Теоретические основы биологической очистки сточных вод

Теоретические основы биологической очистки сточных вод. Главная цель биологической (или биохимической) очистки сточных вод состоит в освобождении их от органических веществ за счет аэробного окисления сапрофитными водными или почвенными микроорганизмами. Микроорганизмы не имеют специальных органов пищеварения, поэтому все питательные вещества проникают в клетку путем осмотического всасывания через мельчайшие поры клеточной оболочки. Для этого в процессе эволюции у микроорганизмов выработалась способность выделять в питательную среду гидролитические экзо-ферменты, которые готовят сложные органические вещества к усвоению их микробной клеткой. В этом процессе принимают участие экзо - и эндофермен-ты. Первые действуют вне клетки и принимают участие в подготовке питательных веществ к их поступлению в клетку и дальнейшему усвоению. Эндо-ферменты действуют внутри клетки и обеспечивают процессы ассимиляции и диссимиляции.

Ферменты по характеру действия подразделяются на: 1) протеазы, которые расщепляют белковую молекулу. Они выделяются многими гнилостными бактериями; 2) эстеразы (липазы), которые расщепляют жиры. Присутствуют у многих плесневых грибов и бактерий; 3) карбогидразы, которые расщепляют крахмал, полисахариды, молочный сахар. Выделяются молочнокислыми бактериями, кишечной палочкой и т. д.

Процесс удаления органических веществ из сточных вод сверхсложный. При этом осуществляется одновременно минерализация органических веществ сточных вод и синтез нового органического вещества клеток микроорганизмов.

Органические вещества животного и растительного происхождения попадают в сточную воду в виде углеводов, жиров и белков, а также продуктов их обмена. Углеводы (полисахариды) в аэробных условиях под действием экзо-ферментов типа карбогидраз расщепляются до моносахаридов (глюкозы, мальтозы и т. п.), углерода диоксида (С02) и воды (Н20).

Незначительная часть моносахаридов используется для синтеза гликогена различных микробных клеток. Большая часть углеводов в процессе эндогенного дыхания микробной клетки окисляется ("сжигается").

Окисление в аэробных условиях органических веществ, содержащих углерод, называется декарбонизацией сточной воды.

В анаэробных условиях биохимический процесс распада органических веществ более сложный. Общей цепочкой биохимических процессов аэробного и анаэробного распада органических веществ, содержащих углерод, является образование жирных кислот.

Дыхание анаэробов происходит без участия кислорода. Они получают необходимую энергию за счет химических превращений органических веществ в более простые соединения. При этом выделяется значительно меньше энергии, чем при кислородном дыхании

Биохимические анаэробные процессы используют в практике обезвреживания осадка сточных вод в метантенках и отстойниках со сбраживанием осадка (например, в септиках).

Жиры слишком медленно и мало поддаются биохимическим процессам распада.

В анаэробных условиях жиры распадаются приблизительно по той же схеме, что и углеводы.

Одним из органогенов — элементов развития любого микроорганизма — является азот. Поэтому на практике большое значение приобретает биохимический распад белков. В аэробных условиях белковые молекулы под влиянием ферментов, выделяющихся микроорганизмами, расщепляются на более простые вещества. Этот распад происходит через альбумины и пептоны до аминокислот1. Часть аминокислот используют в качестве пластического и энергетического материала микроорганизмы в процессе роста, которые являются составляющими активного ила, биологической пленки или органоминерального комплекса почвы. Часть аминокислот дезаминируется, образуя аммиак, воду и С02. В анаэробных условиях аммиак растворяется в воде, образуя аммония гидроксид. Последний связывается угольной кислотой, образуя аммония карбонат.

Из азота, использованного в качестве пластического материала для синтеза активного ила, биологической пленки или органоминерального комплекса почвы, в процессе биохимического окисления образуется также углекислый аммоний.

Азотсодержащие органические вещества попадают в сточную воду в виде не только белка, но и продуктов обмена веществ, в частности мочевины. Мочевина под влиянием уробактерий и их фермента уреазы гидролизуется и образует как при окислении активного ила, так и при дезаминировании аминокислот, углекислый аммоний.

Образуемый во время дезаминирования, самоокисления активного ила, гидролиза мочевины и других продуктов обмена углекислый аммоний со временем претерпевает биохимическое окисление при помощи аэробных бактерий. Этот процесс, получивший название нитрификации, осуществляется в две фазы. В первую фазу аммонийные соли преобразуются в азотистые соединения (нитриты) бактериями из рода Nitrosomonas, а во вторую — в азотные (нитраты) бактериями рода Nitrobacter.

Азотная кислота в виде минеральных солей (нитратов) является конечным продуктом окисления белковых веществ и продуктов их обмена в животном и растительном организмах. В связи с этим по количеству нитратов судят об успешности и полноте процесса биохимического окисления органических веществ, в состав которых входит белок.

Процесс нитрификации связан с выделением тепла и поэтому играет немаловажную роль во время эксплуатации сооружений биохимической очистки сточных вод в зимнее время. Кроме того, в процессе нитрификации накапливается кислород. Последний может быть использован для биохимического окисления органических безазотистых веществ, когда уже полностью растрачен свободный (растворенный) кислород. Под воздействием денитрифицирующих бактерий кислород отщепляется от нитритов и нитратов и вторично используется для окисления органического вещества.

Под денитрификацией в широком смысле слова понимается восстановление бактериями солей азотной кислоты (нитратов) независимо от того, образуются ли при этом соли азотистой кислоты, окислы азота, аммиак или свободный азот. Степень восстановительного действия бактерий, помимо их биохимических особенностей, зависит также от состава среды, его реакции и других условий. Так, в щелочной среде и при свободном поступлении воздуха восстановительный процесс не идет дальше образования солей азотистой кислоты; в кислой среде и при затрудненном поступлении кислорода процесс восстановления ограничивается образованием аммиака.

Денитрификацией в более узком значении слова называют распад азотно-и азотистокислых солей (нитратов и нитритов) 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, получая вследствие этого окислительного процесса необходимую им энергию. Азотом нитратов они также пользуются для построения своей плазмы. Этот сложный процесс, одновременно восстановительный и окислительный, может быть представлен (по Омелянскому) таким уравнением:

5С + 4KN03 = 2К2С03 + ЗС02 + 2N2,

где С — органический углерод.

Нитратный азот сначала восстанавливается до закиси азота, содержащегося в газах, которые выделяются при денитрификации:

2KN03 + 2С = N20 + К2С03 + С02.

Закись азота затем распадается с выделением свободного азота (по Бейе-ринку):

2N20 + С - 2N2 + С02.

Процесс денитрификации протекает в три фазы:

2HN03 -> 2HN02 + 02; 2HN02 -» промежуточный продукт + 02; промежуточный продукт -> N2 + Н20 + О.

Источником энергии для денитрифицирующих бактерий могут служить углеводы, спирты, органические кислоты, пептон, аспарагин, мочевина, другие органические соединения. Обобщенное уравнение, по которому происходит окисление, например глюкозы, благодаря восстановлению калия нитрата (селитры), примет вид (по Корсаковой):

5С6Н1206 + 24KN03 = 12К2С03 + 18С02 + 12N2 + 30Н2О.

Процесс денитрификации сопровождается бурным выделением газов — смеси азота и углекислоты, иногда с примесями азота закиси.

Таким образом, при биохимической очистке сточной воды одновременно с окислительными протекают и восстановительные процессы денитрификации. Микроорганизмы потребляют кислород образуемых при этом азотистых соединений. Этот процесс очень важен в начальной стадии очистки сточной воды на всех без исключения сооружениях биохимической очистки в пусковой период (биологического созревания) и для тех участков биологических фильтров и аэротенков, где нарушено поступление кислорода. Процессом денитрификации обусловливается отрицательный баланс азота в процессах биохимической очистки, так как значительная часть азота в молекулярном виде выделяется в атмосферу. Обычно этим объясняется низкий уровень нитритов и нитратов в очищенной активным илом сточной воде.

Часть нитратов, образовавшихся при биохимическом окислении органических веществ сточной воды, усваивается растениями (если сточные воды поступают в почву), а часть — денитрифицируется. Азот нитратов может быть использован также для биосинтеза активного ила аэротенков или биологической пленки биофильтров.

Аэробные процессы биохимической очистки протекают в строгой последовательности. Так, органические вещества, которые содержат углерод и имеют низкую степень окисления, окисляются в первую очередь, а уже затем нитрифицируются. В природных условиях процессы биохимического окисления, являющиеся ведущими в самоочищении поверхностных водоемов, протекают сравнительно медленно, в течение нескольких суток. Установлено, что 10 мг азота окисляется до нитритов за 15 сут, а 10 мг нитритов превращаются в нитраты за 40 сут. Понятно, что в искусственных канализационных сооружениях биологической очистки сточных вод указанные процессы нужно определенным образом интенсифицировать, чтобы предотвратить накопление сточной воды и приблизить скорость ее очистки к скорости образования.

При благоприятных условиях процессы биологической очистки сточных вод могут протекать нормально. Для этого необходимы три участника биохимического процесса: органическое вещество сточных вод, аэробные микроорганизмы и кислород воздуха. Задание технологического процесса на сооружениях биологической очистки сводится к столкновению названных элементов в оптимальных соотношениях. Этим обусловливается то, что, во-первых, биологическая очистка возможна при поступлении хозяйственно-бытовых или близких к ним по составу промышленных (например, предприятий пищевой промышленности) сточных вод, содержащих значительное количество органических веществ. Во-вторых, обязательным условием эффективной биологической очистки на искусственно созданных сооружениях, моделирующих процессы самоочищения в водоемах, является аэрация сточных вод. В-третьих, биологическая очистка происходит в указанных сооружениях благодаря формированию специализированного микробиоценоза, который в сооружениях, моделирующих самоочищение в водоемах, называется активным илом, а в сооружениях, моделирующих самоочищение в почве, — биологической пленкой.

Под активным илом подразумевают биоценоз (или культуру) микроорганизмов-минерализаторов, которые связаны между собой синтезированным ими органическим веществом в виде хлопьев, способных сорбировать на поверхности органические вещества и окислять их в присутствии кислорода воздуха, растворенного в воде. В состав активного ила входят сапрофитные водные бактерии, простейшие (например, свободноплавающие и прикрепленные инфузории, коловратки и т. д.), грибы, нитчатые водоросли, нематоды (при условии нехватки кислорода).

Активный ил формируется и накапливается в зоне аэрации сооружений, моделирующих процессы самоочищения в водоемах. Такими искусственными сооружениями являются аэротенки, компактные канализационные установки заводского изготовления и их прототипы, аэротенки-осветлители колонного и коридорного типов, симбиотенки и др.

В природных водоемах в состав биоценоза, обеспечивающего процессы самоочищения, в том числе и при поступлении недостаточно очищенных сточных вод, кроме микроорганизмов, входят фито - и зоопланктон и рыбы различных видов. Следует подчеркнуть, что ни из каких (экологических, гигиенических, экономических и др.) соображений не может быть оправданным использование рек и других поверхностных водоемов в качестве очистных сооружений. Хотя, безусловно, за счет процессов самоочищения в реках происходит доочистка сточных вод, прошедших биологическую очистку на искусственно созданных канализационных сооружениях.

Под биологической пленкой, которая формируется в сооружениях, моделирующих самоочищение в почве (биологические фильтры — капельные, аэрофильтры, башенные биофильтры и др., песчано-гравийные фильтры) подразумевается биоценоз (или культура) микроорганизмов-минерализаторов, которые прикреплены к поверхности фильтрующего загрузочного материала и способны сорбировать на поверхности органические вещества и окислять их в присутствии кислорода воздуха.

Процесс биологической очистки сточной воды на всех искусственных канализационных сооружениях делится на два этапа: 1) биологического созревания активного ила или рабочей биологической пленки (пусковой период); 2) стационарного процесса (эксплуатационный период).

Период биологического созревания в аэрационных сооружениях с активным илом — это период, в течение которого развивается оптимальное количество активного ила, адаптированного относительно конкретного режима работы сооружения, объема и качества сточной воды. В этот период поверхность загрузочного материала биологических фильтров, песчано-гравийных фильтров, дисков симбиотенков покрывается биологической пленкой. Процесс в наилучших условиях (в летнее время года) длится 3—4 нед в аэрационных сооружениях с активным илом при их работе в замкнутом режиме и 1—2 мес — в биологических фильтрах. В другие сезоны года период биологического созревания может длиться до 6 мес. Это следует учитывать при строительстве очистных сооружений и стремиться завершить пусконаладочные работы на очистных канализационных станциях в теплое время года. Благодаря интенсификации, за счет внесения в зону аэрации очистных сооружений активного ила действующих сооружений в количестве 5—30% объема зоны аэрации или сухого активного ила, период биологического созревания аэрационных сооружений может завершиться в течение 1—2 нед. Это имеет очень важное природоохранное значение, так как в период биологического созревания в очистных сооружениях недостаточно очищенные (после отстойника) или совсем неочищенные сточные воды от объекта канализования сбрасывают в поверхностные водоемы, загрязняя их.

В период стационарного процесса работы аэрационных установок различают пять фаз работы активного ила. Подобная фазность стационарного процесса характерна и для "работы" биологической пленки в сооружениях, которые воспроизводят процессы самоочищения в почве. Первая фаза — биосорбции органического вещества хлопьями активного ила (биологической пленки) — длится не более 30 мин. За это время органические вещества сточной воды, которые находятся в растворенном состоянии (в виде молекулярных и коллоидных растворов) и мелких суспензий, сорбируются на поверхности микроорганизмов активного ила или биологической пленки. Во второй фазе — фазе декарбонизации, длящейся от 1 до 4 ч, происходит биохимическое окисление легко окисляемых углеродсодержащих органических веществ сточной воды, микроорганизмами активного ила (биологической пленки) до углекислого газа и воды. Процесс окисления сопровождается выделением энергии, которую микроорганизмы активного ила (биологической пленки) используют для синтеза вещества собственной биомассы. Третья фаза — фаза синтеза клеточного вещества активного ила (биологической пленки) из остатков органических веществ сточной воды за счет энергии, освободившейся во второй фазе. Количество органического субстрата, переходящего в новые клетки, составляет почти 65%. Суммарная продолжительность этой фазы в зоне аэрации комбинированных аэрационных сооружений или аэротенках и регенераторах составляет почти 20 ч в стационарном процессе очистки сточной воды. При беспрерывной аэрации сточной воды свыше 20—24 ч происходит четвертая фаза стационарного процесса — фаза эндогенного дыхания, или окисления органического вещества клеток активного ила. Завершается она через 2—3 сут аэрации активного ила. При более продолжительной аэрации (свыше 2—3 сут) наступает пятая фаза — фаза нитрификации и денитрификации, которая чаще и полнее протекает в сооружениях, воспроизводящих процессы самоочищения в почве.

В указанные фазы стационарного процесса происходят определенные изменения массы активного ила. При этом также выделяют 5 фаз (рис. 45). Первой фазе — биосорбции стационарного процесса отвечают лаг - и логарифмическая фазы интенсивного прироста массы активного ила и резкого снижения в сточной воде концентрации органических веществ за счет их биосорбции. Вторая фаза — фаза замедленного роста — отвечает фазе декарбонизации стационарного процесса. Третья фаза — фаза стационарной, или относительно постоянной, массы активного ила, отвечает третьей фазе биохимического процесса очистки сточной воды, то есть синтезу активного ила. Она длится до тех пор, пока не исчерпается все органическое вещество, накопленное клетками микроорганизмов активного ила. Четвертая фаза — фаза отмирания или постепенного уменьшения массы активного ила — отвечает фазе эндогенного дыхания, или самоокисления активного ила. Органическое вещество клеток биомассы активного ила окисляется до конечных продуктов — NH3, C02 и Н20. Это способствует уменьшению общей массы активного ила в аэрационном сооружении. Пятая фаза получила название фазы конечного заката и отвечает процессам нитрификации и денитрификации. Она наблюдается во время стационарного процесса работы аэрационных сооружений при их беспрерывной аэрации свыше 24 ч. В эту фазу минерализуется активный ил. Чаще всего это бывает в стационарном процессе работы очистных канализационных сооружений, которые моделируют процессы самоочищения в почве.

Знание фазности стационарного процесса биологической очистки сточных вод имеет важное значение не только для инженерно-технической службы, но и для практической деятельности врача-профилактика. Деление стационарного процесса на фазы имеет условный характер, так как в I фазу могут протекать процессы II и даже III. Точно так же во II фазу возможны превращения, свойственные другим фазам. Но, несмотря на условность, знание этих фаз, их научно обоснованное выделение в стационарном процессе биохимической очистки дало возможность предложить ряд аэрационных канализационных сооружений с активным илом, в которых преобладают те или другие фазы процесса. Так, на основании использования лишь I фазы процесса биохимической очистки с целью удаления органических веществ из сточной воды предложены аэротенки с контактно-стабилизированным процессом. В таких аэро-тенках биохимическая очистка сточных вод происходит в течение 20—30 мин. После этого биомасса отделяется от биологически очищенной сточной жидкости во вторичных (чаще всего радиальных) отстойниках и направляется в стабилизаторы активного ила. Там происходят II, III и, иногда частично, IV фазы процесса, которые совпадают с соответствующими фазами изменений активного ила. Такой активный ил вновь способен к сорбции органического вещества сточных вод. Поэтому та его часть, которую называют возвратным активным илом, возвращается в аэротенки с контактно-стабилизационным процессом, а избыточный активный ил из стабилизаторов направляется для обезвреживания в метантенки.

Две первые фазы процесса использованы на очистных канализационных станциях аэротенков, которые предусматривают неполную очистку или с "продленной аэрацией". У них биологическая очистка сточной воды длится почти 4 ч. За это время происходят фазы биосорбции и декарбонизации, после чего сточная вода поступает во вторичные отстойники, где освобождается от активного ила. Возвратный активный ил направляется в регенераторы, где происходят III и, иногда, частично, IV фаза процесса, которые совпадают с соответствующими фазами изменений активного ила. После этого ил возвращают в аэротенки. Избыточный активный ил из вторичных отстойников направляют на обезвреживание в метантенки (рис. 46).

Первые три фазы стационарного процесса биологической очистки происходят в аэротенках на полную очистку, в которых аэрация сточной воды длится до 20 ч. В этом случае возвратный активный ил из вторичных отстойников сразу же возвращается в аэротенки, а избыточный — направляется в метан-тенки на обезвреживание (рис. 47).

Кроме аэротенков, на неполную очистку с использованием первых двух фаз стационарного процесса рассчитаны аэротенки-осветлители конструкции НИКТИ городского хозяйства г. Киева.

Все четыре фазы стационарного процесса использованы для создания аэ-рационных канализационных сооружений с "суммарным" или "полным" окислением сточной воды. К ним относятся прототипы компактных установок заводского изготовления: ЦОК, APT и собственно компактные установки типа КУ-12, КУ-25, КУ-200, УКО-25, УКО-100, БИО-25 и др.

Биологические пруды — искусственно созданные неглубокие водоемы в почвах, где отсутствует или происходит их слабая фильтрация. При неблагоприятных в фильтрационном отношении грунтах осуществляют проти-вофильтрационные меры. В таких искусственных водоемах биологическая очистка городских, производственных и ливневых (дождевых) сточных вод протекает в условиях, приближенных к природным. В биологических прудах можно интенсифицировать биологическую очистку и доочистку сточных вод за счет: 1) более низких скоростей движения воды; 2) незначительной глубины; 3) более интенсивного развития микроорганизмов (в отличие от природных поверхностных водоемов в 1 м3 воды биологического пруда биоценоз микроорганизмов занимает площадь в 20 м2); 4) использования в биологических прудах высших водных растений — камыша обыкновенного, рогоза узколистного, аира и др.; 5) искусственной аэрации (в соответствии со СНиП 2.04.03-85 п. 6.199 допускается проектирование биологических прудов как с природной, так и искусственной пневматической или механической аэрацией).

В качестве самостоятельных сооружений для очистки сточных вод биологические пруды используют таким образом: сточные воды после отстаивания непосредственно перед выпуском в пруд разводят речной водой в 3—5 раз и медленно в течение 2—3 сут, пропускают через пруд. Глубина пруда — от 0,6 м (в начальной части) до 1,5 (перед местом выпуска). Незначительная глубина способствует аэрации всей толщи воды и ее прогреванию, т. е. создаются благоприятные условия для биологических окислительных процессов.

Выпускать сточные воды в биологические пруды и отводить из них после очистки для обеспечения полного и равномерного обмена воды рекомендуют в нескольких точках. Этого условия удается придерживаться при устройстве биологических прудов прямоугольной (в плане) формы.

Сточные воды очищают в биологических прудах в аэробных и анаэробных условиях. Аэробные биологические пруды имеют глубину до 1 м, анаэробные — 2,5—3 м, площадь — до 1 га. Нагрузка органических веществ на анаэробные биопруды по БПК2о для бытовых сточных вод составляет 300—350 кг/га в сутки.

Аэробные биологические пруды с природной аэрацией можно использовать для очистки сточных вод с концентрацией органических веществ по БПК20 не выше 200 мг 02/л, с искусственной аэрацией — не выше 500 мг 02/л в IV климатическом поясе в течение года. Там они могут быть использованы как основное средство для очистки сточных вод, если последние невозможно использовать для сельскохозяйственного орошения.

Поскольку зимой во II и III климатических поясах биологические пруды промерзают, их рекомендуют использовать для биологической очистки сточных вод лишь в теплое время года или в комбинации с другими очистными сооружениями. Если БПК20 сточных вод, поступающих в биологические пруды, превышает 500 мг 02/л, нужно позаботиться об их предварительной очистке. Перед биологическими прудами следует ставить решетки с прозорами до 16 мм и отстаивать сточные воды в течение 30 мин. Гидравлическая нагрузка на 1 га поверхности аэробных биологических прудов для сточных вод, прошедших отстаивание в первичных отстойниках, не должна превышать 250 м3/га в сутки. СМ. Строганов доказал, что такие биологические пруды работают эффективно при нагрузке 250—300 м3/га в сутки. После биологических прудов с искусственной аэрацией нужно предусматривать отстаивание очищенной воды. Продолжительность отстаивания должна составлять 2—2,5 ч. Отводят очищенную воду через сборное устройство. Его оборудуют ниже уровня воды на 0,15—0,2 глубины биологического пруда. Хлорируют сточную воду лишь после биологического пруда. Концентрация остаточного хлора в воде после контакта не должна превышать 0,25—0,5 г/м3.

Эффективность очистки сточных вод от органических (по БПК20) и бактериальных загрязнений в таких биологических прудах достаточно высокая, но только в теплое время года.

Аэробные биологические пруды с природной аэрацией используют как серийные без разбавления речной водой. Они состоят из 4—6 секций, через которые сточные воды проходят последовательно после отстаивания. Глубина прудов составляет 0,6—0,8 м. Гидравлическая нагрузка на 1 га поверхности таких прудов должна составлять 125 м3/га в сутки в теплый период года, т. е. в мае — октябре. Зимой эти пруды не работают. В первой секции очистка сточных вод происходит за счет фильтрации через фашинник, на котором хорошо формируется биологическая пленка. В этой секции преобладают анаэробные процессы распада органических веществ и полисапробная флора и фауна. В следующих секциях появляется растворенный кислород. В последней секции преобладает микрофлора, характерная для Я-мезосапробной зоны. Кроме того, последние две секции серийных биологических прудов можно использовать для разведения рыбы.

Биологические пруды с природной аэрацией лучше использовать для доочистки (третичной очистки) биологически очищенных сточных вод. Такие биологические пруды дополнительно улучшают качество очищенных сточных вод, исправляют недостатки в работе основных очистных канализационных сооружений и выполняют роль буфера между очистными сооружениями и поверхностным водоемом летом, когда требования к качеству воды в последних, при использовании водоема с оздоровительной целью, особенно высоки.

При использовании аэробных биологических прудов для доочистки биологически очищенных сточных вод гидравлическая нагрузка на 1 га их поверхности может быть увеличена до 5000 м3/га в сутки. БПК20 биологически очищенных сточных вод или после физико-химической очистки, подаваемых на доочистку в биологические пруды, регламентирована СниП 2.04.03-85 (п. 6.201). Она не должна превышать 25 мг 02/л. Для биологических прудов с искусственной аэрацией — не превышать 50 мг 02/л. Обмен воды в биологических прудах для доочистки рассчитан на 1—2 сут. За это время значительно снижаются окисляемость воды, содержание в ней азота аммонийного, в воде отмирает кишечная микрофлора, улучшаются органолептические свойства воды.

В Беларуси с 1950 г. широко используют биологические пруды, в которых самоочищение сточной воды обусловлено интенсивным развитием зеленых водорослей. Они распространены также в США, других странах. В результате фотосинтеза водоросли, усваивая углерод из углекислоты, насыщают и перенасыщают воду кислородом. Благодаря интенсивной аэрации в воде активизируются окислительные процессы. Установлено, что при 138 мг/л беззольного вещества зеленых водорослей, которые выделяются из 1 л воды, в биологических прудах значительно снижается БПК (до 150 мг 02/л в сутки). Скорость бактериального самоочищения воды возрастает в 10 раз. Отмирает патогенная микрофлора в высокощелочной среде (pH 10—11), что создается благодаря ассимиляции водорослями свободной и гидрокарбонатной углекислоты. Продолжительность пребывания сточной воды в таких прудах составляет 8 сут. Сбрасывание зеленых водорослей в открытые водоемы сопровождается значительным улучшением в них условий самоочищения.

С конца 50-х годов XX в. ученые все больше внимания уделяют гидроботаническому способу доочистки сточных вод в биологических прудах с помощью высших водных растений, роль которых в процессах природного самоочищения воды в поверхностных водоемах очень значительна. Это прежде всего камыш обыкновенный, рогоз узколистный, аир и др. Особенно выделяют те виды высших водных растений, которые способны обессаливать воду, поглощать из нее токсические и органические вещества и очищать от энтеробакте-рий группы Escherichia coli, Enterobacter за счет антагонистического действия бактерий, которые вегетируют на корневой системе высших водных растений. Это Alnus glutinosa, Menta aquatica, Iris pseudocorus и др. Они выделяют активные вещества, которые действуют как антибиотики, в частности стрептомицина сульфат.

Высаживая высшие водные растения в каскады биологических прудов, следует придерживаться таких условий: 1) алелопатические выделения растений первого каскада не должны угнетать растения в следующем каскаде, а напротив, стимулировать их вегетацию; 2) после завершения вегетации растения должны отделять стебли и листья от корня. Затем всплывать на поверхность водоема или наоборот после разложения выделять в окружающую среду минимум органических и минеральных веществ; 3) преимущество нужно отдавать тем видам растений, которые способны накапливать биогенные элементы и сорбировать ионы хлора, кальция, натрия и магния на построение своего собственного стебля и листьев.

Благодаря широкому внедрению в биологических прудах высших водных растений, во многих странах мира сегодня решают проблему подготовки поверхностных вод к пополнению запасов подземных водоносных горизонтов, интенсифицируют процессы самоочищения в рыбохозяйственных и природных водоемах. Высшие водные растения предотвращают "цветение" поверхностных водоемов.

Гидроботанический способ доочистки сточных вод в биологических прудах при помощи высших водных растений является высокоэффективным, простым и экономичным способом третичной очистки. Создание проектов биологических прудов с высшими водными растениями, включение их в систему оборотного водоснабжения промышленных предприятий будет способствовать уменьшению сбрасывания неочищенных и недостаточно очищенных сточных вод в поверхностные водоемы.

Аэротенки — искусственные очистные канализационные сооружения, в которых процесс биологического окисления органических веществ сточных вод происходит аналогично самоочищению в поверхностных водоемах, но гораздо интенсивнее. Достигается это посредством бурного по сравнению с водоемами и биологическими прудами, развития биоценоза микроорганизмов активного ила в 1 м3 воды природных поверхностных водоемов биоценоз микроорганизмов занимает площадь 5 м2; в 1 м3 воды биологического пруда — 20 м2; в аэротен-ках в зависимости от концентрации активного ила — 1800—2400 м2) и более интенсивного насыщения ило-водяной смеси в сооружениях благодаря искусственной аэрации среды.

Аэротенк — удлиненный железобетонный резервуар прямоугольной формы, глубиной 2—4 м. Состоит такой резервуар из нескольких секций в зависимости от объема сточных вод, поступающих на биологическую очистку. Каждая секция разделена продольными перегородками на прямоугольные или квадратные коридоры. С одной стороны такая перегородка не доходит до поперечной стенки аэротенка. Соотношение ширины коридора и рабочей глубины составляет от 1:1 до 1:2. По таким коридорам сточная вода движется последовательно из одного в другой, смешивается с активным илом и насыщается кислородом атмосферного воздуха.

На дне аэротенка вдоль боковой стенки на расстоянии 10—15 см одна от другой укладываются перфорированные трубы с отверстиями диаметром 2—2,5 мм. Они обеспечивают циркуляцию смеси в поперечном сечении и ее среднепузырчатую аэрацию. Воздух в такие трубы, а также под фильтровальные пластины, которые также используют для распределения воздуха в аэро-тенке, подают при помощи вертикальных стояков, которые отходят от магистрального воздухопровода, расположенного на продольной стене аэротенка. Надлежащий для нормальной работы аэротенков объем воздуха подается посредством компрессоров или воздуходувок под соответствующим давлением при помощи воздухопровода. Различают мелко-, средне - и крупнопузырчатую аэрацию среды. При мелкопузырчатой аэрации пузырьки воздуха имеют размеры 1—4 мм, среднепузырчатой — 5—10 мм, крупнопузырчатой — более 10 мм. Мелкопузырчатая аэрация обеспечивается керамическими, тканевыми, пластиковыми аэраторами, а также аэраторами форсуночного и ударного типа; среднепузырчатая — перфорированными трубами, щелевыми аэраторами; крупнопузырчатая — открытыми внизу вертикальными трубами, а также соплами.

Сточная вода, которая медленно течет по коридорам аэротенка, пронизывается потоком пузырьков воздуха, быстро движущегося снизу вверх и захватывая сточную воду. На место такой воды по всей длине аэротенка подтекает более тяжелая вода с меньшим содержанием воздуха, благодаря чему вся масса воды приобретает, кроме поступательного, еще и вращательное движение.

Если аэротенк наполнить сточной водой и затем аэрировать такую воду в замкнутом режиме в течение 30 сут и больше, в среде начнет бурно развиваться биоценоз микроорганизмов, так же как биологическая пленка на биофильтрах. Из-за отсутствия твердой основы в аэротенке образуются хлопья, которые состоят из бактерий, простейших, других микроорганизмов и органического вещества. Эти хлопья получили название активного ила. Он играет решающую роль в процессе биологической очистки сточных вод.

Период, в течение которого образуются такие хлопья в аэротенке, называется периодом биологического созревания сооружения. Процесс этот можно ускорить внесением в аэротенк перед его вводом в эксплуатацию активного ила из работающих аэрационных сооружений, осадка из вторичных отстойников после биологических фильтров, который состоит преимущественно из биологической пленки.

Исследования процессов, которые происходят в аэротенке, показали, что биологическая очистка сточных вод происходит в первые две фазы стационарного процесса (см. с. 278). В этот период сточная вода освобождается от органических веществ. Эффект очистки по БПК может быть доведен до 95—98%.

Накопленный во время эксплуатации аэротенка активный ил поступает со сточной водой (ило-водяной смесью) во вторичный отстойник радиального или вертикального типа, где при скорости движения 1 мм/с оседает на дно отстойника. Из вторичного отстойника часть активного ила возвращается в камеру регенерации активного ила, где завершаются третья и четвертая фазы стационарного процесса. Затем регенерированный активный ил подается в аэротенк, смешивается там со сточной водой, отстоянной в первичных отстойниках. Избыток активного ила из вторичных отстойников перекачивается в уплотнитель ила, а затем в метантенки, где подвергается обработке совместно с осадком из первичный отстойников.

Главным преимуществом аэротенка по сравнению с другими сооружениями является возможность руководить процессом очистки. В зависимости от начальной концентрации загрязнений сточных вод, температурных условий, требований к качеству очищенных сточных вод можно: изменить продолжительность пребывания сточных вод в сооружении, концентрацию активного ила, количество воздуха, поступающего в аэротенк и др. Все это регулируется путем лабораторного контроля.

Качество активного ила обусловливается многими факторами. В частности, оно зависит от соотношения массы активного ила (по сухому веществу) и загрязняющих веществ, которые содержатся в сточных водах. Это соотношение характеризует органическую нагрузку на активный ил, выражающуюся количеством загрязнений по БПК в неочищенных сточных водах, относительно общего количества сухой массы ила или ее беззольной части в системе.

Кроме нагрузки на активный ил различают окислительную мощность активного ила, которая выражается количеством переработанных активным илом органических загрязнений. Она зависит от концентрации активного ила (по сухому веществу) в 1 л. В аэротенках разных систем и конструкций она изменяется от 1 до 20 г/л. Важным показателем является также удельная скорость окисления, которая выражается количеством удаленного органического вещества (г БПК на 1 г беззольного вещества ила в сутки).

Показатель качества активного ила — его способность к оседанию. Ее оценивают иловым индексом. Это объем активного ила после 30-минутного отстаивания 100 мл иловой смеси, отнесенной к 1 г сухого вещества. Хорошо минерализованным считается активный ил, имеющий иловый индекс 60—90. Если иловый индекс превышает 150—200, ил может "вспухать", что нежелательно. Существует такое понятие, как возраст активного ила. Это средняя продолжительность пребывания его в аэротенке.

Чем продолжительнее аэрация сточной воды в аэротенке, выше концентрация активного ила в среде и объем воздуха, который подается в аэротенк на единицу объема воды, тем лучше очищается сточная вода.

Различают аэротенки-смесители, аэротенки-вытеснители, на неполную или частичную биологическую очистку. По технологическим схемам аэротенки проектируют на полную биологическую очистку, одноступенчатые, двухступенчатые, аэротенки с регенераторами.

В зависимости от способа подачи и распределения воздуха аэротенки бывают с пневматической, механической аэрацией, с аэрацией смешанного типа.

Циркуляционно-окислительные каналы (ЦОК). Впервые очистные канализационные станции с ЦОК построили в Нидерландах. Сооружение в плане имеет вид замкнутой траншеи с трапециевидным поперечным сечением. В траншею встроен аэратор щеточного типа с горизонтальной осью вращения. Траншеи работали в периодическом режиме. В дальнейшем режим работы окислительного канала приближался к непрерывному. Это достигается применением двух траншей, которые параллельно работают в периодическом режиме. Со временем были разработаны конфигурации окислительных траншей, в которых основной канал работал непрерывно, а дополнительный — периодически.

Технологические испытания и санитарно-гигиенические исследования ЦОК проведены в НИКТИ ГК, АКХ им. К. Д. Памфилова, Национальном медицинском университете (НМУ) имени A. A. Богомольца, других научно-исследовательских учреждениях. Сооружение представляет собой замкнутый, овальной формы канал глубиной 1 м в комплексе с вертикальным отстойником. Объем его определяют из расчета 0,3 м3 на одного жителя. Продолжительность пребывания сточных вод в канализационном сооружении — не менее 1,5 сут. Сооружение предназначено для полной биологической очистки хозяйственно-бытовых и близких к ним по составу промышленных сточных вод от небольших населенных пунктов и отдельно расположенных объектов с водоотведе-нием до 1400 м3/сут. Оптимальная концентрация активного ила в сооружении для достижения процесса составляет 4г/л. Сточная вода от объекта канализо-вания подается в зону работы роторного аэратора ЦОК, пройдя через решетки спрозорами 10—16 мм. В зоне аэрации сточная вода быстро смешивается с активным илом. Иловая смесь беспрерывно выпускается из ЦОК во вторичный отстойник. Там активный ил оседает в течение 1,5 ч и снова перекачивается насосом в ЦОК. Излишек активного ила из вторичного отстойника подается на иловые площадки или подземные иловые траншеи, предложенные кафедрой коммунальной гигиены и экологии НМУ. Площадь иловых площадок определяют из расчета 0,38 м2 на одного жителя. Дренажные воды желательно подавать в окислительный канал для очистки.

Биологически очищенная в сооружении сточная вода обеззараживается, а затем сбрасывается в ближайший водоем в соответствии с требованиями Правил. Сточные воды, очищенные в ЦОК, могут быть отведены на доочистку. В зависимости от местных условий с этой целью устраивают биологические или фильтрационно-обогатительные пруды, разработанные кафедрой коммунальной гигиены и экологии НМУ.

ЦОК разной конфигурации и компоновки отдельных элементов, которые упрощают строительство и эксплуатацию сооружений на равнинной местности и склонах, разработаны в НИКТИ ГХ, Укргипрокоммунстрое, других проект-но-конструкторских учреждениях в Украине и России. В частности, Львовское проектно-конструкторское бюро Министерства мясомолочной промышленности Украины разработало схему очистной станции с ЦОК для предприятий аналогичной отрасли. В состав такой схемы входят последовательно решетки с ручной очисткой, песколовка, нейтрализационная установка, жироулавлива-тель с электрофлотокоагуляцией, ЦОК, вертикальный вторичный отстойник, биологический пруд для доочистки сточной воды, хлораторная с контактным резервуаром, а также иловая насосная станция и устройства для приготовления и подачи биогенных добавок.

Результаты исследований работы ЦОК, проведенные летом и зимой, свидетельствуют об их высокой эффективности при очистке высокоинфициро-ванных и близких к ним по составу промышленных сточных вод.

Аэроокислитель радиального типа (APT). Конструкции APT, совмещенных со вторичными отстойниками, были предложены впервые в Киеве в НИКТИ ГХ и разработаны в четырех типоразмерах для очистных канализационных станций разной производительности. Аэроокислитель конструктивно представляет собой круглый в плане железобетонный резервуар глубиной 2,5—3 м, в состав которого входят две секции — аэрационная и отстойная (рис. 48).

Аэрационная секция представлена внешним кольцом. В центральной его части концентрично расположен вторичный вертикальный отстойник с днищем в виде опрокинутого усеченного конуса.

Основным условием обеспечения надлежащей степени очистки сточных вод и минерализации активного ила в сооружении является поддержание нагрузок в диапазоне: b = 8—12,5 мг БПК20/г ила в 1 ч.

Продолжительность аэрации сточных вод в APT при разных значениях БПК2о должна быть от 0,5 до 1,5 сут.

Продолжительность пребывания ила в отстойной секции должна составлять не более 2 ч.

Очистные канализационные станции с APT предназначены для полной биологической очистки сточных вод небольших городов, рабочих поселков, сельских населенных пунктов, отдельно расположенных объектов (лечебно-профилактических учреждений, санаториев, домов отдыха, пансионатов и др.), а также близких по составу промышленных сточных вод (плодоконсервных заводов, маслосырзаводов, пищекомбинатов, молочных заводов, сточных вод III категории сахарных заводов). Концентрация загрязнений сточных вод, подаваемых на биологическую очистку в APT, по величине БПК20 не должна превышать 2000 мг/л. Расходы сточных вод на одно сооружение должны составлять от 300 до 2100 м3/сут.

Малогабаритные канализационные установки на полное окисление: КУ-12; КУ-25; КУ-200; УКО-25; УКО-100; БИО-25 (50,100) и др. К малогабаритным (компактным) канализационным установкам относят конструктивно компактные сооружения, которые сочетают (порой в одном блоке) весь комплекс процессов по очистке сточной воды — механическую и биологическую очистку, обработку осадка, доочистку и дезинфекцию. Установки занимают небольшие земельные территории, что позволяет разместить их вблизи объекта канализования, снизить стоимость, упростить эксплуатацию и санитарный контроль.

Все компактные канализационные установки рассчитаны на прием и полную биологическую очистку хозяйственно-бытовых и близких к ним по составу производственных сточных вод с концентрацией взвешенных частиц до 325 мг/л и БПК5 — 270 мг 02/л перед поступлением сточных вод в зону аэрации. Если в сточной воде взвешенные частицы и БПК5 не превышают указанных величин, то такую сточную воду подают в установки без предварительной механической очистки. Если же концентрация их выше, то перед подачей сточной воды в зону аэрации компактных установок она должна пройти механическую очистку.

Эффективность очистки сточных вод на компактных канализационных установках заводского изготовления зависит от правильности устройства и эксплуатации сооружений, от систематичности технического надзора за их эксплуатацией и периодического (минимум 1 раз в 1 мес) санитарно-гигиенического контроля. Ежедневно наблюдает за работой компактных установок обученный механик-оператор или электрослесарь.

При правильном устройстве и эксплуатации всей конструктивной схемы с компактными канализационными установками на полное окисление (рис. 49) качество биологически очищенной сточной воды должно отвечать показателям, приведенным в табл. 23.

Наши исследования по гигиенической оценке компактных установок заводского изготовления дали возможность рекомендовать оценочную шкалу (табл. 24) эффективности очистки сточных вод в этих установках и доочистки биологически очищенных сточных вод на сооружениях третичной очистки по бактериологическим показателям.

Аэротенки-осветлители колонного типа конструкции НИКТИ ГХ. В системах малой канализации для биологической очистки сточных вод, малых в том числе, сельских населенных пунктов и отдельно расположенных объектов особенно актуальным является применение аэротенков-осветлителей колонного типа. Новую технологию процесса очистки сточных вод в аэротен-ках-осветлителях колонного типа разработали в НИКТИ ГХ Украины (Киев). Канализационное сооружение имеет вид вертикального резервуара круглой или прямоугольной в плане формы (рис. 50). При помощи системы перегородок сооружение разделяется на зоны аэрации, осветления, дегазации и рециркуляции. Зона осветления в виде ярусов расположена по всей высоте сооружения и значительно превышает по объему зону аэрации. Последняя является практически камерой насыщения ило-водяной смеси кислородом воздуха. Образование ярусного взвешенного слоя активного ила с развитой суммарной поверхностью дало возможность интенсифицировать процесс очистки в сооружении и реализовать эффект, который обеспечивается биосорбцией микроорганизмами активного ила. Благодаря значительной гидравлической пропускной способности биологически очищенная сточная вода после кратковременного контакта с илом фильтруется с большой скоростью через взвешенный слой активного ила и выводится из зоны аэрации. Окисляются загрязнения во время пребывания активного ила в зоне аэрации.

Следовательно, аэротенк-осветлитель колонного типа можно рассматривать как ферментер, который работает по принципу хемостата с внутренним содержанием биомассы. Многоярусный взвешенный слой активного ила в сооружении выполняет роль реактора. В нем одновременно происходят процессы сорбции органических веществ на частицах активного ила, их окисление и отделение ила из ило-водяной смеси. Соединение в единый технологический процесс фаз изъятия, окисления и распределения иловой смеси во взвешенном слое активного ила дает возможность считать этот процесс самостоятельной стадией очистки.

Принцип работы аэротенка-осветлителя колонного типа состоит в следующем: осветленная в первичном отстойнике (4) сточная вода поступает в зону аэрации установки (7). Там она аэрируется и смешивается с активным илом. Насыщенная кислородом иловая смесь с верхней части зоны аэрации через переливные окна (9) поступает в ярусную камеру осветления ( 10). Там она фильтруется через взвешенный слой активного ила, поднимается вверх и отводится по трубопроводу (13) из установки или на фильтр доочистки (14). Доочищен-ная сточная вода по трубопроводу (15) отводится из установки на следующий этап (сбрасывание в водоем).

По такому же принципу работают и аэротенки-осветлители колонного типа блочно-модульной конструкции со струйной аэрацией, также аэротенк-ос-ветлитель коридорного типа (рис. 51).

Компактные очистные сооружения с биобарабанами предназначены для небольших объемов сточных вод. Это сооружения с фиксированной и свободно плавающей микрофлорой. Этот метод очистки сточных вод получил значительное распространение на станциях с разной производительностью, в том числе на малых объектах, в частности в сельской местности. Преимущество его состоит в том, что закрепленные на биобарабанах микроорганизмы не выносятся из сооружений во время колебания состава сточных вод, поступающих в установки, а также при наличии в стоках токсических примесей. В отличие от аэротенков, такие сооружения характеризуются высоким стойким эффектом очистки сточных вод, быстрым удалением загрязнений, меньшей мате-риало - и металлоемкостью.

Погружные биофильтры новой конструкции — биобарабаны со стеклоер-шовой загрузкой для закрепления микроорганизмов — предложил Макеевский инженерно-строительный институт. Они имеют значительную сорбционную поверхность (1500 м2 на 1 м3 объема биобарабана, что на порядок больше, чем у биодисков) и большее количество микрофлоры (до 15 кг на 1 м3 объема биобарабана). Это обеспечивает высокую стойкость очистного сооружения к качеству загрязняющих веществ, которые поступают со сточными водами. Очистка сточных вод на предложенном сооружении характеризуется интенсивным течением процессов минерализации органических веществ. Об этом свидетельствует уменьшение БПК5 на 91,07%, содержания взвешенных частиц — на 97,41%, СПАВ — на 94, 77%, нефтепродуктов —- на 97,55%, фосфатов — на 27,71%, сапрофитной микрофлоры — на 84,21%, повышение коли-титра — на 99,57%, уменьшение количества азота аммонийного — на 75,51%. При этом содержание сульфатов, хлоридов и жесткость сточных вод не изменяются. В то же время сточные воды, очищенные на сооружениях с биобарабанами, подлежат обязательному обеззараживанию. Для достижения эффективной очистки сточных вод носители иммобилизованных клеток бактерий должны иметь большую удельную поверхность сорбции, осуществлять малое гидравлическое сопротивление потоку движущейся жидкости и быть недорогими. Таким требованиям отвечают пенополиуретан, щебень, гравий, керамзит, изделия из стекловолокна. Как свидетельствуют исследования, указанный спектр носителей сорбирует в среднем до 80% бактериальных клеток. По уменьшению адсорбционных свойств эти материалы могут быть размещены в следующем порядке: керамзит — пенополиуретан — ерши из стекловолокна. В этой системе биологической очистки вместе с бактериями участвуют и ресничные простейшие, способствующие флокуляции бактерий и минерализации органических соединений.

Автоматическая станция "Симбиотенк" (рис. 52) является компактным комбинированным сооружением аэробной биологической очистки сточных вод. В симбиотенке формируется биоценоз, представленный авто - и гетеротрофной микрофлорой и микроводорослями, иммобилизованными на полупогружных дисках заключительных модулей сооружения. Благодаря жизнедеятельности микрокосмов организмов родов Chlorella, Ankistrodesmus и Scenedesmus, компактно иммобилизованных на дисках, происходят в единой технологической цепи процессы деструкции органических загрязнений сточных вод, их нитри фикация и удаление биогенных элементов. Кроме того, биоценоз симбиотенка обладает высокой антимикробной активностью благодаря продуцированию так называемых вторичных антимикробных соединений — гекса - и октадекатетраеновых жирных кислот.

Качество сточных вод, прошедших сооружение, отвечает требованиям, при соблюдении которых их можно сбрасывать в естественные водоемы. Высокая эффективность очистки и доочистки сточных вод, простота конструкции, минимальное количество обслуживающего персонала, долговечность и надежность в работе автоматической станции "Симбиотенк" свидетельствуют о перспективности применения экологически чистой и энергосберегающей технологии в системе малой канализации населенных пунктов.