Биологические методы очистки сточных вод

В связи с продолжающимся ростом населения Земли, а также с активной урбанизацией и расширением границ техносферы, увеличивается потребность в воде для питьевых, бытовых и промышленных нужд. Так как запасы чистой воды не безграничны, а сбросы от предприятий и городов постоянно увеличиваются, ухудшая состояние водных объектов, актуальным направлением остается повышение степени эффективности очистки сточных бытовых и производственных вод.

Среди множества технологий очистки сточных вод наиболее универсальным, эффективным и энергоемким является биологический метод очистки, основанный на окислительной способности микроорганизмов.

В данной статье рассмотрены основные положения, касающиеся понятия биологической очистки сточных вод различного происхождения. В статье приведены общие принципы и механизмы удаления загрязняющих компонентов в ходе жизнедеятельности микроорганизмов, даны определения таким понятиям как аэротенк, биофильтр, аэробная, анаэробная и аноксидная зона, активный ил. Кроме того, приведены различные реализации методов биологической очистки, в т.ч., описана технологическая схема модульной установки биологической очистки с мембранным разделением иловой смеси «ДекаПроф-500»

Истоком применения микроорганизмов для очистки сточных вод можно считать искусственные поля фильтрации, которые появились в начале 19 века. Суть очистки заключалась в прохождении воды через слой почвы. Очищенная вода повторно использовалась в сельском хозяйстве.

В результате усовершенствования полей фильтрации в 1893 году в Англии и в 1908 году в России появились первые биофильтры, которые позволяли значительно сократить используемую для очистки площадь, а также работать в зимнее время.

Первое упоминание аэротенков датируется 1914 годом. Как и сейчас, в то время аэротенки работали за счет активного ила, как эффективного средства разложения вредных веществ в сточных водах. В нашей стране аэротенки стали появляться после ХII Всероссийского водопроводного и санитарно-технического съезда. На съезде были представлены доклады об очистке сточных вод посредством активного ила, что положило начало возведению подобных сооружений.

Первой станцией очистки, построенной на территории нашей страны стала станция аэрофильтрации имени Кожухова. На станции применялись комбинированные системы очистки, которые включали в себя все известные на тот момент сооружения – биофильтры, биологические пруды, аэротенки.

Дальнейшее развитие биологической очистки продолжалось весь 20 век. На сегодняшний день биологическая очистка сточных вод наиболее популярный метод очистки загрязненных органическими соединениями вод. На базе биологической очистки создано огромное количество сооружений и аппаратов. Биологическая очистка в наши дни применяется как в совокупности с другими физико-химическими методами, так и самостоятельно.

Биологическая очистка сточных вод в общем представлении – это совокупность технологических процессов очистки вод, основанных на окислительной способности микроорганизмов. Иными словами, процесс биологической очистки представляет собой процесс «поедания» загрязнителей органической природы различными видами микроорганизмов, использующих их в качестве субстрата для своей жизнедеятельности.

В зависимости от метода биологической очистки данные микроорганизмы могут находится в различных состояниях – взвешенном или прикрепленном.

В аэротенках (реакторах биологического окисления) организмы пребывают в качестве свободно плавающей массы – взвешенных образований, называемых флоками. Флоки – это скопления микроорганизмов, простейших, водных грибов и дрожжей. При этом ил, содержащий микроорганизмы, способные сорбировать, осаждать и разлагать загрязняющие вещества в поступающих сточных водах, называется активным илом. Размер флоков активного ила колеблется от 10 мкм до 1 мм, что позволяет очищать от них воду путем отстаивания или фильтрации. Бактерии в активном иле путем естественного процесса находятся в иммобилизованном состоянии. Иммобилизованное состояние микроорганизмов характеризуется их объединением, связыванием и обездвиживанием гелем, который образуется в результате жизнедеятельности микрофлоры активного ила.

Иной формой существования биоценоза является биопленка – биомасса микроорганизмов, сформированная и закрепленная на поверхности кого-либо материала или загрузки. Она имеет вид слизистых образований толщиной 1–2 мм и состоит из бактерий, грибов, дрожжей, личинок насекомых, червей, клещей и других микроорганизмов. Сообщество биопленки аналогично активному илу способно сорбировать и окислять загрязнители органической природы.

Наиболее популярными представителями сформированного биоценоза являются бактерии родов Pseudomonas, Bacterium, Micrococcus, Sarcina, Bacillus, Azotobacter, Zoogloea ramirera и другие. Состав и разнообразие биоценоза при этом сильно зависит от таких внешних факторов как: концентрация кислорода, значение водородного показателя, концентрация специфических загрязнителей (нефтепродукты, фенолы, ПАВы, тяжелые металлы) в составе сточных вод. Таким образом, на очистных сооружениях биологической очистки при постоянном неизменном составе поступающих на очистку сточных вод формируется микробиологическое сообщество с набором определенных видов, наиболее устойчивых к воздействию лимитирующих факторов.

Аэробный процесс окисления реализуется аэробными микроорганизмами строго в присутствии кислорода.

На очистных сооружениях при контакте микроорганизмов активного ила с углеродосодержащими (органическими) соединениями в аэробных условиях происходят следующие процессы:

1)    Окисление органических веществ

C_xH_yO_z + n(x + 0,25y - 0,5z)O₂ → xCO₂ + 0,5yH₂O + ΔW

2)    Синтез биомассы

C_xH_yO_z + nNH₃ + n(x + 0,25y - 0,5z - 5)O₂ → n(C₅ H₇NO₂) + n(x - 5)CO₂ + 0,5n(y - 4)H₂O-ΔW

3)    Окисление клеточной биомассы

n(C₅H₇NO₂) + 5nO₂ → 5nH₂O + nNH₃ + ΔW

где C_xH_yO_z  – молекулярная формула рассматриваемого органического вещества (х – количество атомов С, у – количество атомов Н, z – количество атомов О); C₅H₇NO₂ – обобщенная формула активного ила.

Механизм процесса очистки сточных вод от органических соединений начинается с того, что на хлопки активного ила постепенно адсорбируются коллоидные частицы и высокомолекулярные соединения. Микроорганизмы активного ила, вступая с ними в контакт, начинают выделять пищеварительные ферменты энзимы, поэтому взаимодействие носит ферментативный характер. Выделяемые микроорганизмами ферменты являются избирательными катализаторами. После контакта органических соединений с энзимами начинается гидролитическое расщепление сложных молекул до более простых. Получившиеся в процессе распада низкомолекулярные соединения спокойно проходят через мембрану клетки и вступают в ферментативные реакции уже внутри ее. Далее происходит цепочка химический реакций и превращений, указанных в уравнениях 1–3.

Важным условием для процесса аэробного окисления органических соединений является концентрация растворенного кислорода в воде не ниже 0,6 мг/л. Однако из-за того, что микроорганизмы слипаются в хлопки, аэробным бактериям внутри хлопка необходимо содержание кислорода в иловой смеси на уровне 1,5–2,0 мг/л, в противном случае внутри хлопка развиваются анаэробные условия, что приводит к ухудшению качества очистки.

К сооружениям, реализующим окисление органических соединений в присутствии кислорода, относятся биологические пруды, аэротенки и биофильтры.

Анаэробный процесс окисления органических соединений — это реакция, которая происходит без участия кислорода или его присутствия в процессе. В природе, этот метод получения энергии используют живые организмы в среде, куда не поступает воздух, например, в глине, под землёй, в грязи, болотах и гниющих веществах. На биологических очистных сооружениях анаэробные условия создаются искусственно в целях образования биоценоза анаэробных видов микроорганизмов.

В результате анаэробного сбраживания под действием ферментов микроорганизмов и при условии полного отсутствия кислорода исходные органические соединения расщепляются до жирных кислот, и, далее до углекислого газа и метана.

К сооружениям, реализующим анаэробную очистку сточных вод, относятся различные вариации септиков, метантенки и сбраживатели.

Наиболее эффективным и простым способом борьбы с процессом эвтрофикации является глубокая биологическая очистка сточных вод, в результате которой удается снизить концентрации соединений азота и фосфора до нормативов.

Очистка вод от азота происходит последовательно в несколько этапов. На первой стадии происходит окисление аммонийного азота до нитритов. Нитриты в результате процесса нитрификации окисляются до нитратов, а те в свою очередь в результате процесса денитрификации восстанавливаются до газообразного азота.

В результате жизнедеятельности бактерий группы NITROSO и NITRO, участвующих в процессе нитрификации, часть азота потребляется на клеточный синтез, одновременно с этим органический азот из клеток переходит в аммонийный в результате самоокисления клеток бактерий.

Схема превращений соединений азота

Процесс биологического удаления фосфора основывается на его поглощении в результате жизнедеятельности микроорганизмов сначала в бескислородных условиях, а затем в присутствии кислорода. На первой стадии в анаэробной зоне гетеротрофные фосфорнакапливающие микроорганизмы выделяют фосфор в сточную воду, а на второй стадии в аэробных условиях поглощают его с повышенной интенсивностью. Кроме того, в присутствии кислорода происходит минерализация органического фосфора в ортофосфаты. Часть нерастворимых соединений фосфора удаляется из воды вместе с активным илом, который способен к сорбции.

Схема превращений соединений фосфора

1. технологию биологического удаления азота и физико-химического удаления фосфора (БНДХФ);

2. технологию биологического удаления азота и биологического удаления фосфора (БНДБФ);

3. технологию биологического удаления азота и биологического удаления фосфора с дополнительной ацидофикацией стока (БНДБФ-А);

4. технологию биологического удаления азота и фосфора с дополнительным химическим удалением фосфора (БНДБХФ).

Технология БНДХФ – это процесс нитри-денитрификации с дополнительным внесением химических реагентов для доочистки от фосфора. Технология обеспечивает очистку сточных вод от взвешенных и органический веществ, кроме того, удалению подвергается азот и фосфор. Внедрение данной технологии приводит к увеличению объема очистного сооружения за счет выделения объема под аноксидную зону. Также технология подразумевает использования большого количества реагентов, что приводит к дополнительным затратам.

Технология БНДБФ реализуется за счет биологической нитри-денитрификации и удаления фосфора. Внедрение данной технологии сопровождается значительной реконструкции сооружений с увеличением их объема (выделение аноксидной и анаэробной зоны), но не требует использование реагентов.

Технология БНДБФ-А подразумевает биологическую нитри-денитрификацию с биологическим удалением фосфора при дополнительной ацидофикации стока. Технология не требует применение реагентов и обеспечивает стабильную очистку от фосфора до заданной концентрации. Однако технология требует увеличения объема и реконструкции сооружений очистки.

Технология БНДБХФ – это процесс нитри-денитрификации, сопровождающийся биологическим удалением фосфора и внесением реагентов. Использование реагентов в этом случает значительно меньше, чем в технологии БНДХФ/

Удаление биогенных элементов – азота и фосфора из поступающих сточных вод обеспечивается за счет биологического метода глубокого удаления. Очистки происходит за счет чередования аэробных, аноксидных и анаэробных зон. Благодаря этому создаются условия для снижения концентраций общего фосфора и азота до 1,5 мг/дм³ и 10 мг/дм³ соответственно. В аэробной зоне повышенная концентрация растворенного кислорода (до 2 мг/дм³) обеспечивает процесс нитрификации и дефосфотации. Аноксидная зона практически лишена растворенного кислорода, в ней происходит процесс денитрификации. Анаэробная зона обеспечивает сбраживание органических веществ до ацетатов, которые являются «пищей» для фосфорных бактерий.

Фосфорные бактерии в процессе выделяют в среду фосфаты. На данный момент на практике используются несколько технологических схем глубокого удаления фосфора и азота с разными сочетаниями аэробных, аноксидных и анаэробных зон. Среди наиболее распространенных и эффективных можно выделить: анаэробно-оксидный процесс (А/О), схема Людчака – Этингера, анаэробный/Аноксидный/Аэробный (А2/O) процесс, процесс UCT (University of Cape Town), Йоханнесбургский процесс (процесс JHB), процесс Барденфо (Bardenpho), технологическая схема Phoredoxmodification. Достоинства и недостатки каждой из схем занесены в таблицу 1.1. В таблице 1.2 представлены сравнительные характеристики процессов A2/O, VIP, UCT и Bardenpho.

Таблица 1.2 – Основные параметры технологических схем A2/O, VIP, UCT и Bardenpho

Окончательный выбор схемы осуществляется на основании технико-экономического сравнения вариантов. Кроме того, можно выделить огромное множество различных модификаций рассмотренных классических схем.

На сегодняшний день одной из наиболее изученных и эффективных вариаций классических схем биологической очистки является схема с применением мембранного биореактора (МБР). Несмотря на то, что технологии, основанные на мембранном разделении известны еще с конца 1960‑х годов, этот метод получил интенсивное развитие только в последние 20−25 лет. Мировой опыт применения технологий МБР показывает высокую эффективность очистки сточных вод как на малых, так и на больших очистных сооружениях. Отличительной особенностью МБР является применение мембранного разделения очищенной воды и иловой смеси в результате ультрафильтрации через поры волокна – в классических схемах биологической очистки отделение активного ила происходит в сооружениях вторичного отстаивания под действием силы гравитации. Применение МБР позволяет сэкономить занимаемую очистными сооружениями площадь и повысить эффективность очистки за счет более высокой концентрации активного ила в биореакторе.

На сегодняшний день существует множество типов применяемых мембранных модулей, отличающихся видом мембраны, ее материалом и размером пор, а также способом монтажа. Примером очистных сооружений, где применяется технология МБР и используются как плоскорамные, так и половолоконные мембраны, могут служить установки по очистке хозяйственно-бытовых сточных вод «ДекаПроф» от российской компании «Дека».

Наши специалисты имеют большой опыт внедрения и эксплуатации на различных объектах технологии МБР с применением мембран немецких, японских и китайских производителей. Все объекты прошли государственную экспертизу, успешно функционируют и эффективно очищают сточные воды в соответствии с нормативами предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения.

В 2019 г. «Дека» первой в Ленинградской области применила технологию МБР на объекте с. Путилово производительностью 600 м³/сут. Объект успешно эксплуатируется, замена мембран с момента запуска не производилась.

Модульные очистные сооружения в п. Гончарово Ленинградской области производительностью 300 м³/сут имеют две параллельные линии, где используются мембраны японского и китайского производства. По эксплуатационным характеристикам и показателям степени очистки мембрана китайского производства не уступает японскому аналогу.

Практика эксплуатации свидетельствует, что важное значение имеют как характеристики самой мембраны, так и грамотно разработанная технологическая схема применения мембранного биореактора. Правильно выстроенная технологическая схема применения МБР обеспечит эффективную работу очистных сооружений со сроком службы самих мембранных элементов до 10 лет.

На сегодняшний день, биологическая очистка сточных вод, основанная на окислительной способности микроорганизмов, остается одним из наиболее надежных, эффективных и применяемых методов очистки хозяйственно-бытовых и близких к ним по составу сточных вод. Обширная вариация методов биологической очистки позволяет унифицировать решение поставленной задачи по очистке стоков в каждом конкретном случае. Наилучшим решением для нейтрализации хозяйственно-бытовых сточных вод с точки зрения компактности, эффективности и автономности являются модульные установки биологической очистки с применением технологии МБР.

Компания «Дека» обладает обширным опытом проектирования, поставки, пусконаладки и эксплуатации установок с применением МБР.