Биологическая очистка воды – это устранение загрязнений при помощи особых микроорганизмов: бактерий, грибов и так далее. Методы биологической очистки стали зарождаться в XIX веке, когда люди придумали фильтровать сточную воду через слои почвы. Подобная фильтрация используется до сих поре, также появились и другие методы биоочистки.
Сегодня биологические способы широко применяются для очистки сточных вод – как промышленных, так и бытовых. В этой статье мы подробно расскажем, как они работают и на какие виды подразделяются.
История биологических методов очистки воды
Сначала в сельском хозяйстве придумали фильтровать сточные воды через почвы. Это было в XIX веке, а ближе к двадцатому веку появились более совершенные устройства, сконструированные по подобию полей фильтрации. Страной-первооткрывателем новой технологии стала Англия.
В начале XX века также появился метод очистки сточных вод в аэротенках, который используется и сегодня. И тогда пошло активное развитие биометодов в России: в частности, в конце двадцатых-начале тридцатых годов XX века в Москве запустили первую станцию аэрофильтрации. С тех пор биологическая очистка воды стала главным методом для удаления органических и бактериальных загрязнений из сточных вод.
Как работают биологические методы очистки сточных вод
Биологическая очистка основана на способности некоторых микроорганизмов потреблять растворенные в воде органические вещества в пищу. При этом часть органики превращается в диоксид углерода, нитриты и сульфаты, а часть становится биомассой. Этот способ используется для обработки сточных вод.
Распад органических соединений проходит в конкретной последовательности и в присутствии ферментов, которые служат катализаторами реакции. Эти ферменты выделяются бактериями, они представляют собой соединения белка, иногда с небелковой частью. Все они делятся на два типа – одни ферменты занимаются внеклеточным расщеплением, другие являются пищеварительными.
Также есть вещества, которые дополнительно усиливают активность ферментов, их называют активаторами. А вещества, которые тормозят реакцию – ингибиторы. Этими веществами могут служить всевозможные химические соединения в составе сточных вод. Например, витамины и катионы магния ускоряют активность ферментов, а антибиотики и соли тяжёлых металлов, напротив, замедляют реакцию.
Какие загрязнения устраняет очистка сточных вод микроорганизмами
Биологические методы очистки воды эффективны против следующих веществ:
Углеводы – их окисление представляет собой сложный многоступенчатый процесс, в котором могут участвовать более 10 ферментов. В конце, как правило, остаётся щавелево-уксусная кислота;
Метан и этанол – этиловый спирт превращается в уксусную кислоту;
Углеводороды – фенол, бензойная кислота, нафталин, антрацен и другие;
Азот аммонийные соединения – окисляются нитрифицирующими бактериями сперва да нитритов, потом до нитратов. Наличие нитрат-ионов в воде после очистки – важный критерий, что она прошла эффективно;
Серосодержащие вещества – их разрушают серные и тионовые бактерии, они превращают эти вещества в серную кислоту или сульфаты;
Железо и марганец – их окислением занимаются железобактерии, которые преобразуют соли двухвалентного железа до трёхвалентного, а двухвалентного марганца – до 4-валентного.
Биологическая очистка сточных вод: виды
Все приспособления для биоочистки делят на естественные или приближенные к ним и искусственные. Естественные:
Поля фильтрации и орошения – участки земли, на которых происходит очистка методом пропуска воды через слой грунта;
Биологические пруды – мелкие водоёмы, где происходит процесс самоочищение воды;
Искусственные:
Биофильтры – резервуары со специальным материалом, поверхность которого покрыта колонией микроорганизмов. Эти микроорганизмы могут сорбировать и окислять органику в воде.
Аэротенки – также резервуары, где смешивают для очищения активный ил и сточные воды.
Помимо этого биологические методы очистки воды бывают аэробными и анаэробными. В первом случае микроорганизмы размножаются в активном иле и в так называемой биопленке. Ил имеет состав, похожий на сточные воды, он содержит в основном органические вещества, а также твёрдые частицы, к которым и крепятся очищающие микроорганизмы. Это могут быть 12 видов микроорганизмов: бактерии, простейшие, плесневые грибы, личинки насекомых, дрожжи, водоросли и так далее. Самую главную роль играют бактерии, а именно такие их виды, как бациллус, нитробактер, псевдомонас и другие.
В целом состав сообщества микроорганизмов зависит от состава сточных вод – какие именно примеси в них содержатся. Например, если в воде очень много органики, понадобится больше гетеротрофных бактерий, а если питательных веществ не очень-то много, нужно повысить концентрацию простейших хищных микроорганизмов.
Что касается биоплёнки, она вырастает на наполнителе биофильтра и выглядит как утолщённое слизистое образование. Биопленка также имеет разнообразный микробиологический состав, там могут встречаться бактерии, дрожжи, клещи, черви и не только. Разнообразие микробиологического сообщества на биоплёнке несколько выше, чем в активном иле.
Роль различных факторов в очистке сточных вод бактериями
Скорость протекания биологической очистки зависит от разных факторов.
1. Искусственная турбулизация потока воды повышает эту скорость, так как питательные вещества и кислород интенсивнее поступают к микроорганизмам.
2. Нагревание сточных вод в определённых пределах также увеличивает скорость реакции. Нагревание нужно сопровождать аэрацией водного потока, так как с повышением температуры кислород становится менее растворимым. Понижение температуры, напротив, ухудшает условия биологической очистки.
3. Наличие большого количества солей тяжёлых металлов снижает эффективность ила, а также ведёт к избыточному развитию нитчатых форм бактерий.
4. Наличие микроэлементов и биогенных элементов, таких как кальций, натрий, магний, калий, молибден и другие. Они необходимы для нормального протекания биохимических реакций в воде. Если чего-то не хватает, эти вещества добавляют искусственно.
Биологическая очистка воды биофильтрами
Биофильтр – это устройство, где вода фильтруется через загрузочный материал с микроорганизмами. Проходя через загрузку, вода оставляет на ней нерастворенные примеси, а также коллоидные и органические вещества, которые поглощает биопленка. Так как микроорганизмы используют эти вещества для своего размножения, объём биопленки постоянно прирастает, а отработанная ее часть просто вымывается водой.
Биофильтры можно классифицировать по разным критериям: степень очистки, режим работы, способ подачи воздуха, пропускная способность и так далее. Но самый главный критерий, наверное – из чего сделан сам загрузочный материал в биофильтре. Бывают биофильтры с объёмной и плоскостной загрузкой, сейчас мы про них и расскажем.
Биофильтры с объёмной загрузкой
Такие фильтры могут содержать гравий, шлак, керамзит, щебень и так далее. Они различаются по высоте загрузки: капельные, высоконагружаемые и башенные.
В капельных фильтрах вода подаётся каплями либо в виде струек, а загрузочным материалом, как правило, служит щебень, гравий и галька. Используются капельные биофильтры для очистки сточных вод при расходе не более 1000 м³ в сутки, так как они низкопроизводительные. Также недостатком капельных биофильтров является частое заиление загрузочного материала.
Высоконагружаемые биофильтры или аэрофильтры обладают высоким слоем загрузки, а также вентилятором для продувки материала загрузки. Их применяют на станциях производительностью до 50000 м³ в сутки и располагают на открытом воздухе.
Башенные фильтры имеют наибольшую высоту и такую же производительность, как и предыдущие. В России такие почти не используются.
Биофильтры с плоскостной загрузкой
Эти фильтры могут содержать пластмассы, ткани, керамику, металл и другие материалы. Они подразделяются на биофильтры с мягкой и жесткой загрузкой, также выделяют погружные биофильтры.
Биофильтры с плоскостной загрузкой чаще всего выбирают в районах с тяжёлыми грунтовыми условиями, а также в сейсмически активных районах и при нехватке электрической энергии. Они компактные, потребляют меньше электричества, чем биофильтры с объёмной загрузкой, надёжны в использовании, редко покрываются илом.
Погружные биофильтры сочетают в себе особенности биофильтров и аэротенков, но имеют преимущества перед ними. Такие фильтры используют для очистки сточной воды от малых населённых пунктов, кемпингов, санаториев и так далее. Они бывают дисковые, барабанные, шнековые и трубчатые.
Биологическая очистка воды аэротенками
Аэротенки – это приспособления, которые очищают сточные воды при помощи активного ила. Этот ил представляет собой сообщество микроорганизмов, которые развились в условиях отсутствия кислорода на органических примесях. Работают аэротенки так:
1. Органические вещества попадают на поверхность клетки – этот процесс можно ускорить при помощи постоянного перемешивания воды.
2. Вещество или продукты его распада проникают в клетку. В основном это происходит при помощи особого белка-переносчика.
3. Органическое вещество метаболизируется в клетках, выделяется энергия и образуется новое вещество, безвредное. Продуктами такого превращения могут быть нитраты, сульфаты, вода, двуокись углерода.
Глубокая биологическая очистка сточных вод в аэротенках может происходить с разными нюансами в зависимости от типа устройства. Например, устройство может работать по одноступенчатой или двухступенчатой схеме, с регенерацией и без. Также выделяются разные типы аэротенков по нагрузке и гидравлической схеме работы: вытеснители, смесители, аэротенки с рассредоточенным впуском сточной воды. Бывают разными и системы аэрации в аэротенках: пневматические, механические, струйные, комбинированные.
Биологическая очистка воды полями орошения и фильтрации
Такая очистка проводится с использованием почвы – почва известна своей способностью к самоочищению. Поля орошения представляют собой специально подготовленные земельные участки: не только для очистки сточных вод, но и для выращивания там сельхоз-культур. Поля фильтрации же не имеют других функций, кроме очистки.
Биологическая очистка воды при помощи почвы заключается в поглощении растворенных органических веществ биопленкой, которая располагается на частичках почвы. На поверхностных слоях происходят такие процессы как окисление и нитрификация, а на глубине, в отсутствии кислорода, происходит только денитрификация. Перед подачей воды на поля фильтрации и орошения её необходимо отстоять не менее получаса, чтобы снизить количество яиц гельминтов.
В качестве субстрата на очистных полях могут использоваться пески, супеси и лёгкие суглинки. Сами очистные поля имеют площадь от 5 до 8 гектаров и ширину от 50 от 150 м – точные параметры зависят от объёма сточной воды, который может быть очищен одним гектаром земли за промежуток времени.
Располагаются поля орошения вниз по течению грунтовых вод, при этом грунтовые воды должны быть на глубине не менее 1,5 м от поверхности, в противном случае необходимо делать дренаж. Что касается перерыва между поливами, для полей фильтрации этот период составляет 5-10 суток, а для полей орошения он зависит от выращиваемых там культур. Орошение не производится при уборке урожая, в период дождей, при подготовке полей к лету, и практически не проводится в зимнее время.
Очистка сточной воды в биологических прудах
Биологический пруд - это каскад прудов из 2-5 ступеней, через которые медленно течёт вода, подвергаясь процессу аэрации, искусственному или естественному. Такие пруды могут использоваться в качестве самостоятельного сооружения биоочистки, а также для проведения стадии глубокой очистки.
Чтобы окислять загрязнения, бактерии в пруду используют кислород из воздуха, а также кислород, производимый водорослями при фотосинтезе. Водоросли потребляют углекислый газ, фосфаты и аммонийный азот, что образуются в воде при разложении органики. Именно поэтому биологические пруды могут обеспечить более глубокую очистку, чем искусственные сооружения биоочистки. Правда, в некоторых климатических зонах биологические пруды могут работать только в тёплое время года.
Особенности биологических прудов:
Если аэрация искусственная, она может быть механической – сверху устанавливают аэраторы, или пневматической – по дну прокладывают трубы.
Для лучшей очистки воды в пруду можно высадить растительность – камыши, тростники и так далее.
Форма биологических прудов может быть прямоугольная или круглая, что зависит от используемого типа аэрации.
Глубина прудов доходит до 1 м при естественной аэрации и составляет 3-4,5 м при искусственной.
С чем можно сочетать биологические методы очистки воды
Помимо биологических существуют и другие методы очистки сточных вод, которые можно применять в комплексе. Выбирают метод очистки в зависимости от требований к качеству получаемой воды, имеющихся в стоках примесей и их концентрации, возможности повторного использования воды и т.д.
Механические методы очистки сточных вод убирают из них нерастворимые примеси. Это может быть фильтрование, отстаивание и центрифугирование. Оборудование для механической очистки представляет собой сетки, фильтры, нефтеловушки, маслоуловители и так далее.
Химическая очистка сточных вод применяется тогда, когда для устранения загрязнения требуется химическая реакция. Это может быть реакция окисления, восстановления, нейтрализации, перевода одних веществ в другие, безвредные. В результате химической очистки образуются вещества, которые можно без проблем удалить из воды.
Физико-химическая очистка сточной воды бывает реагентной и безреагентной. В первом случае используются коагулянты и флокулянты, которые переводят загрязнители в хлопьевидную форму – после этого их легко удалить из воды. Во втором случае выделение и разложение примесей не требует применения дополнительных веществ: это может быть сорбция, электрохимическая очистка и другие физико-химические процессы.
Мембранная очистка сточной воды – один из самых совершенных методов, которые позволяет удалять практически все примеси. Это может быть обратный осмос, диализ, микрофильтрация. Обычно мембранная очистка применяется в качестве финальной стадии очищения воды.
Термические методы очистки сточных вод используются для их обезвреживания. Например, это может быть концентрирование с последующим выделением растворенных веществ – выпаривание, окисление органики, огневой метод и так далее.
Comentários