Біологічне очищення стічних вод здійснюється за допомогою живих організмів різного рівня організації. Існують два напрямки біологічної очистки: метод біологічного очищення і метод біологічного доочищення стічних вод.
Метод заснований на здатності деяких мікроорганізмів харчуватися розчиненими у воді органічними і деякими неорганічними речовинами. У процесі споживання цих речовин відбувається їх окислення киснем, розчиненим у воді. Частина окисляемого мікроорганізмами речовини використовується для збільшення біомаси і для розмноження цих організмів, а інша перетворюється в нешкідливі продукти окислення - воду, діоксиди вуглецю, азоту та ін.
Для створення нових клітин мікроорганізми використовують вуглець, водень, кисень, сірку і мікроелементи, які вони отримують з руйнуються органічних речовин. Відсутні для побудови клітин елементи, найчастіше азот, фосфор і калій, доводиться додавати в очищаються стоки у вигляді солей або очищати виробничі стічні води спільно з побутовими.
Мікроорганізми, які беруть участь в процесі біологічного очищення, формуються у вигляді активного мулу або біоплівки. Активний мул має вигляд буро-жовтих дрібних пластівців розміром 3-150 мкм, зважених у воді і представляють собою колонії живих мікроорганізмів, в тому числі бактерій, що утворюють слизисті капсули (зооглею). Біоплівка - це слизові обростання живими мікроорганізмами фільтруючого матеріалу очисних споруд.
На інтенсивність і ефективність очищення впливають умови життєдіяльності мікроорганізмів в очисних спорудах. Перш за все для окислення органічних речовин мікроорганізмів необхідний кисень. Для насичення стічної води киснем її аерують, розбиваючи повітряний потік на бульбашки, які якомога більш рівномірно розподіляють в обсязі стічної води. З бульбашок повітря кисень абсорбується водою, а потім переноситься до мікроорганізмів. Недостатня подача повітря уповільнює процес очищення.
Велике значення має температурний режим біологічної очистки. При зниженні температури стічної води з 20 до 6 ° С швидкість процесу очищення сповільнюється приблизно в два рази, а при збільшенні температури від 20 до 37 ° С швидкість біохімічного окислення підвищується в 2 - 2,5 рази.
Найбільш сприятливим середовищем для бактерій є нейтральна або слаболужна. при 9 <рН <5 эффективность очистки резко снижается.
Ефективність біологічної очистки також залежить від кількості активного мулу в очищується стічної воді. Чим більше концентрація мулу у воді, тим інтенсивніше процес очищення, за умови, що в воді є достатня кількість кисню, забезпечується хороше перемішування води, мулу і повітря. Зазвичай концентрація мулу підтримується в межах 2-4 г / л.
На практиці використовують два методи біологічної очистки стічних вод - аеробний і анаеробний.
Аеробний метод здійснюється бактеріями при наявності у воді кисню. Аеробні процеси біологічної очистки можуть протікати в природних умовах і в штучних спорудах. У природних умовах очищення відбувається на полях зрошення, полях фільтрації і біологічних ставках. Природні процеси біологічного очищення є екстенсивними, і в даний час вони набагато рідше використовуються в практиці очищення промислових стічних вод.
У штучних спорудах процеси очищення протікають з набагато більшою швидкістю, ніж в природних умовах, тому аеробне біологічне очищення промислових стічних вод є основним методом у багатьох галузях промисловості.
Є багато видів і конструкцій аеротенків, але всі вони побудовані за одним принципом: суміш води і активного мулу повільно рухається по прямокутним витягнутої форми резервуарів (секціях) аеротенках і безперервно насичується повітрям, що подається в воду через фільтроси, укладені на дно резервуара уздовж його поздовжньої стінки або іншим способом. Бульбашки повітря, піднімаючись, перемішують активний мул зі стічними водами і не дають пластівців осідати на дно аеротенках.
Аеротенки можуть бути класифіковані за гідродинамічного режиму роботи як аеротенки ідеального витіснення; аеротенки ідеального змішування; аеротенки проміжного типу. На практиці найчастіше застосовують аеротенки-витискувачі і аеротенки-змішувачі.
На рис. 15 показана схема аеротенках-витіснювача.
Мал. 15. Схема аеротенках-витіснювача
Очищається вода через первинний відстійник 1 по введенню 2 надходить в аеротенк 3 і, пройшовши його, по висновку 4 потрапляє у вторинний відстійник 5, в якому відділяється активний мул. Очищена вода по трубопроводу 6 відправляється на подальшу обробку. Частина активного мулу по трубопроводу поворотного мулу 8 повертається в процес очищення (в голову аеротенках), а надлишок видаляється з системи через трубопровід 7.
Аеротенки-витискувачі мають ряд недоліків; зокрема, в них не можна підвищити інтенсивність процесу очищення, збільшуючи концентрацію активного мулу. Вони дуже чутливі до перевантажень, тому після кожного порушення режиму потрібен тривалий час для відновлення працездатності системи.
Більш доцільно застосування аеротенків-змішувачів, в яких суміш стічної води та активного мулу вводиться вздовж всієї поздовжньої стінки аеротенках, а висновок здійснюється з протилежного боку. При цьому порції надходить стоку майже миттєво перемішуються з усією масою рідини, що очищається і активного мулу, що дозволяє рівномірно розподілити забруднення і розчинений кисень в обсязі аеротенках.
Схема пристрою аеротенках-змішувача показана на рис. 16.
Мал. 16. Схема аеротенках-змішувача: 1 - первинний відстійник; 2 - введення очищеної води в аеротенк; 3 - аеротенк; 4 - відведення води з аеротенках; 5 - вторинний відстійник; 6 - висновок очищеної води з системи; 7 - відведення надлишкового активного мулу; 8 - трубопровід повернення активного мулу
Розроблено та широко використовується очищення стічних вод в оксітенках з використанням замість повітря чистого кисню і активного мулу з високою концентрацією. Концентрацію кисню в воді оксітенков доводять до 10 - 12 мг / л (замість 2-4 мг / л в аеротенках), а дозу активного мулу до 15 г / л (в аеротенках - 2 - 4 г / л); при цьому окислювальна мощностьоксітенков буде вищою, ніж у аеротенків, в 5 - 6 разів. Цей спосіб доцільно використовувати на тих підприємствах, де є власний технічний кисень, або він може бути отриманий з сусідніх підприємств хімічної промисловості.
Для аеробного очищення також застосовують біофільтри. Це споруди, в корпусі яких розміщується кускова насадка і передбачені розподільні пристрої для стічної води і повітря. У біофільтрах стічна вода фільтрується через шар завантаження, покритої плівкою мікроорганізмів, які окислюють органічні речовини, використовуючи їх для задоволення фізіологічних потреб. Таким чином, зі стічної води віддаляються органічні сполуки, а маса активної біоплівки збільшується. Відпрацьована біоплівка змивається протікає стічною водою і виноситься з біофільтра. На процес очищення в біофільтрі сильно впливає температура зовнішнього середовища. Біохімічні процеси протікають з виділенням тепла, біофільтри самі себе обігрівають, а великі установки, захищені від втрати тепла, працюють і при невеликих морозах (до - 6 ° С).
Біофільтри мають багато недоліків. Керувати процесом очищення в них можна тільки, регулюючи подачу води; вони замулюються, чому різко падає їх окислювальна здатність; в процесі роботи біофільтра часто виникають неприємні запахи; в них заводяться неспецифічні організми, зокрема личинки мух, які розпушують біоплівку, її забирає з водою.
Заключним етапом біологічного очищення стічних вод є очищення або доочищення попередньо очищених стічних вод в біологічних ставках. Біологічні ставки являють собою каскад споруд глибиною 1,0 - 1,5 м, через які з незначною швидкістю протікають підготовлені стічні води. Розрізняють ставки з природною і штучною аерацією. Час перебування в ставках залежить від виду і концентрації забруднень, ступеня попереднього очищення, подальшого використання очищеної води і коливається в межах 3 -50 діб. Якщо ставки мають штучну аерацію, то час перебування води в них значно скорочується.
Біологічні ставки мають суттєві недоліки, що обмежують їх застосування: сезонність роботи, низька окислювальна здатність, займають великі площі, наявність застійних (неробочих зон), некерованість процесу очищення, складність в експлуатації.
Іноді очищення здійснюють на полях зрошення. Це спеціально підготовлені ділянки, які використовуються одночасно для очищення стічних вод і агрокультурних цілей. Очищення стічних вод на полях зрошення проводиться за допомогою грунтової мікрофлори, сонця, повітря і життєдіяльності
В процесі біологічний очищення у відстійниках утворюються опади, які необхідно періодично з них видаляти. Обробка або утилізація цих опадів певні складнощі через великий його обсяг, змінного складу, наявності цілого ряду токсичних для живих організмів речовин, високої вологості.
Відходи, які в даний час не можна використовувати, направляються в шламонакопичувачі для поховання. Шламонакопичувачі представляють собою відкриті земляні ємності. Після повного заповнення вони консервуються, і шлам подають вже в інші накопичувачі.
Анаеробний метод біологічного очищення заснований на використанні бактерій, котрі мають потреби в кисні, і полягає в сбраживании забруднюючих воду органічних речовин в закритих апаратах без доступу повітря - метантенках. Застосування цього методу обмежено, його зазвичай використовують для попередньої підготовки стічних вод, щоб знизити концентрацію органічних забруднювачів в 10-20 разів, а потім проводити подальшу очистку вже аеробними способами. Однак через складність такого двоступеневого процесу анаеробний метод рідко застосовується на практиці. Найбільш перспективне його використання для зброджування опадів і надлишкового активного мулу в метантенках з отриманням біогазу.
Для знешкодження мінералізованих стічних вод в даний час в основному використовують термічні методи, які дозволяють виділити з стічних вод солі і отримати умовно чисту воду, придатну для потреб оборотного водопостачання. Процес поділу мінеральних речовин і води може бути проведено в дві стадії: стадія концентрування і стадія виділення сухих речовин. У багатьох випадках друга стадія замінюється похованням концентрованих розчинів. Концентровані стічні води можна безпосередньо направляти на виділення сухого продукту, наприклад в распилітельную сушилку.
Отримання очищеної води з мінералізованих стічних вод можна вести в випарних, виморожувати і кристаллогидратной установках безперервної та періодичної дії.
На практиці зазвичай використовують одно- і багатокорпусні випарні установки, що включають апарати з природною і примусовою циркуляцією. Для розпарювання стічних вод цілого ряду виробництв застосовують випарні установки з контактними пристроями. У них здійснюється безпосередній контакт між теплоносієм і водою. Для нагріву води можуть використовуватися газоподібні, рідкі та тверді теплоносії.