Очистка хозяйственно-бытовых сточных вод.
Для очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод от многих растворенных органических и некоторых неорганических (сероводорода, сульфидов, аммиака, нитритов и др.) веществ применяют биохимические методы. Этот способ основан на способности микроорганизмов использовать эти вещества для питания в процессе их жизнедеятельности. Контактируя с органическими веществами, микроорганизмы частично разрушают их, превращая в воду, диоксид углерода, нитрит - сульфат - ионы и др. Другая часть вещества идет на образование биомассы. Разрушение органических веществ называют биохимическим окислением.
В зависимости от вида микроорганизмов, участвующих в разрушении органического вещества, различают аэробный и анаэробный процессы очистки сточных вод. Аэробный метод основан на использовании аэробных групп организмов, для жизнедеятельности которых необходим постоянный приток кислорода и температура 20-40°С. Аэробный процесс является окислительным и может нормально протекать, если концентрация органического вещества в сточной воде (выраженная в биохимической потребности в кислороде - ВПК) не будет превосходить некоторые предельные величины. В противном случае высоко концентрированные сточные воды приходится разбавлять слабо концентрированными или в отдельных случаях даже чистой водой.
Анаэробные методы очистки протекают без доступа кислорода. Анаэробный процесс является восстановительным и может протекать практически при любых концентрациях органического вещества. До недавнего времени их использовали для обезвреживания осадков. Сейчас его начинают применять для разрушения органических веществ в сильноконцентрированных сточных водах.
Аэробные процессы биохимической очистки могут протекать как в естественных условиях (на полях орошения, полях фильтрации, биохимических прудах), так и в искусственных очистных сооружениях (в аэротенках, биофильтрах), в которых процессы очистки протекают с большей скоростью, чем в естественных условиях.
Поля орошения. Это специально подготовленные и спланированные земельные участки, используемые одновременно для очистки сточных вод и агрокультурных целей. Если на полях не выращиваются сельскохозяйственные культуры и они предназначены только для очистки сточных вод, то они называются полями фильтрации.
Очистка сточных вод в этих условиях идет под воздействием почвенной микрофлоры, солнечной радиации, воздуха и под влиянием жизнедеятельности растений. В процессе биологической очистки сточные воды проходят через фильтрующий слой почвы, в котором задерживаются взвешенные и коллоидные частицы, образуя в порах грунта пленку, населенную множеством микроорганизмов. Эта пленка адсорбирует коллоидные частицы и растворенные в сточных водах вещества, и они под действием аэробных микроорганизмов переходят в минеральные соединения. Непременным условием протекания аэробных процессов является наличие кислорода. Наиболее интенсивное биологическое окисление происходит в верхних слоях почвы (0,2-0,4 м). На глубине, где ощущается недостаток кислорода, преобладают анаэробные процессы. Процессы очистки протекают на глубине до 1,5 м.
Поля орошения желательно устраивать на песчаных, суглинистых и черноземных почвах. Грунтовые воды должны быть не выше 1,25 м от поверхности. В противном случае необходимо устраивать дренаж.
Устройство полей орошения не разрешается на территориях, находящихся в пределах I и II поясов зон санитарной охраны источников централизованного водоснабжения и минеральных источников; в непосредственной близости от мест выклинивания водоносных горизонтов, а также при наличии трещиноватых пород и закарстовых, не перекрытых водоупорным слоем. На земледельческих полях орошения запрещается выращивание овощных культур, употребляемых в пищу без термической обработки, а также бахчевых культур и ягод (земляника и клубника).
При организации полей орошения предусматривают устройство резервных полей фильтрации (до 25-30% площади орошаемой территории) для приема сточных вод в неблагоприятные периоды года, во время уборки урожая и в других случаях, когда сточные воды не могут быть использованы для орошения.
В зимнее время сточную воду направляют только на резервные поля фильтрации. Так как в этот период фильтрация сточной воды прекращается полностью или замедляется, то резервное поле фильтрации проектируют с учетом площади намораживания.
При выборе территории для полей фильтрации руководствуются теми же правилами, что и при выборе территории для полей орошения. Наиболее подходящими грунтами для полей фильтрации являются пески и супеси. Поля фильтрации располагают ниже водозаборных сооружений по течению грунтового потока (не менее 200 м для легких суглинков, 300 м - для супесей и 500 м - для песков).
Вследствие того, что на поля фильтрации допускается нагрузка значительно большая, чем на поля орошения, обязателен дренаж. Кроме того, в целях повышения фильтрационной способности почвы и поддержания процесса окисления органических веществ в непрерывном режиме необходимо перепахивание и боронование участков.
Сбор и отвод профильтровавшейся очищенной воды с полей орошения и фильтрации осуществляют с помощью дренажных устройств, которые могут быть открытыми (канавы) и закрытыми (дренажные трубы). Количество сточных вод, которое может быть очищено на единице площади полей орошения, зависит в основном от фильтрующей способности грунта и потребности выращиваемых культур во влаге. Для успешной эксплуатации полей сточную воду предварительно осветляют. Очистка сточных вод с одновременным их использованием для орошения и удобрения может быть проведена по разным вариантам (рис.5.24). Например, сточные воды после механической очистки поступают в пруды накопители, а затем по каналу - в пруды-испарители и на поля орошения. Ил и сточные воды после механической, физико-химической и биохимической очистки направляют на поля орошения, а в неполивной период сбрасывают в водоем. В последнее время распространение получило" подпочвенное орошение сточными водами, распределяемыми через ""рубчатые асбестоцементные или полиэтиленовые трубчатые увлажнштели. Такое орошение позволяет наиболее полно использовать удобр-ительные свойства сточных вод, автоматизировать процессы полива и обеспечить санитарно-гигиенические требования
Рис.5.24. Варианты естественной биохимической очистки сточных вод:
1 - сооружения механической очистки; 2 - сооружения физико-химической очистки; 3 - сооружения биохимической очистки; 4 - пруды-ило-уплотнители или биологические пруды; 5 - отводной канал; 6 - пруд-испаритель; 7 - поля фильтрации; 8 - земледельческие поля орошения
Биологические пруды. Пруды предназначены для биологической очистки и для доочистки сточных вод в комплексе с другими очистными сооружениями. Они представляют собой земляные сооружения (каскад прудов, состоящий из 3-5 ступеней), через которые с небольшой скоростью протекает осветленная или биологически очищенная сточная вода. Различают пруды с естественной или искусственной аэрацией. Пруды с естественной аэрацией имеют небольшую глубину (0,5-1 м), хорошо прогреваются солнцем и заселены водными организмами.
Под действием бактерий происходит окисление органических примесей сточных вод. При этом бактерии используют кислород, выделяемый водорослями в процессе фотосинтеза, а также кислород из воздуха. Водоросли в свою очередь могут усваивать продукты распада, выделяемые при биохимическом разложении органических веществ.
При естественной аэрации время пребывания сточной воды в прудах - до 10 суток и более. Для повышения скорости растворения кислорода, а следовательно, и повышения скорости окисления сооружают аэрируемые пруды. Для подачи воздуха при пневматической аэрации используют компрессоры низкого давления. При этом кроме насыщения воды кислородом происходит и ее перемешивание. Аэрация позволяет в 3-3,5 раза повысить нагрузку по загрязнениям, увеличить глубину пруда до 3,5 м. В прудах с искусственной аэрацией достаточная степень очистки может быть достигнута за 1-3 суток.
Пруды работают круглогодично в районах со среднегодовой температурой +10°С и выше, в средней полосе - сезонно. В последнем случае весной, перед вводом биологических прудов в эксплуатацию, производят вспашку их дна. После вспашки пруды заполняют сточной водой, которую выдерживают почти до полного исчезновения из нее аммонийного азота. Срок "созревания" прудов для средней полосы России не менее одного месяца. Осенью, после окончания работы, воду из них выпускают. В зимнее время производят намораживание воды.
В искусственных условиях процесс биологической очистки сточных вод проводят в биофильтрах или аэротенках с использованием биопленки или активного ила.
Очистка в биофильтрах. Биофильтры представляют собой достаточно большую емкость (обычно цилиндрической формы диаметром от 6 до 30 м, изготовленную из кирпича или железобетона), внутри которой размещается кусковая насадка (загрузка) и предусмотрены распределительные устройства для сточной воды и воздуха.
В биофильтрах сточная вода, проходя через фильтрующую загрузку, оставляет в ней, вследствие адсорбции, взвешенные и коллоидные органические вещества, которые образуют биопленку, густо заселенную микроорганизмами. Микроорганизмы биопленки окисляют органические вещества, используя их как источники питания и энергии. В ходе потребления и превращения клетками биопленки органических веществ и кислорода биомасса пленки увеличивается. Часть микроорганизмов остается в биопленке, а часть, отмирая, выносится потоком жидкости. Биопленки имеют толщину до 3 мм и более. Площадь поверхности 1 кг биопленки достигает 4000 м. Окислительная мощность биофильтров зависит от количества биопленки, удерживаемой загрузкой, и конструктивных особенностей биофильтра. Прирост биопленки регулируется удельной гидравлической нагрузкой на фильтр. Если нагрузка мала, то происходит самоокисление биопленки, если повышена, то происходит прирост биомассы до критических размеров и отрыв ее от материала загрузки. В качестве загрузки используют различные материалы с высокой пористостью, малой плотностью и большой удельной поверхностью: щебень, гравий, шлак, керамзит и т.п.
В настоящее время предложено большое число конструкций биофильтров, которые делят на биофильтры: работающие с полной и неполной биологической очисткой; с естественной и искусственной подачей воздуха; с рециркуляцией и без рециркуляции сточных вод; на биофильтры одноступенчатые и двухступенчатые, капельные, вы-соконагружаемые (орошаемые), башенные (большой высоты) н т.д.
Биофильтры с капельной фильтрацией имеют низкую производительность, но обеспечивают полную очистку. Гидравлическая нагрузка их равна 0,5-3 м3/ (м2 *сут). Их используют при объеме сточных вод до 1000 м3/сут при БПК не более 200 мг/л. Высоконагружаемые биофильтры работают при гидравлической нагрузке 10-30 м3/ (м2, сут), т.е. очищают в 10-15 раз больше сточной воды, чем капельные. Однако они не обеспечивают полную очистку. Двухступенчатые биофильтры применяются в том случае, когда для достижения высокой степени очистки нельзя увеличить высоту биофильтров.
Эффективность очистки сточных вод на биофильтрах от патогенных микроорганизмов (вирусы, бактерии) достаточно высока и составляет не более 90%, поэтому жидкую фазу хлорируют, а твердую - обеззараживают на иловых площадках или в метантенках.
Очистка сточных вод активным илом. Для большинства сточных вод эффективно используется способ очистки сточных вод активным илом. Основной принцип способа очистки сточных вод активным илом заключается в следующем.
После соответствующей механической и (или) химической предварительной обработки, возможно с добавленными питательными веществами, сточные воды направляются в биологический реактор, так называемый аэротенк, где растворенные органические вещества, насколько это возможно биологически, посредством активной биомассы, так называемого активного ила, частично преобразуются в новую биомассу, частично окисляются в воду и двуокись углерода (СО2). Для этого кислород искусственно вводят в аэротенк и содержимое аэротенка хорошо перемешивают при помощи механических аэрационных устройств. Существуют и другие системы, например, газация сжатым воздухом или инжекторная аэрация.
В результате поступления сточной воды эквивалентное количество смеси активного ила - сточной воды вытесняется во вторичный отстойник, где разделяются ил и вода. В то время, как очищенная вода стекает в ступень последующей очистки (например, нитрификацион-ное сооружение, осветляющий бассейн) или к приемнику сточных вод, ил, так называемый возвратный активный ил, перекачивается обратно в аэротенк или частично выводится и удаляется в виде избыточного активного ила.
На практике возникает ряд технических и экономических проблем при использовании данного способа очистки. Например, большие объемы сточных вод с высоким наличием загрязнением предполагают использование значительного количества биомассы, требуются большие объемы аэротенков.
Многие же промышленные сточные воды вследствие либо одностороннего состава, либо наличия легких веществ склонны к образованию слабо концентрированных илов. Для утяжеления ила используются соли железа или алюминия.
Необходимость ввода кислорода в аэротенк, невысокая растворимость его в воде, особенно в теплых промышленных сточных водах, связаны с высокими затратами энергии.
Высокие затраты на ввод кислорода приводят к высокой плотности энергии в аэротенке и вызывают в сточных водах, и без того склонных к вспениванию, часто не поддающиеся управлению, проблемы вспенивания. Высокая пропускная способность воздуха приводит к высокому выделению отходящих газов с последствиями отрицательного воздействия пахучих веществ и распространения бактериосодержащих аэрозолей в окружающей среде. Кроме того, в зонах с морозными периодами создаются значительные проблемы с сильным образованием тумана и оледенением аппаратов и сооружений в результате замерзающего конденсата.
Для устранения этих недостатков в зарубежной практике вместо открытых аэротенков воздушной аэрацией используются закрытые и, как правило, разделенные на несколько камер (2-6) реакторы с аэрацией техническим кислородом. Отвечающая требованиям предварительно обработанная сточная вода вместе с возвратным активным илом направляется в 1-ю камеру реактора. В газовом пространстве 1-й камеры технический кислород подается под давлением. Он промывает реактор в том же направлении, как и поток жидкости, и расходуется при этом примерно на 90%. Из последней камеры реактора выходит поток отходящего газа, состоящий из кислорода, двуокиси углерода, азота и водяных паров.
На горных предприятиях сточные воды могут быть насыщены сульфидами, которые перед подачей их в биологическую ступень очистки должны быть в значительной мере очищены от сульфидов. Для этого существует большое количество способов. Например, для физически растворенного H2S применяются десорбционные процессы, для сульфидов, связанных со слабыми основаниями, как например, сульфид аммония - термические процессы отгонки. Для сточных вод, в которых имеются сульфиды с сильными основаниями, как правило, раствор едкого натра, необходима химическая ступень для отделения H2S. При выборе способа большее значение имеют компоненты, содержащиеся в сточных водах наряду с сульфидами.