Состав и свойства осадка бытовых сточных вод

Загрязнения, содержащиеся в бытовых сточных водах, состоят из неорганических и органических веществ, находящихся в жидкости в растворенной форме и в виде взвешенных веществ (оседающих, всплывающих и коллоидных). Кроме того, в сточной воде присутствуют микроорганизмы, способствующие разложению органических веществ и вызывающие их анаэробную ферментацию.

Одной из основных характеристик бытовых сточных вод является биоразлагаемость (биодеградация или подверженность биологической очистке), которая зависит от имеющегося баланса питательных для бактерий веществ (азота и фосфора).

Чтобы процесс очистки протекал нормально, сточная вода должна поступать на очистные сооружения в достаточно “свежем” состоянии. Загнившая сточная вода токсична для процесса, и перед первичным отстаиванием ее следует подвергать предварительной аэрации или предварительному хлорированию. Бытовые сточные воды характеризуются их расходом, содержа-нием взвешенных веществ и биохимической потребностью в кислороде.

Если сырая сточная вода содержит значительное количество производственных стоков (от скотобоен, молокозаводов и т. п.), то изменения концентрации загрязнений могут быть более резкими, чем при наличии только бытовых стоков. Это следует учитывать при проектировании сооружений.

Взвешенные вещества содержатся в сточной воде, прошедшей обработку на решётках и песколовках.

Содержание влаги в этих отбросах после ее естественного дренажа достигает 70—80%.

Объем песка, удаляемого в расчете на 1 чел. в год, достига-ет 5 дм3 (при высокой плотности населения) и 12 дм3 (при ме-ньшей плотности населения).

Объем отбросов, задерживаемых решетками, увеличивается с возрастанием жизненного уровня населения, особенно вследс-твие использования волокнистых материалов.

Если бытовые отходы в измельченном виде попадают в кухонные раковины и сбрасываются в канализацию (что запре-щено во Франции), то эти вещества не задерживаются решет-ками, и нагрузка на очистные сооружения значительно воз-растает (в некоторых городах США БПК5 и содержание взве-шенных веществ в сточных водах возрастают практически вдвое).

Если присутствуют органические вещества, очень слабо био-логически разлагаемые, химические восстановители или би-ологические ингибиторы, то это ведет к увеличению соот-ношения ХПК/БПК5 (теоретически) и ХПК/БПК5 (практически), что указывает на присутствие производственных сточных вод.

При наличии таких сточных вод существует опасность, что после обработки воды содержание ХПК в очищенных водах будет чрезмерно высоким. Величина БПК5, определяемая присутствием органических веществ, также может указывать на наличие производственных сточных вод.

Производственные сточные воды оказывают большое влияние на бытовые сточные воды, т.к. их доля постоянно растет. Часто более экономично обрабатывать смесь бытовых и про-изводственных сточных вод, чем очищать каждый тип сточных вод отдельно, но когда в производственных сточных водах присутствуют токсичные вещества или биологические ингибиторы, необходима их локальная очистка на предприятиях.

Содержание общего азота в бытовых сточных водах составляет до 15—20% от БПК5. Более высокое содержание азота свидетельствует о присутствии производственных сточных вод.

Уровень рН оказывает огромное влияние на сточные воды. Значение рН бытовой сточной воды обычно близко к нейтральному и колеблется в пределах 7—7,5. Другое значение рН указывает на присутствие производственных сточных вод. Процесс биологической очистки возможен при рН от 6,5 до 8,5.

Окислительно-восстановительный потенциал (редокс-потенциал) Ен; окислительно-восстановительная мощ-ность rН. Бытовые сточные воды, достаточно “свежие”, имеют окислительно-восстановительный потенциал около +100 мВ, что соответствует rН в пределах 17—21 при рН ~7. Потен-циал +40 мВ (rН =15 при рН ~7) или отрицательный по-тенциал указывает на восстановительный характер среды (загнивание сточных вод, гнилостное брожение, аналогичное процессу в септик-тенке, наличие агентов химического восста-новления). Потенциал свыше +300 мВ (rН=24 при рН=7) сви-детельствует о чрезмерном окислительном характере среды.

Токсичность и ингибирование. Наличие ионов тяжелых металлов, таких как Cu2+, Cr6+, Cd2+ и др., даже в небольших концентрациях (0,1 мг/л), может подавлять активность бак-терий.

Сульфиды в концентрации 25 мг/л и выше полностью ингибируют биологический рост неакклиматизированного активного ила. Через несколько дней адаптации толерантная доза воз-растает до 100 мг/л.

Многие соединения токсичны, и их спуск в канализацию и особенно в природные водоемы запрещен законом (например, цианиды, цикличные гидроксильные соединения и т. д.).

Некоторые фармацевтические вещества могут быть также вредны для жизнедеятельности бактерий (например, антибиотики).

Что касается равновесия питательных веществ в сточных водах, то зачастую может наблюдаться дефицит азота и фосфора. В некоторых случаях следует добавлять биогенные элементы (питательные вещества) для восстановления со-отношений БПК5/ЛГ ж 20 и БПКУР ~ 100, необходимых для би-ологической очистки.

Отсутствие такого баланса может вызвать нарушение биологического процесса, сопровождающегося вспуханием активного ила и снижением эффективности очистки.

Высокое солесодсржание может снизить эффективность очистки; резкое его повышение более вредно, чем медленное изменение.

Температурные колебания также оказывают влияние на процесс очистки.

Приём стоков при опорожнении выгребных ям. В городских районах остается еще некоторое количество жилищ, в которых до присоединения к городской канализации сбрасывают стоки в выгребные ямы или септик-тенки. Сточные воды после опорожнения таких резервуаров обычно содержат много песка, иногда гравий и другие примеси, нарушающие процесс очистки.

Эти воды имеют следующий состав:

БПК5 ™ от 4000 до 10 000 мг/л;

ХПК — от 6000 до 16 000 мг/л;

взвешенные вещества — от 5000 до 17000 мг/л;

содержание NH4— от 1500 до 5000 мг/л.

Перед сбросом таких сточных вод на городские очистные соо-ружения они должны быть предварительно обработаны на ре-шетках и песколовках и пропущены через сооружения, где они разбавляются и перемешиваются с сырой сточной водой, желательно в отношении не более 1% общего объема, непосредственно перед поступлением в первичный отстойник (в некоторых случаях необходима преаэрация).

Очистка сточных вод производится с целью снижения содержания загрязнений до концентраций, не оказывающих неблагоприятного влияния на флору и фауну водоемов.

Содержание загрязнений в сточных водах, сбрасываемых в водоемы, должно быть в пределах, ограничиваемых санитарно-гигиеническими нормативами каждой страны. Это общие стан-дарты, составленные на основании различных исследований; местные специфические условия (сильное разбавление, ох-рана зон водоснабжения или зон рекреации и т. п.) могут быть учтены в некоторых случаях компетентными специалис-тами.

Критерии очистки следует определять в каждом случае на ос-новании самоочищающей способности водоема, а также обще-го количества загрязнений всех типов, принимаемых им. Мак-симальный уровень загрязнения рек рассчитывают исходя из их классификации (во Франции: а — реки с сильным загрязне-нием вследствие сброса сточных вод с содержанием растворен-ного О2<=4 мг/л; b — реки, в которых разводятся карпы, 6>=O2>4 мг/л; с - реки, в которых разводятся лососевые, O2>=7 мг/л).

Очищенные сточные воды могут содержать минеральные загрязнения (азотные и фосфорные) и биологические неразлагаемые органические загрязнения (детергенты, пестициды и т. д.). Поэтому в ряде случаев требуется третичная очистка. Обработка сточных вод может производиться в сооружениях, работающих раздельно или комбинированно:

• в сооружениях механической очистки, где осуществляют предварительную обработку (удаление грубых загрязнений, песка и т. д.) и первичное отстаивание (первичная очистка) для удаления оседающих или флотируемых суспендированных веществ;
• в сооружениях физико-химической очистки, где не-оседающие суспендированные вещества могут быть отделены в сооружениях посредством коагуляции, позволяющей более пол-но их отделить; путем коагуляции удаляют также некоторые тяжелые металлы и фосфаты;
• в сооружениях биологической очистки для более полного удаления органических загрязнений в результате жизнедеятельности бактерий;
• в сооружениях обработки и сушки осадка (сырого осад-ка, образовавшегося в первичных отстойниках, и избыточ-ного активного ила из сооружений биологической очистки).

Основная технологическая схема для сооружений средней производительности может изменяться: первичное отстаивание может быть исключено, сточные воды и осадок могут быть подвергнуты одновременной аэробной биологической очистке (продленная аэрация и т. п.).

Иногда достаточно частичной очистки, в этом случае огра-ничиваются механической очисткой. Если требуются очень высокая степень очистки или удаление биологически нераз-лагаемых веществ, предусматривают третичную очистку, например:

• дальнейшее снижение БПК5 и взвешенных веществ;
• удаление фосфатов;
• денитрификацию;
• удаление поверхностно-активных веществ;
• хлорирование.

Аэробная биологическая очистка сточных вод основана на развитии бактерий, которые в процессе своей жизнедеятельности потребляют органические вещества, содержащиеся в сточной воде. Развитие бактерий происходит, когда они находятся в сточной воде в виде суспензии (активный ил) или в виде фиксированной пленки (биологический фильтр).

Для предотвращения влияния тяжелых и крупных загрязнений на процесс биологической очистки ему предшествуют сооружения предварительной очистки. На маленьких стан-циях можно обойтись без первичного отстаивания, в этом слу-чае необходима предварительная обработка, которая должна включать полное удаление жиров.

Конструкция М.А. исключает возможность появления неуправ-ляемой денитрификации, как, например, подъем сгустков ила па поверхность. При высокой степени рециркуляции ила и сохранении на постоянном уровне его концентрации процесс осуществляется при низких нагрузках на ил. Этим устраняется риск возникновения засоров, связанных с низким рециркуляцион-ным расходом, подаваемым насосом.

Удаление азота .Достаточность аэробной фазы, в процессе которой сток нитрифицируется, и анаэробной фазы, при кото-рой происходит денитрификация, позволяет достичь высокой степени удаления азота, составляющий 80% и более, что на-ходится в значительной зависимости от температуры.

Помимо предварительных решеток, сооружений для удаления песка и жира и насосного оборудования установка S.A. включает следующее оборудование:

• аэротенк;
• вторичный отстойник с донными и поверхностными скребками;
• резервуар стабилизации ила.

Типичная схема станций этого типа:

• предварительные решетки (обычно механизированные);
• удаление песка, если необходимо (аэрируемые песколов-ки);
• удаление жира, если необходимо (часто объединяется с песко-ловками);
• сжигание ила (если необходимо) на станции или совместно с бытовыми отходами на расположенной поблизости мусоро-сжигательной станции.

Еще одна возможность обработки осадка — прямое компости-рование сырого осадка с биологическими добавками (отсортированные бытовые отходы, виноградные стебли и т. п.).

Дополнительные сооружения. На очистной станции иногда дополнительно применяют третичную очистку, например, удаление фосфатов, денитрификацию, регулирование скорости рециркуляции активного ила.

Жиры и флотируемые вещества удаляются, в основ-ном, на этапе предварительной обработки, а в процессе первичного отстаивания собираются обычно сборным желобом и периодически удаляются.

Когда для удаления веществ, которые не осаждаются в обычных услоловиях, применяется интенсивная флокуляция, количество задержанного осадка значительно возрастает. Весьма перспек-тивным является использование органических полимеров, так как при этом к поступающей воде добавляется очень мало вещества. С другой стороны, все неорганические электро-литы ведут к образованию осаждаемых хлопьев гидроксидов, простых или сложных фосфатов и осаждаемых карбо-натов, которые неизбежно увеличивают количество осадка, удаляемого из отстойников. Более того, известь, когда она применяется в больших дозах, дает плотный осадок, особенно если при ее применении одновременно удаляются присутст-вующие в воде карбонаты; гидроксиды железа и алюми-ния осаждаются в виде очень неплотных и гидрофильных хло-пьев, которые не могут уплотняться. Увеличение массы осадка сопровождается еще более значительным увеличением его объема.

Процесс третичной очистки улучшает показатели качества очищенной воды после биологической или равнозначной ей очистки.

Потребность в применении третичной очистки возникает в случаях, приведенных ниже в порядке возрастания требований к показателям качества очищенной воды

• потребность в сельском хозяйстве, ирригация;
• для целей охлаждения в промышленности;
• поддержание биотического равновесия;
• использование в промышленности;
• пополнение подземных вод;
• рыбоводство;
• использование в хозяйственных целях вплоть до потребления человеком.

Степень очистки сточных вод будет меняться в зависимости от целей, для которых предназначена вода.

Известны следующие процессы третичной очистки:

• доочистка, которая обеспечивает дальнейшее уменьшение кон-центрации взвешенных веществ и снижение концентрации по БПК5;
• удаление фосфора для борьбы с эвтрофикацией озер;
• нитрификация и денитрификация, направленные на снижение всего или части органического либо аммонийного азо-та;
• удаление бионеразлагаемых органических загрязне-ний (ХПК) и органических или неорганических токсич-ных веществ;
• снижение цветности и удаление поверхностно-активных веществ;
• обеззараживание и удаление патогенной микрофлоры.

Третичная очистка применима как для производственных, так и для бытовых сточных вод.

В естественных прудах вследствие роста водорослей значительно уменьшается содержание азота и фосфора, хотя сте-пень снижения их концентрации зависит от сезона. Однако про-блема удаления водорослей из сбрасываемой в водоемы очи-щенной воды в настоящее время не решена. В мелководных прудах длительное освещение оказывает обеззараживающий эффект.

Биологическая очистка может быть осуществлена фильт-рацией через почву.

Наиболее широко используется для доочистки фильтро-вание, которое основано на физическом процессе.

Прямое фильтрование через песчаную загрузку позволяет снизить концентрацию взвешенных веществ на 60—80% и уменьшить концентрацию соединений углерода на 30—40%. Чем ниже нагрузка на ил в предшествующем биологическом процессе, тем достигается более высокая эффективность очистки.

Удаление фосфатов весьма полезно, если очищенный сток сбрасывается в озеро или малопроточный водоем, так как сброс сточной воды, содержащий большое количество годных к потреблению водной растительностью фосфатов, может способс-твовать развитию эвтрофикации. Указанные фосфаты являются лимитирующим фактором для развития водной растительности и планктона. Вследствие этого в таких странах, как Швейцария, стремящихся защитить свои озера, заключено соглаше-ние о сбросе предельной максимальной дозы общих фосфа-тов около 1 мг/л в сточных водах, поступающих в озера или сбрасываемых близко от них.

В процессе обычной биологической очистки фосфор уда-ляется не полностью. Тем не менее благодаря бактериальному действию полифосфаты превращаются в годные для потреб-ления ортофосфаты. В то время как в поступающей в аэротенк сырой сточной воде две трети общего фосфора присутствуют в форме полифосфатов и одна треть — в форме ортофосфа-тов, для биологически очищенных сточных вод имеет место обратное соотношение.

Современные моющие средства являются основным источником полифосфатов; количество фосфатов в стоке возрастает с увеличением использования моющих средств.

Для удаления фосфатов рекомендуются два процесса: симультанное осаждение введением солей железа или алюминия в активный ил и раздельное осаждение, кото-рое производится на третьей ступени очистки с флокуляцией и осаждением или флотацией. В последнем случае качество очищенного стока более высокое, поскольку содержа-ние взвешенных веществ и соответствующая им БПК5 также уменьшаются.

Симультанное осаждение в широких масштабах успешно применяется в Швейцарии. В процессе очистки используется большое количество реагентов, около 1—1,5 мг железа на 1 мг фосфатов (выраженных в РОг8), достигаемая эффективность составляет 80—90%. Активный ил становится более тяжелым иловый индекс падает. Влияние на эффективность очистки не отмечено, хотя определенные трудности имелись при низконагружаемом процессе. При анаэробном сбраживании избыточного ила, содержащего осажденные фосфаты, высвобождения фосфатов в рециркулирующий поток не наблюдалось.

В связи с получением данных, свидетельствующих о том что биологический процесс денитрификации позволяет осуществить сверхпоглощение фосфора бактериями, открывается новый подход к удалению фосфора. Однако, хотя пока и не ясно, можно ли при таком процессе достичь уровня содержания фос-фатов, требуемого правилами ряда стран, но он, вероятно, должен уменьшить значение химического удаления фосфатов.

Во французском стандарте общий азот упомянут в трех из шести уровней очистки.

Содержание азота регламентируется во многих странах, до-пустимые концентрации для сброса часто бывают очень низ-кими. Имеется ряд причин, объясняющих эти требования:

• необходимость ограничения потребления кислорода в водоприёмнике, так как для окисления 1 мг аммонийного азота требуется около 4 мг кислорода;
• необходимость ограничения эвтрофикации озер и малопроточных водоемов (в этом случае удаление азота должно сочетаться с удалением фосфатов);
• обеспечение условий использования поверхностных речных вод для определенных промышленных и хозяйственных целей, когда присутствие азота или вредно, или запрещено.

Наиболее простым способом удаления азота является его окисление в процессе очистки до нитратных форм (N/NO3-), в которых он считается полностью безвредным. Действительно, при биологической нитрификации происходит переход от аммонийных форм N/NH3 в нитратные с образованием промежуточных нитритов N/N02, которые, находясь в воде, отчасти токсичны для детей, и эти недостатки можно предотвратить при осуществлении процесса нитрификации. С другой стороны, в водном источнике возможны обратные процессы, известные как ассимилятивное восстановление. В конечном счете при нитрификации потребляется кислород, а следовательно, и энергия, тогда как при диссимилятивном восстановлении, когда нитраты пре-вращаются в газообразный азот, высвобождаемая часть кислорода, использованного ранее для нитрификации, потреб-ляется на окисление загрязнений, содержащих соединения углерода. Общая тенденция поэтому заключается в полном удалении азота. Возможны два способа: физико-химическое удаление; биологическая нитрификация / денитрификация.

Для закрепления растворённых бионеразлагаемых моле-кул может быть использована адсорбция порошкообразным и гранулированным углём. Если применяется гранулирован-ный продукт, то для предотвращения обильного роста бактерий в толще угольной загрузки практически все биоразлагаемые загрязнения должны быть редварительно удалены. Такая очистка осуществляется на некоторых американских сооруже-ниях, однако в Европе она не нашла применения.

Активный уголь обычно регенирируется термическим или химическим методами.

Применение угля особннно эффективно для очистки от по-верхностно-активных веществ, а также от ряда органичес-ких молекул, обуславливающих ценность некоторых сточных вод.

После биологической и даже третичной очистки перед сбросом сточные воды ддолжны быть обеззаражены. Это необходимо для таких вод, в которых возможно скопление большого количества патогенных микроорганизмов, а именно стоков из санаториев, госпиталей и т.д. обеззараживание также рекомендуется, если очищенный сток должен быть использован повторно разбрызгиванием с образованием аэро-золей.

Обеззараживание бесполезно до тех пор, пока вода пред-варительно не очищена. Наиболее распространено обеззара-живание хлорированием.

Чем лучше качество предыдущей очистки, тем более эффек-тивно действие хлора. Присутствие ионов NH4+снижает бакте-рицидный эффект хлора за счёт образования сравнительно неактивных хлораминов. Этот недостаток может быть значи-тельно уменьшен при использовании диоксида хлора, а при интенсивной нитрификации/денитрификации целесообразно обеззараживание хлором.

Чтобы избежать образования хлорорганических соедине-ний, токсичных для фауны и флоры водоприёмника, предла-гается использование брома и ультрафиолетового излуче-ния. Экономичность и эффективность этих процессов для очистки бытовых сточных вод должна быть ещё доказана.

Озон является и активным обеззараживающим средством, особенно по отношению к вирусам, и окислителем органических загрязнений; поэтому он, очевидно, в сравнительно недалёком будущем будет применятся для очистки бытовых сточных вод.