Анализ научных исследований последних десятилетий показывает, что проблема очистки и переработки производственных, сельскохозяйственных и коммунально-бытовых загрязненных вод недостаточно изучена. В данное время многочисленные объемы загрязненных вод без предварительной очистки сбрасываются в открытые водоемы. Необходимо отметить, что в результате активного использования естественных водных запасов для улучшения жизни человечества ухудшается экологическое состояние биосферы. В связи с отсутствием наиболее эффективных способов утилизации различных видов сточных вод возникает необходимость разработки новой технологии, в которой качество очистки сточных вод улучшается в несколько раз [1].
В настоящее время несколько ведущих международных организаций и правительств предпринимают огромные усилия по реализации глобальных программ, направленных на устранение и защиту природных водоемов от загрязнения коммунально-бытовыми сточными водами. В результате бесконтрольного сброса загрязненных вод в естественные водоемы происходит эвтрофикация водоемов [2, 3].
Цель нашей работы: проанализировать, систематизировать и обобщить научные литературные данные по биологической очистке сточных вод и интенсификации работы сооружений.
В ряде работ отмечено, что в естественной среде биологическая очистка вод осуществляется сама собой. За несколько тысяч лет образовались наиболее устойчивые экологические взаимосвязи, когда микроскопические живые организмы играют незаменимую роль. Изучив особенности этой сложной экологической взаимосвязи, можно применить результаты исследования при проектировании различных очистных сооружений [4].
Для доочистки загрязненных вод биологическим методом в основном применяются искусственные биологические пруды и поля орошения. В биологическом пруде в основном происходят те же биологические процессы, что и при самоочищении природных водоемов. Во многих случаях биологические пруды устраиваются на местности, имеющей уклон в виде нескольких секций. Эти секции проектируются так, что загрязненная вода из верхнего пруда направляется в нижерасположенные пруды самотеком. В России были предложены идеи использования биологических прудов для очистки загрязненных вод. В 1980-е гг. в очистительных сооружениях животноводческого комплекса эти идеи активно внедрялись. В последнее время биологические пруды, как наиболее легко используемые, не требующие электроэнергии, сравнительно более дешевые и эффективные методы биологической очистки, активно охватывают все больше стран (в Австралии, США, Новой Зеландии, Канаде, Дании, Англии, Швеции, ФРГ, Швейцарии, Индии, Испании, Израиле и в России) [5, 6].
Во время использования биологических прудов для очистки загрязненных вод активно удаляется большое количество нерастворимых осадков марганца, свинца, железа и кадмия. Также во время пребывания сточной воды в биологических прудах, наиболее активно очищаются ее микрозагрязнения разными группами органических веществ [7].
В ряде научных работ показано, что при использовании микроводорослей для очистки загрязненных вод, выделяются в воду вещества, которые обладают бактерицидными свойствами. В аэробных условиях органические вещества, которые содержат в своем составе наибольшее количество углеродов, постепенно разлагаются до углекислот и воды. В то же время азотосодержащие органические вещества загрязненных вод окисляются до нитратов и нитритов. Интересно отметить, что нитраты и нитриты быстро усваиваются водорослями и во многих случаях концентрация нитритов снижается до нуля. Это дает большое санитарно–гигиеническое преимущество в процессе очистки загрязненных вод в естественных условиях. После биологической очистки загрязненных вод в искусственных сооружениях, во входящем стоке содержится большое количество азота нитратного, который представляет серьезную опасность для подземных вод и природных водоемов [8].
При поливе оращаемых сельскохозяйственных земель стоками животноводческих комплексов, земледельческие поля необходимо располагать вне санитарно-охранной зоны очистительных водоемов. Если загрязненные воды перед использованием для полива прошли биологическую очистку, то сельскохозяйственные поля должны располагаться не ближе 300 м от населенных пунктов. Если сточная вода только осветлена не ближе 500 м. При использовании для полива предварительно очищенной биологическим путем воды грунтовые воды должны находиться не менее 1,5 м от поверхности [9].
В некоторых работах показано, что при эксплуатации традиционные очистительные сооружения различной категории мощности не полностью обеспечивают потенциальную очистку загрязненных вод высокой органоминеральной концентрации. В связи с этим с целью обеспечения очистительных сооружений качественными технологическими процессами и повышения эффективности системы биологической очистки внедряется новая современная технология очистки производственных и коммунально-бытовых загрязненных вод с прикрепленной микрофлорой в аэротенках [10].
В данное время качество очистки загрязненных вод перед сбросом в естественные водоемы не соответствует нормативным требованиям. Микробиологическое загрязнение природных вод отрицательно влияет на здоровье человека. Один из главных факторов загрязнения природных вод – сброс загрязненных вод, не соответствующий нормативным требованиям, очистительные сооружения с физическими и морально устаревшими технологиями, несоответствие технологической мощности объему сброса загрязненных вод и низкий уровень производственного контроля [11].
Нельзя не заметить, что в настоящее время совремеңная наука располагает несколькими способами очистки загрязненных вод. Но следует отметить, что имеющиеся в данное время методы все время требуют усовершенствования. Созданием универсальных методов очистки сточных вод непрерывно занимались ученые и наконец был предложен способ очистки и обеззараживания стоков с применением альгоценозов и бактериоценозов. Предложенный метод в данное время внедрен и апробирован во многих городах России, дальнем и ближнем зарубежье [12].
Для очистки коммунально-бытовых сточных вод в 1940–1950-е гг. в России одними из первых в мире велись научные работы по применению микроводорослей. В 1960–1970-е гг. ученые начали детально изучать возможности использования гидроценозов для очистки загрязненных вод животноводческих комплексов. Российские ученые обратили особое внимание на микроводоросли и бактерии рода Ankistrodesmus, scenedesmus, bacillariophyta, chorella и lagerheimia с целью дальнейшего использования для очистки различных сточных вод. Многочисленные результаты научных исследований свидетельствуют о том, что в системе биологической очистки загрязненных вод микроводоросли считаются важными компонентами. Микроводоросли способны до нуля удалять сложные соединения животноводческого и производственного стока, стоков текстильной, угольной, химической, перерабатывающей, металлургической промышленности [13].
Многочисленные научные работы велись также по исследованию действий разных температурных, химических и световых режимов на рост и развитие протококковых водорослей с целью дальнейшего практического использования. Разработанные данные широко применяются в экспериментах по интенсификации процессов очистки [14].
Интересно отметить, что большинство рыб регулярно питаются диатомовыми водорослями. Диатомовые водоросли часто используются в самоочищении природных водоемов. Многие виды диатомовых водорослей применяются как индикаторы загрязненных водоемов. Ведется работа по определению действия разных температурных, химических и световых режимов на кормовые протококковые водоросли для дальнейшего использования в животноводстве и рыбном хозяйстве. Научно обработанные данные применяются в экспериментах по массовому выращиванию микроводорослей на сточной воде, с целью дальнейшего производства белковой, витаминной муки и для улучшения процессов очистки стоков от загрязнений биогенных веществ [15].
Ведущие ученые многих стран мира исследовали процесс минерального питания и фотосинтеза зеленых растений, действие разных по составу ядов, радиоактивных изотопов, пестицидов на живой организм растений [16].
Многочисленные результаты современных исследований свидетельствуют о том, что микроводоросли являются основным компонентом в процессе биологической очистки. Они способны активно удалять сложные соединения, входящие в состав сточных вод животноводческого комплекса, сточных вод текстильной, угольной, химической и металлургической промышлеңости [17, 18].
Совремеңная технологическая система процесса биологической очистки применяет активный ил как азот-фильтрующий компонент [19]. Отмечается сравнительно низкая концентрация бактерий, принимающих участие в процессе нитрификации. С целью решения вышеотмеченных проблем рекомендуется использовать технологии биологической очистки с применением плавающих поверхностей, загрузки с активной биомассой бактерий иммобилизованной формы – нитрификаторов.
Многолетнее изучение возможности применения плавающей загрузки для удаления загрязненных вод г. Москвы от разных соединений азота показали оптимальную результативность технологии. Эффективным методом очистки соединений фосфора из городских коммунально-бытовых загрязненных вод считается биологическая очистка. При использовании биологической очистки из сточных вод эффективно удаляется быстро окисляемая микроорганизмами растворенная форма ортофосфатов [20].
При очистке фосфора биологическим методом применяется способность бактерий синтезировать фосфорсодержащие соединения. Таким образом рост использования фосфора достигается за счет повышения дозы активного ила [21].
Лабораторные и промышленные эксперименты [22] по использованию коагулянтов с целью увеличения глубины очистки коммунально-бытовых сточных вод от фосфатов на очистительных сооружениях показали наибольшую эффективность при их совместном действии с фосфорсодержащими соединениями. Авторы рекомендуют добавить коагулянты до вторичного отстойника, это позволит в несколько раз уменьшить расход коагулянтов и повысить эффективность очистки загрязненных вод от фосфатов.
Экспериментальное изучение технологии биологической фильтрации фосфора проводилось в научно-исследовательском институте коммунального водоснабжения и очистки воды. Основным методом глубокого удаления фосфора считается модификация биологического процесса. В специализированной лаборатории проводились экспериментальные исследования биологического изъятия фосфора в контактных условиях. Результаты эксперимента показывают регулярное увеличение концентрации фосфатов в жидкой фазе отстоянного ила [23].
В настоящее время при использовании традиционных методов биологической очистки не получается достичь предельно допустимых концентраций сточных вод по содержанию всех форм азота и фосфора. Способом нитрификации – денитрификации достигается глубокое удаление азота, а методом биологической дефосфотации достигается глубокое изъятие фосфора [24]. При эффективном использовании экспериментально доказанной технологии нитрификации – денитрификации можно достичь до 80–85 % изъятия общего азота.
При создании анаэробных зон резко сокращается объем аэробных зон, в результате которого снижается потенциальная эффективность очистки от азота и органических веществ. В связи с этим в некоторых зарубежных странах во время использования данных технологий в применяемых аэротенках рассчитывается 20 %-ное уменьшение гидравлических нагрузок на очистительные сооружения [25].
Для оптимального изъятия из загрязнең- ных вод разного состава биогенных элементов, в настоящее время в практике биологической очистки широко применяют традиционные схемы сочетания анаэробных и аэробных стадий [26].
1. Сравнительно более простая анаэробно-оксидная схема для одновременного изъятия фосфора и азота из загрязненных вод спроектирована в США. Это наиболее дешевая схема изъятия фосфора и азота, но ее используют только высоконагружаемые очистительные сооружения промышленного состава [27].
2. Схема очистки Bardenpho часто используется в странах Европы. При использовании этих схем эффективно фильтруются соединения фосфора и азота на низконагруженных очистительных сооружениях.
3. В 1976 г. Barnard открыл моди- фикациоңную форму Bardenpho, дополнительно добавив анаэробную стадию с коротким периодом пребывания сточных вод и назвал ее Phoredox процесс. При использовании такой схемы удаление общего фосфора достигается до 95 %.
4. Ученые Университета Кейптауна разработали UCT-процесс. При использовании такой схемы показатели БПК достигают 95 %, общего фосфора – 70 %, общего азота – 80 %.
5. В развитых странах Европы оксидационные каналы применяются широко. При использовании этой технологии с помощью аэраторов сточные воды приводятся по кругу.
Следует отметить, что для качественного обеспечения глубокого изъятия из загрязненных вод биогенных элементов обычно рекомендуется традиционная схема методов биологической очистки. В этом случае для приготовления и подачи растворов реагента используется реагентное хозяйство-емкости. Разные соединения алюминия и железа применяются в качестве реагента [28].
Одним из эффективных методов удаления биогенных элементов в различных сточных водах считается применение высших водных растений для доочистки загрязненных вод. Такой метод очистки основан на процессах природного самоочищения. В настоящее время доказано, что в эвтрофных водоемах, обычно загрязняемых фосфор- и азотсодержащими веществами, появляются естествеңные формы защиты от перегрузки по биогенным веществам [29, 30].
В последние годы во многих научно-исследовательских учреждениях проводились научно-экспериментальные исследования, которые доказали возможность применения водных макрофитов для очистки коммунально-бытовых, сельскохозяйствеңных, промышленных сточных вод и сточных вод животноводческих комплексов и птицефабрик [31].
Одно из основных положительных качеств водных макрофитов заключается в извлечении из загрязнеңных вод тяжелых металлов (свинец, кадмий, цинк,медь), сульфатов, фенолов, биогенных элементов (калий, магний, азот, кальций, фосфор, серу, марганец) и снижении загрязненности естественных вод синтетическими поверхностно активными веществами, нефтепродуктами. Это позволит применять их в практике биологической очистки различных сточных вод во многих странах мира. Ученые из Австралии спроектировали технологии очистки поверхностного стока автомагистралей. При строительстве автомагистралей дороги не обустраиваются бордюрами, фильтрационными траншеями осуществляется сбор загрязненных вод [32].
Выводы
1. Анализ литературных данных показывает, что основные вопросы теоретического решения биологической очистки загрязненных вод на основе доказанных фундаментальных законов с применением математического анализа практически не рассматриваются.
2. Для повышения эффективности удаления биогенных элементов новые технологии рекомендуют интенсификацию биологической очистки загрязненных вод.
3. Применение водных растений для доочистки загрязненных вод ограничено периодом их вегетации и климатическими условиями местности.
Библиографическая ссылка
Раимбеков К.Т., Моомбеков С.Т. АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ МЕТОДОВ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ КАК ОСНОВА ИНТЕНСИФИКАЦИИ РАБОТЫ СООРУЖЕНИЙ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2020. – № 2. – С. 45-49;URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=13007 (дата обращения: 20.04.2024).