сточная
вода и ил подводятся и отводятся равномерно вдоль длинных сторон сооружения на
расстоянии 3 – 4 м друг от друга и перемешиваются почти со всем объемом воды
сооружения. Иловая смесь, таким образом, протекает не вдоль, а поперек аэротенка.
Аэротенк-смеситель применяют обычно для очистки производственных сточных
вод с высокой концентрацией органических загрязнений, а также при резких колебаниях концентрации
загрязняющих веществ в сточной воде. Принимается,
что поступающая смесь очень быстро (в расчетах мгновенно) смешивается с
содержимым всего сооружения.
В аэротенках промежуточного типа можно рассредоточенно подать
либо воду, либо ил с отводом смеси сосредоточенно в конце аэротенка. На
практике применяется первый тип - с рассредоточенной подачей воды. Их применяют для очистки смесей промышленных и
городских сточных вод.
Время
пребывания сточных
вод в аэротенках составляет 8 – 10 ч.
В аэротенках с разными
структурами потока существенно различны и условия развития популяции микроорганизмов. В аэротенках-вытеснителях нагрузка на ил и
скорость потребления кислорода максимальны в начале сооружения и минимальны в
конце. Если воздух подается равномерно по всей длине аэротенка, то в начале
процесса может отмечаться глубокий дефицит кислорода. Условия развития
популяции микроорганизмов в этой системе оптимальны только в какой-то средней
части сооружения, где имеется соответствие между уровнем питания и наличием
растворенного кислорода. Аэротенки-вытеснители плохо справляются с залповыми
перегрузками по загрязнениям, в них нельзя, существенно повысить рабочую
концентрацию ила.
Рис.4. Схемы аэротенков:
а - вытеснители; б - смесители; в -
с рассредоточенным впуском воды;
г - с неравномерно распределенной
подачей жидкости типа АНР;
д - с регенераторами; е - ячеистого типа; I - сточная вода;
II -
активный ил; III - иловая
смесь; 1 - аэротенк; 2 - вторичный отстойник; 3
- регенератор.
Нагрузка на ил, скорости
процесса изъятия загрязнений и потребление кислорода в аэротенках-смесителях (называемых также аэротенками полного
смешения) постоянны во всем объеме сооружения. Ил находится в одной достаточно
узкой стадии развития культуры, обусловленной величиной нагрузки на ил. Условия
существования культуры близки к оптимальным. Однако качество очищенной
воды при прочих равных условиях может оказаться несколько ниже, чем в
аэротенках-вытеснителях, поскольку в силу особенностей гидродинамической
структуры потока, обусловливающих вероятность попадания части только что
поступившей сточной воды в отводную систему, снижается общий эффект очистки.
Эта вероятность тем выше, чем ближе конструкция сооружения к идеальному
смесителю.
При рассредоточенной подаче
жидкости полная нагрузка по загрязнениям достигает максимума к концу
сооружения, но степень очистки воды может быть очень высокой, так как по мере
продвижения смеси по аэротенку ранее поданные загрязнения успевают
срабатываться и к концу аэротенка уровень питания истинный (а не расчетный)
может соответствовать состоянию ила с высокой окислительной способностью.
Аэротенк с рассредоточенной подачей
воды имеет тот же недостаток, что и
аэротенк-вытеснитель: отсутствие оптимальных условий по кислородному режиму в
сооружении. Однако общая масса ила в аэротенке с рассредоточенной подачей воды
выше, чем в вытеснителе, в связи с чем пропускная способность этого аэротенка
также выше.
Аэротенки-вытеснители коридорного типа применяют при начальной БПКполн не более 500 мг/л. Ширина коридоров
принята 4,5; 6 или 9 м, шаг длины коридора равен 6 м.
Аэротенки-смесители рекомендуется применять для сточных вод с высокой начальной БПК, а
также при резких колебаниях состава воды. Практически все аэротенки небольшого
размера с механическими аэраторами относятся к типу аэротенков-смесителей.
Наибольшее распространение получили аэротенки-смесители, совмещенные со
вторичными отстойниками.
Заключительным этапом
обработки городских сточных вод является их обеззараживание. В качестве обеззараживающего агента чаще всего используют хлор, как газообразный, так и в виде хлорной извести. Однако у
метода хлорирования сточных вод есть серьезные гигиенические и экологические ограничения. При хлорировании в сточной воде образуются стойкие хлорорганические соединения в токсичных для биоты водного объекта
и человека концентрациях. Немаловажна и высокая взрывоопасность складов
жидкого хлора. В последние годы в практику обеззараживания сточных вод успешно внедряется метод ультрафиолетового облучения.
В регионах с высокой
плотностью населения и при малой мощности водных объектов – приемников сточных
вод традиционные схемы очистки городских сточных вод не могут
обеспечить должного гигиенического эффекта главным образом из-за того, что даже
биологически очищенные воды содержат большое количество биогенных элементов – фосфора, калия и азота. Традиционные методы очистки городских
сточных вод не освобождают их от синтетических органических веществ, порой
вредных и опасных с токсикологической точки зрения. Совокупность дополнительных методов обработки
сточных вод получила название доочистки. Это комплекс методов и
приемов, выходящих за пределы этапов механической и биологической очистки,
направленный на достижение нормативного качества восстановленной воды.
На рис. 5. приведена схема
полной биологической очистки сточных вод.
Рис. 5. Схема полной
биологической очистки сточных вод.
Вопросы к
самоконтролю:
1. Метод
биологической очистки сточных вод.
2.
Поля орошения.
3.
Поля фильтрации.
4.
Биопруды.
5.
Биофильтры.
6.
Аэротенки.
Список литературы
а) основная
Мамонтова Р.П.Санитарная
гидротехника. Москва: Моркнига, 2012. - 496 с.
Демидова А.Г. Основы
санитарной гидротехники: Учебное пособие для студентов вузов.-Калининград:
КТИРПХ, -1988, 76 с.
б) дополнительная
Воронов Ю.В., Яковлев С.В.
Водоотведение и очистка сточных вод/ учебник для вузов: М.:-Издательство
Ассоциации строительных вузов, 2006.- 704 с.
Калицун В.И. Основы
водоснабжения и канализации. Учебное пособие для техникумов. Изд. 2-е перераб.
и дополн. Москва: Стройиздат, 1977.
Николадзе Г.И.
Водоснабжение. Учебное пособие для техникумов. Изд. 3-е перер. и доп.-
М.:Стройиздат.- 1989.- 596 с.