Відповідь питання 13 і 4 Зміст і межі застосування біологічного очищення води. Класифікація методів біологічного очищення

Біологічне очищення на практиці широко застосовується для обробки побутових стоків і виробничих стічних вод. В основі цього способу очистки лежить процес біологічного окислення органічних сполук, та інших речовин, що містяться в стічних водах. Зміст біологічного очищення води полягає у свідомому застосуванні гідробіонтів для звільнення води від небажаних домішок. Гідробіонти — це мікроорганізми, представники тваринного і рослинного світу, які живуть у воді.

Сучасні біологічні методи можна успішно використовувати для очищення води від:

• усіх без винятку розчинених у ній органічних сполук у будь-яких концентраціях;

• йонів важких металів, нітратів, сульфатів, хроматів, аміак атів;

• небезпечних біологічних агентів (хвороботворних бактерій, вірусів тощо).

Завдяки біологічному очищенню можна не лише знешкодити стічні води, а й відтворити якість води, використаної в промисловому виробництві, побуті, сільському господарстві чи забрудненої внаслідок техногенних аварій на водоймах. З огляду на його відносну дешевизну (а іноді й прибутковість), надійність та екологічну безпечність біологічне очищення води має безсумнівну перспективу закріпити свою чільну роль в охороні водного басейну від забруднення.

В Російській імперії саме в Україні вперше було створено і введено в експлуатацію штучні біологічні споруди — поля зрошення: у 1887 р. в Одесі та в 1894 р. — у Києві, в Москві такі споруди з’явилися лише в 1898р.

Виходячи з того, що процеси біологічного окислення можуть проходити як в середовищі з киснем, так і в без кисневому середовищі, розрізняють аеробне біологічне очищення, коли в якості активного компонента використовують організми – аероби, та анаеробне біологічне очищення, коли в якості активного компонента використовують організми – анаероби.

На ефективність процесів біологічного окислення впливають наступні фактори:

• температура аеробних процесів (оптимальна – 20-30⁰С);

• реакція середовища (оптимальна – нейтральна або слабко лужна);

• підтримання концентрації розчиненого кисню при проходженні аеробних процесів на рівні 2 мг/л;

• концентрація токсичних компонентів у стічній воді (не повинна перевищувати ГДК).

Як і будь-яка інша біотехнологія, біологічні методи очищення води грунтуються на використанні тих чи інших живих істот, їхніх комплексів — біоценозів. Таких біоценозів в очищенні води нині відомо п'ять:

1. біоплівка;

2. активний, мул;

3. анаеробні мікроорганізми, зокрема гранульований мул;

4. селекціоновані мікроорганізми - деструктори певних забруднень;

5) гідро біоценози, що становлять просторову сукцесію (біоконвеєр).

Саме ці біологічні угруповання є основою всіх існуючих біотехнологій очищення води: найрізноманітніших біофільтрів (з гравійним, піщаним чи синтетичним завантаженням; вертикальних чи новітніх — горизонтальних, що звуться "wetlands" — мочарами, занурених у воду, чи інтенсивно провітрюваних тощо); аеротенків, окситенків різних типів і калібрів (витискувачі, змішувачі,, циркуляційні, шахтові, баштові тощо), бактеріальних біореакторів, низки анаеробних споруд з висхідним чи низхідним потоком, з рециркуляцією чи без неї; нарешті, прямотечійні мікробіо-, зоо- та фітореактори. Людина придумала силу-силенну технічних пристроїв, споруд, апаратів для біологічного очищення води, проте всі вони спираються на перелічені вище п'ять типів біологічних агентів, які споконвічне існують у природі. Згадаймо; у будь-якому потічку каміння та інші тверді предмети слизькі від біоплівки; немає озерця без мулу на дні — верхній шар якого аеробний, нижній — анаеробний; найкращі бактерії-деструктори живуть у ґрунті, що зрошується забрудненими водами; в кожній річці, що інтенсивно забруднюється органічними речовинами, можна спостерігати просторову сукцесію гідробіонтів, яка забезпечує поступове самоочищення води в ній. Активний мул "придумали" англійці Ардерн і Локкет, мікробіологічний метод — наша співвітчизниця, дослідниця з Києва Наталія Путиліна, гранульований анаеробний мул — нідерландський учений Леттінга.

Біологічне очищення води було, є і буде основним методом охорони природних вод від хімічного та біологічного забруднення. В перманентному і вічному самоочищенні води гідробіонти беруть участь з моменту їхньої появи у воді. Абсолютно всі вони завдячують своїм існуванням незбагненному, гідному подиву, шаленому потягу до розмноження, а також тим органічним речовинам, які потрапляють у воду з грунту чи повітря або утворюються в результаті фотосинтезу і які з погляду людини є речовинами, що забруднюють воду, а для гідробіонтів-гетеротрофів вони є єдиним джерелом живлення.

Біотехнологія очищення води у всіх високорозвинених країнах — найбільш великотоннажна не тільки серед біотехнологій (давніх, як випікання хліба, одержання кисломолочних продуктів та продуктів бродіння; нових, як біосинтез лікарських засобів типу антибіотиків, інтерферону чи інсуліну), а й серед відомих людині технологій взагалі. В Англії, наприклад, біологічно очищають за добу більше води, ніж виготовляють сиру, молока, м'яса за рік. Згідно з елементарним підрахунком, у колишньому СРСР протягом року піддавалось біологічному очищенню приблизно стільки ж тонн стічних вод, скільки видобувалось корисних копалин, вироблялось сільськогосподарської та промислової продукції за десять років.

2. Природне біологічне очищення стічних вод

Існують два види біологічного очищення: природне та штучне. Природне біологічне очищення передбачає використання ґрунтових методів очищення і очищення стічних вод в біологічних ставках.

Споруди ґрунтової очистки

Ґрунтові методи очищення базуються на використанні як біологічних (гниття, біоокиснення), так і фізичних (випарювання, фільтрування, виморожування) процесів. Споруди ґрунтової очистки використовують переважно для очищення побутових стічних вод. При використанні способу ґрунтового очищення слід брати до уваги наступне:

• тип ґрунту;

• рівень залягання ґрунтових вод;

• рельєф місцевості;

• середньорічну кількість опадів;

• санітарно – гігієнічні вимоги;

• витрати і склад стічних вод.

За продуктивністю їх поділяють на:

• малі – пропускна здатність до 1 тис м³;

• середні - пропускна здатність до 50 тис м³;

• великі - пропускна здатність понад 100 тис м³.

Малі споруди ґрунтової очистки за конструкцією – фільтрувальні колодязі, пісочно – щебеневі фільтри, фільтрувальні траншеї з природним або штучним шаром ґрунту.

Середні споруди біологічної очистки – поля підземного зрошення і підземної фільтрації.

Великі споруди біологічної очистки – землеробські поля зрошення, комунальні поля зрошення і поля наземної фільтрації.

На рисунку 1 зображена схема очисних споруд з полями зрошення при цілорічному прийманні очищених стічних вод з сезонним регулюванням їх подачі. Землю поливають лише в період вегетації, а після його закінчення стічні води надходять до ставків – накопичувачів, місткість яких дорівнює 6-ти місячним витратам стічної води.

Біологічні ставки

Великого поширення набули біологічні ставки та лагуни — штучно створені водойми, в яких очищення відбувається завдяки природним процесам самоочищення. Ці процеси іноді трохи стимулюються додатковою примусовою, здебільшого механічною, аерацією. Окиснювальна здатність біоставків і лагун Дуже невисока, функціонують вони переважно в теплу пору року, займають величезні території, забруднюють повітря, поверхневі водойми та підземні водоносні горизонти. Процеси, що відбуваються в них, є практично некерованими і малоефективними.

Біологічні ставки поділяють на аеробні, анаеробні та проміжні (факультативно аеробні).

Аеробні біологічні ставки в свою чергу поділяють на аеробні з природною аерацією (глибина до 1 м) і аеробні зі штучною аерацією (глибина до 3 м). Найбільш поширеними спорудами є аеробні ставки з природною аерацією.

Розрахунок часу перебування стічних вод у аеробному ставку з природною аерацією можна зробити за наступною формулою:

Т = (В х Св х Н) / 1000 F x S

де В – калорійність сухої речовини водоростей, кал/мг, приймають за 4,61;

Св – концентрація водоростей, мг/л;

Н – глибина ставка, см;

F – коефіцієнт використання сонячної енергії водоростями;

S – енергія сонячної радіації, кал/см² на добу.

Використання споруд ґрунтового очищення стічних вод для знешкодження навіть побутових стічних вод слід розцінювати як анахронізм, що свідчить про відсутність гігієнічної та екологічної культури. Спроби очищати промислові стічні води ґрунтовими методами можна віднести до екологічних злочинів, бо таке очищення супроводжується і забрудненням повітря, і проникненням токсичних речовин у підземні водоносні горизонти, і виведенням на тривалий час, а іноді й назавжди, значних земельних площ із сільськогосподарського вжитку. Ґрунтові методи, очевидно, можна використовувати тільки для глибокого доочищення (наприклад, від залишкових концентрацій фосфору та інших біогенних речовин) ретельно очищених слабкомінералізованих стічних вод.

3. Штучне біологічне очищення стічних вод

До індустріальних, штучних методів біотехнології очищення належить обробка стічних вод аеробними (у біофільтрах, аеротенках тощо) та анаеробними (у метантенках, біореакторах тощо) організмами.

Штучні методи очищення води відомі здавна. Спочатку виникла ідея (у 1893 р. її було реалізовано в Англії) біологічного фільтрування води крізь спеціальне завантаження, що обросло біологічною плівкою. В Англії (м. Екзетер) у 1895 р. було введено в експлуатацію так званий септик - споруду для анаеробної обробки комунальних стічних вод. Через два роки подібний септик було споруджено в Індії (м. Бомбей). У 1914 р. в Англії було створено перший аеротенк, робота якого ґрунтувалася на функціонуванні дуже складного біоценозу, що дістав назву "активний мул". Останнім часом проводять дослідження й реалізують на практиці очищення деяких промислових і побутових стічних вод за допомогою анаеробних мікроорганізмів — як вільноплаваючих (завислий або гранульований анаеробний мул), так і прикріплених (іммобілізованих) до різноманітних насадок.

Біологічні процеси відбуваються у воді на всіх етапах проходження її крізь очисні споруди. Більше того, вони розпочинаються в момент утворення стічних вод, тривають під час збирання і транспортування цих вод до очисних споруд (у каналізаційних мережах), не припиняються після будь-якого, навіть найбільш ретельного очищення і знезараження води.

Однак найбільш помітне біологічне очищення стічних вод відбувається саме на другій — біологічній — стадії, де вже згадувані біоплівка, активні аеробні чи гранульовані анаеробні мули, спеціально селекціоновані мікроорганізми-деструктори чи сформовані у трофічний ланцюг гідробіоценози у спеціально створених для них умовах у відповідних спорудах інтенсивно розмножуються, споживаючи з води органічні сполуки та інші речовини, які ми розглядаємо як забруднення. Біомасу гідробіонтів, що наростає під час очищення води, відділяють у так званих вторинних відстійниках 8 (див. рис. 2), звідки її подають або в метантенки 1 або на мулові майданчики 2.