Уткина Н. Е.

Алтайский государственный гуманитарно – педагогический университет В. М. Шукшина, Россия

Анализ биологической очистки сточных вод как высокоэффективной системы защиты водоемов

 

Одной из острейших экологических проблем современного общества, которая с каждым годом приобретает все большее значение, является очистка сточных вод. Актуальность проблемы сохранения водных ресурсов не вызывает сомнений [4]. По статистическим данным ежедневно в РФ сбрасывается порядка 1,5 млн. м3 жидких бытовых сточных вод [5]. Анализ состава сточных вод показывает, что 85 % его состава содержит органические отходы человеческой деятельности.

В настоящее время многие водоемы мира из-за загрязнения утратили свое значение как источники рыбохозяйственного и санитарно-бытового водопользования[2].

Согласно современному подходу очистка сточных вод – это процесс утилизации составляющих её химических веществ и элементов, имеющих энергетическую, удобрительную, и иную ценность, а также утилизации тепловой энергии самих сточных вод [.6, 7]

Для более качественной очистки на последних стадиях иногда вводят водохранилища, вода в которых фильтруется твердыми (медленными) фильтрами. Однако процесс фильтрации занимает значительный временной промежуток, фильтры имеют незначительный ресурс и требуют периодической, высокозатратной очистки или замены [3]. Качество воды в таких сооружениях, хоть и находится на достаточном уровне, но сам процесс фильтрации не получил широкого распространения при больших объемах очистки. Подобно приведенной технологии не нашли широкого применения и фильтры тонкой очистки. Незначительный срок их эксплуатации, и как следствие высокие капитальные и эксплуатационные затраты, свели на нет использование последних на очистных сооружениях городских сточных вод.

Для уменьшения энергозатрат и повышения эффективности очистки бытовых стоков используют методы биологической очистки [1]. Эти методы основаны на использовании бактерий, которые в своей жизнедеятельности поедают мельчайшие остатки взвешенных и растворенных в воде органических соединений [1].

Биологическая очистка перед другими методами имеет ряд значительных преимуществ. Микроорганизмы осуществляют полное разложение бытовых стоков до нейтральных продуктов (газ и вода), обеспечивая при этом круговорот веществ в природе. Таким образом, биологическая очистка в отличие от других способов не извлекает и не переводит загрязнения в другие формы, что обеспечивает практически безотходность производства. В то же время биологические методы менее затратные, так как за  исключением капитальных вложений почти не требуют эксплуатационных расходов. При этом основной рабочий компонент, активный ил, при благоприятных условиях самовоспроизводится.

В то же время следует отметить, что возможности методов биологической очистки к настоящему времени далеко не полностью исчерпаны. Актуальность проблемы интенсификации процессов биологической очистки сточных вод несомненна, т.к. повышение технико-экономических показателей этого способа обработки при широких масштабах его применения позволит дать значительный экономический эффект народному хозяйству страны[8].

Все методы биологической очистки в основном подразделяются на аэробные (с использованием растворенного в сточных водах кислорода) и анаэробные (доступ к кислороды микроорганизмы не получают).

Основными представителями аэробных методов являются аэротенки и биофильтры. В аэротенках процесс очистки осуществляется микроорганизмами. В процессе взаимодействия микроорганизмов друг с другом образуется активный ил, размер хлопьев, которых составляет в пределах от 1 до 4 мм. Биологическая очистка при этом осуществляется в ходе продвижения активного ила и сточной жидкости по коридору аэротенка.

В ходе этого движения различают следующие процессы — деструкцию и трансформацию органического загрязнения микроорганизмами и биосорбцию загрязнения с образованием активного ила. Сорбируются как органические загрязнения, так и минеральные [10].

Биофильтр представляет собой герметичный объект, размещаемый на ровной площадке. Механизм изъятия органических загрязнений из сточных вод осуществляется при контакте очищаемой сточной жидкости с активной биомассой. При этом активная биомасса биофильтра представляет собой структуру в виде биологическую пленку. Нужно иметь ввиду, что видовой состав, из которого состоит биопленка гораздо разнообразнее. Эта специфика, однозначно, повышает эффективность и стабильность очистки сточных вод.

Основным преимуществом биофильтров по сравнению с аэротенками является естественное соответствие качества питательных веществ качеству потребителей. Качество субстрата обусловливает формирование биоценоза по ходу потока и создание оптимальных условий для очистки сточных вод. При эксплуатации не наблюдается вспухание активного ила, пенообразование, вынос активного ила из сооружения [11].

Анаэробные способы очистки сточных вод представлены различными септиктенками, сбраживателями и биофильтрами с обратной фильтрацией. Все представители данной группы не получили широкого применения очистки сточных бытовых вод из-за высокой стоимости высокопористых насадок, ограничений по взвесям в стоках и необходимости периодической трудоемкой промывки биофильтров [9].

Способы биологической очистки, как видно, обладают рядом преимуществ : низкое энергопотребление; возможность автономной работы и использовании изымаемых излишек активного ила в качестве удобрения; отсутствие при обработке вредных химических веществ; отсутствие в стоках примесей и взвесей. Однако эти методы требуют в аэротенках заданного уровня насыщения кислородом и температуры в очищаемой жидкости [11].

Процессы преобразования органических веществ и энергии, протекающие при биологической очистке сточных бытовых вод, можно представить в виде системы реакций [9]:

CxHyOz+ O2CO2+H2O+ ;

(1)

CxHyOz+NH3+ (клеточное вещ-во)+H2O;

(2)

(клеточное вещ-во)+O2CO2+H2O+NH3+

(3)

 

Уравнение (1) показывает процесс окисления органического вещества, уравнение (2) - процесс синтеза клеточного материала. Уравнение (3) описывает процесс самоокисления бактериальных клеток активного ила.

Качество очистки биологическими методами зависит, прежде всего, от скорости окисления поверхности микроорганизмов, входящих в состав активного ила. Скорость окисления определяется скоростью доставки органических веществ к поверхности бактериальных клеток. Доставка осуществляется с помощью молекулярной диффузии.

При перенасыщении флоккулы, ее размеры достигают значительных критических величин и ее способность к очищению падает. Таким образом, образуется вспухающий ил, от которого нужно избавляться и поддерживать оптимальный размер флоккул режимами механического воздействия [10].

Биологическая очистка сточных вод является самой эффективной и экологичной на сегодняшний день. Она обеспечивает высокую степень очистки и является химически безопасной по сравнению с другими методами. Однако ее эффективность в значительной степени зависит от размера флоккул активного ила. Поэтому разработка методов позволяющих за короткий промежуток времени эффективно изменять размеры флоккул до пределов, определяющих их наиболее активное состояние, является актуальной задачей в области водоочистки [11].

Литература:

1. Мосин О.В. Биологическая очистка сточных вод. [Электронный ресурс] - Режим доступа. - URL: http://www.o8ode.ru/article/planetwa/oprecnenie/biologi4eckaa_o4ictka_cto4nyh_vod.htm (дата обращения 1.04.2016).

2. Биологическая очистка сточных вод [Электронный ресурс] – Режим доступа. – URL http://www.ecosystema.ru/07referats/b_och_water.htm (дата обращения 30.03.2016)

3.Нюансы очистки сточных вод [Электронный  ресурс] — Режим доступа. — URL: http://kanalizaciya-expert.ru/naruzhnaya/stochnye-vody/ochistnye-sooruzheniya-kanalizacii-99 (дата  обращения 31.03.2016).

         4. Бабкин, В.Ф. Анализ методов локальной очистки сточных вод // Экология производства.- №10.- 2010 г.- С.73.

5. Ветошкин А.Г. Процессы и аппараты защиты гидросферы - [Электронный ресурс] - Режим доступа. -  URL: http://bookbk.net/book/127-processy-i-apparaty-zashhity-gidrosfery-vetoshkin-ag/7-14-metody-i-sposoby-ochistki-stochnyx-vod-ot-primesej.html (дата обращения 31.03.2016).

6. Kalogo Y.,Monteith H. Energy and Resource Recovery from Sludge.- IWAPublishing, 2012. – 248 с.

7. Lazarova V., Kwang-Ho Choo, Cornel P. Water – Energy Interactions in Water Reuse. IWAPublishing, 2012. - 360 с.

8. Заря, И. В. Моделирование процессов биологической очистки сточных вод в системах с иммобилизованной микрофлорой [Текст] : автореф. дис. на соиск. ст. канд. тех. наук (03.00.23) / Заря Ирина Валерьевна; Рос. акад. с/х наук. - Щёлково,2006. – 188 с.

9. Хенце М., Армоэс П., Ля – Кур - Янсен Й., Арван Э. Очистка сточных вод. Биологические и химические процессы/ М.: Мир, 2004. - 480c.

10. Калицун В.И., Николаев В.Н., Журавлёв В.Д., Картавцева М.Г. Современные методы интенсификации работы аэротенков на очистных сооружениях больших городов: обзорная информация / М.: МГЦНТИ. - Вып. 6. - 1985. - 24 с.

11. Максимов С. П. Обзор методов биологической очистки сточных вод. /  Материалы XLI Международной научно-практической конференции «Технические науки - от теории к практике».- Новосибирск, 24 декабря 2014 г.) [Электронный ресурс] - http://sibac.info/conf/tech/xli/40523