10.4. Очистка в природных условиях

Аэробные процессы биохимической очистки могут протекать в природных условиях и в искусственных сооружениях. В естествен­ных условиях очистка происходит на полях орошения, полях фильт­рации и биологических прудах. Искусственными сооружениями яв­ляются аэротенки и биофильтры разной конструкции. Тип сооруже­ний выбирают с учетом местоположения завода, климатических ус­ловий, источника водоснабжения, объема промышленных и быто­вых сточных вод, состава и концентрации загрязнений. В искусст­венных сооружениях процессы протекают с большей скоростью, чем в естественных условиях.

Поля орошения. Это специально подготовленные земельные уча­стки, используемые одновременно для очищения сточных вод и аг­рокультурных целей. Очистка сточных вод в этих условиях идет под действием почвенной микрофлоры, солнца, воздуха и под влиянием жизнедеятельности растений.

В почве полей орошения находятся бактерии, актиномицеты, дрожжи, грибы, водоросли, простейшие и беспозвоночные живот­ные. Сточные воды содержат в основном бактерии. В смешанных биоценозах активного слоя почвы возникают сложные взаимодей­ствия микроорганизмов симбиотического и конкурентного порядка.

Количество микроорганизмов в почве земледельческих полей оро­шения зависит от времени года. Зимой количество микроорганизмов значительно меньше, чем летом.

Если на полях не выращиваются сельскохозяйственные культу­ры и они предназначены только для биологической очистки сточных вод, то они называются полями фильтрации. Земледельческие поля орошения после биологической очистки сточных вод, увлажнения и удобрения используют для выращивания зерновых и силосных куль­тур, трав, овощей, а также для посадки деревьев и кустарников.

Земледельческие поля орошения имеют следующие преимущества перед аэротенками (см. разд. 10.5): 1) снижаются капитальные и эк­сплуатационные затраты; 2) исключается сброс стоков за пределы орошаемой площади; 3) обеспечивается получение высоких и устой­чивых урожаев сельскохозяйственных растений; 4) вовлекаются в сельскохозяйственный оборот малопродуктивные земли.

В процессе биологической очистки сточные воды проходят через фильтрующий слой почвы, в котором задерживаются взвешенные и коллоидные частицы, образуя в порах грунта микробиальную плен­ку. Затем образовавшаяся пленка адсорбирует коллоидные частицы и растворенные в сточных водах вещества. Проникающий из возду­ха в поры кислород окисляет органические вещества, превращая их в минеральные соединения. В глубокие слои почвы проникание кис­лорода затруднено, поэтому наиболее интенсивное окисление проис­ходит в верхних слоях почвы (0,2-0,4 м). При недостатке кислорода в прудах начинают преобладать анаэробные процессы.

Поля орошения лучше устраивать на песчаных, суглинистых и черноземных почвах. Грунтовые воды должны быть не выше 1,25 м от поверхности. Если грунтовые воды залегают выше этого уровня, то необходимо устраивать дренаж.

Часть территории земледельческого поля орошения отводят под резервное поле фильтрации, так как некоторые периоды года не до­текают выпуск сточной воды на поля орошения. В этом случае об­щая площадь поля орошения будет:

F_общ = К(F_п.о+ F_п.ф) = K(Q/q_ф+ Q/q'_ф). (II.222)

где К — коэффициент запаса ( в пределах 1,2-1,3); F_п.o и F_п.ф — пло­щади полей соответственно орошения и фильтрации, га; Q — расход сточных вод, м³/сут; q_ф и q'_ф — нагрузка сточных вод на поля орошения и фильтрации, м³/(га*сут) [принимают равными 5-20 м³/(га*сут)].

В зимнее время сточную воду направляют только на резервные поля фильтрации. Так как в этот период фильтрация сточной воды или прекращается полностью или замедляется, то резервное поле фильтрации проектируют с учетом площади намораживания F_h (в м²):

F_H=QT_Hq_фβ/[h_н-h_o)ρ_л], (II.223)

где Q — расход сточных вод, м³/сут; Т_н — число дней наморажива­ния; β — коэффициент, характеризующий величину зимней фильт­рации; h_н и h_o — высоты слоев соответственно намораживания и зим­них осадков, м; ρ_л — плотность льда, кг/м³.

Очистка сточных вод с одновременным их использованием для орошения и удобрения может быть проведена по разным вариантам схем (рис. II-69).

Вариант 1. Сточные воды после механической обработки посту­пают в пруды-накопители, а затем по каналу — в пруды-испарители и на поля орошения.

Вариант 2. Сточные воды после физико-химической очистки на­правляют в биологические пруды, а затем на поля орошения или сна­чала на поля фильтрации, а потом на поля орошения.

Рис. II-69. Варианты естественной биохимической очистки сточных вод: 1 — сооружения механической очистки; 2 — сооружения физико-химической очистки; 3 — сооружения биохимической очистки; 4 — пруды-илоуплотнители или биоло­гические пруды; 5 — отводной канал; 6 — пруд-испаритель; 7 — поля фильтра­ции; 8 — земледельческие поля орошения

Вариант 3. Сточные воды после механической, физико-химичес­кой и биохимической очистки направляют на поля орошения, а в неполивной период сбрасывают в водоем.

В последнее время широкое распространение получило подпоч­венное орошение сточными водами, распределяемыми через трубча­тые асбестоцементные или полиэтиленовые увлажнители. Такое оро­шение позволяет наиболее полно использовать удобрительные свой­ства сточных вод, автоматизировать процессы полива и обеспечить санитарно-гигиенические требования.

Биологические пруды. Представляют собой каскад прудов, со­стоящий из 3-5 ступеней, через которые с небольшой скоростью про­текает осветленная, или биологически очищенная сточная вода. Пру­ды предназначены для биологической очистки и доочистки сточных вод в комплексе с другими очистными сооружениями. Различают пруды с естественной или искусственной аэрацией. Пруды с есте­ственной аэрацией имеют небольшую глубину (0,5-1 м), хорошо про­греваются солнцем и заселены водными организмами.

Бактерии используют для окисления загрязнений кислород, вы­деляемый водорослями в процессе фотосинтеза, а также кислород из воздуха. Водоросли, в свою очередь, потребляют СО₂, фосфаты и ам­монийный азот, выделяемые при биохимическом разложении орга­нических веществ. Для нормальной работы необходимо соблюдать оптимальные значения рН и температуры сточных вод. Температура должна быть не менее 6°С. В зимнее время пруды не работают.

При расчете прудов определяют их размеры, обеспечивающие необходимую продолжительность пребывания в них сточных вод. В основе расчета — определение скорости окисления, которую оцени­вают по БПК и принимают для вещества, разлагающегося наиболее медленно.

Продолжительность пребывания сточных вод в биологических прудах с естественной аэрацией определяют по формуле:

τ = (1 / K₁)lg[(L_а-L_r) / (L_в - L_г), (II.224)

где К, — константа скорости потребления кислорода, 1/сут; L_а — БПК_полн воды, поступающей на очистку; мг О₂/л; L_b — БПК_полн воды, выходящей из пруда, мг О₂/л; L_г — БПК_полн воды, обусловленная внутриводоемными процессами, мг О₂/л.

Для теплого времени принимают L_в=6 и L_r=3 мг О₂/л, для холод­ного — L_в=4-5 и L_г= l-2 мг О₂/л. Константа К₁ зависит от состава сточных вод и температуры.

Активную поверхность биологического пруда определяют по формуле:

F_a=aQ(L_a-L_τ )/[(a-b)r₁], (II.225)

где Q —расход сточных вод, м³/сут; L_a, L_τ — БПК_полн соответственно поступающих и очищенных сточных вод, мг О₂/л; а, b — раствори­мость кислорода в воде соответственно в начале процесса и по исте­чении времени τ, мг/л; r₁ — атмосферная деаэрация, г/(м²сут). Фактическая площадь пруда равна:

F = F_a/α '. (II.226)

Для прудов с сильно изрезанными берегами α'=0,5-0,6, для пру­дов с ровными берегами α ' = 0,8-0,9.

Для повышения скорости растворения кислорода, а следователь­но, и повышения скорости окисления сооружают аэрируемые пру­ды. Аэрацию проводят механическим и пневматическим путем. Аэра­ция позволяет в 3—3,5 раза повысить нагрузку по загрязнениям и увеличить глубину пруда до 3,5 м.

Для определения снижения БПК сточных вод в аэрируемых пру­дах предложена формула:

где α = 1+2,3K₁V/Q; V — объем одной секции, м³; n — число секций пруда.

Для подачи воздуха при пневматической аэрации используют ком­прессоры низкого давления. При этом кроме насыщения воды кисло­родом происходит ее перемешивание.

На эффективность процессов очистки сточных вод в прудах ока­зывает влияние и водная растительность. Она потребляет из воды растворенные биогенные элементы.

Перед использованием воды, доочищенной в биологическом пруде, в системе технического водоснабжения ее обрабатывают хлором.

В стабилизационных прудах одновременно идут процессы биофлокуляции, отстаивания, фотосинтеза и стабилизации активного ила. Пруды используют как для полной очистки, так и для доочистки сточных вод.

Объем пруда может быть рассчитан по эмпирической формуле:

где N — концентрация активного ила; L_a — БПК поступающей сточ­ной воды; τ_о — оптимальное время пребывания сточных вод; с — температурная константа; Т_о - Т — разность оптимальной и рабо­чей температур.