Методы очистки сточных вод

Активный  ил  является  совокупностью  микроорганизмов  и  простейших, обладающих набором ферментов для удаления загрязнений из стоков.  Активный  ил  имеет  также  поверхность  с  сильной  адсорбционной способностью. Концентрация активного ила в аэротенке обычно составляет 1.5–5.0 г/л. Эта величина зависит от уровня загрязнений стоков, от возраста ила и его продуктивности.

Рабочая концентрация растворенного кислорода вычисляется на основе  расчетной потребности установки. Для полной нитрификации составляет не менее 2 мг/л; для окисления углерода и денитрификации – менее 1 мг/л.  На  практике  в  зависимости  от  типа  аэрации  применяют  несколько типов  режимов  очистки  стоков:  быструю,  стандартную  и  продленную. Быстрые  процессы  применяют  при  частичной  очистке  стоков.  Наиболее распространенным типом очистки является процесс, средний между стандартной  и  быстрой  аэрацией.  Степень  аэрации  определяет  допустимую нагрузку по органическому веществу во входных стоках и качество очистки.

Следующим важным параметром для расчета процесса биоочистки в гомогенных  проточных  биореакторах  является  режим  перемешивания.  Известны системы полного смешения и идеального вытеснения. Первый тип обеспечивает  мгновенное  разбавление  входного  потока  в  аэротенке.  Это защищает  микрофлору  активного  ила  от ингибирующего воздействия загрязнителей стоков. Активный ил в такой системе, однако, имеет худшую способность к оседанию в отличие от систем идеального вытеснения. В последних активный ил поступает в первый коридор, где в ходе аэрации восстанавливает  свою  окислительную  способность.  Сточные воды поступают во второй коридор вместе с регенерированным активным илом. Концентрация  загрязняющих  веществ  снижается  постепенно,  по  мере  прохождения стоков  по  системе  коридоров  аэротенка.  В  таких  системах  концентрация загрязняющих веществ во входном потоке не должна превышать предельно допустимую для биологических компонентов, образующих активный ил.

Опыт  эксплуатации  различных  типов  аэротенков  показывает,  что  содержание  органических  веществ  в  стоках,  подаваемых  на  очистку,  не должно превышать 1000 мг/л. Оптимальная величина рН обычно лежит в диапазоне 6.5–8.5.

Прирост биомассы активного  ила в ходе очистки приводит к его «старению»  и  снижению  биокаталитической  активности.  Поэтому  большая часть активного ила после вторичного отстойника выводится из системы, и  только  часть  ила  возвращается  в  реактор.  Аэротенки  технологически связаны  с  вторичными  отстойниками,  в которых происходит осветление выходящих вод и отделение активного ила. Отстойники выполняют также функцию  контактных  резервуаров.  В  них  сточную воду  хлорируют.  Дезинфицирующая доза хлора после биологической очистки в зависимости от качества очистки составляет 10–15 мг/л при продолжительности контакта хлора с жидкостью не менее 30 минут.

Биологические (очистные)  пруды  используются  в  качестве  самостоятельного  очистного  сооружения  или  конечного  пункта  очистки  стоков, прошедших стадию биоочистки в биофильтре или аэротенке. Если очистные  пруды  функционируют  как  самостоятельные  системы  водоочистки, сточные  воды  перед  поступлением  в  них  разбавляются  трех-,  пятикратными объемами технической или хозяйственно-питьевой воды. Для отстоянных  стоков  без  разбавления  нагрузка  на  пруды  составляет  до 250 м³/га⋅сут.; для биологически очищенных вод – до 500 м3/га⋅сут. Средняя глубина прудов составляет от 0.5 до 1.0 м. Срок «созревания» прудов в зонах умеренного климата – не менее одного месяца.

Методы аэробной биологической  очистки сточных вод непрерывно совершенствуются. В последние годы стали внедряться более эффективные системы биоочистки. Это процессы в шахтных реакторах, процессы с использованием  для  аэрирования  кислорода.  Такие  биореакторы  называют окситенками. Концентрация растворенного кислорода в окситенках достигает 10–12 мг/л. Это в несколько раз превосходит уровень аэрации в аэротенках. В результате повышенной аэрации стоков концентрация активного ила в них возрастает до 15 г/л и их окислительная мощность в 4–5 раз превосходит  аэротенки.  Шахтные  биореакторы  позволяют  реализовать  процесс очистки стоков аналогично протеканию его в окислительном канале, но  расположенном  вертикально.  Такие  реакторы  занимают  небольшие площади и большей частью заглублены в грунт. Высота шахтных аппаратов достигает 50–150 м при диаметре 0.5–10.0 м. Внутри аппарата вмонтирован  полый  стержень  или  специальное  устройство,  обеспечивающее образование  зон  восходящего  и  нисходящего  потоков  для  циркуляции потоков  очищаемой  воды.  Направление  циркуляции  задается  вдуванием воздуха в секцию с восходящим потоком на относительно небольшой глубине. Аппараты компактны, обеспечивают хороший массоперенос кислорода, (до 4.5 кг/м³ ч). При этом уровень нагрузки на ил может достигать 0.9 кг БПК/кг⋅сут. Основной проблемой, возникающей при эксплуатации окситенков, является проблема отделения твердых частиц от иловой смеси. Микропузырьки воздуха прилипают к твердым частицам и ухудшают осаждение. Для улучшения осаждения применяют вакуумную дегазацию, флотацию, отдувку воздуха. После стадии дегазации иловая смесь направляется  в  аэротенк,  где  после  удаления  микропузырьков  происходит  доокисление оставшейся органики. Далее стоки поступают по обычной схеме в отстойник (Волова, 1999).

2.4 Анаэробная очистка

Постоянный рост цен на чистую воду и на очистку сточных  вод дал толчок к развитию предочистки  стоков перед сбросом  вцентрализованную  канализационную систему или  полной очистки перед сбросом  в водоем (Нетрусов 2004).

Анаэробные процессы  по  сравнению с аэробными процессами  очистки сточных вод имеют ряд несомненных преимуществ. Главными являются высокий уровень превращения углерода загрязняющих веществ при относительно небольших объемах прироста биомассы и получение дополнительного ценного продукта – биогаза.

Анаэробные процессы для  очистки стоков применяются в Европе около 100 лет.  Используемые  для  этих  целей  биореакторы – септиктенки, представляют собой отстойники, в которых осевший ил подвергается анаэробной деградации. Септиктенки эксплуатируются обычно при температуре 30–35°С. Время пребывания в них очищаемых стоков существенно выше – около 20 суток.

Объем тенка распределяется между двумя камерами, при этом первая занимает 2/3 объема и имеет  наклонное днище  для  удержания  ила. Ил  периодически (примерно  раз  в год) удаляется, а небольшая его часть остается в биореакторе. Септиктенки применяют в системе городских очистных сооружений. В них перерабатывают осадки, удаляемые из первичных отстойников. При этом сброженный ил ликвидируют или закапывают. При сбраживании уменьшается объем ила, снижается содержание в нем патогенных микроорганизмов и дурной запах. Пути биодеградации загрязняющих веществ, протекающие в септиктенках на основе сложной микробной ассоциации, включают гидролитические процессы с участием ацидогенных, гетероацетогенных бактерий  и  процесс  метаногенерации  с  участием  метаногенов.  Анаэробные проточные сбраживатели такого типа применяют для анаэробной биоочистки промышленных и сельскохозяйственных стоков.

Особенно  эффективно  применение  сравнительно  недорогих  анаэробных систем для сильно загрязненных стоков пищевой промышленности и отходов  интенсивного  животноводства.  Данные  стоки  имеют  высокие уровни нагрузки по БПК и ХПК (химическая потребность в кислороде), а навозные  стоки – также  высокое  содержание  нерастворимых  компонентов, не поддающихся биодеградации. Для их очистки применяют сбраживатели  полного  смешения.  Стоки  свино-  и птицекомплексов освобождаются в ходе анаэробной биоочистки только на 50 % ХПК, а стоки ферм крупного рогатого скота – на 30 %. Высокие концентрации органики и аммонийного азота (до 4000 мг/л) способны ингибировать процесс деградации. Время удержания таких стоков в биореакторе объемом до 600–700 м³ удлиняется до 15–20 суток при норме суточной загрузки 20–30 м³. Биогаз, образуемый при этом, содержит до 70 % метана. Биореактор сравнительно небольшого  объема  очищает  стоки  средних  ферм  с  содержание 1200–1500 голов свиней.

Для очистки загрязненных стоков пищевой промышленности применяют  специально разработанные контактные анаэробные процессы.

В таких процессах в  первичном тенке, входящем в состав установки, поступающие  стоки  полностью  перемешиваются  за  счет  рециркуляции биогаза, ила или механического  перемешивания. Помимо перемешивания, фактором  интенсификации  процесса  является  изменение  температуры  в биореакторе. Сброженные стоки  направляются в осветлитель, где происходит процесс осаждения ила и дополнительное образование биогаза.

Уплотнившийся ил возвращают в сбраживатель, куда поступают новые  порции стоков. Если величина концентрации биомассы в сбраживателе составляет 5–10 г/л, возможно достаточно эффективная очистка стоков с содержанием ХПК до 20 кг/м³.  При увеличении концентрации биомассы до 20–30  г/л возможно  использование неразбавленных  стоков  с  ХПК  до 80 кг/м³. Реакторы с неподвижной биопленкой (анаэробные биофильтры) также находят применение  для анаэробной  очистки стоков.  Используемые  для этих  целей биореакторы в отличие от  аэробных  капельных биофильтров имеют более крупную насадку для избежания процесса заиливания. Применяемая для этих целей щебеночная насадка диаметром 25–65 мм имеет до 50 % свободного объема. Скорость очищаемого потока стоков обычно низка, и биомасса удерживается в свободном пространстве насадки. Предельная нагрузка по ХПК для таких систем составляет до 10 кг/м3⋅сут., с умеренным  количеством  органики  она  обычно  близка  к 5 кг/м3.  Эффективность очистки  составляет  около 70 %. Эти  сооружения,  однако,  не  нашли  пока широкого применения вследствие достаточно высокой стоимости насадки и необходимости периодической промывки материала фильтрующего слоя.

В целом анаэробные процессы очистки стоков, обладая рядом несомненных достоинств, не находят пока такого широкого применения, как аэробные  системы  биоочистки.  Однако  в  последние  годы,  вследствие более  строгих  требований  к  предварительной  очистке  промышленных стоков перед сбросом их в канализацию, интерес к анаэробным процессам возрастает (Волова, 1999).

2.5 Очистка сточных вод  с помощью микроводорослей

Активность водорослей в  процессе самоочищения водоемов обусловлена их физиологическими особенностями. Используя фотосинтез, они способны к самостоятельному воспроизводству органических веществ из неорганических с помощью энергии света (автотрофный тип питания). Наиболее универсальны протококковые водоросли, обладающие способностью вариации типа питания, когда наряду с автотрофным в определенных условиях они могут приходить к  гетеротрофному, причем они усваивают азот и углерод из самых разнообразных источников. Этот вид водорослей устойчив к изменению рН среды, поэтому они могут беспрепятственно развиваться в производственных сточных водах различного вида.

Следует отметить, что водоросли, потребляя углекислоту и выделяя  кислород, являются симбионтами по отношению к бактериям  аэробного  активного ила, который, как известно, в процессе роста нуждается в кислороде и выделяет СО₂. Такая взаимосвязь послужила основой для разработки нового направления в технологии биологической очистки сточных вод, особенно в тех случаях, когда необходимо глубокое удаление биогенных элементов. С помощью водорослей этот процесс реализуется в прудах и окислительных каналах, режим работы которых существенно зависит от температурных условий и уровня освещенности, резко изменяющихся в течение года. Эти обстоятельства не дают возможности балансировать и стабилизировать активность биомассы водорослей и бактерий, развивающихся в сооружениях.

На основе естественных экологических взаимосвязей разработаны непрерывно действующие сибиотические системы, в состав активной биомассы которых включены бактерии и водоросли. В странах с теплым климатом в большинстве случаев удается использовать симбиотические системы для очистки не только бытовых, но и производственных сточных вод.

Для изучения особенностей процессов очистки сточных вод симбиотическим илом, составленным из водорослей и бактерий (альгобактериальным илом) во ВНИИ ВОДГЕО были проведены исследования в лабораторных и производственных условиях. В результате была  доказана возможность достижения полного газового равновесия по кислороду, когда фотосинтез водорослей полностью обеспечивает потребность в кислороде бактериальной частью ила. Однако сопоставления показали, что такой режим в условиях искусственного освещения нергетически не выгоден.

При очистке сточных вод  от пропиленгликоля преимущества аэротенка с симбиотическим илом (симбиотенка) по сравнению с аэротенком-смесителем, работавшим с обычным бактериальным илом, выразились в более глубоком удалении соединений азота и фосфора и лучшем кислородном режиме. При средней удельной скорости окисления 36—37 мг/(г • ч) и прочях равных условиях в симбиотенке эффективность удаления азота составляла 87%, фосфора — 88%, концентрация кислорода — 4,5 мг/л. В аэротенке эти показатели были значительно ниже: соответственно 40%, 60% и 2 мг/л. При этом отмечались хорошие седиментационные свойства альгобактериального ила, который не вспухал и индекс которого не превышал 42 см³/г (Яковлев, 1985).

2.6 Биологическая очистка нефтесодержащих сточных вод

Сточные воды, содержащие 15-25 мг/л нефтепродуктов после механической и физико-химической очистки, перед  сбросом в водоем направляют на биохимическую  очистку, заключающуюся в окислении органических загрязнений микроорганизмами.