Биологическая очистка сточных вод

Биологическая очистка сточ­ных вод осуществляется при помощи живых организмов разного уровня организации. Существуют два направления биологической очистки: метод биологической очистки и метод биологической доочистки сточных вод.

Метод биологической очистки сточных вод получил широкое распро­странение в химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности. Этот метод основан на способности некоторых микроорганизмов питаться растворенными в воде органиче­скими и некоторыми неорганическими веществами. В процессе потребле­ния этих веществ происходит их окисление кислородом, растворенным в воде. Часть окисляемого микроорганизмами вещества используется для увеличения биомассы и для размножения этих организмов, а другая пре­вращается в безвредные продукты окисления - воду, диоксиды углерода, азота и др.

Для создания новых клеток микроорганизмы используют углерод, во­дород, кислород, серу и микроэлементы, которые они получают из разру­шаемых органических веществ. Недостающие для построения клеток эле­менты, чаще всего азот, фосфор и калий, приходится добавлять в очищае­мые стоки в виде солей или очищать производственные сточные воды со­вместно с бытовыми.

Микроорганизмы, которые участвуют в процессе биологической очи­стки, формируются в виде активного ила или биопленки. Активный ил имеет вид буро-желтых мелких хлопьев размером 3-150 мкм, взвешен­ных в воде и представляющих собой колонии живых микроорганизмов, в том числе бактерий, образующих слизистые капсулы (зооглеи). Биоплен­ка - это слизистые обрастания живыми микроорганизмами фильтрующего материала очистных сооружений.

Микроорганизмы, образующие ил и биопленку, весьма разнообразны. Самую многочисленную группу составляют бактерии: в одном грамме су­хого ила их содержится от 10⁸ до 10¹² клеток. Имеется много видов бакте­рий, каждый из которых способен окислять преимущественно определен­ные вещества.

Поэтому если в сточные воды будут введены новые вещества, то пона­добится некоторое время, чтобы бактерии, способные использовать имен­но эти вещества, размножились в достаточном количестве и смогли обес­печить наилучшую очистку.

На интенсивность и эффективность очистки оказывают влияние усло­вия жизнедеятельности микроорганизмов в очистных сооружениях. Пре­жде всего для окисления органических веществ микроорганизмам необ­ходим кислород. Для насыщения сточной воды кислородом ее аэрируют, разбивая воздушный поток на пузырьки, которые как можно более равно­мерно распределяют в объеме сточной воды. Из пузырьков воздуха ки­слород абсорбируется водой, а затем переносится к микроорганизмам. Подаваемый воздух распределяется посредством фильтросов, диффузо­ров, перфорированных труб. Недостаточная подача воздуха замедляет процесс очистки.

Питательными веществами для микроорганизмов активного ила явля­ются загрязняющие воду органические вещества, однако избыточная их концентрация в сточных водах может умертвить микроорганизмы. Но от­сутствие в стоках достаточного количества веществ, необходимых для питания и построения новой биомассы, также вызывает отмирание микроорганизмов.

Большое значение имеет температурный режим биологической очист­ки. При понижении температуры сточной воды с 20 до 6 °С скорость про­цесса очистки замедляется примерно в два раза, а при увеличении темпе­ратуры от 20 до 37 °С скорость биохимического окисления повышается в 2-2,5 раза. На практике температуру поддерживают в пределах экологи­ческого оптимума (20 - 30 °С).

Для сохранения интенсивности процесса очистки в зимнее время под­держивают более высокую концентрацию активного ила в воде и обеспе­чивают более интенсивную аэрацию, которая активизирует обменные процессы в клетках микроорганизмов.

Наиболее благоприятной средой для бактерий является нейтральная или слабощелочная. При 9 < pH < 5 эффективность очистки резко снижа­ется.

Эффективность биологической очистки также зависит от количества активного ила в очищаемой сточной воде. Чем больше концентрация ила в воде, тем интенсивнее процесс очистки, при условии, что в воде имеется достаточное количество кислорода, обеспечивается хорошее перемешива­ние воды, ила и воздуха. Обычно концентрация ила поддерживается в пределах 2 - 4 г/л.

На практике используют два метода биологической очистки сточных вод - аэробный и анаэробный.

Аэробный метод осуществляется бактериями при наличии в воде ки­слорода. Аэробные процессы биологической очистки могут протекать в естественных условиях и в искусственных сооружениях. В естественных условиях очистка происходит на полях орошения, полях фильтрации и биологических прудах. Естественные процессы биологической очистки являются экстенсивными, и в настоящее время они гораздо реже исполь­зуются в практике очистки промышленных сточных вод.

Искусственными сооружениями являются аэротенки и биофильтры разной конструкции. Выбор типа сооружения производится с учетом ме­стоположения предприятия, климатических условий, источника водо­снабжения, объема промышленных и бытовых сточных вод, состава и концентрации загрязнений. В искусственных сооружениях процессы очи­стки протекают с гораздо большей скоростью, чем в естественных усло­виях, поэтому аэробная биологическая очистка промышленных сточных вод является основным методом во многих отраслях промышленности.

Имеется много видов и конструкций аэротенков, но все они построе­ны по одному принципу: смесь воды и активного ила медленно движется по прямоугольным вытянутой формы резервуарам (секциям) аэротенка и непрерывно насыщается воздухом, подаваемым в воду через фильтросы, уложенные на дно резервуара вдоль его продольной стенки или другим способом. Пузырьки воздуха, поднимаясь, перемешивают активный ил со сточными водами и не дают хлопьям оседать на дно аэротенка. Внешне это выглядит так, как будто вода кипит. Такое перемешивание обеспечи­вает интенсивный процесс окисления загрязнителей сточных вод.

Аэротенки могут быть классифицированы по гидродинамическому режиму работы как аэротенки идеального вытеснения; аэротенки идеаль­ного смешения; аэротенки промежуточного типа. На практике чаще всего применяют аэротенки-вытеснители и аэротенки-смесители.

На рис. 10 показана схема аэротенка-вытеснителя. Очищаемая вода через первичный отстойник 1 по вводу 2 поступает в аэротенк 3 и, пройдя его, по выводу 4 попадает во вторичный отстойник 5, в котором отделяет­ся

Рис. 10. Схема аэротенка-вытеснителя

активный ил. Очищенная вода по трубопроводу 6 отправляется на дальнейшую обработку. Часть активного ила по трубопроводу возвратно- го ила 8 возвращается в процесс очистки (в голову аэротенка), а излишек удаляется из системы через трубопровод 7.

Аэротенки-вытеснители имеют ряд недостатков; в частности, в них нельзя повысить интенсивность процесса очистки, увеличивая концентра­цию активного ила. Они очень чувствительны к перегрузкам, поэтому по­сле каждого нарушения режима требуется длительное время для восста­новления работоспособности системы.

Более целесообразно применение аэротенков-смесителей, в которых смесь сточной воды и активного ила вводится вдоль всей продольной стенки аэротенка, а вывод осуществляется с противоположной стороны. При этом порции поступающего стока почти мгновенно перемешиваются со всей массой очищаемой жидкости и активного ила, что позволяет рав­номерно распределить загрязнения и растворенный кислород в объеме аэ­ротенка.

Схема устройства аэротенка-смесителя показана на рис. 11.

Разработана и широко используется очистка сточных вод в окситенках с использованием вместо воздуха чистого кислорода и активного ила с высокой концентрацией. Концентрацию кислорода в воде окситенков до­водят до 10 - 12 мг/л (вместо 2-4 мг/л в аэротенках), а дозу активного ила до 15 г/л (в аэротенках - 2 - 4 г/л); при этом окислительная мощность окситенков оказывается выше, чем у аэротенков, в 5 - 6 раз. Этот способ целесообразно использовать на тех предприятиях, где имеется собствен­ный технический кислород, или он может быть получен с соседних хими­ческих предприятий.

Рис.11 Схема устройства аэротенка-смесителя 1 - первичный отстойник; 2 - ввод очищенной воды в аэротенк; 3 - аэротенк; 4 ~ отвод воды из аэротенка; 5 - вторичный отстойник, 6 - вывод очищенной воды из системы; 7 - отвод избыточ­ного активного ила; 8 - трубопровод возврата активного ила

Процесс очистки сточных вод в аэротенках весьма сложен, требует по­стоянного контроля и управления. Управлять процессом биологической очистки можно, изменяя концентрацию активного ила в аэротенке, режим аэрации, а также поддержанием оптимальных концентраций загрязняю­щих веществ в сточных водах, подачей в них биогенных веществ, подбо­ром соответствующих загрязнителям групп микроорганизмов и другими способами.

Для аэробной очистки также применяют биофильтры. Это сооруже­ния, в корпусе которых размещается кусковая насадка и предусмотрены распределительные устройства для сточной воды и воздуха. В биофильт­рах сточная вода фильтруется через слой загрузки, покрытой пленкой микроорганизмов, которые окисляют органические вещества, используя их для удовлетворения физиологических нужд. Таким образом из сточной воды удаляются органические соединения, а масса активной биопленки увеличивается. Отработанная биопленка смывается протекающей сточной водой и выносится из биофильтра. На процесс очистки в биофильтре зна­чительное влияние оказывает температура внешней среды. Биохимиче­ские процессы протекают с выделением тепла, биофильтры сами себя обогревают, а крупные установки, защищенные от потери тепла, работают и при небольших морозах (до - 6 °С).

Биофильтры имеют много недостатков. Управлять процессом очистки в них можно только, регулируя подачу воды; они заиливаются, отчего резко падает их окислительная способность; в процессе работы биофильт­ра часто возникают неприятные запахи; в них заводятся неспецифические организмы, в частности личинки мух, которые разрыхляют биопленку, и ее уносит с водой. Для борьбы с личинками мух биофильтры обрабаты­вают ядохимикатами, что дополнительно загрязняет сточные воды ток­сичными веществами и т. д.

Заключительным этапом биологической очистки сточных вод является очистка или доочистка предварительно очищенных сточных вод в биоло­гических прудах. Биологические пруды представляют собой каскад соору­жений глубиной 1,0 - 1,5 м, через которые с незначительной скоростью протекают подготовленные сточные воды. Различают пруды с естествен­ной и искусственной аэрацией. Время пребывания в прудах зависит от ви­да и концентрации загрязнений, степени предварительной очистки, даль­нейшего использования очищенной воды и колеблется в пределах 3 - 50 сут. Если пруды имеют искусственную аэрацию, то время пребывания воды в них значительно сокращается.

На предприятиях нефтехимической, нефтеперерабатывающей и хими­ческой промышленности биологические пруды используются в основном для доочистки сточных вод, прошедших сооружения биохимической очи­стки. После биологических прудов концентрация нефти и нефтепродук­тов, других загрязнителей снижается настолько, что в последних секциях прудов можно разводить рыбу в полупромышленных масштабах. Имеется положительный опыт использования в биологических прудах некоторых одноклеточных водорослей (хлорелла, спирулина), простейших (дафнии, коловратки, моины), высших водных растений (тростник, трифоль, ка­мыш, рогоз) для очистки сточных вод от капролактама, сероуглерода, ря­да органических загрязнителей и т. д. В том случае, если очищенные про­мышленные сточные воды непосредственно сбрасываются в естественные водоемы, желательно выпуск их осуществлять через биологические пруды.

К сожалению, биологические пруды имеют существенные недостатки, ограничивающие их применение: сезонность работы, низкая окислитель­ная способность, занимают большие площади, наличие застойных (нера­бочих зон), неуправляемость процесса очистки, сложность в эксплуатации.

Иногда очистку осуществляют на полях орошения. Это специально подготовленные участки, используемые одновременно для очистки сточ­ных вод и агрокультурных целей. Очистка сточных вод на полях ороше­ния производится с помощью почвенной микрофлоры, солнца, воздуха и жизнедеятельности растений. Земледельческие поля орошения после спуска доочищенных сточных вод, увлажнения и удобрения используются для выращивания зерновых и силосных культур, трав, некоторых овощей, а также для посадки деревьев и кустарников.

Методы биологической очистки сточных вод эффективны и являются по существу обязательной составной частью системы очистки каждого предприятия. Тем не менее наряду с несомненными достоинствами тра­диционные методы биологической очистки имеют ряд недостатков. К ним относится, например, высокая чувствительность гидробионтов, особенно простейших, к синтетическим токсичным соединениям, которые все чаще

встречаются в промышленных сточных водах. На существующих соору­жениях биологической очистки чрезвычайно трудно поддерживать рав­номерное пространственное распределение микроорганизмов на каждом последующем участке по ходу процесса очистки. В системах биологиче­ской очистки требуется непрерывный круглосуточный контроль за физи­ко-химическими параметрами поступающих сточных вод, условиями в экосистеме очистного сооружения и т. д.

Разрешить эти трудности позволяет метод иммобилизации (прикрепле­ния) микроорганизмов-деструкторов специфических загрязнителей на по­верхности носителя-сорбента, не растворимого в воде и не реагирующего с загрязнителями. В этом случае очистка происходит как за счет сорбци­онного изъятия загрязнений, так и за счет биохимического окисления их микроорганизмами. Иммобилизация соответствующих штаммов микроор­ганизмов позволяет поддерживать их высокую концентрацию в единице объема очистных сооружений, за счет чего значительно повышается сте­пень очистки. При этом создаются условия, обеспечивающие пространст­венную сукцессию микроорганизмов путем чередования носителей с раз­ными штаммами, т. е. продукты жизнедеятельности микроорганизмов, на­селяющих один носитель, становятся питательной средой для микроорга­низмов другого носителя и т. д. Таким образом может быть достигнута многоступенчатость очистки на относительно малых площадях. Процесс очистки сточных вод, сочетающий два распространенных метода - сорб­цию и биохимическое окисление — получил название биосорбционной очистки. Он имеет ряд существенных достоинств:

- позволяет проводить более глубокую очистку сточных вод за счет комплексного изъятия загрязнений (трудноокисляемые соединения сорбируются на поверхности носителя, а вещества, обладающие плохой сорбционной способностью, окисляются биохимическим путем);

- обезвреживать трудно- или не окисляемые в обычных системах биологической очистки сточные воды;

- длительное время использовать сорбенты (носители) за счет много­кратной их регенерации, в том числе и биологической;

- осуществлять очистку концентрированных сточных вод без их предварительного разбавления;

- обеспечивать высокую эффективность очистки сточных вод пере­менного состава.

В процессе биологический очистки в отстойниках образуются осадки, которые необходимо периодически из них удалять. Обработка или утили­зация этих осадков весьма затруднительна из-за большого их объема, пе­ременного состава, наличия целого ряда токсичных для живых организ­мов веществ, высокой влажности. Например, на типовом НПЗ может на­капливаться до 5 тыс. м³ избыточного активного ила (шламов) в год.

Осадки сточных вод представляют собой труднофильтруемые суспен­зии. Во вторичных отстойниках в осадке находится в основном избыточ­ный активный ил, объем которого в 1,5 - 2,0 раза больше, чем объем осадка из первичного отстойника. Вода в осадках может быть в свобод­ном и связанном состояниях. Свободная вода (60 - 65 %) может быть лег­ко удалена из осадка. Связанная вода (30 - 35 %) подразделяется на коллоидно-связанную и гигроскопическую. Коллоидно-связанная влага обво­лакивает твердые частицы гидратной оболочкой и препятствует их соеди­нению в крупные агрегаты. Некоторое количество этой влаги удаляется из осадка после коагуляции в процессе фильтрования. Разрушить гидратную оболочку можно кратковременной термической обработкой. Полное уда­ление влаги достигается в процессе высокотемпературной сушки.

Удаление свободной влаги осуществляется уплотнением осадка. При этом в среднем удаляется до 60 % влаги, и масса осадка сокращается в 2,5 раза. Наиболее трудно уплотняется активный ил, влажность которого составляет 99,2 - 99,5 %. Для уплотнения ила используют гравитацион­ный, флотационный, центробежный и вибрационный методы.

Стабилизацию осадков проводят для разрушения биологически разла­гаемой части органического вещества на диоксид углерода, метан и воду. Ее осуществляют при помощи микроорганизмов в анаэробных и аэробных условиях. В анаэробных условиях проводится сбраживание осадка в метантенках, в результате чего его объем уменьшается примерно вдвое вследствие разложения и минерализации органического вещества. Несброженный осадок приобретает однородную зернистую структуру, луч­ше отдает при сушке воду, теряет специфический гнилостный запах.

Высокая влажность и высокое содержание белка в активном иле при­водят к низкому выходу газа при анаэробном сбраживании. Поэтому ак­тивный ил выгоднее подвергать аэробной стабилизации, которая заключа­ется в длительном аэрировании избыточного активного ила или его смеси с органическими осадками в сооружениях с пневматической, механиче­ской или пневмомеханической аэрацией. В результате происходит разло­жение основной части органических веществ до диоксида углерода, водо­рода и воды. Органические вещества, не подвергающиеся биоразложе­нию, теряют склонность к загниванию, т. е. стабилизируются. Длитель­ность аэрирования составляет 10-15 сут.

После стабилизации осадки подвергаются обезвоживанию. Перед обезвоживанием их подготавливают путем кондиционирования. При кон­диционировании снижается удельное сопротивление и улучшаются водо­отдающие свойства осадков вследствие изменения их структуры и форм связи воды. Кондиционирование проводят реагентными и безреагентными способами.

При реагентной обработке осадка происходит коагуляция - процесс агрегации тонкодисперсных и коллоидных частиц. Образование при этом крупных хлопьев с разрывом сольвентных оболочек и изменением форм связи воды способствует изменению структуры осадка и улучшению его водоотталкивающих свойств. В качестве коагулянтов используют соли железа и алюминия – FeCl₃, Fe₂(S0₄)₃, FeS0₄, Al₂(S0₄)₃, а также известь.

К безреагентным методам обработки относятся тепловая обработка, замораживание с последующим оттаиванием, электрокоагуляция и радиа­ционное облучение.

Наиболее простым способом обезвоживания является подсушивание осадка на так называемых иловых площадках, при котором влажность мо­жет быть снижена до 75 - 80 %, при этом осадок уменьшается по объему и массе в 4 - 5 раз, теряет текучесть и его можно перевозить к месту ис­пользования в автомашинах, Однако этот способ длителен, требует больших земельных участков, зависит от климатических условий района. Кроме того, влажность подсушенного осадка все-таки остается еще значительной.

Иловые площадки - это участки земли (карты), со всех сторон окру­женные земельными валами. Если почва хорошо фильтрует воду и фун­товые воды находятся глубоко, иловые площадки устраиваются на естест­венных грунтах. При залегании грунтовых вод на глубине до 1,5 м для от­вода фильтрата устраивают специальный дренаж из труб, а иногда орга­низуют искусственное основание. Рабочую глубину площадок выбирают в пределах 0,7 - 1,0 м. Площадь зависит от количества и структуры осад­ка, характера грунта и климатических условий. Иловая вода после уплот­нения направляется на очистные сооружения различного типа. Осадок, подлежащий подсушке, подают на иловые площадки по трубопроводам. Для механической уборки уже подсушенного осадка на иловых площад­ках прокладывают дороги.

Иловые площадки, несмотря на кажущуюся их простоту, сложны в эксплуатации. При неправильном использовании площадки могут явиться источником комплексного загрязнения воды, воздуха, почвы и подземных вод, питающих водоемы. Поэтому в настоящее время все большее распро­странение приобретает механическое и термическое обезвоживание осад­ка. Для механического обезвоживания применяют главным образом фильтры и центрифуги. Наиболее широкое распространение получили ва­куум-фильтры. Влажность осадка после вакуум-фильтров может быть до­ведена до 68 – 70%. Если такой осадок не содержит токсичных веществ, его можно применять в сельском хозяйстве. Осадки отдельных произ­водств можно использовать как добавку к кормам для животных. При на­личии в осадках токсичных веществ их необходимо сжигать.

Отходы, которые в настоящее время нельзя использовать, направляют­ся в шламонакопители для захоронения. Шламонакопители представляют собой открытые земляные емкости. После полного заполнения они кон­сервируются, и шлам подают уже в другие накопители. Нельзя забывать, что законсервированные шламохранилища являются опасным потенци­альным источником загрязнения окружающей среды и требуют постоян­ного надзора.

Анаэробный метод биологической очистки основан на использовании бактерий, не нуждающихся в кислороде, и заключается в сбраживании за­грязняющих воду органических веществ в закрытых аппаратах без досту­па воздуха - метантенках. Применение этого метода ограниченно, его обычно используют для предварительной подготовки сточных вод, чтобы снизить концентрацию органических загрязнителей в 10 - 20 раз, а затем проводить дальнейшую очистку уже аэробными способами. Однако из-за сложности такого двухступенчатого процесса анаэробный метод редко применяется на практике. Наиболее перспективно его использование для сбраживания осадков и избыточного активного ила в метантенках с полу­чением биогаза.