Биологические методы очистки сточных вод

Биологические методы применяют для очистки сточных вод от многих растворённых и взвешенных органических соединений и ряда неорганических веществ – сероводорода, сульфитов, сульфидов, аммиака, нитритов и др.

В основе биологической очистки лежит способность и потребность микроорганизмов использовать содержащиеся в сточных водах органические и минеральные соединения в качестве питательных веществ и источника энергии для своего развития и жизнедеятельности. При этом сложные органические вещества разрушаются до простых неорганических – CO₂ и H₂O, нитратов, сульфатов, карбонатов и т.п. или участвуют в синтезе биомассы.

Процессы разрушения веществ протекают внутри клеток микроорганизмов, где происходит непрерывный и очень сложный процесс химических превращений, представляющий строгую последовательность окислительно-восстановительных реакций с участием ферментов в качестве катализаторов (метаболизм).

Микроорганизмы способны окислять многие органические вещества, но с разной скоростью. Скорость биохимических реакций определяется структурой разрушаемого вещества и активностью ферментов, которая зависит от температуры, pH и присутствия в сточной воде других веществ.

К биологически легко окисляемым соединениям относятся алифатические спирты, альдегиды, сложные эфиры, карбоновые кислоты, углеводы и др. Трудно окисляются высшие спирты, жирные кислоты, нитросоединения и др. Некоторые соединения вообще не подвергается биохимическому окислению вследствие токсического действия на микроорганизмы – хлороформ, тетрахлорметан, гетероциклические соединения и др.

Биологические методы очистки сточных вод делятся на аэробные и анаэробные.

Аэробные методы основаны на использовании для окисления органических веществ аэробных микроорганизмов – таких, для жизнедеятельности которых необходимо наличие кислорода и температура 10-40 °С. Анаэробные методы очистки представляют собой процессы расщепления веществ без доступа кислорода в присутствии анаэробных микроорганизмов. Анаэробные методы применяют преимущественно для обезвреживания осадков сточных вод и называют брожением.

Аэробную очистку сточных вод осуществляют сообществами микро-организмов, которые культивируют как во взвешенном состоянии (активный ил), так и в закреплённом (биоплёнка). Активный ил культивируется в аэротенках, биоплёнка – в биофильтрах.

Аэробную биологическую очистку сточных вод можно проводить в естественных условиях (поля фильтрации, земледельческие поля орошения, биологические пруды) и в искусственных сооружениях (аэротенки, биофильтры).

Поля фильтрации и орошения представляют собой специально подготовленные земельные участки, на которые сбрасываются сточные воды, прошедшие предварительную механическую и и(или) физико-химическую очистку. Сточные воды фильтруются через слой почвы, оставляя в нём взвешенные и коллоидные частицы, которые вместе с почвенными микроорганизмами образуют биоплёнку. Образующаяся биоплёнка адсорбирует и поглощает растворённые в сточных водах органические вещества, разрушая их до простых минеральных соединений. Кроме микроорганизмов, в процессах разрушения веществ принимают участие воздух, солнце, корни растений.

Если земельные участки используются только для очистки сточных вод, то их называют полями фильтрации. Если на земельных участках одновременно с очисткой сточных вод происходит выращивание сельскохозяйственных культур (технических и кормовых), то их называют земледельческими полями орошения (ЗПО).

В биологических прудах очистка сточных вод происходит за счёт процессов самоочищения водной среды, а именно в результате комплексного воздействия водных микроорганизмов, водорослей, воздуха, солнца и донных отложений.

Биологические пруды представляют собой искусственно созданные неглубокие водоёмы, в которых создаются самые благоприятные условия для протекания процессов самоочищения: малая глубина, обеспечивающая прогрев и инсоляцию; высокая биомасса водорослей, насыщающих воду кислородом; обилие бактерий и простейших; насыщенность донных отложений червями, личинками насекомых, моллюсками и пр.

В аэротенках очистка сточных вод происходит посредством их смешивания с активным илом в условиях интенсивной аэрации.

Аэротенки представляют собой железобетонные резервуары (бассейны) прямоугольного сечения глубиной от 3 до 6 м, оборудованные устройствами для принудительной аэрации. Как правило, аэротенк разделён на 2 части: собственно аэротенк (75% от общего объёма аэротенка) и регенератор (25%). В собственно аэротенке протекает основной процесс биохимического окисления, в регенераторе осуществляется регенерация активного ила.

Процесс биохимического окисления веществ, протекающий в аэротенке, состоит из нескольких этапов:

1 – адсорбция и коагуляция активным илом взвешенных и коллоидных частиц;

2 – окисление микроорганизмами растворённых и адсорбированных активным илом органических соединений;

3 – доокисление трудноокисляемых веществ и нитрификация;

4 – регенерация активного ила.

В биофильтрах очистка сточных вод происходит за счёт их контакта с микроорганизмами биоплёнки. Биофильтры представляют собой аэрируемые негерметичные ёмкостные сооружения (резервуары) из кирпича, бетона или железобетона, заполненные крупнозернистыми материалами, через которые фильтруются сточные воды, поступающие сверху по всей площади фильтра. Просачиваясь сквозь загрузку биофильтра, сточные воды оставляют на её поверхности органические вещества, которые образуют биоплёнку, где растут и развиваются микроорганизмы. При контакте сточной воды с биоплёнкой происходит адсорбция загрязняющих воду веществ и их биохимическое окисление.

Анаэробные методы применяют для очистки очень концентрированных сточных вод, содержащих органические вещества, а также для переработки твёрдых отходов с высокой концентрацией органических веществ – стоков пищевых, целлюлозно- бумажных, текстильных, кожевенных и других производств, отходов животноводства и сельского хозяйства, канализационного ила и осадков промышленных сточных вод, прошедших аэробную биологическую очистку.

Процессы биохимического разрушения сложных органических веществ в анаэробных условиях при участии ферментов называются бродильными процессами или брожением. В зависимости от конечного продукта различают несколько видов брожения: пропионовокислое, маслянокислое, молочнокислое, спиртовое, ацетонобутиловое, метановое и др. Для очистки сточных вод используют метановое брожение.

Метановое брожение происходит при разрушении микроорганизмами органических масс, содержащих большое количество углеводов и белков. В результате образуется так называемый биогаз: смесь метана(CH₄) –60-75%, углекислого газа(CO₂)– 20–35% и незначительного количества других газов – H₂S, N₂, O₂, H₂, CO.

Процесс метанового брожения условно протекает в 3 стадии:

1 – гидролиз и(или) гидратация органических соединений;

2 – распад сложных органических веществ до простых – жирных и карбоновых кислот, спиртов, альдегидов, кетонов;

3 – ферментация простых органических веществ с образованием метана, CO и CO₂, водорода, H₂O, сероводорода и т.п. и последующее взаимодействие продуктов предыдущих реакций между собой также с выделением метана.

Процессы метанового брожения осуществляются в специальных сооружениях, именуемых метантенками. Они представляют собой герметично закрытые (для обеспечения анаэробных условий) резервуары, оборудованные приспособлениями для ввода несброженного и отвода сброженного осадка, подогрева содержимого, отвода биогаза и устройствами для перемешивания. Образующийся в метантенках биогаз сжигают с получением тепла, которое используют для нагрева воды, отопления и т.п.