Зачем биопруды для очистки сточных. Биологические пруды

Аэробные процессы биохимической очистки могут протекать в природных условиях и в искусственных сооружениях. В естественных условиях очистка происходит на полях орошения, полях фильтрации и биологических прудах. Искусственными сооружениями являются аэротенки и биофильтры разной конструкции. Тип сооружений выбирают с учетом местоположения завода, климатических условий, источника водоснабжения, объема промышленных и бытовых сточных вод, состава и концентрации загрязнений. В искусственных сооружениях процессы очистки протекают с большей скоростью, чем в естественных условиях.

Поля орошения

Это специально подготовленные земельные участки, используемые одновременно для очищения сточных вод и агрокультурных целей. Очистка сточных вод в этих условиях идет под действием почвенной микрофлоры, солнца, воздуха и под влиянием жизнедеятельности растений.

Земледельческие поля орошения имеют следующие преимущества перед аэротенками:

1) снижаются капитальные и эксплуатационные затраты;
2) исключается сброс стоков за пределы орошаемой площади;
3) обеспечивается получение высоких и устойчивых урожаев сельскохозяйственных растений;
4) вовлекаются в сельскохозяйственный оборот мало продуктивные земли.

Поля орошения лучше устраивать на песчаных, суглинистых и черноземных почвах. Грунтовые воды должны быть не выше 1,25 м от поверхности. Если грунтовые поды залегают выше этого уровня, то необходимо устраивать дренаж.

[принимают равными 5-20 м 3 (га*сут)]

B зимнее время сточную воду направляют только на резервные поля фильтрации. Так как в этот период фильтрация сточной воды или прекращается полностью или замедляется, то резервное поле фильтрации проектируют с учетом площади намораживания Fн (в м 2):

где Q - расход сточных вод, м 3 /сут; Tн - число дней намораживания; ? - коэффициент, характеризующий величину зимней фильтрации; hн и hо - высоты слоев соответственно намораживания и зимних осадков, м; ?л - плотность льда, кг/м 3 .

Биологические пруды

Представляют собой каскад прудов, состоящий из 3-5 ступеней, через которые с небольшой скоростью протекает осветленная или биологически очищенная сточная вода.

Пруды предназначены для биологической очистки и для доочистки сточных вод в комплексе с другими очистными сооружениями. 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.

Послемеханической обработки в воде остаются частьвзвешенных веществ, растворенныеорганические вещества и большое количествомикроорганизмов . Биологический методоснован на использовании жизнедеятельности аэробныхмикроорганизмов , для которыхорганические веществасточных вод (в растворенном и коллоидном состоянии) являются источникомпитания . При наличии свободногокислорода в сточных водах микроорганизмыокисляют (минерализуют) органические вещества.

Основнойцелью биологической очистки городских сточных вод являются разложение и минерализация органических веществ, находящихся в коллоидном и растворенном состоянии. Эти вещества нельзя удалить из стоков механическим путем.Освобождение сточных вод от органических веществ происходитв двефазы .

Первая – фазасорбции . В основе ее лежат физико-химические процессы адсорбции органических веществ и коллоидов поверхностью микробной клетки.Вторая фаза– последовательноеокисление растворенных и адсорбированных органических веществ, в основе которого лежит усвоение микроорганизмами органических веществ.

С гигиенической точки зрения полнаяминерализация всех органических примесей сточных вод не считается необходимой.Задача биологической очистки городских сточных вод состоит в минерализации органических веществ до такой степени, при которой сточные воды можно было бы сбросить в водный объект, не нарушая его санитарного режима.

Распад органических соединений разных классов происходит в определеннойпоследовательности и с различнойскоростью . Разложениеуглеводов до углекислого газа и воды идет чрезвычайно быстро, всего несколько часов. Медленнее окисляютсяжиры . Наиболее сложно и длительно осуществляется распадбелковых веществ, поступающих в сточные воды большей частью в виде мочевины. Мочевина гидролизуется под влиянием бактерий до карбонатааммония . На следующем этапе аммонийные соли окисляются внитриты , затем нитриты превращаются внитраты .

Процесснитрификации связан с потреблением большого количествакислорода , что учитывается при организации биологической очистки. Нитрификация – процессэкзотермический , это значительно облегчает эксплуатацию очистных сооружений взимнее время. Нитрификацию следует рассматривать не только как минерализацию азотистых органических шлаков, но и как накопление связанного кислорода в воде. При дефиците кислорода в водном объекте связанный кислород нитратов может быть мобилизован в процесседенитрификации .

Условиями жизнедеятельности микроорганизмов являются:

Температура в пределах 20 – 30 о С;

РН в пределах 6,5 – 7,5;

БПК полн :N : Р = 100: 5: 1;

Концентрация кислорода не менее 2 мг/л;

БПК нач 5000 мг/л; БПК кон 10 мг/л;

Невысокое содержание токсичных веществ (в пределах ПДК б), в противном случае гибнет микрофлора.

Биологическая очистка сточных вод может происходить в естественных и искусственных условиях.

1) Очисткав естественных условиях (почвенные методы). Способ известен сдревних времен. Он используется в основном для очисткибытовых игородских сточных вод, а не чисто производственных. Для очистки сточных водприменяют поля орошения, поля фильтрации и биологические пруды (биопруды).

А)Земледельческие поля орошения (ЗПО) – это специально подготовленные (спланированные)участки земли для приема предварительно очищенных (прошедшихмеханическую очистку) сточных вод с целью ихдоочистки . Поля состоят изкарт , спланированных горизонтально или с незначительнымуклоном и разделенных земляными оградительнымиваликами . Онииспользуются одновременно для очистки сточных вод иагрокультурных целей. Очистка в этих условиях идет поддействием почвенной микрофлоры, солнца, воздуха и под влиянием жизнедеятельности растений. Сточная вода распределяется по картаморосительной сетью. Вода, профильтрованная через слой почвы, отводитсяосушительной сетью.

Прифильтрации сточных вод через почву в ее верхнем слое задерживаютсявзвешенные и коллоидные вещества, образующие на поверхности густонаселенную микроорганизмамипленку . Пленкаадсорбирует на своей поверхности растворенные вещества, находящиеся в сточных водах. Микроорганизмыминерализуют органические вещества с использованием растворенногокислорода .

Очистка сточных вод на полях фильтрации происходит в результате жизнедеятельностимикрофлоры , населяющей почву. В 1 г почвы присутствуют сотни тысяч, а в некоторых почвах до миллиардабактерий . При орошении сточной водой, содержащей много питательного субстрата, увлажняющей и согревающей, создаютсяусловия для интенсивного размножения и ускорения обменных реакций почвенного биоценоза. Каждая структурная единица почвы на полях оказывается покрытой сплошным слоем микрофлоры – так называемой биологическойпленкой . На поверхности биопленки сорбируются и минерализуются растворенные и коллоидные вещества сточной жидкости.

Затем эти участки используют длясельскохозяйственных целей, На них выращивают сельскохозяйственные культуры, то есть сточные воды используются какудобрение . На поляхвыращивают огородные или кормовые культуры, сеяные травы. ЗПО могут быть круглогодичного или сезонного действия. На ЗПО разрешается подавать сточную жидкость, прошедшую механическую очистку. Нормынагрузки на ЗПО невелики: 5 – 15 м 3 /(га . сут), что в 5 – 15 раз меньше, чем на коммунальных полях орошения. При правильной эксплуатации ЗПО не могут являться фактором передачи возбудителей кишечных инфекций, поэтому необходим строгий и тщательный контроль соблюдения правил эксплуатации ЗПО.

При использовании метода достигается высокий (до 99%)эффект бактериальнойочистки . Однако для полей орошения основной задачей является очистка сточных вод.

Б)Поля фильтрации – это земельные участки, предназначенные только дляполной биологической очистки предварительно осветленных сточных вод. При очистке сточных вод на полях фильтрации используетсясамоочищающая способность почвы: наиболее интенсивно процесс окисления органических загрязнений идет вверхних слоях почвы (0,2 – 0,3 м), где соблюдается благоприятныйкислородный режим.

Ихустраивают на песках, супесях. Поля можно устраивать также на суглинистых грунтах и тощих глинах, однако нагрузку по сточным водам в этом случае снижают. На полях производится распределение и фильтрация через почву сточных вод. Уровеньгрунтовых (УГВ) вод на территории, используемой под поля, должен быть на глубине не менее 1,5 м от поверхности. При более высоком положении УГВ необходимо устройстводренажа .

Для небольших рабочих поселков,малых городов устройство полей орошения и фильтрации можно признать весьма целесообразным в связи со сравнительной простотой их устройства и эксплуатации. Рекомендовать поля орошения для отдельно стоящих объектов внеканализованной местности (санатории, дома отдыха) не следует из-за трудности обеспечения обслуживающим персоналом.

В)Биопруды (рис. 6.1) – это искусственно созданные неглубокиеводоемы на слабофильтрующих грунтах глубиной 0,5 – 1 м. Они представляют собойкаскад прудов, состоящий из трех-пятиступеней , через которые с небольшой скоростью протекает осветленная или биологически очищенная сточная вода. Их применяют в случаях, когда при наличии достаточныхплощадей отсутствуют хорошо фильтрующиепочвы . Иногда устраивают биопрудыс искусственной аэрацией глубиной до 3 м.

Рис. 6.1. Схема биопруда

Процесс очистки в этих сооруженияханалогичен процессам, происходящим при самоочищенииводоемов . Для устройства биологических прудов могут быть использованы естественныевпадины местности, заброшенные карьеры, а также специально созданные водоемы.

Пруды используют в качествевторой ступени биологической очистки, а также дляглубокой очистки биологически очищенных сточных вод с доведением величины БПК п до 5 – 6 мг/л. Небольшаяглубина позволяет создать значительную поверхностьконтакта обрабатываемой воды с воздухом, обеспечить прогрев всей толщи воды и хорошее ее перемешивание.

Биологические пруды обеспечиваютвысокоэффективную очистку – количество кишечной палочки снижается на 95,9 – 99,9% исходного, почти полностью задерживаются яйца гельминтов.

Однако нормальный ход очистки в биологических прудах возможен лишь втеплое время года. Притемпературе воды ниже 6 о С очистка резко ухудшается, что ограничивает использование биологических прудов как самостоятельных сооружений. При необходимости повышенной очистки биопруды можно устраивать после биофильтров или аэротенков как 3-ю ступень очистки.

К недостаткам метода очистки сточных вод в естественных условиях относятся:

Низкая окислительная способность;

Сезонность работы;

Потребность в больших территориях.

2) Сооружения с очисткой сточных водв искусственно созданных условиях. Разработка искусственных методов очистки началась в начале прошлого века. Для очистки сточных водприменяют биофильтры и аэротенки.

А)Биофильтр (рис. 6.2) представляет собой слойфильтрующего материала высотой 1,5 – 2 м, через который пропускаетсясточная вода. Через 2 – 3 недели (периодадаптации микроорганизмов) на загрузочном материале образуетсябиопленка толщиной 1 – 3 мм и более, способнаясорбировать на своей поверхности органические вещества. Загрузочный материал заселяется бактериями, грибами, простейшими и другими организмами. По мере увеличения толщины пленки ее нижние минерализованные слоиотмирают и уносятся вместе с водой. Отличительнойособенностью (следовательно, и активная биомасса) закреплена нанеподвижном материале.

Сверху биофильтры имеюторосители для распределения сточных вод позагрузке. В нижней части резервуаров имеютсяокна , обеспечивающие естественную или принудительнуюаэрацию поверхности биопленки, формирующейся на поверхности загрузки. Сточная вода проходит через толщу фильтрующего материала, дырчатое дно фильтра, а затем поступает через междудонное пространство на непроницаемое днище, откуда отводится по лоткам, расположенным за пределами биофильтра.

Рис. 6.2. Схема устройства биофильтра

1 – ограждающая стенка; 2 – горизонтальное дырчатое дно фильтра; 3 – сплошное

непроницаемое днище; 4 – загрузка (слой фильтрующего материала); 5 – распределительное

устройство для равномерного распределения сточной воды по поверхности

Биофильтрыклассифицируются по различнымпризнакам :

- по типувентиляции они бывают с естественной и искусственной вентиляцией.Естественная вентиляция осуществляется при помощиокон в междудонном пространстве в ограждающей стене, приискусственной вентиляции воздух в междудонное пространство подается при помощивентиляторов под давлением. Искусственную аэрацию тела фильтра устраивают для повышения окислительной способности путем подачи компрессором сжатого воздуха в дренежное пространство. При этом появляется возможность увеличить высоту загрузки с 2 до 4 м, а окислительная мощность возрастает в 2 – 4 раза;

- по типузагрузки (по конструктивным особенностям загрузочного материала) биофильтры бываютс объемной загрузкой(щебень, гравий, керамзит, шлак, с крупностью отдельных фракций 15 – 80 мм, плотностью 500 – 1500 кг/м 3 и пористостью 40 – 50%); ис плоскостной загрузкой(пластмасса, керамика, металл, ткани);

Попроизводительности биофильтры собъемной загрузкой делятся:

Накапельные производительностью до 1000 м 3 /сут (с естественной вентиляцией), имеющие крупность фракций загрузочного материала 20 – 30 мм и высоту слоя загрузки 1 – 2 м;

-высоконагружаемые (аэрофильтры) производительностью до 50000 м 3 /сут (с естественной и искусственной вентиляцией, с продувкой воздухом, имеющие крупность фракций загрузочного материала 40 – 60 мм и высоту слоя загрузки 2 – 4 м). Высоконагружаемые биофильтрыотличаются от капельных больше окислительноймощностью , обусловленной лучшим обменом воздуха и незаиляемостью загрузки. Достигается это применением загрузочного материала повышенной крупности, увеличением рабочей высоты загрузки и гидравлической нагрузки;

-башенные (большой высоты), имеющие крупность фракций загрузочного материала 60 – 80 мм и высоту слоя загрузки 8 – 16 м. В башенных биофильтрах загрузка располагается по вертикали ярусами высотой 2 – 4 м, разделенными решеткой. При этом создается тяга, как в аэродинамической трубе, и искусственная аэрация необязательна.

Биофильтры сплоскостной загрузкой появились в 50-х годах 20 века. Их можно разделить на группы по типузагрузки :

-жесткая засыпная в виде колец, обрезков труб и других элементов – могут быть использованы керамические, пластмассовые и металлические засыпные элементы плотностью 100 – 600 кг/м 3 и пористостью 70 – 90% при высоте слоя 1 – 6 м;

-жесткая блочная в виде решеток или блоков, собранных из чередующихсяплоских игофрированных листов, Могут быть использованы различные видыпластмасс (поливинилхлорид, полиэтилен, полипропилен, полистирол и др.) плотностью 40 – 100 кг/м 3 и пористостью 90 – 97% при высоте слоя 2 – 16 м, а такжеасбестоцементные листы плотностью 200 – 250 кг/м 3 пористость (73 – 99%) по сравнению с загрузкой изфракционных материалов (50%), благодаря чему обеспечиваются лучшие условияобтекания биологической пленки воздухом и соответственно повышаетсяпроизводительность сооружений (окислительная мощность больше в 2 – 3 раза);

-мягкая из металлических сеток , пластмассовыхпленок илисинтетических тканей (нейлон, капрон), которые крепят на специальных каркасах или укладывают в виде рулонов, Такая загрузка имеет плотность 5 – 60 кг/м 3 и пористость 94 – 99% при высоте слоя до 3 – 8 м. В РФ выпускаютгладкую винипластовую пленку, а такжеперфорированную игофрированную .

Биофильтры с жесткой засыпной и мягкой загрузкой рекомендуетсяприменять при расходах сточных вод до 10 тыс. м 3 /сут, а биофильтры с жесткой блочной загрузкой – при расходах до 50 тыс. м 3 /сут.

Биофильтры сплоскостной загрузкой имеют более высокуюпроизводительность вследствие большей в два раза (по сравнению с объемной загрузкой) пористости и значительно большей удельной поверхности (80 – 450 м 2 /м 3 против 50 – 80). Это позволяет отказаться от принудительной вентиляции и сэкономить электроэнергию.

На рис. 6.3 приведена секция биофильтра с пластмассовой насадкой.

Рис. 6.3. Секция биофильтра с пластмассовой насадкой

Эффект очистки сточных вод на биофильтрах по БПК 20 составляетсвыше 90%. Окислительная способность биофильтра высокая из-за хорошей аэрации фильра через поры, образующиеся между кусками загрузки. Сточная жидкость просачивается через тело фильтра в течение 2 – 3 ч, и уже за это время в ней появляются нитриты. В почвенных условиях этот процесс занимает недели.

Б)Аэротенк – это проточноесооружение со свободно плавающимактивным илом. Аэротенки выполняют в виде длинных железобетонных прямоугольныхрезервуаров глубиной 3 – 6 м, шириной 6 – 10 м. длиной до 100 м. Аэротенки состоят из несколькихсекций (коридоров), разделенныхперегородками .

В аэротенках происходит образованиеактивного ила – совокупности микроорганизмов и твердых частиц.Активный ил включает в себя бактерии, простейшие, грибы, водоросли, способныесорбировать на своей поверхности органические загрязнения иокислять их в присутствии кислорода. Принципиальнаясхема работы аэротенка показана на рис. 6.4.

Рис. 6.4. Принципиальная схема работы аэротенка

1 – первичный отстойник; 2 – аэротенк; 3 – вторичный отстойник; 4 – насосная станция;

5 - циркулирующий активный ил; 6 – избыточный активный ил; 7 – подача воздуха в аэротенк

Сточная жидкость после осветления впервичных отстойниках поступает в аэротенк исмешивается с циркулирующим активным илом. Смесь сточных вод и активного ила по всей длине аэротенкапродувается воздухом, поступающим изкомпрессорной станции. Аэробныемикроорганизмы сорбируют органические вещества из сточных вод и в присутствии кислородаокисляют их.

Из аэротенка смесь сточных вод с активным илом направляется вовторичный отстойник, где активный ил оседает. В результате роста микроорганизмовмасса ила в аэротенке непрерывновозрастает . Поэтому насосная станция перекачиваетизбыточный активный ил из вторичного отстойника вилоуплотнители , ациркулирующий активный ил – обратно в аэротенк.Вторичные отстойники служат дляотделения очищенной воды от активного ила. Ихконструкция практически не отличается от конструкциипервичных отстойников (они бывают горизонтальные, вертикальные и радиальные).

При биологической очистке сточных вод протекаютдва процесса :сорбция загрязнений активным илом и их внутриклеточноеокисление микроорганизмами.Скорость сорбции значительно превышает скорость биоокисления, поэтому после окончания процесса сорбции и достижения требуемого эффекта очистки по БПК отделившийся в отстойнике ил направляют врегенератор (секцию аэротенка) с цельюбиоокисления остаточных загрязнений сточных вод.

Таким образом, для обеспеченияустойчивой работы аэротенков устраиваютрегенераторы – сооружения, в которых восстанавливаетсясорбирующая способность активного ила. Ил в регенераторах постоянноаэрируется . Под регенераторы обычно выделяют частькоридоров аэротенка.

Для обеспечения микроорганизмов кислородом, а также для поддержания ила во взвешенном состоянии применяют непрерывную искусственнуюаэрацию смеси сточных вод и активного ила. Таким образом, активнаябиомасса находится в аэротенке вовзвешенном состоянии.

Система аэрации является важнейшим конструктивным элементом аэротенка.Эта системасостоит из комплекса сооружений и специального оборудования, обеспечивающего снабжение жидкости кислородом, поддержание ила во взвешенном состоянии и постоянное перемешивание сточной воды с илом. Для большинства типов аэротенков система аэрации обеспечивает одновременное выполнение всех этих функций, лишь в окситенке перемешивание механическими мешалками не связано с системой подачи кислорода.

Различаюттри системы аэрации:

-пневматическая (воздух нагнетается в аэротенк под давлением);

- механическая (воздух поступает в аэротенк при вращении в нем жидкости механическими устройствами, например, вращающимися мешалками, щетками, турбинками и т.п.);

- комбинированная (смешанная, пневмомеханическая).

Наибольшеераспространение получилипневматические системы аэрации.

В зависимости от типа применяемыхаэраторов и размеров образующихсяпузырьков различаюттри вида аэрации:

Мелкопузырчатая (с размером пузырьков 1 – 4 мм);

Среднепузырчатая (5 – 10 мм);

Крупнопузырчатая (более 10 мм).

Ккрупнопузырчатым аэраторам относятся открытые снизу вертикальныетрубы , сопла. Ксреднепузырчатым относят перфорированные трубы, щелевые и другие устройства. Кмелкопузырчатым относят аэраторы изпористых материалов (керамических, тканевых и пластиковых).

В России наиболеераспространенным типом мелкопузырчатого аэратора являетсяфильтросная пластина. Ее изготавливают изшамота (огнеупорная глина, каолин), который связан смесью жидкого стекла с мелкой шамотной пылью. Также ее изготавливают из кварцевогопеска и кокса, которые связаны бакелитовой смолой (феноло-формальдегидной).Размер пластин составляет 300х300 мм,толщина пластин – 35 - 40 мм. Средний размерпор отечественных фильтросов составляет 100 мкм.

Резервуар оборудованвоздуховодами , из которых постоякам воздух подается в фильтросныеканалы , закрытыефильтросами – пористыми шамотными или пластиковымипластинами . Их заделывают цементным раствором вжелезобетонные каналы , устраиваемые в днище аэротенка вдоль длинной его стороны (рис. 6.5). Через такие пластиныпроисходитмелкопузырчатая аэрация смеси в аэротенке.

Рис. 6.5. Типовой четырехкоридорный аэротенк:

1 – воздуховоды; 2 – стояки; 3 – фильтросный канал

Пластины подверженызасорению пылью (ограничивается содержание пыли в воздухе) и зарастанию бактериальной пленкой. Поэтому их периодическиочищают , и в среднем через каждые 7 лет заменяют новыми.Среднепузырчатые аэраторы – перфорированные трубы диаметром 6 – 10 мм менее эффективны, но и меньше засоряются.В зарубежной практике вместо фильтросных пластин применяютдиффузоры различной формы, устанавливаемые на подводящем трубопроводе.

Примеханической системе аэрации в качестве источника кислорода используется непосредственно наружный воздух, вовлекаемый в аэротенк при вращении в нем жидкости мешалкой-аэратором. Механическиеаэраторы обычноклассифицируют по типу расположения оси вращения ротора на горизонтальные и вертикальные. Наибольшее разнообразие видов имеют аэраторы с вертикальной осью вращения. Эти аэраторы могут располагаться либо на поверхности, либо в толще воды (соответственно кавитационная или импеллерная система).

Аэротенки можноклассифицировать по следующим основным признакам (рис. 6.6).

По структуре потока - аэротенки-вытеснители, аэротенки-смесители и аэротенки с рассредоточенным впуском сточной жидкости, аэротенки промежуточного типа.

По способу регенерации активного ила - аэротенки с отдельно стоящими регенераторами ила, аэротенки, совмещенные с регенераторами.

По нагрузке на активный ил - высоконагружаемые, обычные и низконагружаемые.

По числу ступеней - одно-, двух- и многоступенчатые.

По конструктивным признакам - прямоугольные, круглые, комбинированные, противоточные, шахтные, фильтротенки, флототенки и др.

По типу систем аэрации - с пневматической, механической, комбинированной гидродинамической или пневмомеханической.

Аэротенки могут быть успешноприменены для полной или частичной очистки многих видов сточных вод в широком диапазоне концентраций загрязнений и расходов сточных вод.

Существуют различныеклассификации (схемы работы) аэротенков: аэротенки-вытеснители, аэротенки-смесители и аэротенки с рассредоточенным выпуском сточной жидкости (промежуточного типа).

В аэротенках-вытеснителях , имеющих один - четыре коридора, вода и ил подаются в начало сооружения, а смесь отводится в конце его. Теоретически режим потока в вытеснителях должен быть поршневым без продольного перемешивания. Их применяют для очистки сравнительно слабо загрязненных городских и подобных им производственных сточных вод (БПК п до 500 мг/л).Однако, в коридорных аэротенках существует значительное продольное перемешивание. В большей степени режиму вытеснителя соответствуют конструкции аэротенков ячеистого типа.

Аэротенкячеистого типа представляет собой прямоугольное в плане сооружение, разделенное на ряд отсеков поперечными перегородками. Смесь из первого отсека переливается во второй (снизу), из, второго - в третий (сверху) и т. д. В каждой ячейке устанавливается режим полного смешения, а сумма ряда последовательно расположенных смесителей составляет практически идеальный вытеснитель.

Ваэротенках-смесителях сточная вода и ил подводятся и отводятся равномерно вдоль длинных сторон сооружения на расстоянии 3 – 4 м друг от друга и перемешиваются почти со всем объемом воды сооружения. Иловая смесь, таким образом, протекает не вдоль, апоперек аэротенка. Аэротенк-смеситель применяют обычно для очисткипроизводственных сточных вод с высокой концентрацией органических загрязнений, а также при резкихколебаниях концентрации загрязняющих веществ в сточной воде.Принимается, что поступающая смесь очень быстро (в расчетах мгновенно) смешивается с содержимым всего сооружения.

В аэротенкахпромежуточного типа можно рассредоточенно подать либо воду, либо ил с отводом смеси сосредоточенно в конце аэротенка. На практике применяется первый тип - с рассредоточенной подачей воды. Ихприменяют для очистки смесей промышленных и городских сточных вод.

Время пребывания сточных вод в аэротенках составляет 8 – 10 ч.

В аэротенках с разными структурами потока существенно различны и условия развития популяциимикроорганизмов . В аэротенках-вытеснителях нагрузка на ил и скорость потребления кислорода максимальны в начале сооружения и минимальны в конце. Если воздух подается равномерно по всей длине аэротенка, то в начале процесса может отмечаться глубокийдефицит кислорода . Условия развития популяции микроорганизмов в этой системе оптимальны только в какой-то средней части сооружения, где имеется соответствие между уровнем питания и наличием растворенного кислорода. Аэротенки-вытеснители плохо справляются с залповыми перегрузками по загрязнениям, в них нельзя, существенно повысить рабочую концентрацию ила.

Рис. 6.6. Схемы аэротенков:

а - вытеснители;б - смесители;в - с рассредоточенным впуском воды;

г - с неравномерно распределенной подачей жидкости типа АНР;

д - с регенераторами;е - ячеистого типа; I - сточная вода;

II - активный ил; III - иловая смесь; 1 - аэротенк; 2 - вторичный отстойник; 3 - регенератор.

Нагрузка на ил, скорости процесса изъятия загрязнений и потребление кислорода в аэротенках-смесителях (называемых также аэротенками полного смешения) постоянны во всем объеме сооружения. Ил находится в одной достаточно узкой стадии развития культуры, обусловленной величиной нагрузки на ил. Условия существования культуры близки к оптимальным. Однакокачество очищенной воды при прочих равных условиях может оказаться несколько ниже, чем в аэротенках-вытеснителях, поскольку в силу особенностей гидродинамической структуры потока, обусловливающих вероятность попадания части только что поступившей сточной воды в отводную систему, снижается общий эффект очистки. Эта вероятность тем выше, чем ближе конструкция сооружения к идеальному смесителю.

Прирассредоточенной подаче жидкости полная нагрузка по загрязнениям достигает максимума к концу сооружения, но степень очистки воды может быть очень высокой, так как по мере продвижения смеси по аэротенку ранее поданные загрязнения успевают срабатываться и к концу аэротенка уровень питания истинный (а не расчетный) может соответствовать состоянию ила с высокой окислительной способностью.

Аэротенк срассредоточенной подачей воды имеет тот женедостаток , что и аэротенк-вытеснитель: отсутствие оптимальных условий по кислородному режиму в сооружении. Однако общая масса ила в аэротенке с рассредоточенной подачей воды выше, чем в вытеснителе, в связи с чем пропускная способность этого аэротенка также выше.

Аэротенки-вытеснители коридорного типа применяют при начальной БПК полн не более 500 мг/л. Ширина коридоров принята 4,5; 6 или 9 м, шаг длины коридора равен 6 м.

Аэротенки-смесители рекомендуется применять для сточных вод с высокой начальной БПК, а также при резких колебаниях состава воды. Практически все аэротенки небольшого размера с механическими аэраторами относятся к типу аэротенков-смесителей. Наибольшее распространение получили аэротенки-смесители, совмещенные со вторичными отстойниками.

Заключительным этапом обработки городских сточных вод является ихобеззараживание . В качествеобеззараживающего агентачаще всего используютхлор , как газообразный, так и в виде хлорной извести. Однако у метода хлорирования сточных вод есть серьезные гигиенические и экологическиеограничения . При хлорировании в сточной воде образуются стойкиехлорорганические соединенияв токсичных для биоты водного объекта и человекаконцентрациях . Немаловажна и высокаявзрывоопасность складов жидкого хлора. В последние годы в практикуобеззараживаниясточных вод успешно внедряется методультрафиолетового облучения.

В регионах с высокой плотностью населения и при малой мощности водных объектов – приемников сточных вод традиционныесхемы очистки городских сточных вод не могут обеспечить должного гигиеническогоэффекта главным образом из-за того, что даже биологически очищенные воды содержат большое количествобиогенных элементов– фосфора, калия и азота. Традиционныеметоды очистки городских сточных вод не освобождают их от синтетических органических веществ, порой вредных и опасных с токсикологической точки зрения. Совокупностьдополнительных методов обработки сточных вод получила названиедоочистки . Этокомплекс методов и приемов, выходящих за пределы этапов механической и биологической очистки, направленный на достижение нормативного качества восстановленной воды.

1.1.Аэробные: аэротенк (биотенк), биофильтр, почвенные методы, биопруды .

Сущность метода биохимической очистки
Биологический (или биохимический) метод очистки сточных вод применяется для очистки производственных и бытовых сточных вод от органических и неорганических загрязнителей. Данный процесс основан на способности некоторых микроорганизмов использовать загрязняющие сточные воды вещества для питания в процессе своей жизнедеятельности.
Основной процесс, протекающий при биологической очистке сточных вод, – это биологическое окисление. Данный процесс осуществляется сообществом микроорганизмов (биоценозом), состоящим из множества различных бактерий, простейших водорослей, грибов и др., связанных между собой в единый комплекс сложными взаимоотношениями (метабиоза, симбиоза и антагонизма).
Главенствующая роль в этом сообществе принадлежит бактериям.
Очистку сточных вод рассматриваемым методом проводят в аэробных (т. е. в присутствии растворенного в воде кислорода) и в анаэробных (в отсутствие растворенного в воде кислорода) условиях.
Очистка сточных вод в природных условиях
Аэробные процессы биохимической очистки могут протекать в природных условиях и в искусственных сооружениях. В естественных условиях очистка происходит на полях орошения, полях фильтрации и биологических прудах. Искусственными сооружениями являются аэротенки и биофильтры разной конструкции. Тип сооружений выбирают с учетом местоположения завода, климатических условий, источника водоснабжения, объема промышленных и бытовых сточных вод, состава и концентрации загрязнений. В искусственных сооружениях процессы очистки протекают с большей скоростью, чем в естественных условиях.
Поля орошения
Это специально подготовленные земельные участки, используемые одновременно для очищения сточных вод и агрокультурных целей. Очистка сточных вод в этих условиях идет под действием почвенной микрофлоры, солнца, воздуха и под влиянием жизнедеятельности растений.
В почве полей орошения находятся бактерии, актиномицеты, дрожжи, грибы, водоросли, простейшие и беспозвоночные животные. Сточные воды содержат в основном бактерии. В смешанных биоценозах активного слоя почвы возникают сложные взаимодействия микроорганизмов симбиотического и конкурентного порядка.

В процессе биологической очистки сточные воды проходят через фильтрующий слой почвы, в котором задерживаются взвешенные и коллоидные частицы, образуя в порах грунта микробиальную пленку. Затем образовавшаяся пленка адсорбирует коллоидные частицы и растворенные в сточных водах вещества. Проникающий из воздуха в поры кислород окисляет органические вещества, превращая их в минеральные соединения. В глубокие слои почвы проникание кислорода затруднено, поэтому наиболее интенсивное окисление происходит в верхних слоях почвы (0,2–0,4 м). При недостатке кислорода в прудах начинают преобладать анаэробные процессы.
Биологические пруды
Представляют собой каскад прудов, состоящий из 3-5 ступеней, через которые с небольшой скоростью протекает осветленная или биологически очищенная сточная вода. Пруды предназначены для биологической очистки и для доочистки сточных вод в комплексе с другими очистными сооружениями. 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. Время пребывания воды в прудах с естественной аэрацией составляет от 7 до 60 суток. Вместе со сточными водами из вторичных отстойников выносится активный ил, который является посевным материалом.

Микрофильтры и намывные фильтры
Микрофильтры представляют собой сетчатые вращающиеся барабаны, опущенные частично в жидкость. Сточная вода подается внутрь барабана, загрязненная внутренняя поверхность промывается струями воды в верхней части барабана. Эффективность очистки при подаче на них биологически обработанных сточных вод составляет по 20-30%, по взвешенным веществам 65-70%. Микрофильтры просты в эксплуатации и не требуют ежедневного ухода. Намывные фильтры представляет собой резервуары с установленными внутри сетчатыми фильтрующими элементами. Фильтрование осуществляется через сетки намытым на них фильтрующим материалом. Поэтому перед рабочим циклом в фильтр подается пульпа фильтрующего материала. Этот же материал вводится в доочищаемую воду небольшими дозами во время рабочего цикла. Качество доочистки высокое: по содержанию взвешенных веществ (4 мг/л) и (3 мг/л) сточные воды приближаются к чистой речной воде.
Фильтрующие колодцы, кассеты
Использование в технологической схеме биологической очистки сооружений, расположенной в естественных условиях (фильтрующие колодцы и кассеты, поля подземной фильтрации), позволяет обеспечить одновременную глубокую очистку и обеззараживание стоков и не требует дополнительного устройства сооружений доочистки. Обследование около 50 систем показало что вблизи правильно установленных и эксплуатируемых фильтрующих колодцев создается вполне удовлетворительная санитарная обстановка. На большинстве обследованных объектов даже в расстоянии 1-2 метров вокруг фильтрующего колодца не отмечалось загрязнения атмосферного воздуха и поверхности почвы. Результаты исследований экспериментальных установок показываю, что даже на расстоянии 0,8-1 метра от фильтрующих колодцев наблюдается значительное снижения загрязнении в сточных водах. Сооружения естественной очистки сточных вод такие как фильтрующие колодцы и биологические пруды, могут быть использованы в качестве сооружений доочистки в различных технологических схемах обработки стоков. Эти сооружения размещают, как правило, после установок биологической очистки.
Очистка в биофильтрах
Биопленка растет на наполнителе биофильтра, она имеет вид слизистых обрастаний толщиной 1-3 мм и более. Эта пленка состоит из бактерий, грибов, дрожжей и других организмов. Число микроорганизмов в биопленке меньше, чем в активном иле.
Биологические фильтры достаточно широко применяются для очистки бытовых и производственных сточных вод при их объемном расходе до 30 тыс. м3/сут.
Биофильтры – искусственные сооружения биологической очистки представляют собой круглые или прямоугольные в плане сооружения, загруженные фильтрующим материалом, на поверхности которого выращивается биопленка; изготовляются они из железобетона или кирпича. Сточная вода фильтруется через слой загрузки, покрытой пленкой из микроорганизмов; отработанная (омертвевшая) биопленка смывается протекающей сточной водой и выносится из биофильтра.
По типу загрузочного материала биофильтры делятся на две категории: с объемной (зернистой) и плоской загрузкой. В качестве зернистой загрузки используют щебень, гравий, гальку, шлак, керамзит, керамические и пластмассовые кольца, кубы, шары, цилиндры и т.п. Плоская загрузка – это металлические, тканевые и пластмассовые сетки, решетки, блоки, гофрированные листы, пленки т.п., нередко свернутые в рулоны.

Биотенк - биофильтр представляет собой корпус, в котором заключены элементы загрузки, расположенные в шахматном порядке. Эти элементы выполнены в виде полуцилиндров, орошаются сверху водой, которая, наполняя элементы загрузки стекает через края вниз. На наружных поверхностях элементов образуется биопленка, в элементах – биомасса, напоминающая активный ил. Конструкция обеспечивает высокую производительность и эффективность очистки.
По принципу поступления воздуха в толщу аэрируемой загрузки фильтры могут быть с естественной и принудительной аэрацией. При поступлении сточных вод с БПКП> 300 мг/л во избежание частого заиливания поверхности биофильтра предусматривается рециркуляция – возврат части очищенной воды для разбавления исходами точной воды.
Применение биофильтров ограничивается возможностью их заиливания, снижением окислительной мощности в процессе эксплуатации, появлением неприятных запахов, трудностью равномерного наращивания пленки.
Очистка в аэротенках
Аэробная биологическая очистка больших объемов вод осуществляется в аэротенках – прямоугольных в плане железобетонных сооружениях со свободно плавающим в объеме обрабатываемой воды активным илом, бионаселение которого использует загрязнения сточных вод для своей жизнедеятельности.

Основные технологические схемы очистки в аэротенках приведены на рисунке 52.

Система аэрации представляет собой комплекс сооружений и специального оборудования, обеспечивающего снабжение жидкости кислородом, поддержание ила во взвешенной состоянии и постоянное перемешивание сточной воды с илом. Для большинства типов аэротенков система аэрации обеспечивает одновременное выполнение этих функций. По способу диспергирования воздуха в воде на практике применяются три системы аэрации: пневматическая, механическая и комбинированная.
Окситенки
Окситенки – это сооружения биологической очистки, в которых вместо воздуха используется технический кислород или воздух, обогащенный кислородом.
Основным отличием окситенка от аэротенка, работающего на атмосферном воздухе, является повышенная концентрация ила. Это связано с увеличенным массообменом кислорода между газовой и жидкой фазами.
Он представляет собой резервуар, круглой в плане формы с цилиндрической перегородкой, которая отделяет зону аэрации от зоны илоотделения.

1.2.Анаэробная биологическая очистка сточных вод.

Анаэробный метод очистки может рассматриваться в качестве одного из наиболее перспективных при наличии высокой концентрации в сточных водах органических веществ или для очистки бытовых стоков. Его преимущество перед аэробными методами заключается в резком снижении эксплуатационных расходов (для анаэробных микроорганизмов не требуется дополнительной аэрации воды) и отсутствии проблем, связанных с утилизацией избыточной биомассы.

Анаэробная деградация органических веществ, осуществляется как многоступенчатый процесс, в котором необходимо участие, по меньшей мере четырех групп микроорганизмов:

· гидролитиков,

· бродильщиков,

· ацетогенов

· метаногенов.

Механизм очистки.

При анаэробном преобразовании органических субстратов в метан под воздействием микроорганизмов должны быть последовательно реализованы 4 стадии разложения. Отдельные группы органических загрязнений (углеводы, протеины, липиды/ жиры) в процессе гидролиза преобразуются сначала в соответствующие мономеры (сахара, аминокислоты, жирные кислоты). Далее эти мономеры в ходе ферментативного разложения (ацитогенеза) преобразуются в короткоцепочечные органические кислоты, спирты и альдегиды, которые затем окисляются дальше в уксусную кислоту, что связано с получением водорода. Только после этого доходит очередь до образования метана на этапе метаногенеза. В качестве побочного продукта наряду с метаном образуется также и углекислый газ.

Все процессы преобразования тесно взаимосвязаны друг с другом и должны протекать в емкости анаэробного реактора в строго установленном порядке, т.к. любое нарушение одного из промежуточных этапов приводит к нарушению всего процесса. Поэтому требуется точное проектирование очистных сооружений и их настройка на соответствующую сточную воду.

Рисунок 1: Этапы разложения анаэробного преобразования

Биологические пруды ( очистка сточных вод )

Биологические пруды с естественной и искусственной (пневматической или механической) аэрацией. Применяют для очистки и доочистки городских, производственных и поверхностных сточных вод, содержащих органические загрязняющие вещества.

При этом в зависимости от назначения сооружения, подаваемые в него сточные воды должны отвечать требованиям представленным в табл. 13, а допустимые расходы в табл. 14.

Таблица 13

Величина БПК полн сточных вод, подавляемых в биологические пруды

Тип аэрации	Величина БПК полн подаваемых в биопруды сточных вод, мг/л, не более
Тип аэрации	Очистка сточных вод	Доочистка сточных вод
Естественная аэрация
Искусственная аэрация

Таблица 14

Допустимые расходы сточных вод, подводимых в биологические пруды

Тип аэрации	Допустимые расходы сточных вод, подаваемых в биопруды, м 3 /сут, не более.
Тип аэрации	Очистка сточных вод	Доочистка сточных вод
Естественная аэрация		10000
Искусственная аэрация	10000	Не ограничены

Примечание. Если величина БПК полн подаваемых для очистки в биопруды сточных вод превышает указанные в таблице 13 значения, то следует предусматривать предварительную очистку этих вод.

Биопруды следует устраивать на нефильтрующих или слабофильтрующих грунтах. При неблагоприятных в фильтрационном отношении грунтах следует осуществлять противофильтрационные мероприятия, т.е. гидроизоляцию сооружений. По отношению к жилой застройке их располагают с подветренной стороны господствующего направления ветра в теплое время года. Направление движения воды в них должно быть перпендикулярным этому направлению ветра.

Котлованы биологических прудов устраиваются с использованием, по возможности, естественных понижений рельефа местности. Форму прудов в плане принимают в зависимости от типа аэрации, а именно: при естественной, механической и пневматической аэрациях – прямоугольной; при использовании самодвижущихся аэраторов – круглой. В прямоугольных сооружениях рекомендуются плавные скругления углов для предотвращения образования в них застойных зон.

Радиус этих скруглений должен быть не менее 5 м. Кроме того, в прудах с естественной аэрацией с целью обеспечения гидравлического режима движения воды, близкого к условиям полного вытеснения, отношение длины сооружения к его ширине должно составлять не менее 20, а при меньших значениях этого отношения следует предусматривать конструкции впускных и выпускных устройств, обеспечивающих движение воды по всему живому сечению пруда, т.е. рассредоточенные впуски и выпуски сточных вод (рис.10). При искусственной аэрации соотношение сторон секций может быть любым, но при этом скорость движения воды, поддерживаемая аэраторами, в любой точке пруда должна быть не менее 0,05 м/с.

Примечание. В биологических прудах с искусственной аэрацией сточных вод, отношение длины к ширине в которых составляет 1…3, следует принимать гидравлический режим движения жидкости соответствующей условиям идеального (полного) смешения.

Конструктировно биологические пруды состоят не менее чем из двух параллельных секций с 3…5 последовательными ступенями в каждой (например, рис. 11). При этом следует предусматривать возможность отключения любой секции для чистки или профилактического ремонта без нарушения работы остальных. Секции и ступени биопрудов разделяются ограждающими дамбами и плотинами, выполняемыми из грунтов, способных сохранять форму. Их минимальная ширина по верху должна составлять 2,5 м.

Примечание. У биологических прудов площадью менее 0,5 Га ширина ограждающих дамб и плотин по верху может быть снижена до 1,0…15 м.

При наличии фильтрации через оградительные дамбы и платины следует предусматривать их "одежду" в виде противофильтрационного экрана из глины (толщиной 0,3 м) или полимерных пленок. Крутизну откосов принимают исходя из характеристик грунтов (табл. 15).

Таблица 15

Крутизна откосов разделительных и оградительных дамб и плотин

Вид грунта	Крутизна откосов
Мокрые глинистые и суглинистые грунты
Мокрые песчаные и супесчаные грунты
Сухие глинистые и суглинистые грунты	1:1,5
Сухие песчаные и супесчаные грунты

Впуски сточных вод в биологические пруды, а также переливы жидкости между ступенями очистки, осуществляются с помощью колодцев, снабженных устройствами, позволяющими изменять уровень наполнения ступеней. Отметка лотка перепускной (впускной) трубы должна быть выше дна пруда на 0,3…0,5 м. При этом впуск воды в пруды с искусственной пневматической аэрацией производится через горизонтальный трубопровод, выход которого располагается на бетонной подушке, направляется вверх под углом 90 0 и находится ниже отметки предполагаемого уровня льда, а с механической аэрацией – через трубопровод непосредственно в зону активного перемешивания. Кроме того, в месте выхода перепускной трубы во избежание размыва склона, соответствующие его участники укрепляются камнем или бетонными плитами. Для выпуска стоков из сооружения (ступени) предназначено сборное устройство, размещаемое ниже уровня воды на 0,15…0,20 рабочей глубины пруда (глубины воды).

С целью предоставления волновой эрозии внутренних склонов дамб, а также развития высшей водной растительности, их выкладывают камнем, плитами и покрывают асфальтом по щебеночной подготовке полосой с шириной 1,5 м (на 1 м ниже уровня воды и на 0,5 м выше). Чтобы плиты не сползали, делается уступ, служащий упором для них. Внешний откос дамб следует засеивать медленно растущей травой с низким травостоем, способной предотвращать эрозию, например, пыреем сизым. Превышение строительной высоты дамбы над расчетным уровнем воды в пруде должно быть менее 0,7 м.

Для повышения эффективности очистки сточных вод до БПК полн = 3 мг/л, а также снижения содержания в них биогенных элементов (в первую очередь, азота и фосфора) рекомендуется использовать в прудах высшую водную растительность (камыш, рогоз, тростник и др.). Эта растительность должна быть размещена в последней ступени пруда. Причем, площадь, занимаемая высшей водной растительностью можно определить по нагрузке, составляющей 10000 м 3 /сут на 1 Га при плотности посадки 150…200 растений на 1 м 2 .

Искусственная аэрация позволяет значительно интенсифицировать процессы биохимической очистки сточных вод, увеличить глубину пруда до 3-4 м, что стабилизирует процесс и позволяет сделать биопруды значительно компактнее.

Биологические пруды представляют собой мелкие котлованы глубиной от 0,5-1 м при естественной аэрации и до 3-4,5 м (в зависимости от характеристики аэрирующего устройства) при искусственной. Располагают их на нефильтрующих или слабофильтрующих грунтах.

Как правило, биологические пруды имеют прямоугольную форму и вытянуты по ходу движения воды, при применении самодвижущихся механических аэраторов могут быть круглыми. Соотношение длины к ширине в биологических прудах с естественной аэрацией должно быть 1:15, при искусственной – 1:3. Во избежание образования застойных зон сточную воду в биологические пруды подают рассредоточено.

Направление движения сточной жидкости в биологических прудах должно быть перпендикулярно направлению господствующих ветров.

В пруды для глубокой очистки допускается направлять сточную воду с БПКполн не более 25 мг/л – для прудов с естественной аэрацией и не более 50 мг/л – для прудов с искусственной аэрацией.

По характеру протекающих в биологическом пруду процессов они подразделяются на три основных вида: аэробные, факультативные и анаэробные.

Аэробные биологические пруды содержат кислород по всей глубине воды, которая составляет обычно 0,3 – 0,45 м, что достигается за счет реаэрации и процессов фотосинтеза.

Факультативные биологические пруды, имеющие глубину от 1,2 до 2,5 м, наиболее часто применяются для глубокой очистки сточных вод. Также эти пруды называют аэробно-анаэробными. В верхних слоях развиваются аэробные культуры, в придонных – факультативные аэробы и анаэробы, способные осуществлять процессы метанового брожения.

Насыщение воды кислородом происходит за счет процессов фотосинтеза, осуществляемого водорослями. В прудах также в той или иной мере представлена микро- и макрофауна: простейшие черви, коловратки, насекомые и др.

Анаэробные биологические пруды работают с очень высокими нагрузками по органическим загрязнениям. Основные биохимические процессы, протекающие в них, - образование кислот и метановое брожение.

В последнее время широкое распространение получили биологические пруды с высшей водной растительностью (ВВР). В таких прудах по определенной схеме высаживают такие водные культуры, как камыш, тростник, рогоз, телорез и др. Растения интенсифицируют процесс очистки, удаляют биогенные элементы, активно используя их в своем питании, изымают из воды и аккумулируют тяжелые металлы, радиоактивные изотопы и другие специфические загрязнения. Выделяемые ВВР фитонциды способствуют обеззараживанию воды. Культивирование ВВР предпочтительнее, чем использование для изъятия биогенных элементов и других загрязнений одноклеточных и мелких водорослей. Это объясняется тем, что ВВР очень быстро развивается, следовательно, потребляет большое количество питательных веществ, изымая их из воды. Вместе с тем, ВВР легче удалить из биопруда, чем мелкие водоросли, что предотвращает вторичное загрязнение водоема, обусловленное разложением отмершей растительной биомассы.

В стоке, выходящем после биологических прудов, общее снижение концентрации загрязнений по БПКполн может достигать 60-98%, а по взвешенным веществам 90-98%.

Биологические пруды требуют создания широких санитарно-защитных зон (200 м).

Нитрификация

Особенностью биохимического окисления органических веществ в воде является сопутствующий ему процесс нитрификации , искажающий характер потребления кислорода

Нитрификация- процесс биологического превращения восстановленных соединений азота в окисленные неорганические по схеме:

Сутки

3 6 9 12

Рис. 3. Изменение характера потребления кислорода при нитрификации.

Нитрификация протекает под воздействием особых нитрифицирующих бактерий - Nitrozomonas, Nitrobacter и др. Эти бактерии обеспечивают окисление азотсодержащих соединений, которые обычно присутствуют в загрязненных природных и некоторых сточных водах, и тем самым способствуют превращению азота сначала из аммонийной в нитритную, а затем и нитратную формы.

Процесс нитрификации происходит и при инкубации пробы в кислородных склянках. Количество кислорода, пошедшее на нитрификацию, может в несколько раз превышать количество кислорода, требуемое для биохимического окисления органических углеродсодержащих соединений. Начало нитрификации можно зафиксировать по минимуму на графике суточных приращений БПК за период инкубации. Нитрификация начинается приблизительно на 7-е сутки инкубации (см. рис. 9), поэтому при определении БПК за 10 и более суток необходимо вводить в пробу специальные вещества - ингибиторы, подавляющие жизнедеятельность нитрифицирующих бактерий, но не влияющие на обычную микрофлору (т.е. на бактерии - окислители органических соединений). В качестве ингибитора применяют тиомочевину (тиокарбамид), который вводят в пробу либо в разбавляющую воду в концентрации 0,5 мг/мл.

В то время как, и природные, и хозяйственно-бытовые сточные воды содержат большое количество микроорганизмов, способных развиваться за счет содержащихся в воде органических веществ, многие виды промышленных сточных вод стерильны, или содержат микроорганизмы, которые не способны к аэробной переработке органических веществ. Однако микробы можно адаптировать (приспособить) к присутствию различных соединений, в том числе токсичных. Поэтому при анализе таких сточных вод (для них характерно, как правило, повышенное содержание органических веществ) обычно применяют разбавление водой, насыщенной кислородом и содержащей добавки адаптированных микроорганизмов. При определении БПК полн промышленных сточных вод предварительная адаптация микрофлоры имеет решающее значение для получения правильных результатов анализа, т.к. в состав таких вод часто входят вещества, которые сильно замедляют процесс биохимического окисления, а иногда оказывают токсическое действие на бактериальную микрофлору.

Для исследования различных промышленных сточных вод, которые трудно подвергаются биохимическому окислению, используемый метод может применяться в варианте определения «полного» БПК (БПК полн.).

Если в пробе очень много органических веществ, к ней добавляют разбавляющую воду. Для достижения максимальной точности анализа БПК анализируемая проба или смесь пробы с разбавляющей водой должна содержать такое количество кислорода, чтобы во время инкубационного периода произошло снижение его концентрации на 2 мг/л и более, причем остающаяся концентрация кислорода спустя 5 суток инкубации должна составлять не менее 3 мг/л. Если же содержание РК в воде недостаточно, то пробу воды предварительно аэрируют для насыщения кислородом воздуха. Наиболее правильным (точным) считается результат такого определения, при котором израсходовано около 50 % первоначально присутствующего в пробе кислорода.

В поверхностных водах величина БПК 5 колеблется в пределах от 0,5 до 5,0 мг/л; она подвержена сезонным и суточным изменениям, которые, в основном, зависят от изменения температуры и от физиологической и биохимической активности микроорганизмов. Весьма значительны изменения БПК 5 природных водоемов при загрязнении сточными водами.

Норматив на БПК полн. не должен превышать: для водоемов хозяйственно-питьевого водопользования - 3 мг/л для водоемов культурно-бытового водопользования - 6 мг/л. Соответственно можно оценить предельно-допустимые значения БПК 5 для тех же водоемов, равные примерно 2 мг/л и 4 мг/л.

Денитрификация

Денитрификация- микробиологический процесс восстановления окисленных соединений азота (нитратов, нитритов) до газообразных азотистых продуктов (обычно до N 2):

Денитрификация происходит в результате жизнедеятельности бактерий, факультативных анаэробов, использующих в отсутствие кислорода нитраты и нитриты в качестве окислителей (анаэробное дыхание). Процесс сопряжен с окислением органических веществ и катализируется особыми ферментами. В ходе денитрификации азот удаляется из почвы и воды в виде газообразного N2, поступающего в атмосферу.

Процесс денитрификации активно протекает во влажных, плохо аэрируемых или затопляемых почвах, эвтотрофных водоемах, при рН 7-8, достаточном количестве нитратов и легкодоступного органического вещества. Денитрификацию считают главной причиной потерь азота в земледелии - удобрения могут утрачивать в результате денитрификации до 50% связанного азота. Хотя процессы денитрификации осуществляются микроорганизмами не с целью получения азота, но именно они «замыкают» круговорот азота в экосистеме, возвращая газообразный N 2 в атмосферу.

Денитрификация - процесс, обратный превращению аммония в нитриты и далее - в нитраты. Разница состоит в том, что нитрификация - процесс окислительный, который протекает в присутствии кислорода. Такие процессы еще называют аэробными. Процесс денитрификации, напротив, является анаэробным, то есть протекает без доступа кислорода. При этом происходит последовательное восстановление нитратов в нитриты, затем в оксид азота, закись азота и, наконец, азот.

В сущности, процесс денитрификации завершает полный цикл круговорота азота в водоеме. Весь азот, который поступил удаляется в атмосферу.

Несложный на первый взгляд процесс в аквариуме может стать совсем непростым и трудно контролируемым. Дело в том, что процесс восстановления протекает при непосредственном участии факультативных анаэробных бактерий Pseudomonas, Micrococcus, Bacillus, Denitrobacillus. В отличие от нитрификации, для успешной реализации которой нужны бактерии Nitrosomonas и Nitrobacter, вода, содержащая аммоний или нитриты, и кислород, денитрификация - достаточно энергоемкий процесс.

Круговорот азота в настоящее время подвергается сильному воздействию со стороны человека. К значительным изменениям в цикле азота приводят процессы:

Массовое производство азотных удобрений и их использование приводит к избыточному накоплению нитратов;

Подавление деятельности микроорганизмов в результате загрязнения почвы отходами промышленности приводит к снижению скорости превращения аммиака в нитраты;

Азот, поступающий на поля в виде удобрений, теряется из-за отчуждения урожая, выщелачивания и денитрификации, происходит накопление аммонийных удобрений в почве;

В результате промышленной фиксации молекулярного азота из атмосферы с целью производства азотных удобрений резко нарушается природное азотное равновесие.

Однако эти процессы носят локальный характер. Гораздо большее значение имеет поступление оксидов азота в атмосферу при сжигании топлива на ТЭЦ, транспорте, заводах, особенно в промышленных районах. Под воздействием излучения в атмосфере происходят реакции углеводородов с оксидами азота с образованием высокотоксичных и канцерогенных соединений.

Заключение

Ещё в городах древнего Египта, Греции и Рима существовали канализационные системы, по которым отходы жизнедеятельности людей и животных транспортировались в водоёмы – реки, озера и моря. В Древнем Риме перед сбросом в Тибр канализационные стоки накапливались и выдерживались в накопительном пруде-отстойнике-клоаке (cloaca maxima). В Средние века этот опыт был в значительной степени забыт, потом, экскременты людей и животных, выливались на городские улицы и удалялись эпизодически. Это являлось причиной загрязнения и заражения источников питьевой воды и приводило к возникновению эпидемий холеры, тифа, амебной дизентерии и др. В начале 19 века в Англии был изобретен туалет с водяным смывом (water closet, WC). Возникла очевидная необходимость в обработке сточных вод и предотвращения их попадания в источники питьевой воды. Сточные воды собирали и выдерживали в больших емкостях, осадок использовали в качестве удобрений. В начале двадцатого века были разработаны интенсивные системы очистки бытовых сточных вод, включая поля орошения, где вода очищалась, фильтруясь через почву, струйные фильтры со щебневой и песчаной загрузкой, а также резервуары с принудительной аэрацией – аэротенки. Последние являются основным узлом современных станций аэробной очистки городских сточных вод.

Преимуществом аэробной очистки является высокая скорость и использование веществ в низких концентрациях. Существенными недостатками, особенно при обработке концентрированных сточных вод, является высокие энергозатраты на аэрацию и проблемы, связанные с обработкой и утилизацией больших количеств избыточного ила. Аэробный процесс используется при очистке бытовых, некоторых промышленных и свиноводческих сточных вод с ХПК не выше 2000. Исключить указанные недостатки аэробных технологий может предварительная анаэробная обработка концентрированных сточных вод методом метанового сбраживания, которая не требует затрат энергии на аэрацию и более того сопряжена с образованием ценного энергоносителя – метана. Преимуществом анаэробного процесса является также относительно незначительное образование микробной биомассы. К недостаткам следует относить невозможность удаления органических загрязнений в низких концентрациях. Для глубокой очистки концентрированных сточных вод анаэробную обработку следует использовать в комбинации с последующей аэробной стадией. Выбор технологии и особенности обработки сточных вод определяется содержанием органических загрязнений в них.