Что такое биологическая очистка сточных вод

Биологическая очистка сточных вод – это технология, использующая способность микроорганизмов перерабатывать вещества органического происхождения. Она направлена на расщепление сложных загрязнений, их превращение в мелкие простейшие элементы.

Проблема загрязнения экологии остается важной. Загрязненные стоки, которые сбрасывают во внешнюю среду, представляют опасность. В них содержатся органические и неорганические соединения, тяжелые металлы, фосфаты.

Принцип биологической очистки сточных вод позволяет справиться даже с опасными стоками, разложить органику до простейших элементов. Этот метод подходит для переработки загрязненных вод на промышленных объектах и в городских канализационных сетях.

Он эффективен и для переработки хозяйственно-бытовых стоков, поэтому применяют при проектировании локальных станций переработки на территориях загородных и дачных домов: септиков с биофильтром, аэротенков, биологических прудов.

Расскажем подробнее об этом методе, его преимуществах и возможностях.

Биологическая очистка воды – особенности метода

Впервые метод появился в Британии, в XIX веке, после появления фильтрационных полей для хозяйственной деятельности. Тогда воду очищали, пропуская ее через слой почвы, далее жидкость вновь использовалась для нужд человека.

На протяжении 20 века эта методика активно разрабатывалась и развивалась, и в результате стала самым эффективным и безопасным для экологии способом переработки стоков, образуемых как в быту, так и в промышленности.

Биологическая очистка сточных вод – это технологические процессы, протекающие с участием микроорганизмов, способных окислять органику и разлагать ее на простейшие частицы. Такие микроорганизмы (бактерии, дрожжи, грибы, простейшие, личинки насекомых и червей) поедают загрязнения, используют их для создания питательной среды.

Для этого способа переработки стоков требуются разные бактерии. Одним для жизнедеятельности и поддержания работоспособности постоянно требуется кислород, другие способны существовать без него. Разные виды микроорганизмов по-разному взаимодействуют с органикой и обеспечивают разный уровень очищения стоков.

Такой метод позволяет разлагать широкий круг органических биодеградируемых соединений, включая:

• жиры;
• углеводы;
• белки;
• азотные соединения;
• фосфор;
• глюкозу;
• сульфаты;
• фосфаты;
• калий.

Биологическая фильтрация – самый эффективный метод переработки стоков, обеспечивающий очистку до уровня 98%. Кроме того, данный способ не предусматривает использования тяжелых химических веществ и не создает побочных токсичных продуктов.

Биологический способ очистки воды, принцип действия

Переработка выполняется благодаря микроорганизмам, которые перерабатывают органику, разлагая на простейшие соединения.

Биологическая очистка сточных вод протекает с участием особых микроорганизмов. Это бактерии, простейшие (инфузории, амебы, жгутиконосцы), водоросли, грибы. Органика, присутствующая в стоках, является благоприятной средой для их жизнедеятельности, а также выступает для них источником пищи. Колонии микроорганизмов в таких условиях постоянно растут и воспроизводятся.

Перечисленные микроорганизмы формируют биоценоз – биологический комплекс в виде активного ила. Это сложная экологическая система, в которой микроорганизмы находятся на разных звеньях пищевой цепи. Они вступают во взаимодействие с органикой и разлагают ее на безопасные, более простые соединения.

Внешне активный ил – хлопьевидная масса светло-серого или темно-коричневого цвета. Такая структура обеспечивает эффективное осаждение загрязнений и их утилизацию. Состав активного ила нестабилен и меняется в зависимости от состава и характеристик стоков, температуры, концентрации кислорода в воде. Эта масса присутствует в специальных резервуарах, входящих в состав биологических очистных сооружений – аэротенках. Здесь поддерживаются условия, необходимые для жизнедеятельности и развития микроорганизмов.

Бактерии, составляющие биоценоз, поглощают загрязнения, которые присутствуют в стоках. Внутри клеток микроорганизмов органика подвергается действию ферментов: в частности, происходит окисление до безвредных продуктов (воды и углекислого газа).

В то же время бактерии, получая питательные вещества, размножаются благодаря синтезу новой клетки. Этот процесс можно сравнить с естественной очисткой природных водоемов. Разница заключается только в скорости протекания процесса: в очистных сооружениях биологической очистки сточных вод искусственно создаются условия, в которых микроорганизмы могут существовать, получать питание и увеличивать прирост своей биомассы.

Часть микроорганизмов, составляющих биоценоз, со временем отмирает (например, при неблагоприятных условиях температуры, или при попадании в камеру вместе со стоками агрессивных кислот, щелочей, нефтепродуктов). Популяцию бактерий регулируют, добавляя препараты с их содержанием в станции переработки стоков.

Биологические методы очистки сточных вод

Итак, биологическая очистка стоков связан со способностью микроорганизмов разлагать органические загрязнения до простых веществ. Такие микроорганизмы делят на 2 большие группы – аэробные и анаэробные.

Схема биологической очистки сточных вод с участием аэробных микроорганизмов

Такой метод переработки стоков основан на деятельности бактерий и простейших, которые используют кислород для разложения органики. К аэробам относят следующие виды микроорганизмов:

• серобактерии;
• псевдомонады;
• целлюлозоразлагающие бактерии;
• нитчатые, тионовые, нитрифицирующие бактерии.

Аэробам постоянно требуется кислород для поддержания жизнедеятельности: без него они гибнут.

Переработка осуществляется в аэротенках – специальных резервуарах, где располагается биомасса и куда постоянно поступают пузырьки сжатого воздуха. Таким образом создается кислородная среда для активности микроорганизмов.

Другие условия для жизнедеятельности аэробных бактерий – температура от +9 до +28 градусов и уровень рН от 5,0 до 7,0.

Такие микроорганизмы расщепляют органику на воду и углекислый газ, образуя стабилизированный ил и одновременно наращивая собственную биомассу.

Система аэробной биологической очистки воды требует специальное аппаратное обеспечение. Этот процесс происходит в аэротенке – резервуаре, в котором стоки насыщаются кислородом. Такое сооружение состоит из нескольких технологических камер.

Наиболее высокой степени очистки можно достичь при использовании многокамерной системы, которая состоит из следующих элементов:

• основной резервуар (он имеет прямоугольную форму);
• аэратор (камера, в которой происходит насыщение стоков кислородом за счет специальных компонентов);
• первичный и вторичный отстойники;
• эрлифт (насос, который поднимает воду на определенную высоту с помощью сжатого воздуха);
• компрессор.

Аэрация в аэротенке (то есть насыщение стоков пузырьками сжатого воздуха) может осуществляться двумя способами – механическим и пневматическим. В первом случае используются погружные механические аэраторы. Пневматическая аэрация осуществляется за счет подачи кислорода через трубы с перфорацией или фильтрующие пластины

Аэротенк работает по следующей схеме:

1. Стоки поступают в первичный отстойник – это центральный отсек резервуара. Здесь они частично осветляются за счет того, что механические твердые включения опускаются на дно камеры.
2. Далее стоки перемещаются с помощью эрлифта в аэрационную камеру, где они насыщаются кислородом с помощью аэратора и компрессора. Загрязненная вода постепенно смешивается с активным илом, сформированным биоценозом. Микроорганизмы расщепляют органические вещества в благоприятных для себя условиях и одновременно наращивают собственную биомассу.
3. Образованный в результате взаимодействия загрязнений с бактериями активный ил отделяется от очищенных стоков во вторичном отстойнике. Часть этого ила возвращается в аэротенк – таким образом поддерживается необходимая концентрация биоценоза. Избыток ила перемещается в первичный отстойник для дополнительного отстаивания либо накапливается в камере-стабилизаторе, затем его утилизируют.

Очистные сооружения биологической очистки сточных вод с аэробной загрузкой обеспечивают до 98% удаления органических загрязнений.

Анаэробная очистка

Биологическая очистка сточных вод на основе активности анаэробов предусматривает использование микроорганизмов, которым для жизнедеятельности, размножения и разложения органики не требуется постоянная подача кислорода. Они существуют в широком температурном диапазоне (от +9 до +37 градусов), допустимые значения pH – от 6,0 до 8,0. Так как эти микроорганизмы остаются без кислорода, прирост их биомассы небольшой.

К анаэробам относятся:

1. Гидролитики. Они расщепляют белки, жиры, соединения крахмала и целлюлозы, в результате чего образуются аминокислоты, жирные кислоты, глицерин.
2. Ацидогенные бактерии. Эти микроорганизмы продолжают процесс расщепления органики, запущенный гидролитиками. Они запускают брожение, перерабатывая промежуточные продукты гидролиза.
3. Гетероацетогенные бактерии. Их задача – превращение органических масляной и пропионовой кислот в уксусные.
4. Метаногенные бактерии. Они завершают процесс анаэробной биоочистки сточных вод. Микроорганизмы перерабатывают водород, углекислый газ, ацетат, метанол, образуя биогаз.

Анаэробная биологическая фильтрация – процесс превращения органических соединений в метан и диоксид углерода. В природе подобное явление наблюдается в болотистых местностях: со дна водоемов со стоячей водой выделяется болотный газ, являющийся результатом гниения ила, а также других растительных и животных остатков.

Схема очистки выглядит так: на первой стадии анаэробы превращают органику путем гниения в простые органические кислоты (эту фазу называют кислой), а затем используют их в качестве источника питания и образуют газ метан (щелочная стадия).

По сравнению с аэробной биоочисткой сточных вод анаэробный процесс менее гибкий и устойчивый. Из-за повышенной чувствительности микроорганизмов требуется строгий контроль характеристик стоков, поступающих в очистное сооружение.

Переработка стоков анаэробами осуществляется в специальных биологических очистных сооружениях – метантенках. Они являются компонентами сооружений по переработке стоков и представляют собой цилиндрические или прямоугольные резервуары, которые частично либо полностью заглубляют в почву.

Конструктивная особенность метантенка – выраженный уклон днища относительно его центральной части. Стенки и дно сооружения обычно изготавливаются из железобетона.

В метантенк поступают не стоки: после первичной обработки сюда направляются осадок и активный ил.

Важным преимуществом анаэробной биологической фильтрации считают то, что в процессе переработки не образуется большое количество избыточного ила – следовательно, не возникает проблем с его утилизацией.

Что такое бытовые сточные воды? Способы их очистки

Хозяйственно-бытовые стоки образуются как результат бытовой активности. Их источники – сантехнические и бытовые приборы в ванной комнате и туалете, на кухне. В них содержатся:

• взвешенные (нерастворенные частицы) минерального и органического происхождения;
• жиры;
• нефтепродукты;
• колиформные бактерии (кишечные палочки);
• поверхностно-активные вещества (ПАВ);
• фосфаты;
• аммонийный азот.

Перечисленные вещества опасны для окружающей среды, почвы, грунтовых вод, водоемов. Если не проводится предварительная биологическая очистка воды, это вызывает ряд негативных последствий: загрязнение водоемов и почвы, распространение опасных заболеваний (холера, гепатит А), токсичное воздействие на организм человека, животных, обителей рек и озер. Также выброс неочищенных хозяйственно-бытовых стоков в окружающую среду является грубым нарушением экологических норм.

Способы удаления загрязнений из бытовых стоков

Наиболее эффективный способ обезопасить стоки, полученные в ходе хозяйственной деятельности, – установка биологических очистных сооружений на территории загородного или дачного дома.

Биологические очистные сооружения – это комплекс оборудования, фильтров, трубопроводов, которые используются для переработки стоков.

Прежде, чем перейти к рассмотрению их видов, нужно определить разницу между методами и способами биологической очистки. Биологические методы очистки воды предусматривают использование микроорганизмов, которые способны перерабатывать загрязнения путем их разложения на более простые, безопасные компоненты. Способы переработки бытовых стоков биологическим путем – это конкретные очистные сооружения и технологии, применяемые в этом процессе.

Методы биоочистки сточных вод делится на 2 группы – природные и искусственные. В первом случае речь идет о природных процессах, которые происходят в воде, почве. Например, биологическая очистка водоемов происходит с участием растений, животных, микроорганизмов.

Так, вода очищается от органики и минеральных загрязнений некоторыми водяными растениями (кувшинки, рогоз): они частично поглощают нитраты и фосфаты, фильтруют воду за счет плотной корневой системы. Осветлению воды способствуют ракообразные животные, а также двустворчатые моллюски: они выступают в роли фильтров, удаляя взвешенные частицы, бактерии и водоросли.

Также существуют искусственные биологические методы очистки сточных вод искусственного происхождения. Это оборудование и системы, созданные человеком. Нужно учесть, что к сооружениям биологической очистки не относятся септики: их конструкция и принцип действия кардинально отличаются от аналогичных характеристик станций БО. В септиках стоки очищаются механическим способом.

К биологическим очистным сооружениям искусственного типа относят:

Поля фильтрации

Такие сооружения выполняют функцию доочистки стоков после прохождения через основные очистные системы. Они представляют собой обустроенные, достаточно крупные участки земли, на которых вода распределяется и фильтруется через почву. Это не самостоятельные сооружения: они используются только в комплексе со станциями биологической очистки.

Поля фильтрации оборудуют трубами с перфорацией, которые укладывают в углубления на расстоянии не менее 1,5 м друг от друга и засыпают песком и щебнем. Трубопроводную систему подключают к очистному сооружению.

После выхода из системы переработки стоков вода проходит через слой грунта: там происходит ее окончательная очистка и удаление остатков загрязнений.

Биологические пруды

Биопруды для очистки сточных вод – водоемы естественного или искусственного происхождения, которые имеют большую площадь и малую глубину. Сюда поступают стоки, их переработка происходит за счет естественных процессов жизнедеятельности водных организмов (обычно это фито- и зоопланктон). Они расщепляют органику до простых веществ, в результате чего образуются углекислый газ, вода, метан, сероводород.

Биологический пруд может иметь естественную или искусственную аэрацию.

Аэротенки

Это сооружения, с помощью которых реализуют наиболее эффективный биологический способ очистки воды. Они выполнены в виде резервуаров, внутри которых размещено электрооборудование для насыщения воды кислородом. Переработка стоков происходит благодаря формированию в резервуаре особого биоценоза – активного ила.

Аэротенки обеспечивают до 98% очистки стоков.

Биофильтры

Биофильтры для очистки сточных вод – конструкции, перерабатывающие загрязнения благодаря микроорганизмам, не нуждающимся в постоянной подаче кислорода. В таких системах бактерии формируют поверхностную пленку, которая задерживается на фильтрующей загрузке (гравии, щебне, керамзите).

Плюсы и минусы биологического способа очистки воды

Преимущества биологической переработки стоков:

• высокая степень переработки загрязненных вод (до 98%);
• экологичность (не требуется использование химических веществ, реагентов);
• возможность повторного использования очищенных стоков для технических нужд.

К недостаткам относят следующее:

• необходимость покупки и обслуживания дорогого оборудования;
• энергозависимость очистного сооружения;
• не способность системы справляться со всеми видами загрязнений (например, в станции с анаэробами и аэробами нельзя сбрасывать остатки средств с содержанием кислот и щелочей, отбеливатель и другие агрессивные вещества, вызывающие гибель микроорганизмов).

Заключение

Биологическая очистка сточных вод – это современная экологичная методика переработки стоков, содержащих органику. Для очистки используются особые бактерии. Органика – источник энергии и пища для микроорганизмов, которые разлагают загрязнения на простейшие составляющие.

Такой метод требует установки специальных очистных сооружений. В зависимости от типа системы, это аэротенки, биофильтры, биореакторы. Использование аэробной биомассы в очистных сооружениях позволяет добиться удаления загрязнений из стоков до уровня 98%.