Установки биологической очистки сточных вод РОСА, очистка бытовых сточных вод

О, не будьте к природе жестоки -очищайте поганые стоки!
(Козьма Прутков)

Комфортную жизнь в загородном доме трудно себе представить без таких привычных уже удобств, как ванная, туалет, кухня. Но при отсутствии централизованной или хотя бы местной канализации сточные воды сразу образуют проблему. И очень большую. Буквально, хоть убегай из дома.

Решить головоломную проблему очистки сточных вод из коттеджей, стоящих отдельно или в лишенном канализации поселке, можно, установив индивидуальное очистное сооружение (ИОС). Многие застройщики (и даже риэлторы, предлагающие готовые дома!) думают, что оно представляет собой только септик (накопитель, отстойник). Это довольно распространенное, но совершенно ошибочное мнение. Причины его возникновения кроются, скорее всего, в нежелании вникать чуть глубже в то, что, пусть относительно, связано с выгребной ямой или детским горшком. Проблема, действительно, непростая, но в ее решении у человека есть добровольные помощники. Дело в том, что очистка стоков всегда осуществляется с участием микроорганизмов, хотя и проходит несколько стадий (ну не могут бактерии съесть все и сразу!). Принципиальных путей организации этого процесса два:
1. Почвенная фильтрация, то есть упование на живущие в грунте бактерии.
2. Использование специальных устройств заводского изготовления, где микроорганизмы поселяются на созданных для них загрузках.

Компания "Поллен ТМ" производит установки очистки сточных вод "Роса" из химически стойкого материала - полипропилена (химическая агрессивность сточных вод приравнивается к морской воде). Методом очистки бытовых сточных вод в установках "Роса" является биологическая очистка. (посмотреть прайс-лист)

Способность микроорганизмов использовать некоторые загрязняющие вещества как источник питания используется в биологической очистке сточных вод. Загрязняющие вещества могут быть частично окислены до т.н. конечных продуктов (СО2, Н2О) или трансформированы в новые микроорганизмы, которые могут быть удалены при дальнейшей очистке сточных вод. Понятие биологической очистки охватывает очень широкий диапазон методов.

На первых порах очистка бытовых сточных вод была рассчитана только на удаление органических соединений. Наличие неокисленных органических загрязнений может быть не только источником неприятных запахов, но также резко изменить кислородный баланс в водоеме, в который сбрасывается сточная вода. Следствием этого может быть гибель флоры и фауны водоема.

Позже, больше внимания стало уделяться процессу нитрификации, в результате которого происходит снижение содержания в очищаемой воде азота аммонийного. Аммонийный азот является не только ядом для разнообразной фауны рек, морей и океанов, но и биогенным элементов, который может вызвать интенсивную эвтрофикацию водоема. Кроме того, автотрофные микроорганизмы, окисляя азот аммонийный, понижают концентрацию растворенного кислорода в водоемах.

Более строгие требования, установленные для качества очищенных сточных вод, стимулировали изучение и широкое применение процессов денитрификации и физико-химического/биологического удаления фосфора.

Биологическая очистка может происходить как в присутствии растворенного кислорода, так и в его отсутствии. В связи с этим процессы соответственно разделяются на аэробные и анаэробные. Для очистки хоз-бытовых сточных вод в основном применяются аэробные процессы. Анаэробная обработка используется для очистки сильнозагрязненных (промышленных) сточных вод, а также анаэробной обработки осадка (сбраживания). Ниже рассмотрены наиболее широко применяемые биологические процессы очистки сточных вод: биофильты и системы с активным илом.

Основные биологические процессы

Детальное описание наиболее важных биологических процессов приведено в следующих разделах:
- аэробная деструкция органических соединений;
- анаэробная деструкция органических соединений;
- удаление азота;
- удаление фосфора.

Деструкция органических соединений в аэробных условиях

Большинство микроорганизмов в процессе жизнедеятельности деструктируют органические загрязнения при одновременном потреблении кислорода. т.о. постоянно восполняя запас энергии и получая "строительный материал" для производства новых микроорганизмов.

Процесс идет до образования безвредных конечных продуктов (СО2, Н2О), при одновременном образовании новых микроорганизмов (рис.1 ). После отделения от воды, часть микроорганизмов образуют т.н. "избыточный активный ил", который должен быть определенным образом обработан. В случае эксплуатации "простых" сооружений (аэротенки, биофильтры) эффективность удаления биогенных элементов определяется соотношением БПК/N/З – 100/5/1 (100/4,5/0,8).

Рис. 1. Аэробная деструкция органических соединений.

Деструкция органических соединений в анаэробных условиях

Деструкция органических соединений может происходить в отсутствии и кислорода, и нитратов. Этот процесс называется анаэробной деструкцией и применяется для обработки осадков и очистки промышленных сточных вод с высоким содержанием органических соединений.

В этом случае используется способность определенных микроорганизмов разлагать в анаэробных условиях некоторые типа органических соединений дом метана, который обладает большой теплотворной способностью. Образовавшийся метан можно использовать для производственных и бытовых целей. что существенно снижает эксплуатационные затраты.

Процесс анаэробного сбраживания осуществляется различными видами микроорганизмов. Т.к. количество энергии, которое могут получить микроорганизмы при сбраживании весьма ограничено, то для эффективного применения этого процесса требуется наличие определенных условий, как-то: постоянно высокая температура, постоянная нагрузка по органическим загрязнениям и высокий возраст ила. В практике очистки промышленных сточных вод высокий возраст ила получают фильтрацией иловой смеси на грубой загрузке, с последующим возвратом биомассы в метантенк.

Процесс анаэробной деструкции может быть условно разделен на три стадии (рис. ). Первая стадия – ферментативный гидролиз. Это процесс протекает вне бактериальной клетки. Последующие стадии – образование жирных кислот и метана – процессы, происходящие внутри бактериальной клетки. Наиболее уязвимая стадия в этом трехступенном процессе – образование метана. Если газ не образуется, это означает, что имеет место накопление органических кислот, что в свою очередь снижает рН, ингибируя формирование метана.

В подобной ситуации процесс может быть восстановлен после добавления в метантенк извести (рис.2 )

Рис.2. Механизм анаэробной деструкции органических соединений.

Удаление соединений азота

В неочищенных сточных вода, основная масса азота (60-70%) находится в виде азота аммонийного. Если происходит попадание в канализационную систему сточных вод от сельхозугодий, то в воде может содержаться небольшое количество нитратов. Основные виды азотсодержащих соединений и процессы их трансформации приведены на рис.3.

Первый процесс – образование иона аммония из органических соединений. Этот процесс называется аммонификацией и осуществляется ферментами, продуцируемыми микроорганизмами. Азот используется для роста микроорганизмов, и таким образом часть неорганического азота переходит во вновь образующиеся бактериальные клетки.

При большом возрасте ила и достаточно высокой температуре, происходит устойчивое накопление нитрифицирующих бактерий, и аммонийный азот окисляется сначала до нитритного, а затем – нитратного. Процесс называется нитрификацией и осуществляется только при наличии растворенного кислорода.

Рис.3. Трансформация азотсодержащих соединений.

Образовавшийся азот нитратный может использоваться для окисления органических соединений, восстанавливаясь до свободного азот (N₂), который отдувается при аэрировании в атмосферу. Этот процесс многостадийный. Азот нитратный сначала восстанавливается в азот нитритный (NO₂), затем в закись азота (N₂O) и, наконец, в молекулярный азот. Процесс этот называется денитрификацией и протекает в отсутствии кислорода, но при наличии органических соединений.

Нитрификация

Преобразование аммонийного азота в сточных водах – процесс, протекающий с потреблением кислорода. Процесс осуществляется весьма ограниченным количеством видов микроорганизмов и идет в две стадии. Большинство бактерий-нитрификаторов – облигатные аэробные микроорганизмы, автотрофы, что означает, что они нуждаются в кислороде, т.к. получают энергию за счет окислительно-восстановительных реакций. Данные микроорганизмы используют неорганический углерод, как единственный источник углерода. Активный ил содержит только 1-2% нитрифицирующих бактерий.

В общем виде уравнение окисления аммонийного азота имеет следующий вид: NH⁺₄+2O₂^->NO3-+H₂O+H⁺

Преобразование аммонийного азота в нитритный осуществляется бактериями вида Nitrosomonas, а нитритного в нитратный – Nitrobacter. В отличие от деструкции органических соединений, продукты нитрификации не безопасны. Нитраты – биогенный элемент, который может стимулировать процесс эвтрификации (зарастания) водоема, а также снижение рН.

Для окисления одной молекулы азота аммонийного требуется две молекулы кислорода (4 атома). Т.е. теоретически для окисления 1 грамма азота аммонийного до азота нитратного требуется 4,6 грамма кислорода.

В процессе нитрификации образуется кислота (Н⁺). В количестве 2 эквивалента на 14 г азота – или приблизительно 0,14 эквивалента/г N. При низкой щелочности воды в водоеме-приемнике сточных вод, нитрификация может вызвать значительное снижение рН. Уменьшение рН приводит к ингибированию процесса нитрификации, лучшие результаты имеют место при рН 7-9 (оптимум рН 8). Для поддержания рН в оптимальной области возможно добавление извести.

Энергетический коэффициент при нитрификации невелик, что в свою очередь обуславливает низкие удельные скорости роста автотрофных микроорганизмов. Поэтому для осуществления устойчивого процесса нитрификации необходимо поддерживать постоянно высокий возраст ила. Упомянутый возраст или определяется отношением общей массы ила в системе к скорости его удаления из системы, однако, при расчете нитрификации необходимо учитывать только массу ила, находящегося в аэробных условиях.

Удельная скорость роста нитрификаторов, как и другие биологические процесс, чрезвычайно чувствительная к температурному режиму, что и отражено на рис.6. Содержание растворенного кислорода в аэротенке также влияет на скорость нитрификации, что можно выразить уравнением скорости реакции основанной на концентрации растворенного кислорода:

Скорость реакции = макс. скорость х (конц.О₂)/(Кs+О₂)

Поскольку Ks для процесса нитрификации – приблизительно 0,5 мг/л, увеличение концентрации растворенного кислорода больше чем 1,5-2 мг/л технологического эффекта не дает, но увеличивает эксплуатационные расходы.

Денитрификация

Полученный в результате нитрификации азот нитратный может быть преобразован в свободный азот (газ), который отдувается при аэрировании в атмосферу.

Данный процесс аналогичен аэробной деструкции органических соединений, только кислород заменен нитратом. Большинство аэробных бактерий способно осуществлять оба процесса.

Сточные воды содержат различные виды микроорганизмов, способных к осуществлению процесса денитрификации. Денитрифицирующие бактерии – гетеротрофные организмы, которые в качестве источника углеродного питания способны использовать широкий спектр органических соединений. Однако, процесс денитрификации осуществляется только когда растворенный кислород отсутствует или его концентрация невелика. Выход энергии при использовании нитратов в качестве окислителя несколько меньше, чем при использовании кислорода, поэтому использование кислорода для микроорганизмов предпочтительнее.

В процессе денитрификации рН среды несколько увеличивается. Количество образовавшейся при этом щелочи нейтрализует ½ количества кислоты, образовавшейся при нитрификации.

Рост денитрифицирующих также зависит от температуры. кроме того, колоссальное значение имеет состав органических соединений. Для оценки возможной эффективности денитрификации в конкретном сооружении. необходимо знать скорость этого процесса. При использовании более легко окисляемых соединений, скорость процесса возрастает.

Замечено, что скорость денитрификации при использовании метанола и ацетата в качестве источников углерода выше, чем при использовании в этой же цели органических соединений поступающей сточной воды, и значительно выше, чем при использовании углерода, находящегося внутри бактериальной клетки (эндогенное дыхание). В последнем случае скорость денитрификации лимитируется скоростью гидролиза клетки.

Для того, чтобы процесс денитрификации проходил удовлетворительно в сточных водах должно присутствовать достаточное количество органических соединений. Если для денитрификации используется неочищенная сточная вода, отношение БПК/Общ. азоту на входе должно быть минимум 3,5-4. В этом случае могут быть получены низкие концентрации общего азота на выходе.

Предварительная обработка сточных вод перед биологической очисткой бытовых сточных вод, например первичное отстаивание и пр. уменьшает отношение БПК/Общ. азот за счет удаления части органических соединений при этих процессах. Данная ситуация может потребовать ввода дополнительного источника органического углерода в сточную воду. В значительной степени выбор источника углерода зависит от его цены и скорости денитрификации при использоании этого вещества. Влияние на выбор источника углерода также оказывает конструкция очистных сооружений и возможность управления процессом. Подача промышленных сточных вод с достаточным содержанием легко окисляемых органических соединений может являться приемлемым вариантом решения данной проблемы.

Удаление фосфора

Фосфор в сточных водах может находиться в следующих видах: в составе органических соединений ("органический" фосфор), полифосфатов или ортофосфатов. При биологической очистке первые два вида будут трансформированы в ортофосфаты. Фосфор необходимо удалять из сточных вод во избежание эвтрофикации водоемов. В отличие от азота, фосфор может быть удален из сточных вод только вместе с активным илом. Поэтому вопрос дефосфатации – это вопрос трансформации фосфорсодержащих соединений внутрь бактериальной клетки, с последующим выводом избыточной биомассы из системы, или, при использовании реагентов, - создание (с последующим выводом из ситемы) нерастворимых фосфоросодержащих соединений.

Небольшая часть ортофосфатов может быть поглощена микроорганизмами при их росте. Обычно, содержание фосфора в избыточном или – 1-1,5 %, что соответствует 20-35 % удалению фосфора из обычной хоз-бытовой сточной воды.

В случае необходимости удаления большего количества фосфора, возможно применение химических реагентов, что может быть совмещено с биологическим удалением фосфора. Эффективность биологического удаления фосфора может быт увеличена добавлением анаэробной стадии к процессу биологической очистки. Наличие анаэробной стадии приводит к увеличению содержания фосфороаккумулирующих бактерий, благодаря которым концентрация фосфора в избыточном иле может быть увеличена до 3-5 %, что соответствует 60-90 % изъятию данного вещества (в зависимости от отношения БПК/Р в исходной сточной воде).

В процессе биологического удаления фосфора используется способность некоторых бактерий создавать богатые энергией фосфорсодержащие соединения. Для накопления в активном иле фосфороаккумулирующих бактерий, или Био-Р бактерий, необходимо наличие анаэробных зон, в которых эти бактерии имеют преимущества перед другими видами микроорганизмов из-за их способности абсорбировать органические соединения, используя энергию Р-содержащих соединений (рис.9).

Очистные сооружения проектируются таким образом, что неочищенные сточные воды смешивались с активным илом при анаэробных условиях (в отсутствии нитратов и кислорода). В этом случае, био-Р бактерии являются чуть ли не единственным видом микроорганизмов, способным к изъятию органичеких соединений в данных условиях. Изъятие органических соединений требует затрат энергии, которую бактерии получают, за счет распада (и выброса за пределы клетки) накопленных фосфорсодержащих соединений. Изъятие органических соединений в анаэробной стадии протекает одновременно с выбросом фосфатов.

Когда био-Р бактерии последовательно проходят аноксичную и аэробную зоны биологической очистки, био-Р бактерии разлагают абсорбированные и адсорбированные органические соединения, одновременно с этим протекает процесс изъятия фосфатов. Изъятие фосфора обуславливает восстановление богатых энергией фосфорсодержащих соединений. В обычных условиях био-Р бактерии не способны успешно конкурировать с другими микроорганизмами, но наличие анаэробной стадии процесса позволяют им абсорбировать необходимые для последующего изъятия фосфатов органические соединения. Т.о. создаются приемлемые условия для существования необходимого количества био-Р бактерий в массе активного ила.

Количество фосфора, который может быть биологически удален, зависит от состава сточных вод, особенно от отношения БПК/Р.

Для хоз-бытовых сточных вод с отношением БПК/Р<25 необходимо дополнительное применение реагентов с целью достижения концентрации фосфора в очищенной воде, соответстующей нормативам.

Биологическое удаление фосфора уменьшает или полностью заменяет применение реагентов, одновременно уменьшая количество образующегося осадка, что делает данный метод весьма перспективным.

Для очистных сооружений с биологическим удалением фосфора необходимо, чтобы избыточный ил обрабатывался только в аэробных условиях и, по возможности, быстро обезвоживался. В противном случае возможно обратное выделение фосфатов и их возврат на очистные сооружения.