Биологические очистные сооружения¶

Биологические очистные сооружения (БОС) — это комплекс инженерных сооружений и технологических процессов, предназначенных для очистки сточных вод от загрязнений органического и неорганического происхождения с использованием жизнедеятельности микроорганизмов (бактерий, простейших, грибов, водорослей). В отличие от механических и физико-химических методов, биологическая очистка основана на естественных процессах разложения и минерализации органических веществ, что позволяет достичь высокой степени очистки (до 95–98 % по основным показателям) и сброса очищенной воды в природные водоёмы или её повторного использования.

¶История развития

Первые попытки биологической очистки сточных вод относятся к концу XIX века. В 1870-х годах в Англии были построены поля орошения, где сточные воды фильтровались через почву, а в 1890-х годах появились первые капельные биофильтры. В 1914 году в Великобритании была разработана технология активного ила, которая стала основой современных аэротенков. В России первые биологические очистные сооружения появились в начале XX века (например, в Москве — Люберецкие очистные сооружения, запущенные в 1914 году). Массовое строительство БОС в СССР началось в 1960–1970-х годах в связи с урбанизацией и промышленным развитием. Современные БОС оснащаются автоматизированными системами управления, мембранными технологиями и системами глубокой доочистки.

¶Классификация биологических очистных сооружений

БОС классифицируются по нескольким признакам:

¶По типу микроорганизмов и условиям очистки

• Аэробные сооружения — работают в присутствии кислорода воздуха. Микроорганизмы (аэробы) окисляют органические загрязнения до углекислого газа и воды. Основные типы: аэротенки, биофильтры, поля орошения, биопруды.
• Анаэробные сооружения — функционируют без доступа кислорода. Анаэробные бактерии разлагают сложные органические вещества (жиры, белки, целлюлозу) с образованием метана, углекислого газа и биогаза. Используются для очистки высококонцентрированных сточных вод (например, на животноводческих комплексах, пищевых предприятиях) и для обработки осадка. Основные типы: метантенки, септики, анаэробные реакторы (UASB, EGSB).

¶По конструктивному исполнению

• Естественные сооружения — имитируют природные процессы самоочищения. Включают:
• Биопруды (пруды-отстойники с водной растительностью и микроорганизмами).
• Поля орошения и поля фильтрации (почвенная очистка).
• Биоплато (сооружения с высшей водной растительностью, например, тростником, камышом).
• Искусственные сооружения — создаются с использованием специальных конструкций и оборудования:
• Аэротенки (резервуары с активным илом и аэрацией).
• Биофильтры (капельные, высоконагружаемые, погружные) — загрузка из щебня, керамзита, пластика, на которой развивается биоплёнка.
• Биореакторы с мембранным разделением (MBR) — сочетание биологической очистки с мембранной фильтрацией.
• Окситенки (аэротенки с подачей чистого кислорода).

¶По масштабу и назначению

• Городские очистные сооружения — обслуживают населённые пункты, очищают хозяйственно-бытовые и смешанные сточные воды. Производительность — от тысяч до миллионов кубометров в сутки.
• Промышленные очистные сооружения — предназначены для очистки стоков конкретных производств (химических, нефтехимических, пищевых, целлюлозно-бумажных, металлургических). Часто требуют предварительной физико-химической обработки.
• Локальные очистные сооружения (ЛОС) — малые установки для индивидуальных домов, коттеджей, небольших предприятий, автозаправочных станций. Включают септики, аэротенки компактного типа, станции глубокой биологической очистки.
• Модульные и блочно-модульные сооружения — заводской готовности, легко транспортируемые и монтируемые. Используются в условиях временного или удалённого размещения.

¶Устройство и принцип работы

Основные элементы типовых БОС (на примере аэротенков с активным илом):

1. Приёмная камера — усреднение расхода и состава сточных вод.
2. Механическая очистка — решётки, песколовки, отстойники для удаления крупных включений, песка, жиров.
3. Биологическая очистка — аэротенк (резервуар, где сточная вода смешивается с активным илом — суспензией микроорганизмов). В аэротенк подаётся воздух (аэрация) для поддержания жизнедеятельности аэробных бактерий. Микроорганизмы поглощают и окисляют органические загрязнения, образуя хлопья активного ила.
4. Вторичный отстойник — разделение очищенной воды и активного ила. Часть ила возвращается в аэротенк (циркуляционный активный ил), избыточный ил выводится на обработку.
5. Доочистка (при необходимости) — фильтры (песчаные, угольные, мембранные), ультрафиолетовое обеззараживание, хлорирование.
6. Обработка осадка — уплотнение, стабилизация (анаэробное сбраживание в метантенках или аэробная стабилизация), обезвоживание (центрифуги, фильтр-прессы), сушка, утилизация (сжигание, компостирование, использование в качестве удобрения).

¶Применение

Биологические очистные сооружения используются для очистки:

• Хозяйственно-бытовых сточных вод — от жилых домов, общественных зданий, городов.
• Промышленных сточных вод — на предприятиях пищевой, химической, нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной, текстильной, металлургической промышленности. Для токсичных стоков (например, содержащих тяжёлые металлы, фенолы, нефтепродукты) требуется предварительная физико-химическая обработка.
• Поверхностного стока (ливневых вод) — в комбинации с механической очисткой.
• Сельскохозяйственных стоков — от животноводческих комплексов, птицефабрик, молокозаводов.
• Очистки фильтрата полигонов ТБО — сложные стоки с высоким содержанием органики и аммонийного азота.

¶Преимущества и недостатки

¶Преимущества

• Высокая степень очистки (до 98 % по БПК, ХПК, взвешенным веществам, азоту, фосфору).
• Экологичность — использование естественных биологических процессов, отсутствие агрессивных химических реагентов (в большинстве случаев).
• Возможность утилизации осадка (например, получение биогаза, удобрений).
• Относительно низкие эксплуатационные затраты по сравнению с физико-химическими методами.
• Масштабируемость — от малых локальных установок до крупных городских станций.

¶Недостатки

• Чувствительность к токсичным веществам, резким колебаниям температуры, pH, концентрации загрязнений (может привести к гибели микроорганизмов).
• Необходимость постоянного контроля параметров (кислород, температура, питательные вещества).
• Длительное время запуска (выход на стабильный режим — от нескольких недель до месяцев).
• Образование большого количества избыточного активного ила, требующего обработки и утилизации.
• Зависимость от климатических условий (для естественных сооружений — биопрудов, полей орошения).

¶Интересные факты

• Активный ил представляет собой сложное сообщество из сотен видов микроорганизмов, включая бактерии, простейшие (инфузории, амёбы), коловратки, нематоды, грибы. По состоянию ила (например, по наличию определённых видов простейших) можно судить о качестве очистки.
• В анаэробных реакторах (метантенках) образуется биогаз, содержащий 50–70 % метана, который может использоваться для выработки электроэнергии и тепла.
• Первая в мире станция биологической очистки с активным илом была построена в 1914 году в городе Манчестер (Великобритания).
• В России крупнейшими БОС являются: Люберецкие очистные сооружения (Москва, производительность — около 3 млн м³/сут), Курьяновские очистные сооружения (Москва, около 2,2 млн м³/сут), очистные сооружения «Водоканала» Санкт-Петербурга (около 1,5 млн м³/сут).
• Современные мембранные биореакторы (MBR) позволяют получать воду, пригодную для технического водоснабжения, полива, а в некоторых случаях — для сброса в рыбохозяйственные водоёмы.

¶Источники

• Водный кодекс Российской Федерации (статьи, регулирующие сброс сточных вод).
• СанПиН 2.1.5.980-00 «Гигиенические требования к охране поверхностных вод».
• СП 32.13330.2018 «Канализация. Наружные сети и сооружения».
• Технология очистки сточных вод: учебник / под ред. С. В. Яковлева, Ю. В. Воронова. — М.: Стройиздат, 2004.
• Биологическая очистка сточных вод: учебное пособие / А. А. Мясников, В. В. Гончарук. — М.: Издательство МГУ, 2010.
• Wastewater Engineering: Treatment and Resource Recovery / Metcalf & Eddy, 5th ed. — McGraw-Hill, 2014.