Теория биологической очистки сточных вод

РЕКЛАМА НА ФОРУМХАУС

Приветствую. Читая темы в этом разделе у меня создалось стойкое ощущение, что только единицы представляют себе что же происходит в септиках и АУ. Поэтому я решил поделится своим скромным опытом по биофильтрации. Мой опыт больше относится к фильтрации воды в аквариуме, но принципиальной разницы с ЛОС - нет. В аквариуме меньше объем загрязнений.

Фильтрация в аквариумах и установках по разведению рыбы очень хорошо изучена "любителями". Основные теоретические моменты ниже. Все мои высказывания касательно ЛОС - не больше, чем мои догадки - специальных исследований я не проводил.

Поехали.

Азотный цикл. Загрязнения, которые проникают в воду/почву разлагаются бактериями на ионы аммония, нитритов, нитратов, а потом происходит де-нитрификация - разложение на азот и воду. Т. е. по сути это полный цикл очистки воды от органических загрязнений, который происходит в природных условиях.

Аэробная биологическая очистка. Это наиболее изученный/используемый вид очистки воды "любителями". Как следует из названия, для протекания процесса требуется кислород и причем чем больше, тем лучше. Очистка выполняется тремя группами бактерий. Первая группа разлагает органику на аммоний содержащие соединения, вторая на нитриты и последняя на нитраты.

Аммоний и нитриты очень токсичны и их ПДК на порядок ниже, чем нитратов. В нормальном биофильтре концентрации аммония и нитритов околонулевые. Это связанно с тем что бактерии последующих "ступений" весьма оперативно окисляют их до нитратов. Но если нитрифицирующих бактерий нет - получается ядовитая жижа.

Аэробные бактерии преимущественно живут на твердой поверхности - стенки водоема, частицы грунта, камни и т. п. В толще воды их концентрация невелика. Поэтому при биологической очистки воды стараются эту площадь увеличить.

По сути, скорость и полнота биологической очистки зависит от уровня кислорода, площади поверхности загрузки биофильтра и времени контакта воды с поверхностью.

Существует множество способов организации биофильтров.

1. Засыпной фильтр. В объеме находится пористый материал, например керамзит (не самый удачный материал, но дешевый). Через емкость прокачивается насыщенная кислородом вода. Обычно это происходит по замкнутому кругу, т. к. одного оборота обычно не достаточно для очистки - маленький объем наполнителя. Бактерии живут на поверхности засыпки и чем больше площадь поверхности (включая поры в материале), тем эффективнее фильтрация. Существенным ограниченим в таких фильтрах является кислород. При больших объемах засыпки - бактерии быстро выедают его из воды, и объем засыпки работает только частично.

2. Активный ил. Нашел активное применение именно в очистке стоков. Суть в том, что в емкости с водой устраивают аэрацию, которая поднимает со дна частицы ила. Именно на них находятся колонии бактерий. Мне видится только один недостаток - муть от ила требует дополнительной фильрации или отстаивания. Главный ограничитель фильтрации - уровень кислорода. С помощью атмосферной аэрации трудно добиться максимального насыщения воды кислородом.

3. Влажный фильтр. Самый эффективный из существующих. Обычно это колонна в которую засыпан фильтрующий материал (обычно керамзит). Сверху колонны на поверхность засыпки распыляется вода, а снизу колоны подается воздух. Колона водой НЕ заполнена, вода просто стекает по засыпке. В фильтре нет ограничения по кислороду при любом разумном объеме засыпки.

Я лично проверял 1 и 3 тип фильтра. Последний реально в разы эффективней.

Аэробный процесс окисляет органику до нитратов. Дальнейшая переработка этим способом невозможна. Воду можно до очистить с помощью де-нитрификации (об этом позже), либо фито способом. Т. е. попросту скормить нитраты растениям.

Вода очищенная аэробным способом как правило имеет запах природного водоема.

Анаэробный процесс. Протекает без доступа кислорода. Результат деятельности бактерий сильно зависит от условий протекания процесса. Лично я подобные фильтры не делал и слабо разбираюсь в теории, но постараюсь позже сделать выжимку из существующих материалов.

В результате Анаэробного процесса могут выделятся сероводород и метан - весьма ядовитые газы. В условиях аквариума всеми силами стараются избежать возникновения анаэробных процессов. В природе они протекают обычно в глубинных слоях грунта, где нет кислорода. В народе этот процесс можно назвать гниение. Характерны неприятные запахи.

Денитрификация это тоже АНАЭРОБНЫЙ процесс, но для его протекания нужны специальные условия. В процессе де-нитрификации нитраты переходят в нитриты, а потом окисляются до азота (безвредный газ) и воды. Кроме того из воды удаляются фосфаты (если присутствует железо).
Процесс тоже трехступенчатый. Сначала идет преобразование в нитрит (NO2), потом окись азота (NO) и закись азота (N2O). Именно в таком порядке. Промежуточные продукты - токсичны.
Как и в случае с аэробным процессом, если реакция пройдет не до конца, то качество воды может стать даже еще хуже, чем до начала очистки.

Особенность денитрификации в том, что энергию для жизнедеятельности бактерии получают из органических источников, как сахароза, глюкоза, спирты, органические кислоты, аминокислоты. А кислород из азотных соединений - разлагают их.

Кроме того нужен низкий редокс-потенциал, чтобы реакция могла протекать в нужном направлении. Если недостаточно нитратов или редокс-поненциал сильно низкий - будет образовываться сероводород и метан.

Денитрификация достаточно сложный процесс и требует тщательного контроля, чтобы все реакции протекали как надо. Существуют промышленные реакторы для очистки воды этим методом.

"Любители" также создавали свои конструкции, но они требуют тщательной настройки и контроля.

 

Теперь вторая часть про мои "домыслы" и ЛОС.

Я не буду описывать септик - на форуме очень хорошо это сделано. Очевидно, что в нем сначала идет не контролируемый анаэробный процесс, а потом выполняется до-очистка воды в фильтрационных колодцах или на полях фильтрации. Вот на последнем я бы хотел остановится подробней, т. к. часто вижу одну и ту же ошибку.

Фильтрационный колодцы и поля фильтрации работают, используя аэробный процесс. Т. е. нужен обязательный доступ кислорода и чем больше, тем лучше.

Из септика туда поступает вода обедненная кислородом. Принудительной аэрации нет, поэтому процесс может протекать только по принципу "влажного фильтра". А это значит, что вода НЕ ДОЛЖНА СТОЯТЬ в колодце или на поле фильтрации. Грунт, который впитывает воду должен хорошо вентилироваться.

Если обедненная кислородом вода будет стоять - начнется анаэробный процесс. Т. е. по сути быстрое заливание грунта и отсутствие очистки.

Подсыпка из щебня нужна для увеличения жилой площади бактерий в первую очередь, а уже во вторую для увеличения площади водоотведения. Обращаю внимание, что фильтрация и водоотведение это два разных процесса.

Грунт тоже может выполнять аэробную фильтрацию в верхних слоях, но опять же нужен кислород, который гораздо хуже проникает в плотный грунт, чем в щебень. Поэтому объем фильтрации ГОРАЗДО ниже, чем возможный объем водоотведения. (на форуме и в нормах эти понятия либо путают, либо не понимают разницу). Если превысить объем фильтрации - грунт возможно и будет продолжать впитывать воду, но начнется анаэробное гниение и заиливание грунта.

Если вы вылили в яму воду, посчитали время впитывания, то это не значит что этот объем будет фильтроваться. Такой объем воды можно отвести, но фильтрование надо выполнять доп. средствами - например наполнителем из щебня. Причем его объем должен быть таким, что даже при залповом сбросе - вода должна распределятся тонким слоем и насыщаться кислородом.

К сожалению точных цифр по объему засыпок дать не могу - нет у меня такого опыта и знаний для расчета.

На "взрослых" очистных сооружениях вместо полей фильтрации или колодцев используют колонны с засыпкой керамзитом и принудительной подачей воздуха. Также кроме биологической очистки применяют еще физико-химическую. Для того, чтобы избавится от мутности применяют коагулянты для сточных вод. Названия специально не пишу, т. к. в домашних условиях их применение может принести больше вреда чем пользы.

 

Там исключительно аэрационные установки. Тему читал - много интересного. Процесс анаэробного преобразования вообще мало где рассмотрен, хотя без него затруднительно получить полный цикл очистки воды.

 

Да, обычно системы на основе активного ила как в АУ. В нашем городе именно такая система. Однако есть очистные, где используют колонны. По крайней мере в спец. литературе такие системы упоминаются.

Про изученность анаэробный процесса я согласен - он изучен. А много ли установок его используют? Я видел только промышленные на большие объемы в каталогах. И несколько домашних на крошечные объемы в сравнении с ЛОС.

 

Ух какая интересная тема на "поговорить" . меня тема биологической очистки задела по касательной, после чего увлекся гидрогеологией. Но кое чего, я попытаюсь вспомнить:

Сейчас городские КОСы стараются проектировать по технологи кейптауна (UCT, MUCT и тд), которая пришла на замену реакторно-смесительной карусели A2О.

А с чего все началось? раньше стоки только "бурбулили" в аэротенках и контролировали на выходе БПК да взвешенные вещества. Потом поняли, что этого мало, так как началась проблема с эвтрофикацией водоемов. И поняли, что выпуски фонят азотной группой да фосфором. И вот тут стало ясно, что просто аэробной зоны в которой при процессе нитрификации происходит переход азота NH4 в нитраты мало, и надо убирать те самые нитраты/нитриты и фосфор. Так пришло понимание необходимости процесса денитрификации. Но сам процесс дюже капризный, и дьявол кроется в деталях, которые приходят с опытом.

В самом классическом аэротенке процессы тоже не так просты, как кажется на первый взгляд:
- в первой фазе происходит биосорбция органических веществ активным илом. фаза по времени короткая (до получаса). А сам ил активно прибавляет в биомассе.
- во второй фазе микроорганизмы выделяют ферменты, в результате чего углеводы переходят в моносахариды, а далее в углекислый газ, воду с выделением энергии. (декарбонизация органики)
- в третей фазе: распад белка. Белковые молекулы под ферментами разваливаются на ряд более простых веществ.
- четвертая фаза: эндогенное дыхание. Тут уже окисляются и жиры. (эта стадия начинается после суток бурбуления)
- Далее такие бактерии как нитробастер и нитросом проводят ту самую нитрификацию азотсодержащих соединений (которые пришли от распада белка и жиров см 3и 4 фазы) и на выходе мы получаем нитраты и нитриты.

а вот дальше сточные воды, надо очищать от полученных нитратов и нитритов. И тут наступает следующий этап - денитрификация.
причем тут надо уметь отличать анаэробную зону и аноксидную.

 

Вспомнил, что когда то читал о случайной находке. Бактерии-аэробы в результате своей работы выделяют газы, которые попадая в воду образуют нитраты, нитриты и т. п. При очистки воды в вертикальных колонах Влажного фильтра - вода течет по субстрату в очень тонкой пленке и газы успевают выветриваться до растворения в воде. Т. е. аэробный процесс тоже способен снижать уровень нитратов.

Еще важное значение имеет время контакта воды с субстратом. Например, в аквариуме это несколько см/сек, при общем времени менее 10 секунд. Но там вода зациклена. Очевидно, что в случае со сточными водами размер фильтра должен быть значительно больше, чтобы очистка прошла за один цикл. Что значит "значительно" в цифрах я сказать не могу.

 

Полагаю, что оценку даёт размер санитарной зоны вокруг фильтрующего сооружения автономной канализации. Круг радиусом 10 метров и (ориентировочно) два метра в глубину с учётом несимметричного растекания даёт объём порядка 100 кубических метров. При желании можно посчитать площадь субстрата (суммарную поверхность частиц грунта) в этом объёме.

 

Площадь субстрата и время контакта с субстратом - основные параметры. Площадь очень сильно зависит от материала и фракции. Время контакта от скорости фильтрации.

Как выше замечено площадь для щебня прикинуть можно, но это не та площадь. Т. к. не весь объем задействован одинаково. Вода по сути охотнее пойдет вниз по щебню, чем в стороны. А там метр, максимум два по рекомендациям. Вода заполнит весь объем только, если грунт не будет успевать впитывать. А в этом случае очистка остановится, т. к. аэробы останутся без кислорода.

Если скорость фильтрации через субстрат как то можно промерить опытным путем, то определить требуемую площадь поверхности вряд ли возможно без лабораторных анализов.

Кто нибудь видел какая площадь поверхности должна быть для очистки, скажем, 1 куба после септика?