Биологическая очистка воды

Существует множество способов очистки воды — от проверенных временем классических методов до современных технологий. Одним из наиболее перспективных и относительно новых подходов является использование биофильтров. В этой статье мы ответим на часто возникающие вопросы и подробно расскажем, что собой представляет биологическая очистка воды, как она осуществляется, где применяется и какие виды очистных установок существуют.

Изображение от freepik

Технологии очистки воды

Методы водоочистки можно условно разделить на несколько категорий:

Физические методы включают такие процессы, как отстаивание в специальных резервуарах, фильтрация через особые материалы и механическое очищение. Эти методы обычно применяются на начальном этапе очистки для удаления твердых частиц, которые могут повредить оборудование или снизить эффективность дальнейших этапов очистки.
Химические методы заключаются во введении в воду химических реагентов, которые активируют необходимые реакции. Эти процессы позволяют токсичным веществам взаимодействовать с добавками, в результате чего они распадаются на безвредные компоненты.
Физико-химические методы объединяют физические и химические процессы. Примеры таких технологий включают ионно-обменные фильтры и системы обратного осмоса. Эти методы позволяют изменять свойства загрязнителей, превращая их в нерастворимые вещества, которые затем удаляются через фильтрацию.
Биологические методы используют живые микроорганизмы для поглощения, переработки и удаления загрязняющих веществ. В этом процессе микроорганизмы играют ключевую роль, сорбируя загрязнители и активно участвуя в их разложении.

Как работает биофильтрация?

Очистка загрязненной воды с помощью биофильтров осуществляется благодаря способности микроорганизмов избирательно использовать органические и некоторые неорганические загрязнители (такие как азот, калий, фосфор, сера) в качестве источников питания. Микроорганизмы, поглощая эти вещества, извлекают из них энергию для своей жизнедеятельности и размножения. В процессе такого метаболизма многие растворенные загрязнители окисляются и расщепляются на более простые компоненты, что приводит к их полной нейтрализации.

Биологическая очистка воды

Биологическая очистка является эффективным методом переработки загрязняющих веществ с помощью микроорганизмов. Часть загрязнителей превращается в нерастворимый или плохо растворимый осадок, который затем удаляется через механическую фильтрацию. Превращение других загрязнителей сопровождается образованием безопасных побочных продуктов, таких как метан и углекислый газ. Эти вещества не токсичны, а метан, кроме того, может быть использован как экологически чистое топливо.

Процесс биологической очистки часто включает использование активного ила. Вода проходит через слой биомассы, представляющей собой совокупность колоний микроорганизмов и бактерий, которые участвуют в процессе очистки.

Активный ил может быть как фиксирован в фильтре, так и находиться в свободном, взвешенном состоянии. В ходе очистки образуются отходы — погибшие микроорганизмы и продукты их жизнедеятельности, которые оседают на дне системы. Этот осадок регулярно удаляется, а при необходимости дополнительно обрабатывается и применяется в качестве удобрения.

Какие бактерии используются для очистки?

Для очистки воды применяются различные виды микроорганизмов, которые способны поглощать и перерабатывать загрязняющие вещества. Среди них можно выделить грибы, простейших, водоросли, бактерии и некоторые растения. Выбор подходящих микроорганизмов зависит от множества факторов, таких как тип и количество загрязнителей (органических и неорганических веществ, химических элементов), состав воды, концентрация загрязняющих веществ, а также условия окружающей среды и требуемая степень очистки.

Микроорганизмы для очистки воды можно условно разделить на две основные группы:

Аэробные микроорганизмы. Активно размножаются и осуществляют метаболические процессы только в присутствии кислорода. Без него они не могут существовать, а их жизнедеятельность прекращается. Аэробные организмы играют ключевую роль в разложении сложных соединений на более простые и в окислительных реакциях. Для их нормальной работы кислород должен поступать в воду либо естественным путем (за счет большого контакта воды с атмосферным воздухом), либо принудительно через аэрацию, которая насыщает воду кислородом.
Анаэробные микроорганизмы. В отличие от аэробов, анаэробные организмы процветают в бескислородной среде. Их использование в очистке воды происходит в специальных установках — метантенках. Эти микроорганизмы активно перерабатывают органические загрязнители в условиях отсутствия кислорода.

Какие микроорганизмы используют для очистки?

Среди микроорганизмов, часто применяемых для очистки воды:

Амебы, коловратки и инфузории — простейшие организмы, участвующие в поглощении органических веществ.
Жгутиконосцы (жгутиковые простейшие) — эффективно перерабатывают органику в воде.
Нитчатые бактерии — играют важную роль в окислении азотистых соединений, которые присутствуют в загрязненной воде, так как азот необходим для их жизнедеятельности.
Серобактерии — помогают нейтрализовать сероводород, который может присутствовать в воде при ее загрязнении.

Растения, способствующие очистке

Кроме микроорганизмов, важную роль в биологической очистке воды играют растения, такие как водоросли, рогоз, камыш, ряска, плавающий рдест и роголистник. Эти растения часто высаживаются в грунт или встречаются в естественных водоемах. Они не только выделяют кислород, необходимый для жизнедеятельности аэробных микроорганизмов, но и участвуют в различных биохимических реакциях, помогая улучшить качество воды.

Изображение от freepik

Виды установок для биологической очистки воды

Биологическая очистка воды включает несколько методов, которые различаются по принципу работы, конструкции, режиму функционирования, поддерживаемой среде (кислородной или бескислородной), а также по наполнению и другим характеристикам. Рассмотрим основные типы установок, используемых для биоочистки воды.

Биофильтры

Биофильтры — это устройства с загрузками, на которых образуется биопленка, состоящая из микроорганизмов. Эти фильтры совмещают механическую фильтрацию и биологическую очистку. В зависимости от конструкции и принципа действия биофильтры могут быть:

Капельными, башенными и высоконагружаемыми.
Загрузка может быть объёмной (например, шлак, щебень, гравий) или плоской (керамика, ткань, асбестоцемент).
Установки делятся на одно- и двухступенчатые. Двухступенчатые используются, когда вода содержит большое количество загрязняющих веществ и требует более глубокой очистки.

Аэротенки

Аэротенки предназначены для очистки воды с помощью кислорода, который подается принудительно. Вода смешивается с активным илом, а затем поступает в аэротенк, где через раствор пропускается воздушный поток или чистый кислород. Этот процесс обеспечивает постоянное перемешивание и запускает необходимые реакции расщепления и окисления загрязнителей.

Метантенки

Метантенки — установки, где очистка происходит без кислорода, при этом используется анаэробная среда. В этих устройствах микроорганизмы, не нуждающиеся в кислороде, расщепляют органические вещества и формируют биогаз — метан. В таких установках вода подвергается сбраживанию при температуре от +35 °C (мезофильные процессы) до +55°C (термофильные).

Биологические пруды

Биопруды могут быть как искусственными, так и природными водоемами, предназначенными для очистки. Дно таких прудов покрывается активным илом, а глубина не должна превышать 1 метра, чтобы вода эффективно прогревалась и насыщалась кислородом. В летнее время процесс очистки протекает активно, а зимой микроорганизмы переходят в состояние покоя.

Поля фильтрации

Поля фильтрации используются для обработки сточных вод. Эти установки располагаются на подходящих почвах — торфяных, песчаных, глинистых или суглинистых. Почва в таких полях служит фильтрующим материалом, а на ее поверхности формируется слой микроорганизмов. Вода очищается, не взаимодействуя с подземными водами, поскольку отводится через дренажную систему.

Мембранные биореакторы

Мембранные биореакторы состоят из двух зон. В первой зоне происходит биологическая очистка с использованием активного ила, который расщепляет загрязняющие вещества. Во второй зоне вода проходит через мембраны (трубчатые, плоскорамные или половолоконные), которые задерживают взвешенные частицы и микроорганизмы. Эти биореакторы могут быть использованы как на финальных стадиях очистки воды, так и на промежуточных этапах, например перед нанофильтрацией.

Биологические очистные станции

Эти установки состоят из нескольких рабочих камер, через которые последовательно проходит водный поток, насыщаемый активным илом и кислородом. Биологические очистные станции имеют средний размер и часто являются переносными. Они требуют регулярного обслуживания, включая промывку внутренних частей под высоким давлением. После очистки станции могут быть перезапущены для дальнейшей работы.

Септики

Септики — это резервуары для биологической очистки сточных вод, которые применяются в частных домах и на дачах. Они могут быть аэробными (нуждаются в кислороде для работы) или анаэробными (работают автономно без кислорода). В септики периодически добавляется биомасса для поддержания процессов разложения загрязняющих веществ.

Условия для эффективной биологической очистки

Для того чтобы биофильтры функционировали эффективно и обеспечивали требуемую очистку, необходимо соблюдать несколько ключевых условий и требований:

Оптимальная температура. Температурный режим должен быть комфортным для микроорганизмов. Излишнее повышение или понижение температуры может привести к их гибели или снижению активности.
Нужный уровень влажности. Минимальная влажность должна составлять 60 %, но для лучшей эффективности рекомендуется поддерживать более высокие значения.
Питательные вещества. Вода должна содержать элементы, необходимые для жизнедеятельности микроорганизмов, такие как железо, азот, сера, марганец, фосфор, кобальт и органические вещества.
Отсутствие токсичных соединений. Важно исключить агрессивные вещества, которые могут повредить активный ил и снизить его эффективность. Такие загрязнители должны быть удалены заранее.
Достаточное количество кислорода. Для аэробных микроорганизмов кислород является критически важным. Если его недостаточно, необходимо использовать принудительную аэрацию через компрессоры или насосное оборудование.
Оптимальное время контакта воды с активным илом. Если контакт будет слишком кратким, очистка может быть недостаточно эффективной.
Нормальная нагрузка на биомассу. Избыточная нагрузка на микроорганизмы приведет к тому, что они не смогут справляться с загрязнителями.

Эффективность очистки зависит от множества факторов, таких как тип загрязнения, толщина биопленки, потребности микроорганизмов в кислороде, интенсивность их метаболизма, температура среды, а также характеристики применяемых бактерий или простейших.

Схема эффективной очистки с использованием биологических технологий

Полноценная очистка воды обычно требует комплексного подхода, сочетающего несколько методов. Такой подход позволяет достигать разных целей: удаление органических и неорганических загрязнителей, очистка от твердых частиц и взвесей, обеззараживание, нейтрализация запахов, осветление и обессоливание воды.

Типичная схема включает следующие этапы:

Предварительная обработка. На этом этапе удаляются механические загрязнители, такие как песок и металлические фрагменты. Для этого используются песколовки, фильтры грубой очистки, решетки с мелкими ячейками.
Биологическая подготовка. Этот этап может включать несколько процессов:
- Анаэробный процесс — разложение органических веществ без кислорода.
- Аноксидный процесс — очистка в условиях дефицита кислорода.
- Аэробный процесс — биологическая очистка с использованием кислорода.
- Отстаивание в промежуточных емкостях для разделения фаз водно-иловой смеси.
- Глубокая биоочистка — очистка на уровне микроорганизмов.
- Удаление воды из илового шлама и его высушивание при высоких температурах.
- Образующиеся газы улавливаются в газоуловителях, а отработанный осадок концентрируется и гомогенизируется. Он может быть использован как топливо, стройматериал или удобрение.
Доочистка. На этом этапе вода доводится до требуемых санитарно-гигиенических и экологических стандартов, особенно в процессе подготовки питьевой воды. Используются технологии, такие как:
- Обратный осмос.
- Сорбционные фильтры тонкой очистки.
- Ультрафильтрация.
- Ионный обмен.
- Ультрафиолетовая очистка.

Комплексный подход и соблюдение всех этих условий обеспечивают высокую эффективность биологической очистки и соответствие требуемым стандартам.

Когда применяется биологическая очистка воды?

Биологическая очистка воды обладает высокой эффективностью и находит применение в самых различных сферах, таких как промышленность, сельское хозяйство, ЖКХ, а также в быту. Эта технология используется в следующих случаях:

Подготовка питьевой воды. Биологическая очистка необходима для получения чистой питьевой воды, используемой для потребностей в быту — для приготовления пищи, мытья посуды и уборки.
Обработка технической воды. Этот метод применяется для очистки воды, которая используется на различных производственных объектах, а также в теплоэнергетике в качестве рабочей жидкости или вспомогательного сырья.
Очистка сточных вод. Биологическая очистка применяется как для очистки природных загрязнений (осадки, воды из водоемов), так и для обработки искусственных сточных вод, таких как сбросы с предприятий, а также бытовых отходов, включая канализационные стоки.

Биофильтры можно встретить на различных объектах: в частных домах и жилых районах, не подключенных к центральной канализации, на фермах и крупных сельскохозяйственных предприятиях, в жилищно-коммунальном хозяйстве, а также в перерабатывающих и производственных отраслях, таких как текстильная, пищевая и кожевенная промышленность.

Изображение от freepik

Преимущества и недостатки биологической очистки

Как и любая технология, биологическая очистка воды имеет свои плюсы и минусы.

Преимущества:

Простота и автономность. Современные биофильтры часто автоматизированы и оснащены датчиками, что позволяет им работать автономно, без постоянного вмешательства человека.
Образование дополнительных ресурсов. В процессе очистки может выделяться метан, который является ценным топливом.
Безопасность. Биологическая очистка безопасна для окружающей среды и человека, так как использует природные вещества, а очищенная вода не содержит токсичных веществ при правильной организации процесса.
Высокая эффективность. Качество очищенной воды значительно улучшается, что делает этот метод очень эффективным для многих типов загрязнений.
Экономичность. Биофильтры — это относительно дешевая технология по сравнению с другими методами очистки. Стоимость эксплуатации и установки биофильтров невысока, а биомасса остается активной на протяжении нескольких лет.
Компактность. Биофильтры не занимают много места, и для их установки достаточно небольшого участка земли.
Минимальные требования к утилизации. Образующиеся осадки и побочные продукты не требуют сложной утилизации.
Простота в обслуживании. В процессе эксплуатации биофильтры требуют минимального технического обслуживания.

Недостатки:

Большие размеры некоторых установок. Некоторые биофильтры имеют большие размеры, что ограничивает их использование только на открытых территориях, а не в помещениях.
Необходимость в дополнительной очистке. Биологическая очистка не может быть основным методом очистки, она используется как промежуточный или завершающий этап.
Периодическая проверка биомассы. Для эффективной работы биофильтров необходим постоянный объем активного ила, который нужно периодически контролировать и обновлять, что может создавать определенные сложности.
Не все загрязнители поддаются биологической очистке. Некоторые агрессивные химические вещества и токсины остаются в воде и требуют дополнительной обработки.

Биологическая очистка воды — это современное и перспективное решение для сточных вод, технических растворов и даже питьевой воды. Этот метод эффективно справляется с рядом загрязнителей, особенно органическими и неорганическими соединениями. Для оптимальной организации системы биологической очистки рекомендуется проконсультироваться с профессионалами или заказать разработку схемы водоподготовки.