Биологическая очистка сточных вод

Биологическая очистка сточных вод — это технологический процесс удаления загрязняющих веществ из хозяйственно-бытовых, промышленных и поверхностных сточных вод, основанный на способности микроорганизмов (бактерий, простейших, грибов, водорослей) разлагать органические соединения и поглощать неорганические элементы в ходе своей жизнедеятельности. Является основным методом очистки сточных вод на большинстве современных очистных сооружений, обеспечивая высокую степень минерализации и обеззараживания стоков перед сбросом в водоёмы или повторным использованием.

История

Первые попытки использования естественных биологических процессов для очистки сточных вод относятся к концу XIX века. В 1880-х годах в Англии были построены первые поля фильтрации и орошения, где сточные воды пропускались через слой почвы, населённой микроорганизмами. В 1893 году в городе Садбери (Великобритания) был запатентован первый септик-тенк — прототип современных анаэробных реакторов.

В начале XX века, с ростом городов и промышленности, возникла потребность в более компактных и эффективных сооружениях. В 1914 году в Англии были разработаны аэротенки — открытые резервуары с активным илом и принудительной аэрацией, что стало революцией в биологической очистке. В 1920-х годах в Германии и США начали внедряться биофильтры с загрузкой из камня или керамзита.

В СССР массовое строительство станций биологической очистки началось в 1950–1960-х годах, в рамках программ по охране водных ресурсов (например, Курьяновская станция аэрации в Москве, запущенная в 1950 году). Современные технологии (мембранные биореакторы, аэробные стабилизаторы, нитри-денитрификация) активно развиваются с 1980-х годов.

Классификация методов

Биологическая очистка делится на два основных типа в зависимости от доступа кислорода:

Аэробная очистка

Протекает в присутствии растворённого кислорода. Микроорганизмы-аэробы окисляют органические вещества до углекислого газа, воды и нитратов. Характеризуется высокой скоростью и эффективностью (до 95–98% по БПК5). Основные сооружения:

• Аэротенки — резервуары с активным илом, аэрируемые воздухом или чистым кислородом.
• Биофильтры — колонны с загрузкой (щебень, керамзит, пластик), на которой формируется биоплёнка.
• Окислительные пруды — мелководные водоёмы с естественной или искусственной аэрацией.
• Мембранные биореакторы (МБР) — комбинация аэротенка и мембранной фильтрации, обеспечивающая высокое качество очистки.

Анаэробная очистка

Протекает без доступа кислорода. Микроорганизмы-анаэробы разлагают органику в метантенках, образуя биогаз (метан и углекислый газ). Используется для высококонцентрированных стоков (например, от животноводческих комплексов, пищевых производств). Эффективность по БПК5 — 60–85%. Основные сооружения:

• Метантенки — герметичные резервуары с перемешиванием.
• Септики — простейшие анаэробные отстойники для локальной канализации.
• UASB-реакторы (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) — реакторы с восходящим потоком и гранулированным илом.

Устройство и принцип работы

Аэротенк с активным илом

Активный ил представляет собой хлопьевидную массу, состоящую из бактерий (родов Pseudomonas, Bacillus, Nitrosomonas, Nitrobacter), простейших (инфузории, амёбы), коловраток и червей. В аэротенке сточная вода смешивается с возвратным илом и насыщается кислородом через аэраторы (диффузоры, турбины, эжекторы). В течение 4–12 часов микроорганизмы поглощают и окисляют загрязнения. Затем смесь поступает во вторичный отстойник, где ил осаждается, а осветлённая вода направляется на доочистку или сброс. Часть ила возвращается в аэротенк, избыточный ил удаляется на обезвоживание.

Биофильтр

Сточная вода равномерно распределяется по поверхности загрузки (высотой 2–4 м) и стекает вниз, контактируя с биоплёнкой. Воздух поступает естественным путём (через вентиляционные окна) или принудительно. Биоплёнка периодически сбрасывается и выносится водой, затем отделяется в отстойнике.

Анаэробный реактор (UASB)

Сточная вода подаётся снизу вверх через слой гранулированного ила (диаметр гранул 0,5–3 мм). Восходящий поток поддерживает ил во взвешенном состоянии. Органика разлагается с образованием метана, который собирается в газосборнике. Очищенная вода отводится сверху.

Факторы, влияющие на эффективность

• Температура — оптимальная для мезофильных бактерий 20–35 °C, для термофильных 50–60 °C. При температуре ниже 10 °C скорость очистки резко падает.
• pH — нейтральная среда (6,5–8,5). Кислая или щелочная среда угнетает микроорганизмы.
• Концентрация кислорода — в аэробных процессах не менее 2 мг/л, в анаэробных — отсутствие кислорода.
• Наличие токсикантов — тяжёлые металлы (медь, цинк, ртуть), фенолы, хлорорганические соединения подавляют активность ила.
• Соотношение питательных веществ — оптимальное соотношение БПК5 : N : P = 100 : 5 : 1.

Применение

Биологическая очистка используется на:

• Городских очистных сооружениях — для обработки хозяйственно-бытовых стоков (в России — станции аэрации в Москве, Санкт-Петербурге, Казани и других городах).
• Промышленных предприятиях — для очистки стоков пищевой, целлюлозно-бумажной, химической, нефтехимической промышленности.
• Сельском хозяйстве — для обработки навозных стоков от животноводческих комплексов.
• Локальных очистных сооружениях — для частных домов, коттеджных посёлков, гостиниц (септики, станции глубокой биологической очистки типа «Топас», «Юнилос»).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая степень очистки (до 99% по некоторым показателям).
• Экологичность — отсутствие химических реагентов (кроме случаев фосфорного удаления).
• Возможность утилизации биогаза (метана) для получения энергии.
• Относительно низкая стоимость эксплуатации по сравнению с физико-химическими методами.

Недостатки

• Чувствительность к колебаниям состава и расхода стоков.
• Необходимость постоянного контроля температуры, pH, содержания кислорода.
• Образование избыточного активного ила, требующего утилизации (обезвоживание, сжигание, компостирование).
• Длительный период запуска (выход на режим — от 2 до 6 недель).
• Невозможность удаления стойких органических загрязнителей (например, некоторых пестицидов, фармацевтических препаратов).

Современные тенденции

• Мембранные биореакторы (МБР) — замена вторичных отстойников мембранными модулями, что позволяет получать воду, пригодную для повторного использования (техническая вода, полив).
• Нитри-денитрификация — удаление азота путём последовательного окисления аммония до нитратов (аэробная стадия) и восстановления нитратов до газообразного азота (анаэробная стадия).
• Биологическое удаление фосфора — использование фосфат-аккумулирующих бактерий (PAO) в анаэробно-аэробных циклах.
• Аэробные гранулы — компактные гранулы активного ила (диаметр 1–5 мм), обеспечивающие высокую скорость осаждения и устойчивость к нагрузкам.
• Автоматизация и цифровизация — внедрение систем мониторинга (pH, кислород, БПК) и управления (ПЛК, SCADA) для оптимизации процесса.

Интересные факты

• Активный ил в аэротенке содержит до 10⁹ бактерий на 1 мл, а также множество простейших, которые питаются бактериями и регулируют их численность.
• В анаэробных реакторах метантенки могут вырабатывать до 0,5–0,8 м³ биогаза на 1 кг органического вещества.
• Первая в мире станция биологической очистки с аэротенками была построена в 1914 году в городе Манчестер (Великобритания).
• В России крупнейшие сооружения биологической очистки — Люберецкие очистные сооружения (Москва) мощностью 3 млн м³/сут.

Источники

• Яковлев С. В., Воронов Ю. В. «Биологические очистные сооружения». — М.: Стройиздат, 1975.
• Хенце М. и др. «Очистка сточных вод. Биологические и химические процессы». — М.: Мир, 2004.
• ГОСТ 25150–82 «Водоснабжение и канализация. Термины и определения».
• СП 32.13330.2018 «Канализация. Наружные сети и сооружения».
• Материалы Всемирной организации здравоохранения (WHO) по водоснабжению и санитарии.