БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА
Описание
БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА сточных вод — способ освобождения жидкой фазы сточных вод от органических веществ, основанный на использовании окислительновосстановительных процессов, протекающих при участии микроорганизмов.
В результате Биологической очистки углеводы и жиры, содержащиеся в сточных водах, распадаются под влиянием микроорганизмов и их ферментов на воду и углекислоту. Белковые молекулы расщепляются через альбумозы и пептоны до аминокислот. Часть аминокислот используется как пластический и энергетический материал размножающимися микроорганизмами, а другая часть подвергается дезаминированию (см.) с образованием аммиака и кислот жирного и ароматического ряда. В аэробных условиях органические к-ты окисляются до углекислоты и воды, а аммиак связывается углекислотой, образуя углекислый аммоний.
Азотсодержащие органические вещества попадают в сточные воды в виде продуктов обмена, в частности в виде мочевины, к-рая под влиянием уробактерий гидролизуется с образованием углекислого аммония. В дальнейшем углекислый аммоний подвергается биохимическому окислению при помощи аэробных бактерий из рода Nitrosomonas и Nitrobacter, впервые выделенных в 1890 г. русским ученым С. Н. Виноградским.
Этот процесс, получивший название нитрификации, проходит в две фазы. В первой фазе биохимического окисления аммонийные соли превращаются в азотистые соединения (см. Нитраты) бактериями рода Nitrobacter. Ход реакции по С. Н. Строганову:
(NH4)2CO3 + 3O2 ⇆ 2HNO2 + CO2 + 3H2O + 148 кал.
2HNO2 + O2 ⇆ 2HNO3 + 44 кал.
Азотная к-та в виде минеральных солей (нитратов) является конечным продуктом окисления белковых веществ и продуктов их обмена в животном организме. Поэтому по количеству нитратов судят об эффективности биологической очистки. В процессе нитрификации выделяется тепло, которое используется при эксплуатации сооружений биологической очистки сточных вод в зимний период, и накапливается запас кислорода, который может быть использован для биохимического окисления органических безазотистых веществ, когда полностью уже израсходован весь свободный (растворенный) кислород. Под действием денитрифицирующих бактерий, открытых русским ученым В. Л. Омелянским, кислород отщепляется от нитритов и нитратов и вторично используется для окисления органического вещества. Процесс этот называется денитрификацией, под к-рой понимают восстановление бактериями солей азотной к-ты (нитратов) независимо от того, образуются ли при этом соли азотистой к-ты (нитриты), низшие окислы азота, аммиак или свободный азот. При этом в щелочной среде и при широком доступе воздуха восстановительный процесс не идет дальше образования солей азотистой к-ты; а в кислой среде и при затрудненном притоке кислорода восстановление идет до аммиака.
Денитрификацией в более узком значении слова называют разложение азотно- или азотистокислых солей с выделением свободного азота. Не имея свободного кислорода или располагая им в ограниченном количестве, денитрифицирующие бактерии берут его у солей азотной и азотистой кислот и одновременно окисляют безазотные органические соединения, черпая в этом окислительном процессе нужную им энергию. Этот сложный одновременно восстановительный и окислительный процесс может быть (по В. Л. Омелянскому) представлен в виде уравнения (где С — органический углерод):
5C + 4ΚΝO3 = 2K2CO3 + 3CO2 + 2Ν2.
Следовательно, при Б. о. сточных вод одновременно с окислительными протекают и восстановительные процессы денитрификации, при которых микробы потребляют кислород образовавшихся азотных соединений. Этот процесс является важным в начальной стадии очистки сточных вод на всех видах очистных сооружений и особенно для обезвреживания органических веществ, попавших со сточными водами в более глубокие слои почвы. По мере накопления продуктов окисления и насыщения сточной воды свободным кислородом восстановительные процессы замедляются.
Основная задача Б. о.— максимально освободить сточные воды от органических веществ, достигнуть высокого уровня относительной стойкости (стабильности) сточной жидкости, при к-рой значительно ослабляется или вовсе теряется ее способность к загниванию. Относительная стойкость, или стабильность, сточных вод выражается в процентах и составляет отношение количества кислорода, содержащегося в сточной воде в растворенном и связанном с нитритами и нитратами состоянии, к количеству его, необходимому для биохимического окисления всех органических веществ. Величина стойкости определяет сроки загнивания жидкости. Так, при стойкости 50% и t° 20° загнивание начинается на третий день, при стойкости 80% — на седьмой день, при стойкости 99% — на двадцатый день, при стойкости 100% вода не загнивает. При температуре меньше 20° стойкость увеличивается. Стойкость сырой сточной воды обычно меньше 11%, а после полной Б. о. она должна повыситься не менее чем до 99%. В отдельных случаях в зависимости от санитарных, гидрологических, климатических и других условий допускается выпуск сточных вод в водоем с относительной стойкостью 80%.
Для защиты водоемов от загрязнения условия спуска сточных вод должны рассматриваться конкретно по каждому водоему. Определить условия выпуска сточных вод в водоем — это значит рассчитать, какая концентрация загрязнений допускается в определенном количестве спускаемых сточных вод в известный водоем, чтобы не вызвать загрязнения водоема или не нарушить требований, предъявляемых к качеству воды водоема «Правилами охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами» (см. Санитарная охрана водоемов).
Скорость, полнота распада и минерализация органических веществ при Б. о. зависят от ряда условий: массы микроорганизмов, участвующих в Б. о., степени обеспечения их кислородом воздуха, качества и количества органических веществ, поступающих со сточной жидкостью, температуры сточных вод, а также pH среды, присутствия хим. веществ и др. Б. о. сточных вод наиболее успешно происходит при благоприятных условиях (pH сточных вод В пределах 6,5—8,5, температура не ниже 6 и не выше 30°, общая концентрация растворенных солей не более 10 г/л, концентрация хим. веществ в пределах величин, не влияющих на процессы самоочищения) и наличии минимального содержания биогенных элементов (азота аммонийных солей не менее 15 мг/л и фосфатов не менее 3 мг/л). Задача технической организации этого процесса сводится к созданию таких условий, при которых органические вещества сточных вод будут приведены в соприкосновение с аэробными микроорганизмами и кислородом воздуха, а их распад будет идти с возможно большей полнотой и скоростью. Для этой цели служат сооружения Б. о. сточных вод, которые подразделяются на два основных типа: 1) сооружения, в которых Б. о. происходит в условиях, близких к естественным, и 2) сооружения, в которых очистка происходит в искусственно созданных условиях. К первому типу сооружений относятся поля фильтрации (см.), площадки подземной фильтрации, фильтрующие траншеи с естественным слоем грунта, фильтрующие колодцы и биологические пруды. Ко второму типу сооружений относятся аэротенки, биофильтры, песчаногравийные фильтры, фильтрующие траншеи с насыпным слоем грунта и установки на полное окисление сточных вод (циркуляционные окислительные каналы, окислительные блоки, компактные установки, аэротенки с продленной аэрацией в др.).
Биологические (окислительные) пруды представляют искусственно созданные водоемы, в которых Б. о. протекает в условиях, наиболее близких к естественному ходу самоочищения водоемов. Различают аэробные и анаэробные биологические пруды, размер которых обычно не более 1 га, глубина аэробных прудов не более 1 м, а анаэробных прудов — не менее 2,5 м. Применяются следующие типы аэробных биологических прудов.
Проточные пруды с разбавлением сточной жидкости. Осветленная в отстойниках сточная жидкость разбавляется в 3—5 раз речной водой. Время пребывания очищенной сточной жидкости в пруде составляет 8—12 дней, нагрузка сточной жидкости составляет от 125 до 300 м3/га в сутки.
Недостатком таких прудов является необходимость строить первичные отстойники и сооружать плотину для устройства пруда-резервуара чистой воды.
Проточные пруды без разбавления сточной жидкости впервые были установлены по инициативе С. Н. Строганова на московских полях фильтрации.
Сточная жидкость после предварительного отстаивания проходит серию (4—5) последовательно сообщающихся прудов в течение 30 сут. В первом пруду преобладают микроорганизмы полисапробной зоны, во втором и третьем — альфа-мезосапробной, а в четвертом — β-мезосаиробной зоны. Биологические пруды до начала рабочего цикла должны биологически «созреть» (в течение месяца в летний период). Нагрузка по БПК (см.) на первый пруд (при трех и более прудах) принимается равной 250—300 кг/га в сутки; средняя нагрузка по БПК в зависимости от температуры воды — 50—75 кг/га в сутки.
Контактные пруды. Сточная жидкость подается в серию параллельно расположенных непроточных резервуаров. В стоячей воде процессы происходят ускоренно.
Для средней полосы время контакта варьирует в пределах 8—10 дней, для южных районов — 5 дней. Производительность контактных прудов в 1/2—2 раза больше, чем проточных.
С 1950 г. в Минске ведутся наблюдения над непроточными биологическими прудами, в которых самоочищение сточной жидкости связано с массовым развитием в них наиболее распространенного вида водорослей Chlorella.
В результате фотосинтеза водоросли, усваивая углерод из углекислоты, насыщают и перенасыщают воду кислородом. Значение поступления в воду кислорода в результате реаэрации в этих условиях имеет меньшее значение. В таких прудах развиваются интенсивные окислительные процессы, и через 8 дней наступает практически полная минерализация органических веществ сточных вод и гибель патогенной микрофлоры.
В тех случаях, когда требуется высокий эффект очистки сточных вод перед выпуском их в водоемы, предварительно очищенные сточные воды на сооружениях искусственной биологической очистки подвергаются доочистке в биологических прудах.
Расчетное время пребывания обычно принимается равным 3—5 сут. Нагрузка на пруды принимается с учетом их аэрации, к-рая составляет 6—8 г кислорода на 1 м2 пруда. Этого достаточно для того, чтобы обеспечить доочистку 4000—5000 м3/га сточных вод в сутки.
Основную роль окислителей и минерализаторов органического вещества сточных вод в аэробных прудах выполняет планктон, состоящий из бактерий, водорослей и простейших организмов. Так, количество коловраток в 1 л воды составляет несколько десятков тысяч, а водорослей Chlorella — млрд. в 1 л. Сан. эффект очистки сточных вод в аэробных прудах очень высокий. Сточная жидкость освобождается полностью от яиц гельминтов, кишечная палочка отмирает на 95,9—99,9%, возбудители кишечных инфекций почти полностью погибают, величина БПК снижается до 98%, относительная стабильность повышается до 99%. Однако энергичные окислительные процессы идут в прудах только летом, при температуре воды 8—10° они замедляются вдвое, а при t° 6° практически замирают. Поэтому биологические пруды как самостоятельные очистные сооружения допускается применять в районах со среднегодовой температурой более 10° и для сезонной работы в средней полосе с мая по октябрь. Для доочистки сточных вод они могут использоваться во всех климатических районах, за исключением Крайнего Севера, где допускается их применение только в летнее время.
Анаэробные пруды представляют собой глубокие септические резервуары, в которые поступает сточная жидкость без первичного отстаивания. Разложение органического вещества в них осуществляется анаэробными микроорганизмами (см. Анаэробы), вызывающими метановое брожение при величине pH от 8,5 и выше. Щелочная среда — одно из главных условий процесса анаэробной очистки. Продолжительность пребывания сточной воды в пруду при t° до 12°— 50 сут., выше 12°— 30 сут. Нагрузка по БПК в сутки при температуре до 12°— 350 кг/га, выше 12°— 600 кг/га. Снижение БПК сточной воды за период пребывания ее в анаэробных прудах рекомендуется принимать за 50%. Такие пруды имеют ряд дефектов по сравнению с аэробными: более низкий эффект очистки от органических веществ, загрязнение атмосферного воздуха дурно пахнущими газами гнилостного брожения, опасность загрязнения грунтовых вод патогенными микроорганизмами.
Аэротенки — проточные резервуары (рис. 1) с искусственной аэрацией предварительно осветленных в отстойнике сточных вод в присутствии активного ила. Аэрирование жидкости достигается различными аэраторами: пневматическими, механическими и смешанными. Активный ил представляет собой биоценоз микроорганизмов-минерализаторов в виде хлопьев, способных сорбировать на своей поверхности и окислять в присутствии кислорода воздуха органические вещества сточной жидкости. Наиболее полные исследования по выяснению роли и взаимодействия основных факторов, определяющих ход окислительных процессов в аэротенках, выполнены советскими учеными G. Н. Строгановым, К. Н. Корольковым, Н. А. Базякиной. Ими предложены методы расчета аэротенков, которые используют в отечественной практике.
Аэротенки проектируются глубиной от 3 до 6 м, шириной около 8 м и длиной несколько десятков метров. Для компактности взамен прямого длинного коридора создаются параллельные отрезки с преградами, не доходящими до противоположной короткой стены, и вода проходит нужный путь, делая несколько поворотов (рис. 2). Аэрация не только насыщает воду кислородом, но и не дает осесть хлопьям активного ила, приводя всю массу воды в соприкосновение с ними.
Б. о. сточной воды в аэротенке идет в 4 фазы. I фаза — биосорбция органических веществ хлопьями активного ила. II фаза — биохимическое окисление легко окисляемых углеродсодержащих органических веществ сточных вод до углекислого газа и воды. В этой же фазе выделяется энергия, используемая микроорганизмами для синтеза клеточного вещества активного ила. III фаза — синтез клеточного вещества активного ила из оставшихся органических веществ сточных вод за счет освободившейся во второй фазе энергии.
Синтез клеточного вещества сопровождается увеличением содержания клеточного азота. IV фаза — окисление клеточного вещества активного ила. Затем наступает нитрификация аммонийных солей, освободившихся из окисляемого активного ила. Образовавшиеся при этом нитриты частично подвергаются денитрификации с вовлечением продуктов денитрификации для синтеза нового клеточного вещества или с выделением свободного азота в атмосферу.
Знание фаз очистки позволило предложить ряд разновидностей аэротенков, в которых преобладает одна из перечисленных фаз. Так, использование только первой фазы очистки привело к созданию аэротенков на неполную очистку и аэротенков с контактно-стабилизационным процессом.
Использование первых трех фаз привело к созданию различных конструкций аэротенков на полную очистку. Наконец, использование всех четырех фаз привело к созданию установок с полным окислением сточных вод. Схему работы аэротенка на полную Б. о. можно представить так. Осветленные сточные воды поступают в длинный бетонный резервуар, заполненный смесью сточных вод и активного ила, и, перемещаясь, аэрируются в течение 5 — 7 часов. После окончания процессов биохимического окисления органических веществ смесь активного ила и сточных вод вытесняется новыми порциями сточных вод и поступает во вторичные отстойники для отделения активного ила. Осветленная в отстойниках вода после обеззараживания обычно сбрасывается в водоем, а активный ил направляется снова в аэротенк. В результате такой рециркуляции, а также размножения аэробных микроорганизмов масса активного ила все время возрастает, и поэтому избыток активного ила приходится удалять на иловые площадки или в метантенки для обеззараживания.
Иногда по пути между вторичным отстойником и аэротенком ставят еще одно сооружение, называемое регенератором. Регенератор — это аэротенк, через который проходит только активный ил, интенсивно продуваемый воздухом. Назначение регенератора заключается в доокислении органических веществ, адсорбированных активным илом, и восстановлении способности к участию в процессе очистки. Это особенно важно в тех случаях, когда аэротенки работают на неполную очистку.
Эффект Б. о. сточных вод в аэротенках, работающих на неполную очистку, составляет 50% по БПК, а на полную очистку конечная БПК очищенной сточной жидкости должна составлять не более 15 мг/л. Максимальные технические возможности современных аэротенков на полное окисление таковы, что можно получить очищенную сточную жидкость с БПК 4—6 мг/л. В процессе Б. о. в аэротенках сточная жидкость освобождается на 95—99% от возбудителей кишечных инфекций, энтеро-вирусов, яиц гельминтов. Однако даже при высоком (до 99%) эффекте очистки абсолютное количество санитарно-показательных и патогенных микроорганизмов может достигать нескольких тысяч в 1 мл. Поэтому сточные воды, очищенные в аэротенках, всегда опасны в эпидемиологическом отношении и требуют обеззараживания перед выпуском в водоем, а активный ил, сорбировавший на себе патогенную микрофлору,— обеззараживания на иловых площадках или в метантенках.
См. также Сточные воды.
Библиография:
Гончарук Е. И. Сооружения подземной фильтрации бытовых сточных вод, Киев, 1967, библиогр.;
Доливо-Добровольский Л. Б., Кульский Л. А. и Накорчевская В. Ф. Химия и микробиология воды (основы химической и биологической очистки воды), Киев, 1971; Лапшин М. И. и Строганов С. Н. Химия и микробиология питьевых и сточных вод, М., 1938; Очистка сточных вод в биологических прудах, под ред. П. В. Остапени, Минск, 1961; Строганов С. Н. и Корольков К. Н. Биологическая очистка сточных вод, М.— Л., 1934, библиогр.; Черкинский С. Н. Санитарные условия спуска сточных вод в водоемы, М., 1971; Eckenfelder W. W. а. О’Connor D. J. Biological waste treatment, N. Y., 1961, bibliogr.; McKinney R. E. Biokatalysts and waste disposal, Sewage a. industr. wastes, v. 25, p. 1064, 1268, 1953; Sawyer C. N. Bacterial nutrition and synthesis, в кн.: Biol, treatment sewage a. industr. wastes, ed. by B. J. Me Cabe a. W. W. Eckenfelder, v. 1, p. 3, N. Y., 1956; Simpson J. R. Biochemical reduction of waste, Process Biochem., v. 5, p. 47, 1970.
E. И. Гончарук.