Методы очистки сточных вод

Обессоливание - удаление из воды растворённых солей на ионообменных смолах или фильтрование воды через специальные плёнки (мембраны), пропускающие только молекулы воды.

Все большее значение в  охране поверхностных вод от загрязнения  и засорения приобретают агролесомелиорация и гидротехнические мероприятия. С  их помощью можно предотвращать  заиление и зарастание озер, водохранилищ и малых рек. Выполнение этих работ  позволит уменьшить загрязненный поверхностный  сток и будет способствовать чистоте  водоемов.

Все большее значение в  охране поверхностных вод от загрязнения  и засорения приобретают агролесомелиорация и гидротехнические мероприятия. С  их помощью можно предотвращать  заиление и зарастание озер, водохранилищ и малых рек. Выполнение этих работ  позволит уменьшить загрязненный поверхностный  сток и будет способствовать чистоте  водоемов (Жуков, 1987).

1.2 Требования, предъявляемые к качеству сточных вод

Важнейшими являются следующие показатели: количество растворенного в воде кислорода после смешивания – не менее 4 мг/л; содержание взвешенных частиц после спуска стоков не может возрасти более чем на 0.25–0.75 мг/л (для водоемов разной категории); минеральный осадок не более 1000 мг/л; вода не должна иметь запахов и привкусов, рН – в пределах 6.5–8.5; на поверхности не должно быть пленок, плавающих пятен; содержание ядовитых веществ – в пределах предельно допустимых концентрациях (ПДК) для людей и животных (Правила охраны поверхностных вод от загрязнений  сточными  водами, 1991).

Запрещается сбрасывать в  водные объекты сточные  воды,  содержащие  вещества,  или  продукты трансформации  веществ  в  воде, для  которых  не  установлены ПДК или ОДУ,  а  также  вещества,  для  которых  отсутствуют  методы аналитического контроля; сточные  воды,  которые  могут быть  устранены путем организации  бессточных  производств,  рациональной  технологии, максимального  использования  в  системах  оборотного  и  повторного водоснабжения  после  соответствующей очистки и обеззараживания в промышленности,  городском  хозяйстве  и для орошения  в сельском хозяйстве; неочищенные или недостаточно очищенные производственные, хозяйственно-бытовые сточные воды и поверхностный сток с территорий промышленных площадок и населенных мест.

Запрещается  сбрасывать  в  водные  объекты  сточные  воды, содержащие  возбудителей  инфекционных  заболеваний.  Сточные  воды, опасные  в  эпидемическом  отношении, могут сбрасываться  в водные объекты  только  после  соответствующей  очистки  и  обеззараживания  до Коли-индекса не более 1000 и индекса коли-фага не более 1000 БОЕ дм³ ( СанПиН № 4630–88).

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

2.1 Биологическая очистка сточных вод

Метод биологической очистки  сточных вод основан на способности  гетеротрофных микроорганизмов использовать в качестве источников питания разнообразные органические соединения, подвер-гая последние биохимическим превращениям. Использование свойств адаптации бактерий позволяет успешно решать вопросы биологической очистки  стоков  воды  химических  производств,  содержащих  сложные  органические соединения неприродного происхождения (Чебакова, 2001).

Сооружения биологической  очистки можно условно разделить  на два вида:

■    с очисткой в  условиях, близких к естественным;

■    с очисткой в  искусственно созданных условиях.

К первому виду относятся  поля фильтрации и орошения (земельные  участки, в которых очистка происходит за счет фильтрации через слой грунта), а также биологические пруды (неглубокие водоемы, в которых происходит очистка, основанная на самоочищении водоемов).

Второй вид составляют такие сооружения, как биофильтры и аэротенки. Биофильтр - резервуар с фильтрующим материалом, поверхность которого покрыта биологической пленкой (колония микроорганизмов, способных сорбировать и окислять органические вещества из сточных вод). Аэротенк - резервуар, в котором очищаемые стоки смешиваются с активным илом (биоценоз микроорганизмов, также способных поглощать органику из стоков).

Биологическая очистка является основным методом обработки городских  сточных вод. Существуют аэробные и  анаэробные методы биологической очистки  сточных вод. При аэробной очистке  микроорганизмы культивируются в активном иле и биопленке (Гудков, 2002).

2.2 Активный ил и биопленка

Активный ил является амфотерной коллоидной системой. Элементный химический состав активных илов достаточно близок и для городских сточных вод имеет формулу - С₅₄Н₂₁₂О₈₂N₈S₇. Сухое вещество активного ила содержит 70-90 % органических и 10-30 % неорганических веществ. Кроме живых организмов, в иле содержится субстрат - различные твердые остатки, к которым крепятся микроорганизмы. По внешнему виду активный ил представляет собой комочки и хлопья размером 3-1-150 мкм и высокой удельной поверхностью - около 1200 м на 1 м ила.

Сообщество живых организмов, населяющих активный ил или биопленку, называют биоценозом. Биоценоз активного ила представлен в основном 12 видами микроорганизмов и простейших.

Биоценоз активных илов состоит  из бактерий, простейших, плесневых  грибов, дрожжей, актиномицет, личинок  насекомых, рачков, водорослей и др. Основное разрушение органических загрязнений в стоках осуществляется бактериями. В 1 м³ ила содержится 2*10¹⁴ бактерий. В активном иле они находятся в виде скоплений, окруженных слизистым слоем (зооглеи). Бактерии представлены такими типами, как pseudomonas, bacillus, nitrobacter, nitrosomonas и др.

В активных илах встречаются  четыре вида простейших: саркодовые, жгутиковые, реснитчатые и сосущие инфузории, которые поглощают большое количество бактерий, поддерживая их оптимальное количество (одна инфузория в среднем поглощает от 20 до 40 тысяч бактерий). Они способствуют осаждению ила и осветлению сточных вод во вторичных отстойниках. Находящиеся на следующем трофическом уровне коловратки питаются бактериями и простейшими.

Состав биоценоза ила  зависит от наличия и концентрации в сточной воде разнообразных органических веществ. Только основная группа бактерий (80-90%) участвует в процессе очистки сточных вод, остальное содержание ила составляют сопутствующие группы микробов. При высоком содержании органики в сточной воде преобладают гетеротрофные бактерии, при снижении питательных веществ увеличивается количество хищных простейших.

Качество ила определяется скоростью его осаждения и  степенью очистки жидкости. Состояние  активного ила характеризует  иловый индекс, который зависит от способности ила к осаждению. Крупные хлопья оседают быстрее, чем мелкие.

Биопленка растет на наполнителе  биофильтра и имеет вид слизистых образований толщиной 1-2 мм. Видовой состав биопленки более разнообразен, чем активного ила. Биопленка состоит из бактерий, грибов, дрожжей, личинок насекомых, червей, клещей и других организмов. В 1 м   биопленки содержится 10¹² бактерий (Гудков, 2002).

2.3 Аэробная очистка

Очистку сточных вод в  аэробных условиях осуществляют в сооружениях  в двух основных модификациях: в  аэротенках с активной биомассой (активный ил), взвешенной в воде, или биофильтрах, где активная биомасса (биопленка) прикреплена  к зернам инертной загрузки (Карюхина, 1995).

Аэробный  метод  основан  на  использовании  аэробных  групп  микроорганизмов,  для жизнедеятельности  которых требуются постоянный приток кислорода и температура 20-40 °С. При  изменении кислородного и температурного режимов меняются состав и число  микроорганизмов, а следовательно, и эффективность очистки стоков (Чебакова, 2001).

Капельный биофильтр –  наиболее распространенный тип биореактора  с неподвижной биопленкой, применяемый для очистки стоков. По существу, это реактор с неподвижным слоем и противотоком воздуха и жидкости.  Биомасса  растет  на  поверхности  насадки  в  виде  пленки.  Особенностью насадки или фильтрующего слоя является высокая удельная поверхность  для  развития  микроорганизмов  и  большая  пористость.  Последнее придает  необходимые  газодинамические  свойства  слою  и  способствует прохождению воздуха и жидкости через него.

Биофильтры представляют собой прямоугольные или круглые сооружения со сплошными стенками и двойным дном: верхним в виде колосниковой  решетки  и  нижним, – сплошным. Дренажное дно биофильтра состоит из железобетонных плит с площадью отверстий не менее 5–7 % от общей площади поверхности фильтра. Фильтрующим материалом обычно служит щебень, галька горных пород, керамзит, шлак. Нижний поддерживающий слой во всех типах биофильтров должен содержать более крупные частицы фильтрующего материала (размером 60–100 мм). Щебеночные  биофильтры  имеют  высоту  слоя 1.5 – 2.5 м  и  могут  быть круглыми с диаметром до 40 м или прямоугольными размером 75x4 м². Входной поток предварительно отстоянных сточных вод с помощью водораспределительного устройства периодически равномерно орошает поверхность биофильтра. В ходе просачивания сточных вод через материал фильтрующего слоя происходит ряд последовательных процессов: 1) контакт с биопленкой, развивающейся на поверхности частиц фильтрующего материала; 2) сорбция органических  веществ  поверхностью  микробных клеток; 3) окисление веществ стоков в процессах микробного метаболизма. Через нижнюю часть биофильтра противотоком жидкости продувается воздух. Во время паузы между циклами орошения сорбирующая способность  биопленки  восстанавливается.  Биопленка,  формирующаяся  на  поверхности фильтрующего слоя биофильтра, представляет собой сложную экологическую систему. Бактерии  и  грибы  образуют  нижний  трофический  уровень.  Вместе  с микроорганизмами – окислителями углерода они развиваются в верхней части  биофильтра.  Нитрификаторы  находятся  в  нижней  зоне  фильтрующего слоя, где процессы конкуренции за питательный субстрат и кислород менее выражены. Простейшие, коловратки и нематоды, питающиеся бактериальной  компонентой  экосистемы биопленки,  служат  пищей высшим видам (личинкам насекомых).

В  биофильтре  происходит  непрерывный  прирост  и  отмирание  биопленки. Отмершая биопленка смывается током очищаемой воды и выносится из биофильтра. Очищенная вода поступает в отстойник, в котором освобождается от частиц биопленки, и долее сбрасывается в водоем.

Процесс окисления органических веществ сопровождается выделением тепла,  поэтому  биофильтры  обогреваются  за  счет  собственного  тепла. Крупные  установки,  снабженные  слоем  теплоизоляционного  материала, способны  функционировать  при  отрицательных  внешних  температурах. Однако,  температура  внутри  фильтрующего  слоя  должна  быть  не  ниже 6°. Основной режим работы щебеночных биофильтров – однократное прохождение  стоков.  При  этом  нагрузка  по  органическому  веществу  на фильтр составляет 0.06–0.12 кг БПК/м³ в сутки. Для повышения нагрузки без увеличения площади биофильтра применяют режим очистки с рециркуляцией стоков или режим двойного фильтрования.

Аэротенк  относится  к  гомогенным  биореакторам.  Типовая  конструкция биореактора представляет собой железобетонный герметичный сосуд прямоугольного сечения, связанный с отстойником. Аэротенк разделяется продольными перегородками на несколько коридоров, обычно 3–4. Конструкционные отличия различных типов аэротенков связаны, в основном, с конфигурацией биореактора, методом подачи кислорода, величиной нагрузки. Процесс биоочистки в аэротенке состоит из двух этапов. Первый этап заключается во  взаимодействии  отстоявшихся  сточных  вод,  содержащих  около 150–200 мг/л взвешенных частиц и до 200–300 мг/л органических веществ, с воздухом  и  частицами  активного  ила  в  аэротенке  в  течение  некоторого времени (от 4 до 24 ч. и выше в зависимости от типа стоков, требований к глубине очистки и пр.). На втором – происходит разделение вод и частиц активного ила во вторичном отстойнике. Биохимическое окисление органических веществ стоков в аэротенке на первом этапе реализуется в две стадии:  на  первой  микроорганизмы  активного  ила  адсорбируют  загрязняющие  вещества  стоков,  на  второй – окисляют  их  и  восстанавливают свою окислительную способность.

Подача воздуха в «коридоры» аэротенка осуществляется через пористые  железобетонные  плиты  или  через  систему  пористых  керамических труб.  Обычно  воздухораспределительное  устройство  располагают  не  по центру, а около одной их стен коридора. В результате этого в аэротенке происходит турбулизация потока, и сточные воды не только продвигаются вдоль коридора, но и закручиваются по спирали внутри него. Это улучшает режим аэрации и условия очистки. Процесс очистки в аэротенке представляет собой непрерывную ферментацию.

Частицы активного ила, образованные бактериями и простейшими, являются флокулирующей смесью. По сравнению с биопленкой, функционирующей  в  биофильтрах,  активный  ил  аэротенков  представляет  собой меньшее экологическое разнообразие видов. Основными группами бактериальной компоненты активного ила являются окисляющие углерод флокулирующие бактерии, окисляющие углерод нитчатые бактерии и бактерии-нитрификаторы.  Первая  группа  бактерий  не  только  принимает  участие в деградации органических компонентов стоков, но и формирует стабильные  флокулы,  быстро  осаждающиеся  в  отстойнике  с  образованием плотного  ила.  Нитрификаторы (Nitrosomonas и Nitrobacter) превращают восстановленные формы азота в окисленные.

Нитчатые бактерии, с одной  стороны, образуют скелет, вокруг которого образуются флокулы; с другой, – стимулируют неблагоприятные процессы (образование пены и плохое осаждение). Простейшие потребляют бактерии  и  снижают  мутность  стоков,  наибольшее  значение  среди  них имеют инфузории (Vorticella, Opercularia).