Биологические методы очистки сточных вод (биофильтры)

Биологические

Методы биоочистки активно применяются в промышленных и бытовых условиях.

Использование микроорганизмов – обязательный этап улучшения качества сточных вод наряду с механическими, физическими и химическими способами.

Природный процесс, воссозданный в искусственных условиях, помогает справиться со многими загрязнениями без применения дорогостоящих технологий.

Что это такое и каков принцип работы?

После этапа механической фильтрации (удаления нерастворимых частиц) сточные воды попадают на биологическую очистку.

Принцип основан на способности некоторых микроорганизмов расщеплять органические соединения до простых веществ – воды, углекислого газа, метана, сероводорода. Органика является источником энергии для бактерий и простейших.

Сточные воды включают в себя нитраты, аммиак, аминокислоты – они содержат азот, который обеспечивает жизнедеятельность микроорганизмов.

Фосфор и калий добывается бактериями из минеральных солей.

Чем больше в сточных водах этих веществ, тем интенсивнее размножение микроорганизмов и эффективнее очистка.

Методы очистки сточных вод

Специалисты выделяют две большие группы методов биоочистки:

• Естественные. Для улучшения качества сточных вод используются природные процессы, протекающие в воде, почве, растительных экосистемах. Загрязнения удерживаются, минерализуются, трансформируются или переносятся. Естественные экосистемы используются для доочистки сточных вод перед их спуском в водоемы.
• Искусственные методы. Для их реализации используются сооружения, созданные человеком. В них помещаются аэробные или анаэробные микроорганизмы и обеспечиваются благоприятные условия для переработки загрязнений.

Эффективность

Биологическая очистка сточной воды в промышленных условиях избавляет от 98% загрязнений.

Чтобы поддерживать процесс, нужно все время вносить активные микроорганизмы.

Биологический метод помогает переработать такие загрязняющие вещества и их соединения:

• Аммонийный азот;
• Легкоокисляющиеся органические соединения: бензол, глюкозу, ацетон, этанол и т.д.;
• Калий;
• Фосфор;
• Кальций;
• Белки, жиры, углеводы.

К сточным водам относятся промышленные и хозяйственно-бытовые стоки, а также атмосферные осадки. Все эти группы обязательно проходят этап биологической очистки на промышленных или локальных сооружениях.

Плюсы и минусы

Преимущества биологической очистки:

• Малое количество отходов. После переработки образуются вещества (углекислый газ, вода), которые легко утилизируются. Если при очистке выделяется метан, его используют для получения тепловой энергии. Переработанный ил – хорошее удобрение.
• Системы для биологической очистки работают автономно. Для их обслуживания не нужно вводить реагенты, а с контролем процесса справится 1 человек.
• Стоимость реализации биотехнологий ниже, чем на другие способы очистки воды.
• Естественные реакции создают экологически чистый цикл природного использования.

Биологическая очистка сточных вод не лишена недостатков.

Главные минусы метода:

• Сложность сохранения постоянного количества биомассы бактерий. Если их будет меньше нормы, сточные воды не очистятся полностью.
• В постройку очистных сооружений нужно вложить много денег. Но со временем затраты окупаются.
• Технологический режим очистки должен строго соблюдаться. При нарушениях эффективность метода значительно снижается.
• Не все органические соединения подлежат переработке. Если в сточных водах есть токсические соединения, их нужно удалить, иначе биомасса погибнет.

Механизм процесса

Для улучшения качества сточных вод используется два метода: аэробная и анаэробная биологическая очистка. В первом случае процесс протекает с помощью кислорода, во втором – без него.

Механизм очистки зависит от выбранного метода и биоценоза.

Технологическая схема аэробной чистки

Агентом выступает биопленка или активный ил.

Это совокупность бактерий, грибов, простейших, представителей микрофауны того или иного рода/группы с заданными характеристиками.

Классическая схема аэробной очистки выглядит так:

1. Сточные воды попадают в анаэробную зону аэротенка-вторичного отстойника. Там они перемешиваются с активным илом.
2. В установку нагнетается кислород, при необходимости вводятся компоненты, способствующие переработке.
3. Происходит два биохимических процесса: окисление органического углерода и нитрификация.
4. Осуществляется один или несколько рециклов: воды снова перемешиваются с активным илом и обогащаются кислородом.
5. Переработанные стоки отстаиваются – происходит гравитационное разделение иловой смеси.
6. Избыточный активный ил поступает на переработку, а часть массы возвращается на исходную позицию.
7. Очищенные воды поступают на доочистку или спускаются в водоем.

Этапы очистки отличаются в разных системах, но суть метода остается той же.

Анаэробной

Этот метод применяется, когда в сточных водах большое количество органических загрязнений, твердых осадков и активного ила. В ходе метаногенеза (так называется процесс анаэробной очистки) загрязнения конвертируются в биогаз, который состоит из метана и углекислого газа.

Технологическая схема классической анаэробной очистки:

Сточные воды попадают в отсек, где происходит метановое брожение. После взаимодействия анаэробных бактерий с загрязнениями образуется метан, углекислый газ, сероводород. Эти газы утилизируются.

Помощь микроорганизмов и бактерий

Аэробные бактерии запускают процессы окисления и нитрификации. Для этого им нужен кислород. Микроорганизмы живут в диапазоне температур – от +9 до +28 градусов, рН – 5,0-7,0.

• Псевдомонады – занимают 80% активного ила. Перерабатывают спирты, жирные кислоты, ароматические углеводороды, парафины и другие органические вещества.
• Нитрифицирующие – окисляют соединения азота.
• Серобактерии и тионовые бактерии – перерабатывают восстановленные соединения серы.
• Нитчатые – окисляют соединения углерода.
• Целлюлозоразлагающие – перерабатывают целлюлозное волокно.

В активном иле также встречаются:

1. дрожжи,
2. плесневые грибы,
3. простейшие,
4. коловратки,
5. малощетинковые кольчатые черви.

Анаэробные бактерии не нуждаются в кислороде. Они запускают процессы брожения, аноксигенного окисления и метанообразования.

Группы анаэробных бактерий:

• Гидролитики – отвечают за первую стадию метаногенеза. Бактерии расщепляют белки, жиры, соединения целлюлозы, крахмала, обладают аммонифицирующей активностью. В результате образуется глицерин, жирные кислоты, аминокислоты, пептиды, моно- и дисахариды.
• Ацидогенные – отвечают за вторую стадию метаногенеза. С помощью бактерий происходит маслянокислое, ацетоно-бутиловое, пропионовое, спиртовое брожение. Перерабатываются промежуточные продукты гидролиза.
• Гетероацетогенные – отвечают за третью стадию метаногенеза. Бактерии переводят органические кислоты (масляную, пропионовую) в уксусную кислоту.
• Метаногенные – завершают анаэробную очистку. Микроорганизмы образуют биогаз, перерабатывая водород, углекислый и чадный газ, ацетат, метиламин, метанол.

Состав доминирующей микрофлоры зависит от характеристик стоков.

Системы

Для искусственной аэробной очистки чаще всего используют такие сооружения:

• Аэротенк – резервуар, в котором стоки смешиваются с активным илом. Часто он разделен на несколько камер, где происходят разные этапы биоочистки. Резервуар оснащен аэратором – системой подачи кислорода.
• Биотенк – разновидность аэротенков, в которой специальная загрузка позволяет увеличить общее количество биомассы.
• Биофильтр – бассейн с дренажем на днище. Очистка стоков происходит путем минерализации. Биоценоз – пленка аэробных микроорганизмов.
• Станция биологической очистки – локальное сооружение, которое устанавливается там, где нет возможности провести общесплавную канализацию. Очищенные стоки спускаются в грунт, а отходы используются в качестве удобрения. Станции перерабатывают объем сточных вод от 5 до 1000 куб. м. ЛОС очищают от 98-99% загрязнений.

Процессы анаэробной очистки зачастую проходят в таких традиционных сооружениях:

• Анаэробная лагуна – один или несколько отстойников, где стоки находятся от 1 недели до 2 месяцев. Газы выделяются в атмосферу.
• Септитенк – отстойник закрытого типа, в котором осадок из образовавшихся твердых частиц перегнивает и расщепляется анаэробами.
• Метантенк – конструкция, внешне похожая на септитенк. Но в резервуаре происходит перемешивание, обогрев и контроль основных параметров.

Биопрепараты

Биопрепараты применяют для выполнения таких задач:

• Разложения органики: жиров, углеводов, белков;
• Стимуляции работы активного ила;
• Сокращения объема побочных продуктов в виде осадка;
• Ускорения процесса переработки;
• Снижения показателей биохимического потребления кислорода (БПК, ХПК);
• Наращивания и восстановления активного ила.

Производители выпускают препараты, где сконцентрировано определенное количество штаммов натуральных бактерий.

Каждый биопрепарат содержит разные штаммы микроорганизмов, которые подбираются в зависимости от состава сточных вод.

Популярные биопрепараты:

Доочистка хозяйственно-бытовых стоков

В некоторых случаях после биологического этапа воды должны пройти доочистку.

Это нужно, когда:

• Их планируют спускать в маломощные водоемы, особенно предназначенные для рыбного хозяйства;
• Их будут использовать в промышленности или в бытовых целях.

Распространенный метод доочистки – отстаивание в биопрудах с естественной и искусственной аэрацией. В таких водоемах создаются благоприятные условия для массового развития микроорганизмов, которые расщепляют остатки загрязнений и борются с патогенами.

Несколько месяцев воды отстаиваются в биопрудах, и после удовлетворительного лабораторного анализа поступают в конечный пункт.

Полезное видео

Смотрите интересный видеоматериал, в котором подробно рассказано о процессе очистки сточных вод биологическим методом.

Заключение

Биологическая очистка сточных вод – метод, основанный на возможностях микроорганизмов, при помощи которых можно перерабатывать органические и некоторые минеральные загрязнения.

Особенности процесса:

• Происходит при участии аэробных и анаэробных бактерий;
• Осуществляется в природных или искусственно созданных условиях;
• Метод удаляет 98-99% загрязнений;
• Промышленная очистка стоков проходит в аэро-, био-, метантенках;
• На любом участке можно установить локальные очистные сооружения;
• Для запуска и интенсификации процесса используются биопрепараты;
• Отходы, образующиеся в результате процесса, экологически безопасные;
• Когда к сточным водам предъявляются повышенные требования по химическому составу, они проходят доочистку.

Биологическая очистка – обязательный этап улучшения качества сточных вод. Соблюдение технологий делает процесс безопасным, высокоэффективным и даже полезным для окружающей среды.

Как используется биологическая очистка стоков и в чем ее преимущества

Отправим материал на почту

• Как работает метод биологической очистки
• Из чего состоят бытовые сточные воды
• Способы очистки сточных вод
• Методы биологической очистки стоков
• Аэротенки
• Мембранный биореактор
• Биофильтры
• Станция биологической очистки сточных вод
• Биологические пруды
• Доочистка
• Принцип работы бактерий
• Аэробное очищение
• Анаэробная очистка
• Преимущества и недостатки метода
• Заключение

Биологическая очистка сточных вод является эффективным способом удаления органических веществ с помощью жизнедеятельности микроорганизмов. Такой метод можно использовать как в быту, так и на промышленных предприятиях. Очищение за счет бактерий успешно комбинируется с механическими и химическими воздействиями, которые в большей степени оказывают влияние на неорганические соединения. В основе биологической очистки находится естественный процесс, его воссоздают искусственным путем для безопасного избавления от примесей.

Как работает метод биологической очистки

Очищение с помощью микроорганизмов обычно проводят после механического удаления загрязнений. Нерастворимые частички выпадают в осадок, а остальные вещества подлежат дальнейшей обработке.

Суть работы базируется на способности определенных бактерий расщеплять органические соединения. В результате образуются простые вещества, такие как вода, углекислый газ и метан. Микробы и простейшие используют получившиеся продукты для поддержания собственной жизнедеятельности.

Микроорганизмы также получают энергию из азота, который содержится в сточных водах в виде аммиачных и нитратных соединений. В состав минеральных солей включены фосфор и калий, необходимые для питания бактерий. Богатое содержание этих веществ в стоках вызывает интенсивное размножение микробов, таким образом происходит естественная очистка в резервуарах.

Из чего состоят бытовые сточные воды

В современных домах обязательно присутствуют водопроводная и канализационная системы. Первую люди применяют для питья и хозяйственных нужд, а с помощью последней – удаляют загрязненную жидкость. И хотя уровень примесей в сточных водах не превышает 1%, повторно использовать их нельзя, пока они не пройдут очистку.

Состав сточных вод значительно различается в зависимости от места и времени взятия образца. Обычно в жидкости содержатся как твердые, так и растворимые элементы. Неорганические вещества могут быть устранены простым фильтром, но органика требует более сложного подхода. Если не применять меры, возникает опасность разложения биологических соединений, что приводит к образованию гнилостного запаха и порче воды.

Стоки могут содержать в себе остатки жиров, моющих средств, фосфаты и соединения хлоридов, азот, сульфатные и нефтехимические продукты. Эти вещества никуда не исчезают сами по себе, поэтому для их удаления применяется биологическая очистка сточных вод.

Особое внимание этому вопросу следует уделять в загородных домах, которые не подключены к централизованному водопроводу. На их участках обычно располагают скважину и выгребную яму. При неблагоприятном стечении обстоятельств неочищенные стоки могут попасть в кран, что приведет к риску отравления всех проживающих.

Способы очистки сточных вод

Существует два основных метода очищения бытовых и промышленных стоков – естественный и искусственный. Незначительные объемы жидкости могут очищаться в природных условиях, но в настоящее время большое количество загрязненных вод требует дополнительной обработки. Обычно применяется целый комплекс искусственных способов, а естественное очищение используется в качестве дополнения. Распространенные методы очистки стоков:

• Механический. На этом этапе применяются фильтры и отстаивание воды. Для этого используют специальные решетки, сита и уловители. После первичного очищения жидкость направляется в отстойник, где через некоторое время неорганические вещества выпадают в осадок. Во всех современных системах вода проходит такую стадию очистки, но ее недостаточно для полного удаления всех загрязнений. Химические и биологические компоненты не могут быть устранены таким способом.
• Химический. Он подразумевает применение специальных реагентов, которые реагируют с веществами в составе воды и приводят к выпадению нерастворимого осадка. В результате удается практически полностью избавиться от твердых частичек, а содержание органики снижается незначительным образом.
• Физико-химический. Это комбинация двух предыдущих методов, которая позволяет воздействовать на все типы загрязнений. Чаще всего применяют коагуляцию, экстракцию и электролиз.
• Биологический. Для этого метода нужны микроорганизмы, которые естественным образом очищают воду от органических примесей в процессе своей жизнедеятельности.

Методы биологической очистки стоков

Очищение воды микроорганизмами происходит в следующих сооружениях:

• Аэротенки;
• Биофильтры;
• Станции биологической очистки;
• Мембранные биореакторы;
• Биологические пруды.

Аэротенки

Такие сооружения биологической очистки сточных вод предназначены для обработанной механическим путем жидкости, которая взаимодействует с расположенным в резервуаре активным илом. Процесс происходит в особых емкостях, состоящих из нескольких отделов и оборудованных системами аэрации. В активном иле находится множество бактерий, которые питаются органическими отходами. Для их жизнедеятельности нужны соответствующие условия, которые постоянно поддерживаются в водоеме.

В первую очередь, бактериям необходим кислород, чтобы они могли размножаться. При постоянном поступлении воздуха микроорганизмы начинают поглощать органические вещества из воды, таким образом происходит естественное очищение резервуара. Со временем запасы органики уменьшаются, и расход кислорода также начинает снижаться. В этот момент жидкость перемещается в следующие отделы.

В дальнейших секциях вода подвергается обработке с помощью особых бактерий-нитрификаторов, которые превращают азот, содержащийся в аммонийных солях, в нитриты. В водоеме находится также и другой тип микробов, поглощающий нитриты. В результате этого процесса образуются нитраты. В конечном итоге после полной переработки соединений сточные воды поступают во вторичный отстойник. Здесь активный ил образует осадок, а чистая жидкость перемещается в водоемы.

Мембранный биореактор

Биологические методы очистки сточных вод включают в себя использование мембранного биореактора. Роль мембран состоит в создании своего рода препятствия для загрязнений, которые проходят сквозь них. Эти элементы бывают трубчатыми, половолоконными и плоскорамными. В дополнение к механической фильтрации используют деятельность микроорганизмов.

Мембранный реактор можно применять как на финальной стадии очищения жидкости, так и для подготовительной очистки перед нанофильтрацией. Таким способом удается эффективно удалить из стоков лишние соли.

Биофильтры

Для биологической очистки сточных вод в загородных домах часто применяются биофильтры. Это небольшое устройство содержит емкость с загрузочным материалом, в котором находятся микроорганизмы. Деятельность бактерий происходит по схожему принципу с аэротенками – органика успешно распадается на простые элементы, служащие пищей для микробов.

Приборы делятся на две группы: двухступенчатые и с капельной фильтрацией. Последний тип отличается низкой производительностью, но при этом он производит наиболее эффективное очищение стоков. Двухступенчатые устройства работают быстрее, но качество будет более посредственным. Оба прибора включают в себя корпус, распределитель, дренажную и воздухораспределительную системы.

Станция биологической очистки сточных вод

Это устройство выполнено в виде сооружения с четырьмя камерами, в котором происходит последовательное очищение стоков за счет использования активного ила и кислорода. После прохождения всех отделов вода является практически чистой и ее можно снова использовать для бытовых или промышленных нужд.

Большое количество отделов не занимает слишком много места, поэтому сама станция является компактным и удобным в применении прибором. Ее легко переносить и монтировать. Для такого биологического метода очистки сточных вод необходимо регулярное обслуживание устройства, чтобы оно продолжало эффективно работать. Периодически секции агрегата должны промываться с помощью мойки высокого давления. После этого прибор следует перезапустить.

Биологические пруды

Достаточно простой и выгодный способ удаления загрязнений в жидкости предполагает ее самоочищение в открытых водоемах, созданных искусственным путем. Здесь важно обеспечить хорошую циркуляцию воздуха, поскольку бактериям для жизнедеятельности нужен кислород. По этой причине глубина водохранилища не должна составлять более 1 метра.

Значительные размеры водоема дают возможность воде хорошо прогреться, поэтому микроорганизмы становятся активными и быстрее поглощают органические соединения. Такая биологическая очистка сточной воды эффективнее протекает в летний период, а при снижении температуры процесс окисления становится более медленным. Когда наступают морозы, микроорганизмы засыпают и больше не могут выполнять свою работу. Поэтому зимой и поздней осенью применять биологические пруды нет смысла.

Водоемы такого типа подразделяются на три разновидности:

• С разбавлением – стоки смешиваются с водами рек;
• Водохранилища с несколькими ступенями без разбавления – жидкость попадает в водоем после некоторого времени отстаивания, часто применяют каскадный способ их размещения;
• Пруды для доочищения сточных вод.

Способы различаются по времени, которое необходимо для полной очистки воды. Водоемы с разбавлением способны очистить жидкость за две недели, в то время как в многоступенчатых прудах загрязнения удаляются около месяца.

Доочистка

После биологических способов очистки воды она может быть сразу перемещена в почву или повторно применяться для технических нужд. Иногда жидкость выпускают в водоемы, но чаще всего содержащиеся в ней элементы способны принести вред экосистеме. По этой причине промышленные стоки требуют доочистки, прежде чем их снова можно будет использовать. Во время дополнительного очищения происходят следующие процессы:

• Снижение количества взвесей;
• Уменьшение содержания азотных, фосфорных и других химических соединений;
• Дезинфекция;
• Добавление кислорода в воду, которая будет использована для объектов рыбного хозяйства.

Инструментом глубокого очищения обычно выступает биореактор с затопленной загрузкой. Иногда этот участок применяют в роли нитрификатора.

Конкретный тип устройства выбирают, исходя из местных условий и необходимого качества очищения жидкости. В большинстве случаев приходится частично перестраивать конструкцию глубокой очистки.

Принцип работы бактерий

Сточные воды очищаются с помощью аэробных и анаэробных микроорганизмов. Различие состоит в использовании кислорода для очистки жидкости. Каждый метод предполагает применение особого механизма.

Аэробное очищение

Его производят с помощью биопленки или активного ила. Стоки попадают в отстойник или резервуар с бактериями, а затем в систему подается кислород, за счет чего органика окисляется. Параллельно происходит нитрификация соединений. Процесс повторяется несколько раз, прежде чем начнется отстаивание жидкости. Лишний ил уходит на переработку, а некоторая его часть возвращается обратно в систему. Чистая вода проходит дополнительное очищение или поступает в водоем.

Анаэробная очистка

Если в стоках много органики, твердых веществ и активного ила, их можно очистить с помощью метаногенеза, который происходит с участием анаэробных бактерий. При этом способе жидкость обрабатывается в резервуаре с микроорганизмами, в результате чего возникает метан и углекислый газ. Затем газы удаляются, а осадок проходит в центрифугу, в которой отделяется ил. После этого чистая вода возвращается в водоем, а ил высушивается, дезинфицируется и применяется для компостов.

Преимущества и недостатки метода

Биологическая очистка сточных вод обладает заметными достоинствами:

• Небольшое количество отработанных веществ. В результате переработки возникают простые соединения, которые можно без труда удалить из жидкости. Полученный метан используют для обогрева зданий, а с помощью ила удобряют почву.
• Автономная работа устройств. Они не требуют добавления реагентов, а контролировать процессы может 1 человек.
• Доступная стоимость метода по сравнению с остальными способами очищения жидкости.
• Экологичность и натуральность процесса. Такая очистка не наносит ущерб природным ресурсам и экосистемам.

У способа есть также и недостатки:

• Трудно поддерживать постоянное количество микроорганизмов. Уменьшение их числа приведет к недостаточно эффективному очищению стоков.
• Строение сооружений для очистки может потребовать большого количества финансовых средств. С течением времени вложения себя окупают.
• Важность строгого соблюдения технологии очищения жидкости. Отступление от правил приведет к уменьшению эффективности способа.
• Переработать можно не все типы органики. Ядовитые вещества могут уничтожить бактерии, поэтому важно тщательно проверять воду на их наличие и своевременно удалять токсины.

Заключение

Применение биологической очистки позволяет эффективно удалять загрязнения из сточных вод без нанесения вреда окружающей среде. Это доступный и популярный метод как для бытовых, так и для производственных нужд.

В чем преимущества биологического метода очистки сточных вод?

Уровень современной промышленности обуславливает максимальную интенсификацию всех технологичных процессов, и сопутствующую ей экономию средств.

Схема биологической очистки бытовых сточных вод.

Для того чтобы снизить производственные расходы большинство прогрессивных предприятий практикуют безотходное производство, которое обеспечивает наиболее рациональное использование всех ресурсов.

Одной из главных особенностей данной технологии, предопределяющих её сущность, является вторичное использование сточной воды. Для того чтобы можно было заново применять уже отработанные сточные воды требуется их качественная очистка и обеззараживание.

1 Какое назначение биологических способов очистки воды?

На сегодняшний день максимальная фильтрация воды возможна исключительно при комбинировании доступных методов очистки — ни один отдельно взятый способ не может гарантировать достаточную эффективность.

В то время как организация поэтапного процесса, когда каждый способ очистки отвечает за удаление определенных загрязняющих веществ, дает возможность получить необходимый результат.

Ключевым способом обработки стоков является микробиологическая очистка воды, в её основе лежат естественные закономерности биохимического самоочищения природных водоемов, которые имитируются при помощи промышленных технологий.

Кроме очистки сточных вод промышленных предприятий, биологические методы обработки воды показывают отличную эффективность при очистке коммунально-бытовых стоков.

В этом случае раскрывается одно из главных достоинств такого метода: биохимическая очистка воды делает возможным её дальнейшее использование в сфере сельского хозяйства в качестве удобрений. Биохимический метод очистки считается одним из самых популярных и востребованных в этой сфере.

В целом, проанализировав сферы применения биологической очистки сточных вод, можно сделать вывод, что данный способ распространяется практически на все области промышленности:

• Фармацевтическая промышленность;
• Пищевая промышленность;
• Химическая промышленность;
• Целлюлозно-бумажное производство;
• Сфера санитарно-гигиеничного обслуживания;
• Сельско-хозяйственная сфера;
• Нефтеперерабатывающая промышленность.

Крупные очистные сооружения для биохимической обработки сточных вод.

Идентичная естественной биологическая флора, которую содержат современные биофильтры, дает возможность получить высококачественную очистку бытовых и промышленных сточных вод.

А они уже, впоследствии, могут повторно применятся в технологических процессах, либо безопасно утилизироваться, не оказывая, при этом, негативного влияния не экологию.
к меню ↑

2 Преимущества и недостатки

Способ биологической очистки заключается в том, что окисление, расщепление и последующее уничтожение органических загрязнений сточной жидкости является результатом процесса жизнедеятельности простейших микроорганизмов.

Эти микроорганизмы искусственно культивируются в специальных устройствах (биофильтры, аэротенки и т.д.), через которые проходит обрабатываемая вода.

Всю совокупность биологических методов обработки условно разделяют на две группы, которые зависят от вида используемых микроорганизмов:

• Аэробный способ – для очистки воды применяются бактерии, жизнедеятельность которых возможна только при неограниченном доступе кислорода;
• Анаэробный способ – использование микроорганизмов, которые не нуждаются в кислороде.

Пустой резервуар для биологической очистки сточных вод в бытовых условиях.

Также иногда выделяют ещё одну – азотную группу, это бактерии, которым для жизни необходима насыщенная азотом среда.

к меню ↑

2.1 Аэробная биологическая очистка

Аэробный способ очистки бытовых и промышленных вод дополнительно делится на категории, которые определяются типом используемых резервуаров, где выполняется обработка стоков.

Это могут быть: биофильтры, биологические пруды, поля фильтрации, либо аэротенки. В целом, непосредственно на саму сущность метода очистки, вид резервуара не оказывает никакого влияния – все они имеют идентичный способ минерализации загрязняющих веществ.

Основным биологическим веществом для аэробной очистки является «активный ил», который иногда называют биопленкой. На каждом предприятии, в зависимости от состава сточных вод, структура активного ила будет разной.

Сам по себе активный ил существует в виде хлопьев темно-коричневого цвета, размер которых не превышает пары сотен микрометров. Среднестатистический ил на 30% состоит из твердых неорганических частиц, а на 70% из живых микроорганизмов, которые в процессе жизнедеятельности используют твердые частицы как среду обитания.

Основную часть бактерий в активном иле составляют организмы семейства Pseudomonas, однако разный состав стоков будет определять преобладающую группу микроорганизмов.

Главной характеристикой активного ила, которая предопределяет его очистные способности, является возможность бактерий использовать органические загрязнители как средство питания. Такие бактерии поглощают внутрь своей клетки загрязняющие вещества, которые там подвергаются изменению биохимической структуры.

В целом, полная аэробная биологическая очистка бытовых и промышленных стоков, при выполнении всех технологических требований, способна обеспечить удаление около 90 процентов всех окисляемых загрязнений содержащихся в воде.

На сегодняшний день технология аэробной очистки требует искусственного ускорения процесса, так как его естественное протекание требует больших временных затрат. Естественная аэробная биологическая очистка осуществляется на специальных полях фильтрации, такой способ, помимо длительного периода протекания, характеризуется ещё и слабой эффективностью, которая не превышает 50% по большинству наиболее распространенных загрязнителей.

Для того чтобы в промышленных условиях ускорить аэробный метод используются специальные емкости, при пребывании в которых сточные воды искусственно насыщаются кислородом. Такие резервуары на дне имеют пористые контейнеры из полимерного материала, в которых культивируются колонии микроорганизмов.

Под контейнерами располагаются аэраторы – трубы с маленькими отверстиями, что наполняют воду кислородом. Также катализирующим фактором является температура жидкости, которая должна поддерживаться на необходимом уровне.

К слову, и сами микроорганизмы производят определенную регуляцию среды обитания – в процессе окисления и разложения органических загрязнений происходит выделение значительного количества энергии, что существенно повышает температуру жидкости.

Такие устройства для биологической обработки воды, помимо промышленных очистных сооружений, получили широкое распространение и в бытовых условиях – биофильтры часто применяются при конструировании септиков. Или небольших очистных конструкций индивидуального использования на загородных коттеджах и дачах.
к меню ↑

2.2 Анаэробная биологическая очистка

Анаэробный способ очистки подразумевает превращение органических загрязнителей после протекания всех реакций в форму биогаза – метана, который используется в дальнейших технологических процессах для сжигания.

Микроорганизмам, для преобразования загрязнителя в метан, необходимо выполнить 4 этапа разложения:

1. Трансформация органических веществ в мономерные соединения.
2. Мономеры в процессе ферментативного распада переходят в форму короткоцепочечных кислот.
3. Кислоты окисляются в уксусную кислоту.
4. Далее, происходит образование метана, совместно с которым выделяется углекислый газ.

Состав биогаза, который будет выделяться, и концентрация в нём метана, зависит от состава загрязнений стоков.

Анаэробный способ очистки является основным методом биологической обработки воды в химической и пищевой промышленности, а также бытовых системах фильтрации сточных вод.

Такие биофильтры не теряют эффективность при повышении концентрации загрязняющих веществ в жидкости, кроме того, теряет актуальность вопрос утилизации излишнего количества активного ила.

Немаловажным преимуществом анаэробного метода является уменьшение расходов на оборудование, и сопутствующих эксплуатационных расходов, так как для протекания анаэробной очистки не нужна искусственная аэрация воды.

В целом, эффективность биологической очистки сточных вод бытовых и промышленных предприятий зависит от следующих факторов:

• Сточная вода не должна содержать какие-либо агрессивные токсичные вещества (они могут стать причиной гибели микроорганизмов);
• Поддержание оптимального температурного режима;
• Соблюдение граничной допустимой концентрации загрязнения стоков, важно учитывать нагрузку на ил, по количеству веществ-загрязнителей;
• Время протекания реакции;
• Необходимый уровень аэрации;
• Особенности конструкции очистного сооружения.

Стоит понимать, что любой способ биологической обработки является лишь одним из этапов, необходимых для полной очистки промышленных и бытовых сточных вод.

Для того чтобы стоки могли повторно участвовать в технологических процессах либо безопасно утилизироваться, им нужно пройти как минимум 3 стадии очистки: механическую, биологическую и обеззараживание.
к меню ↑

3 Необходимое оборудование

Очищенная биологическим методом жидкость проходит последний этап обработки.

Биологические методы очистки сточных вод требуют использования оборудования, которое классифицируется на следующие группы.

Сооружения для естественной очистки стоков:

• Поля фильтрации (разделяются на поля наружной и подземной фильтрации);
• Фильтрующие колодцы (в основном применяются в бытовых условиях);
• Песчано-гравийные фильтры;
• Каналы циркуляционного окисления;
• Биологические водоемы с природной аэрацией.

Устройства для искусственной биологической очистки воды:

• Биофильтры, загружающиеся пеностеклом;
• Дисковые биофильтры;
• Биофильтраторы;
• Биореактор для очистки сточных вод;
• Биофильтры с затопленной ершовой загрузкой;
• Установки продленной аэрации – аэротенки (способ полного окисления);
• Установки для аэрации со стабилизацией лишнего количества активного ила.

Наиболее распространенным устройством, как в промышленной сфере, так и для очистки бытовых стоков, являются аэротенки. Такие биофильтры в основном выполняются в виде прямоугольных резервуаров с глубиной в 1-2 метра и оснащаются искусственными системами наполнения воды кислородом.

Это довольно компактные биофильтры, отличающиеся высокой эффективностью обработки воды, которые выполняют трехфазное окисление органических загрязнений.

В процессе первой фазы происходит непрерывное увеличение количества активного ила за счет присутствующей в стоках органики, во второй фазе – большая часть органических загрязнений «съедена» илом и темпы его прироста сократились.

В третьей фазе – микроорганизмы испытывают недостаток питательных веществ, что вынуждает их поедать отмершие бактерии, что ведет к саморегуляции всей системы.
к меню ↑

Живая вода: пять прогрессивных технологий очистки

По оценкам ООН, к 2050 году на Земле будут жить 9,8 млрд человек. Изменение климата, а также развитие сельского хозяйства и промышленности для удовлетворения потребностей постоянно растущего населения приведут к серьезному сокращению доступных водных ресурсов.

Согласно исследовательскому проекту WaterAid, 60% населения планеты уже сейчас живет в районах, где водоснабжение не может или скоро прекратит удовлетворять спрос. Водный кризис наиболее болезненно проявляется на Ближнем Востоке, в Центральной Азии и Северной Африке.

Россия в рамках прогнозного горизонта 2040 года находится в зоне низко-среднего риска.

Главные тренды рынка

Как развитые, так и развивающиеся страны сталкиваются с одной общей проблемой — ростом объемов промышленных и городских сточных вод. Это, в свою очередь, побуждает разработчиков из разных стран к поиску новых и все более совершенных технологий очистки воды.

Традиционные методы очистки включают использование адсорбентов, обратного осмоса, ионного обмена и электростатического осаждения. Их недостатки — высокая стоимость, плохая возможность повторного использования и низкая эффективность. Несмотря на прогресс, достигнутый в разработке новых технологий за последнее десятилетие, их использование ограничено в основном из-за свойств материалов и стоимости.

Согласно аналитическому агентству Mordor Intelligence, в 2020 году объем мирового рынка технологий очистки воды оценивался на уровне $50,5 млрд. До 2026-го рынок ежегодно будет расти примерно на 7% из-за быстро сокращающихся ресурсов пресной воды во всем мире. Спрос растет также со стороны разработчиков месторождений сланцевых углеводородов, производителей биотоплива и др.

Негативно повлияла на рынок пандемия COVID-19. Но она же привела к появлению новой технологии, которая позволяет обнаружить коронавирус в сточных водах. Метод позволяет измерить присутствие РНК-генетического материала SARS-CoV-2 (рибонуклеиновая кислота) в человеческих фекалиях в системе сбора сточных вод. Исследования в Нидерландах показали связь между объемом вирусного материала в сточных водах и количеством случаев заражения в данном районе и помогают отслеживать эпидемиологическую ситуацию и эволюцию вирусов. Эта методика была также протестирована в 2020 году в более чем 40 штатах Америки, причем в университете Аризоны помогла предотвратить вспышку коронавируса, где выявили двух человек с бессимптомным течением болезни.

Перечислим пять наиболее инновационных, по нашему мнению, технологий очистки воды.

1. Мембранное разделение

Это давний и популярный метод очистки воды от примесей и загрязнителей. Есть много технологий, которые работают как фильтр: пропускают воду через пленку с микроскопическими отверстиями. Вода проходит, а загрязняющие частицы застревают на мембране.

Методы современного мембранного разделения, такие как обратный осмос (удаляет частицы даже размером 0,001-0,0001 мкм — соли жесткости, сульфаты, нитраты, ионы натрия, красители и т.д.), могут очистить воду от 99,5% примесей. Но для этого размер пор должен быть менее микрона. Основной недостаток технологии — высокая стоимость обслуживания (мембраны часто забиваются).

2. Облучение

Как следует из названия, этот процесс основан на воздействии радиации на сточные воды, чтобы уничтожить органические загрязнители. Источники излучения — от гамма-лучей до ультрафиолетового света.

Облучение обычно используют для обеззараживания, но некоторые методы, например, ионизирующее облучение, в сочетании с добавлением озона или перекиси водорода улучшают эффективность разложения органических примесей, включая пестициды и фенолы.

Современные системы УФ-обработки предлагают применять светодиодные лампы. Сейчас такие лампы начинают активно внедрять в коммунальном секторе, а также используются NASA в космических разработках агентства.

Второй способ — это гидрооптические технологии. Они позволяют использовать несколько раз энергию фотонов, так как ультрафиолетовые лучи отражаются от стенок кварцевой камеры. Это повышает эффективность дозы УФ-облучения для уничтожения сложных вирусов, например, коронавируса или аденовируса.

Артур Душенко, главный инженер VODACO, Россия:

«Вирусы и бактерии, поступающие в водоемы со сточными водами, в дальнейшем могут попадать в системы коммунального водозабора на том же водоеме. Современные системы реагентной дезинфекции с использованием гипохлорита натрия или жидкого хлора не способны обезвредить все бактерии, так как многие из них, такие как Cryptosporidium или Giardia (криптоспоридии или лямблии. — РБК Тренды), устойчивы к воздействию хлора так же, как и сложные формы вирусов — аденовирус и коронавирус (как яркий пример — SARS-CoV-2).

Системы УФ-дезинфекции на базе технологии HOD UV обеспечивают дозу воздействия на данные микроорганизмы в 120 mJ/cm2 и выше — это необходимое условие для обезвреживания вируса, разрушения цепочки РНК и угнетения способности к восстановлению. В России стандарт воздействия ограничен на законодательном уровне — 30 mJ/cm2».

3. Очистка наночастицами

Люди давно используют такие вещества, как древесный уголь, для очистки воды путем адсорбции. При очистке наночастицами используется та же механика, но с частицами в наномасштабе. Различные типы наноматериалов — металлические наночастицы, наносорбенты, биоактивные наночастицы, нанофильтрационные (NF) мембраны, углеродные нанотрубки (УНТ), цеолиты и глина — оказались эффективными материалами для очистки сточных вод. Их использование устраняет пестициды и тяжелые металлы в воде. Углеродные нанотрубки также рассматривают как прорывную технологию для опреснения морской воды до стадии питьевой. Основной недостаток технологии — стоимость.

4. Биоаугментация

Органический способ очистки представляет собой добавление в воду смеси микроорганизмов, которая разрушает и удаляет загрязнения. Эти микроорганизмы включают ферменты и безопасные бактерии, которые естественным образом разлагают загрязняющие вещества, такие как масла или углеродные продукты. Но биоаугментация может влиять на экосистему микрофлоры и, как следствие, нарушать процесс очистки. Поэтому эту технологию пока нельзя использовать для получения питьевой воды.

5. Мембранная биоаугментация

Мембранные биореакторы (MBR) — гибридная технология, которая включает мембранное разделение и биоаугментацию. Сточные воды после биологической очистки при помощи активного ила подают в емкость, называемую биореактором. В этой емкости располагаются мембраны, которые разделяют сточные воды на два потока — активный ил, используемый повторно для биологической очистки, и чистую воду.

На рынке представлены два основных типа MBR — это системы с вакуумным (или гравитационным) потоком и системы под давлением. Вакуумные системы погружаются в воду и имеют мембраны, установленные либо внутри биореакторов, либо в последующем резервуаре. Второй тип MBR, где поток управляется давлением, представляет собой внутритрубные картриджные системы, расположенные вне биореактора.

Преимущество мембранной биоаугментации — небольшая площадь для биологической очистки. MBR-реакторы увеличивают мощность очистных сооружений без увеличения площади конструкций.

Ольга Рублевская, директор Департамента анализа и технологического развития систем водоснабжения и водоотведения ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга»:

«Нева — это основной источник водоснабжения в Санкт-Петербурге. Благодаря программе прекращения сброса сточных вод без очистки в Неву и Финский залив в 2021 году уровень очистки достиг 99,5%. К 2030 году весь объем стоков будет перерабатываться на очистных сооружениях. Сейчас наша технологическая схема очистных сооружений состоит из механической, химической и биологической очистки.

• Механическая очистка включает решетки, песколовки, отстойники, в том числе прессование и отмыв отбросов (дополнительное поступление органических веществ в стоки) и преферментацию сырого осадка на стадии отстаивания (увеличение летучих жирных кислот).
• Биологическая очистка основана на технологических схемах UCT (технология Кейптаунского университета) и JHB (технология Йоханнесбургского университета).
• Химическая обработка применяется для удаления фосфатов. Используемый реагент — сульфат алюминия.

Так как в Санкт-Петербурге нет дефицита воды, то в городе нет ни вторичного использования очищенной воды, ни планов по применению таких технологий».

Необходимость через отвращение

Повторное использование сточных вод для орошения и других непитьевых целей стало обычным явлением и существует уже не одно десятилетие. Так, например, в Израиле, почти 90% сточных вод страны используется повторно в сельском хозяйстве.

Для доочистки сточной воды до состояния питьевой необходима надежная технологическая схема, которая включает как минимум пять стадий. Повторно используют очищенные сточные воды питьевого качества Австралия, Сингапур, Намибия, Южная Африка, Кувейт, Бельгия, Великобритания и США (штаты Калифорния и Техас). В этих странах очищенной водой пополняют подземные или поверхностные водные источники (плотины).

Речная вода, используемая в различных городах для производства питьевой воды, содержит в себе большие объемы сточных вод. Переработанная вода безопасна для питья, но некоторые люди не могут преодолеть чувство отвращения. Периодически во всем мире проходят акции по преодолению психологических барьеров. Так, основатель Microsoft Билл Гейтс выпил стакан жидкости, которая была переработана из человеческих фекальных масс в питьевую воду по технологии Omniprocessor Фонда Билла и Мелинды Гейтс. А французская компания Veolia запустила в Чехии совместный проект с пивоварней Čížová, которая из переработанных стоков сварила пиво.

Биологическая очистка воды

Сегодня стало очевидным, что угроза существованию жизни таится не столько в атомной опасности, сколько в угрожающей экологической ситуации. Серьезные опасения вызывает недостаток питьевой воды, ее качественные изменения, несоответствие санитарно-гигиеническим требованиям, неблагоприятные последствия употребления недоброкачественной воды для здоровья населения.

Подготовка воды для питьевого и промышленного водоснабжения отличается от других областей химической технологии тем, что процессы водоочистки происходят в больших объемах при небольшой концентрации растворенных веществ. Большие объемы предполагают использование крупногабаритных установок, а небольшое количество извлекаемых примесей требует применения селективных методов обработки водного раствора. Соответственно цель водоподготовки — обеспечить физические и биохимические показатели воды, определённые в ГОСТ для питьевого водоснабжения или соответствующие заданному технологическому циклу на предприятии и удовлетворяющие эксплуатационным условиям для оборудования.

Какие методы устранения загрязнений существуют

Природная вода — сложная дисперсная система, содержащая огромное количество растворенных и взвешенных примесей различного фазового состава, минеральной и органической природы. Применить универсальный способ удалить такое множество веществ невозможно. В процессах водоподготовки задействован целый комплекс методов, биологических технологий очистки воды, каждый из которых ориентирован на устранение определенной группы веществ.

В зависимости от направленности воздействия и применяемых инструментов существует четыре основных вида методов очистки воды:

1. Физические способы подготовки воды.
2. Удаление растворенных загрязнителей с помощью реагентов — химические способы.
3. Комбинированное воздействие на загрязняющие субстанции физико-химическими процессами.
4. Биологическая очистка воды.

Физические способы водоочистки востребованы в основном на подготовительном этапе водоподготовки. Это фильтрация, процеживание, отстаивание. Они направлены на устранение крупных включений из объемов воды, которые могут нарушить работу оборудования и быстро вывести из строя селективные фильтрующие материалы при дальнейшей обработке и селективной очистке воды.

Химические методы основаны на способности соединений вступать в химические реакции между собой. Вводя специальные реагенты для запуска определенных взаимодействий, можно перевести токсичные загрязнения в неопасные соединения, связать их в труднорастворимые комплексы или нерастворимые осадки, которые легко удалить фильтрацией или другим методом отделения.

Физико-химические процессы сочетают в себе комбинированное воздействие на подаваемую для очистки воду физическими явлениями и химическими реагентами. Такие методы основаны на свойствах удаляемых примесей, активизировать которые помогают специально вводимые вещества, инициирующие химические и физические процессы. С помощью физико-химической очистки убирают как минеральные загрязнители, так и органику, ионы металлов, растворенные газы.

Биологические способы очистки — это сравнительно молодые, но перспективные методы удаления из воды нежелательных элементов и соединений с участием живой микрофлоры, специальных бактерий, грибов. Суть — в выборочном поглощении живыми организмами загрязнителей из воды как питательного материала для своей жизнедеятельности.

Что входит в состав биологических методов очистки воды

Биологическая очистка воды чаще всего применяется в замкнутой системе водоснабжения путем адсорбции и окисления загрязняющих веществ в заранее подготовленном пласте активного ила. Шламовая его составляющая находится у донной части оборудования, а часть — в плавающей зафиксированной насадке. Способность микроорганизмов выборочно употреблять для питания те или иные органические и минеральные соединения из очищаемой воды, позволяет подобрать виды живых бактерий для биологической очистки воды определенного химического состава. Нитробактерии Nitrosomonas окисляют азотистые соединения в процессе жизнедеятельности, серобактерии нейтрализуют сероводород.

Микроорганизмы, участвующие в биологической очистке воды, содержатся в виде колоний в серо-бурой кашицеобразной субстанции с запахом земли — активном иле. Он легко отстаивается и оседает на дно, что позволяет быстро отделить чистую воду от отработавшего ила. Все микроорганизмы для биологической очистки воды делятся на два класса в зависимости от условий, в которых они проявляют свою активность. Аэробной микрофлоре необходим кислород для жизнедеятельности и запуска процессов окисления. Напротив, питание и активное потребление питательных веществ анаэробными бактериями происходит только в бескислородном пространстве. В зависимости от выбранного типа микроорганизмов корректируются эксплуатационные условия устройств для биологической очистки воды.

Процесс биоочистки воды проходит в особых сооружениях:

• биопрудах и на полях фильтрации;
• биологических фильтрах;
• аэротенках и метатенках.

Специфические микроорганизмы, продуцируя в активном иле, работают в качестве биоценоза минерализующей микрофлоры, способной адсорбировать органические и минеральные соединения на поверхности и окислять их. Во всех сооружениях кроме метатенков процессы окисления проходят с участием кислорода.

Биологические пруды как метод очистки

Биологические пруды — искусственно созданные или естественного происхождения водоемы со свободной аэрацией, на дне которых в активном иле живут микроорганизмы. На процессы биологической очистки воды благоприятно действуют растения прудов, особенно ряска, камыш, плавающий рдест, тростник, рогоз и роголистник.

Поля фильтрации организовывают на суглинистых, глинистых, торфяных, песчаных участках почв. Через почву, как фильтрующий материал пропускают воду. Микроорганизмы, живущие в почве, параллельно очищают воду от растворенных и взвешенных примесей. Это самые простые способы осуществления аэробной биологической очистки воды, не эффективные при высоких концентрациях примесей и большом потоке воды, но зато абсолютно не затратные и не нуждающиеся в постоянном контроле человеком.

Биологическая очистка на фильтрах

Биофильтр работает с использованием принципов физической фильтрации. Водный раствор пропускается через слой загрузки, предварительно покрытый биопленкой из аэробной микрофлоры. Чтобы живые организмы активно расщепляли загрязнения, воду в биофильтрах аэрируют принудительно. Однако возможна и естественная циркуляция воздуха.

Аэротенки и метатенки

Аэротенки отличаются более сложным устройством, чем биофильтры. Здесь биологическая очистка воды осуществляется при обязательной принудительной аэрации. Перед поступлением в аэротенк водный раствор перемешивают с активным илом, а затем пропускают через взвесь воздушный поток. Воздух насыщает воду кислородом, активизирует процессы окисления и разложения загрязнителей, способствует постоянному перемешиванию раствора. Если вместо воздуха аэрацию проводить кислородом, эффективность биологической очистки воды возрастает в разы, а такие установки носят название окситенки.

Бескислородная биологическая очистка сточных вод анаэробными микроорганизмами чаще всего проходит в метантенках. Главной особенностью процесса является отсутствие необходимости осуществлять аэрацию. А в качестве побочного продукта в результате химических процессов окисления и питания анаэробных организмов образуется биогаз. В резервуар метатенка подается концентрированный осадок из отстойников. Там он подвергается брожению. Для ускорения процесса используют повышение температуры до 35°С при мезофильном брожении, и до 55°С при термофильном. Процесс бескислородной очистки вод достаточно сложный, проходит в несколько этапов и заканчивается получением чистой воды и метана — дружественного для экологии топлива.

После механической и биологической очистки воды на выходе формируются разные осадки органических соединений. Это крупные частицы, оседающие на фильтрах, осадок из первичных отстойников, активный ил или биологическая пленка, образующиеся в устройствах аэробной биологической очистки воды. После измельчения такие отходы отправляются в специальный проток перед первичными отстойниками, улавливаются ими и перемещаются в сырой осадок. Суммарное количество осадков находится в пределах 1% объема обрабатываемой воды, из них 50 — 75% составляет активный ил.

Есть методики, использующие активированный уголь для увеличения эффективности биологической очистки вод. Его добавляют в воду на входе в аэротенки в количестве 150 — 250 мг/л или в адсорбер с принудительной аэрацией. Этот способ достаточно перспективен, так как повышает качество очистки воды и позволяет уменьшить габариты очистных установок на 20 — 30%.

Комплексный подход

В современных системах водоподготовки методы очистки используются комплексно, дополняют друг друга для повышения эффективности. Нет ни одного универсального способа избавить воду от всех загрязнений путем проведения одной технологической операции. Мы видим сложные фильтрующие системы в квартирах и домах, состоящие из предварительной фильтрации, установок ионного обмена и обратного осмоса, аэрационных колонок и УФ-стерилизаторов. На предприятиях, где водооборот значительно больше, применяют мощное оборудование, задействующее физические, химические, электрические свойства примесей, биологическую очистку воды в аэробных и анаэробных условиях. Важно правильно подобрать очистительные сооружения под состав загрязнений и реализовать их бесперебойную работу в заданных условиях.

Обзор систем биологической очистки сточных вод

В связи с широким потреблением водных ресурсов человечеством и невозможностью самостоятельного и быстрого очищения стоков в природных условиях возникла необходимость в искусственном очищении. И если избавиться от неорганических компонентов стоков можно с помощью гравитации, то для удаления органических примесей потребуется биологическая очистка сточных вод. О том, что это такое, и какие виды биологической очистки бывают, сегодня и пойдет речь.

Что нужно знать

Что это такое?

Биологическая очистка стоков представляет собой очищение сточных масс за счет расщепления органических соединений колониями определенных микроорганизмов.

Все дело в том, что органические примеси, находящиеся в сточных водах, являются питательной средой для большого количества микроорганизмов, в процессе жизнедеятельности которых разрушаются сложные органические соединения до аминокислот, элементарных белков и обрывков цепочек ДНК. В итоге образовавшийся материал стимулирует усиленное размножение микроорганизмов, вызывая, таким образом, взрывообразное увеличение численности колонии.

Отмершие части колоний микроорганизмов вместе с непереработанной органикой выпадают на дно водоема или резервуара безвредным илом. Одновременно с этим происходит очистка стоков от ядовитых и сложных органических соединений.

Биологические методы очистки сточных вод: сооружения и системы

Аэробная биологическая очистка

Для реализации метода аэробной биологической очистки используются колонии микроорганизмов, которым для поддержания жизнедеятельности необходим доступ к кислороду.

Аэробный реактор (аэратотенк) представляет собой бетонную или металлическую емкость большого объема, на небольшом расстоянии от дна которого располагаются загрузки (в виде сита или «елочек») из полимерных материалов.

Внимание: Загрузки являются основой для аэробных микроорганизмов.

На дне аэробного реактора располагаются аэраторы — трубы, снабженные небольшими отверстиями. Проходящий по ним воздух насыщает канализационные стоки кислородом, создавая оптимальные условия для жизнедеятельности и увеличения колонии микроорганизмов.

Миниатюрные образцы аэротенков получили широкое распространение при создании септиков для загородных домов и дачных участков.

Анаэробная

Биореакторы анаэробного типа (метатенки) представляют собой герметичные металлические или бетонные конструкции, в которых обитают колонии микроорганизмов, не нуждающиеся в кислороде.

Однако жизнедеятельность анаэробных бактерий сопровождается выбросом большого количества метана. В связи с этим метатенки можно устанавливать только на ровной, хорошо продуваемой площади, по периметру которой должны быть установлены газоанализаторы, подключенные к системе пожарной сигнализации.

Как и аэротенки, метатенки широко используются при создании локальных очистных сооружений для частного использования.

Станция биологической очистки сточных вод

В подавляющем большинстве случаев станция биологической очистки стоков представляет собой четырехкамерную конструкцию, ориентированную по поэтапное очищение канализационных вод с помощью активного ила и кислорода. При прохождении всех секций стоки очищаются на 98 процентов, вследствие чего полученная жидкость может быть повторно использована для полива или иных технических нужд.

Несмотря на внушительное количество отсеков, станция отличается компактными размерами и простотой установки. Несмотря на то, что устройство не нуждается в дальнейшей откачке стоков, регулярное техническое обслуживание все же необходимо. Иными словами, необходимо систематически промывать секции при помощи мойки высокого давления и перезапускать агрегат.

На данный момент существует множество компаний, предлагающих приобрести станции биологической очистки стоков. Важно понимать, что подбирать модель необходимо в соответствии с производственной мощностью, предполагаемыми условиями работы и собственными финансовыми возможностями.

Мембранный биореактор

Технология работы мембранного биореактора заключается в комбинировании различных мембранных и биохимических процессов.

Иными словами, мембранный биореактор сочетает в себе процессы микро- и ультрафильтрации и процесс аэробного биологического очищения сточных вод.

Мембраны выполняют роль своеобразного барьера для загрязнений с высокой селективностью, вследствие этого могут быть:

• трубчатыми;
• половолоконными;
• плоскорамными.

В зависимости от поставленных технологических задач мембранный реактор может быть использован как на этапе завершающего очищения (до стадии обеззараживания), так и для предварительного очищения перед процессом нанофильтрации и обратным осмосом при необходимости обессоливания воды.

Биофильтры

Наиболее часто биофильтры используются для обслуживания автономных канализаций дачи или частного дома.

Биофильтр представляет собой компактную емкость с загрузочным материалом внутри. При этом аэробные микроорганизмы находятся в форме активной пленки и выполняют функцию биологической очистки стоков.

Биофильтры делятся на два типа:

• изделия с капельной фильтрацией;
• устройства с двухэтапной фильтрацией.

В первом случае устройства отличаются высоким качеством очистки, однако производительность остается невысокой. В то же время для изделий с двухступенчатой фильтрацией характерно как высокое качество очистки, так и высокая производительность.

Как правило, биофильтры состоят из:

• корпуса фильтрующего устройства;
• изделия для распределения стоков по поверхности фильтра;
• дренажной системы для отвода воды;
• воздухораспределительной системы для обеспечения подачи кислорода.

Устройства с фильтром капельного типа отличаются лишь порционным поступлением стоков. При этом вентиляция и подача кислорода обеспечиваются естественным путем за счет имеющихся в конструкции открытых пространств.

Биологические пруды

В случае с биологическими прудами процессы самоочищения сточных вод осуществляются в открытых искусственных водоемах. Такой способ намного выгоднее других методов очистки. Для обеспечения поступления достаточного количества кислорода глубина искусственного водоема не должна превышать один метр.

Из-за большой площади водоема вода хорошо прогревается, что благоприятно сказывается на жизнедеятельности обитающих там микроорганизмов. Наиболее эффективно процессы очищения протекают в теплое время года, а при снижении температуры до шести градусов тепла окислительные процессы замедляются.

Важно: При минусовых температурах бактерии впадают в спячку, поэтому в холодное время года биологические пруды не используются.

Условно биологические пруды можно разделить на три категории:

• водоемы с разбавлением (сточные воды перемешиваются с речной водой);
• многоступенчатые водоемы без разбавления (стоки попадают в пруд только после предварительного отстаивания, нередко используется каскадный метод расположения водоемов);
• водоемы для доочистки стоков.

В то время как в первом случае процесс очищения занимает около 14 дней, на очистку стоков в многоступенчатых водоемах уйдет почти месяц.

Схема

Так как биологический реактор является лишь одной из ступеней в сложной системе очищения стоков, схема биологической очистки выглядит следующим образом:

• канализационные воды поступают в первичную камеру (отстойник), где наиболее крупные включения выпадают в осадок;
• затем частично осветленные стоки переливаются во вторую камеру, где насыщаются кислородом и подвергаются расщеплению крупных органических включений колониями микроорганизмов;
• насыщенные кислородом сточные воды попадают в камеру биореактора, где происходит процесс разложения органической составляющей; последняя камеры служит для завершающей гравитационной очистки.

Внимание: Как правило, на дне имеется известковая засыпка, эффективно соединяющая химически активные элементы. При этом на выходе из сооружения может располагаться дополнительный биологический фильтра, увеличивающий степень очищения до 99 процентов.

Отзывы: преимущества и недостатки

Как показывает практика, основными преимуществами биологической очистки стоков являются:

• невысокая стоимость (стоимость очистки одной единицы стоков существенно ниже очищения стоков механическим или химическим методом);
• надежность;
• отсутствие необходимости в регулярном закупе расходных материалов (теоретически микроорганизмы не нуждаются в замене, так как являются самовоспроизводимыми живыми существами, но на практике заменять колонии надо, но не чаще одного раза в пять-шесть лет);
• экологичность;
• высокая степень очищения сточных вод (до 99 процентов).

Доочистка

После биологического очищения сточные воды могут быть направлены сразу в грунт или повторно использованы для полива растений. В некоторых случаях допускается выпуск очищенных стоков в водоемы, однако в большинстве случаев содержащиеся в сточных водах, очищенных биологическим методом, остаточные органические соединения, биогенные элементы, ПАВ и бактериальные загрязнения оказывают негативное влияние на водоемы. В связи с этим производственным сточным водам требуется доочистка, предусматривающая:

• уменьшение объема взвешенных веществ;
• снижения величин ХПК, БПК и содержания ПАВ, азота и фосфора;
• обеззараживание;
• насыщение стоков кислородом при их спуске в водоемы рыбохозяйственного назначения.

Выбор устройства доочистки зависит как от местных условий, так и от требований качества очищенных стоков. В каждой конкретной ситуации потребуется частичная реконструкция сооружения глубокой очистки.

Таким образом, использование метода биологического очищения сточных вод не только выгодно, но и наиболее эффективно по сравнению с рядом других способов очистки.