Состав сточных вод и способы их биологической очистки

Рудольф Рандольф, доктор технических наук, написал книгу «Что делать со сточными водами», которую в 1987 году опубликовало издательство «Стройиздат». В этой книге детально описана проблема сточных вод и сбрасывания их в канализацию, которая по сей день окончательно не решена.

Бытовые воды, сбрасываемые в канализацию, состоят из 0.1% твердых веществ и 99.9% воды. Внешне эта жидкость выглядит как вода от мытья полов, она не обладает резким запахом, если только не очень долго протекала по коллекторам города. По сути, это все еще свежая вода, поскольку в ней процесс разложения еще не начался.

Характеристику ингредиентов, которые содержатся в составе, дать практически невозможно по той причине, что грязная вода может содержать просто огромное количество веществ. Все они различаются по крупности, причем этот диапазон очень широк: в составе есть крупные куски примесей размером до нескольких сантиметров и полурастворенные или вовсе растворенные вещества, которые можно увидеть только через микроскоп.

Растворенные и полурастворенные осаждающиеся вещества, которые находятся в сточных водах, — это в преимущественно органические вещества (около 58%), являющиеся, по сути, продуктами живой природы. Учитывая тот факт, что они являются не чем иным, как химическими соединениями углерода, они могут гореть в сухом состоянии. Остальные вещества (42%) – неорганические: песок, глина и т.д. Эти продукты не горят. Органические вещества всегда разлагаются через определенный срок. Убедится в этом достаточно легко, просто оставив открытым на несколько дней сосуд со сточной водой и с осадком. Этот осадок через 2-3 дня будет превращаться в гниющую массу с противным запахом. При этом даже вода будет загнивать, что также достаточно просто определить по неприятному запаху. В этой воде будет еще иметься много органических разлагающихся веществ. В лабораторных условиях, процедив эту воду через фильтр, можно убрать органические вещества, которые останутся на фильтре. Сама вода будет полностью прозрачной. Но даже от нее через некоторое время будет исходить плохой запах. Это говорит о наличии уже в фильтрованной воде чрезвычайно мелких органических веществ, которые фильтр удержать не смог. Именно они, продолжая разлагаться, источают этот запах. Данный опыт наглядно демонстрирует, что очистка сточных вод невозможна только фильтрованием и выделением осадков – отстаиванием. В воде все равно остаются мелкие органические вещества, продолжающие гнить после фильтрования.

Септик металлический

СНиП 2.04.03-85 с названием «Канализация. Наружные сети и сооружения» демонстрирует нам таблицу, которая позволят определить концентрацию веществ в сточных водах. В ней указано количество грязной воды на жителя.

Таблица 1

По данным этой таблицы, если знать число сточных вод от одного человека (норму водоотведения), можно хотя бы приблизительно определить концентрацию в воде загрязнителей. От чего это зависит и какова норма? Есть специальные документы, которые, в зависимости от благоустройства жилья, устанавливают эту норму. Речь идет о СНиП 2.04.01–85, а также о разных территориальных нормативах. Также величина нормы водоотведения зависит от индивидуальностей человека, времени года и недели. Есть факторы, которые учесть практически невозможно: один человек умывается, закрыв при этом пробкой раковину, другой просто охлаждает напиток под струей холодной воды и т.д. Однако статистически, средняя норма для загородного дома составляет около 150-200 литров на одного человека за 24 часа. Именно эти цифры и применяются обычно во всех расчетах. При этом, для вполне комфортного проживания, одному человека хватило бы 160 литров (с учетом душа, унитаза, готовки, стирки и т.д.). 200 литров в сутки на человека – это уже расточительство, но с целью обеспечения запаса при расчете некоторых проектов используют эту цифру. Речь, конечно же, идет не о суточных максимумах, а о среднесуточном потреблении воды в течение длительного времени.

Конструкция трехкамерного септика из железобетонных колец

Если жители многоэтажных канализируемых домов, используют воду для бытовых нужд: стирают белье, моют посуду, купаются, пользуются унитазом в целях гигиены исключительно (некоторые умудряются сливать в унитаз химические вещества), то такие сточные воды называются хозяйственно-бытовыми или просто бытовыми. Этот сток уже давно изучен, а его состав определен и стабилен. Его характеристика приведена в книге, в разделе рекомендаций по расчету качества и количества сточных вод в канализационных системах населенных пунктов.

Таблица 2. Характеристика бытового стока (усредненная), который отводится людьми населенных пунктов

Из этой таблицы видно, что Госстрой указывает только 24 вещества, которые загрязняют бытовые стоки, но в действительности их намного больше. Представленные в таблице вещества являются лишь основными и занимают большую часть всего загрязняющего состава. Данный «компот» обязательно присутствует и в стоках Вашего коттеджа, и в той же самой концентрации, если каждый человек тратит около 150-200 литров воды в течение 24 часов. Если экономить воду, то сточных вод будет значительно меньше, но концентрация загрязняющих веществ – больше, и наоборот.

Железобетонный септик в процессе строительства

Если внимательно рассмотреть таблицу, то видно, что в ней присутствуют интегральные единицы: взвешенные вещества (совокупность частиц твердых веществ в воде), ПАВ (поверхностно активные вещества), БПК и ХПК – показатели, которые описывают количество в стоках органики посредством потребности в кислороде для ее окисления. Также в сточных водах есть ионы тяжелых металлов (марганец, медь и т.д.) и биогенные элементы – фосфор и азот.

Вполне очевидно, что никакая очистка не позволит избавиться от всех этих веществ – они так или иначе будут присутствовать в составе (а также и те вещества, которые не вошли в состав таблицы Госстроя).

Укладка трехсекционного инфильтратора (фильтрующего тоннеля)

Самый актуальный и наиболее распространенный способ чисти бытовых стоков – биологический.

Если верить большому энциклопедическому словарю, то биологическая очистка стоков представляет собой способ, который основывается на умении микроорганизмов минерализовать (или разрушать) органические вещества, содержащиеся в составе этих стоков.

Есть 2 способа биологической очистки: аэробный и анаэробный. Последний предполагает разрушение загрязнений микроорганизмами при отсутствии кислорода. В свою очередь, аэробный способ предполагает использование тех же микроорганизмов, но при условии присутствия кислорода воздуха.

Есть также разные типы биологической чистки: с использованием установок с искусственно или естественно созданными условиями. Процедура разрушения загрязнений при естественных условиях осуществляется в водоемах и грунтах. Если объем органических веществ в норме, то водоемы и почва справятся с процессом окисления собственными силами. Если органики череcчур много, то водоемы и почва гниют. В данном случае окисления сточных вод можно добиться благодаря созданию искусственных условий, при которых процесс возможно интенсифицировать. Создаются эти условия на специальных полях фильтрации (это НЕ подземные поля фильтрации), на модных биаплато и биопрудах.

Поля фильтрации, по сути, это земельные участки с почвами, суглинками и супесями, предварительно подготовленными для биологической чистки стоков фильтрацией через почву. В почве есть и анаэробные, и аэробные бактерии (анаэробы находятся в самой толще земли, аэробы – на поверхности, в верхнем слое), благодаря чему осуществляются сразу оба процесса очистки. По той причине, что простой и естественный способ очистки стоков требует огромных площадей, которые, к тому же, будут плохо пахнуть, то его применяют очень редко. Биопруды и биоплато в основном используют летом, и только для доочистки вод (при низкой температуре воды процессы окисления замедляются, а при температуре около нуля вообще не идут).

Конструкция SBR-реактора для интенсивной очистки сточных вод

При очистке стоков в искусственно созданных условиях также протекают анаэробные и аэробные процессы. На российском рынке представлены всего 2 вида малых очистных установок – аэрационные очистные биологические сооружения и септики (реакторы и аэротенки). Искусственные условия предполагают значительное сокращение площадей для очистки, а также исключение выделений плохо пахнущих веществ в атмосферу. Реакторы, аэротенки и септики часто используют вместе с биофильтрами – в них процесс очистки протекает также как и процесс на полях фильтрации. Отличие заключается лишь в том, что на полях фильтрации биопленка образуется только на поверхности земли; в биофильтре – на поверхности загрузки. По сути, биофильтр представляет собой компактное и свернутое поле фильтрации.

Если в биофильтре только создаются условия, при которых процессы окисления могут протекать в почве, то реакторы и аэротенки интенсифицируют эти процессы, протекающие обычно в водоемах. Интенсификация достигается благодаря тщательному перемешиванию и подаче воздуха. Понятно, что в большей степени это аэробный процесс. Таким образом, реакторы, септики и биофильтры – это специальные искусственные установки, которые моделируют и интенсифицируют естественные процессы, протекающие в водоемах и почвах.

Напомним, что все сооружения автономных канализаций применяют биологический способ очистки. В них культивируются микроорганизмы, которые оказывают разрушительное воздействие на загрязнители. Сами загрязнения бывают животного и растительного происхождения. К последним относятся: бумаги, масла, растения, плоды, злаки и т.д. Углерод – основной элемент этих загрязнителей. К загрязнениям животного происхождения можно отнести остатки жировых и мускульных тканей, физиологические выделения человека и животного, клеевые вещества и т.д. В большей степени в них содержится азот.

Принцип работы инфильтратора

Обычному читателю может казаться это странным, но специалисты даже не удивятся, что классические очистные биологические установки удаляют только органику и взвешенные вещества из воды (также есть уникальная технология удаления фосфора, однако применяется она только на больших станциях). Что же делать с остальными веществами? Удаление всех остальных загрязнителей – это всего лишь сопутствующий и полезный эффект, который невозможно рассчитать по причине сложности процессов, протекающих при этом. Его, конечно, можно свести к поглощению загрязнений разрушающими микроорганизмами и последующими биохимическими реакциями, но это очень грубо.

Из методики рекомендаций по расчету качества и количества сточных вод можно привести следующую таблицу (сильно сокращенную).

Таблица 3. Вещества, которые удаляются из стоков на станциях биологической чистки

Данные этой таблицы говорят о том, что каждое вещество в стоке имеет свое пороговое значение, и если содержание этого вещества в воде окажется больше, то биоценоз сооружения просто не выдержит – он будет либо угнетен, либо вовсе погибнет. К тому же, каждое вещество в таблице имеет конкретный процент удаления. Рассчитать этот процент нельзя, и воздействовать на него тоже невозможно.

Септики из стекловолокна

В стоках есть также загрязнения, которые вообще не задерживаются очистными сооружениями. В специальных методических рекомендациях приводится 64 подобных вещества, но в действительности их гораздо больше.

Очистка на биологических сооружениях предполагает также и сепарацию, благодаря которой образуется загрязненный осадок, а вода становится относительно чистой. Таким образом, когда в рекламе говорят, что вода очищается на 98%, то нужно понимать, что в действительности вода освобождается от загрязнений, но их основная часть концентрируется именно в осадке.

А для чего же тогда нужны микроорганизмы, которые «живут» в сооружения для очистки? Они, грубо говоря, питаются органикой, разлагая ее на простые материалы. Чтобы детально рассмотреть эту обширную тему потребуется полная обзорная статья. Однако при этом важно знать, что самая важная функция микроорганизмов – участие в круговороте углерода. Именно она, по мнению микробиологов, является наиболее необходимой для поддержки жизни на Земле. Благодаря микроорганизмам создается равновесие углекислоты. Дело в том, что в процессе очистки она фиксируется зелеными растениями, а затем выделяется во внешнюю среду посредством минерализации соединений, которые скапливаются в почве и воде.

Септик из пластика

Окисление углесодержащих веществ происходит до образования воды и углекислоты; азотосодержащих – через образование нитратов до азота, который выделяется в атмосферу.

Микроорганизмы, использующиеся в биологической обработке стоков, сами определяют и устанавливают степень очистки. Человеку, как минимум, нужно всего лишь не мешать и помогать по возможности. Насколько эффективной должна быть помощь, зависит от того, как глубоко нужно очистить стоки. В свою очередь, это зависит от места сброса.

Сбрасывать стоки можно в грунт или водоем, для которых есть конкретные нормативы очистки. В отличие от грунта, требования для сбора в водоем очень высоки. А вот сброс веществ в грунт замыкает круговорот веществ в биосфере, благодаря чему растения получают питание для своего развития и роста. По этой причине вода, которая сбрасывается в грунт, не обязательно должна быть сильно очищенной, ведь тогда она не будет столь полезной и насыщенной необходимыми для растительности веществами.

Следует кратко коснуться и биохимических процессов, которые протекают в обычных канализациях – септиках с поглощением стока в почве. Поскольку кислород извне не поступает, в септике развиваются бактерии на основе метана. Они перерабатывают осажденные загрязнения, образуя при этом газообразный метан и минеральный осадок. Данный процесс является не чем иным как метановой ферментацией, и он протекает в несколько стадий. Первая – сложные вещества разлагаются на простые (углекислоты, жирные кислоты, аммиак, спирт и т.д.). Вторая – бактерии превращают образовавшиеся продукты на первой стадии в метан и другие газы, а также в нерастворимые вещества, которые позже оседают. Стоки, которые прошли септик, продолжают очищаться уже в подземных полях фильтрации, в биофильтре (обычно устанавливается после септика) либо в почве вокруг колодца фильтрации.

Слив воды в радиальном отстойнике

По сути, почва – это огромный биохимический и естественный реактор, где протекают сложные и разнообразные процессы, включая процессы синтеза и разрушения органических веществ. При этом здесь образуются неорганические соединения, происходит отмирание вирусов, патогенных бактерий, яиц гельминтов и т.д. Данный реактор представляет собой одно из ведущих звеньев в круговороте в природе веществ, он поддерживает мощный циклы трансформации различных элементов, непосредственно от которых зависит жизнь на планете. Почва – это главный элемент биосферы, где осуществляется трансформация и обмен химических веществ планеты.

Органические вещества, которые поступают в почву в виде остатков животных и растений, в том числе и в виде продуктов их жизнедеятельности, в последствии разрушаются благодаря сапрофитным микроорганизмам, содержащимся в почве. Этими микроорганизмами являются водоросли, грибы, бактерии, актиномицеты. При наличии кислорода аэробные организмы способствуют разложению углеводы на двуокиси воды и углерода. Жиры при этом расщепляются на жирные кислоты и глицерин. Кислоты, в свою очередь, распадаются на воду и углекислый газ. Распад соединений происходит в несколько этапов. На первом этапе белки распадаются до аминокислот, после чего те разрушаются до солей аммония и аммиака, а также кислот ароматического и жирного рядов. В аэробных условиях происходит второй этап параллельно – нитрификация или минерализация соединений с содержанием азота. На данном этапе образуются нитриты посредством окисления аммиака, а затем они становятся нитратами. Благодаря данным процессам почвенные соединения образуются в те формы веществ, при которых они уже являются питательными элементами для растений и попадают в круговорот веществ.

Тут нужно отметить, что очистка – это техногенное понятие, которое придумал человек с целью описания искусственных процессов, нужных для поддержания жизнедеятельности. В любом государстве «очистка» предполагает и «отходы», с которыми человечеству приходится сражаться в течение всей истории. В природе очистки не существует вовсе, но есть трансформации, синтез, разделение, сепарация. Отходы, грязь и сточные воды – это всего лишь те вещества, которые на данный момент находятся не на своем месте, и вся процедура очистки предполагает направление веществ туда, где они будут на своем месте. В примере, который мы рассматриваем, септик выполняет функцию сепаратора, а почва – трансформации. Именно она включает продукты в естественные циклы.

Очистные сооружения Новосибирска с высоты птичьего полета

Процессы гумификации и минерализации органических веществ вод в почве исключительно сложны. Они протекают параллельно и под влиянием большого числа разных организмов, присутствующих в составе биоценоза почвы. Главная роль этих процессов отводится анаэробным и аэробным микробам почвы. Однако кроме них в процессах также участвуют грибы, простые растения, актиномицеты и т.д. Микроорганизмы, синтезирующие органическое вещество благодаря применению почвенных способов очистки вод, имеют несколько происхождений. Одни поступают в почву непосредственно со сточными водами, а другие уже находятся в почве. Они представляют собой бактериальную флору, которая уже приспособилась к конкретным условиям жизни.

Синтез гумуса – процесс, протекающий при условиях биокатализа и действия ферментов, которые выделяются микроорганизмами. Суть этого процесса заключается в том, что продукты разложения органических материалов создают новые соединения под воздействием реакций биохимического окисления. Эти соединения называются гумусовыми либо перегнойными. Процесс их образования называется гумификацией. В большинстве случаев под словом «гумус» понимают группу высокомолекулярных темноокрашенных органических веществ, в составе которых есть азот. Гумусовые вещества на 85-90% состоят органических соединений почвы, откуда и такое название – «гумус» (означает «почва» или «земля»).

В дикой породе самое большое количество гумуса дает опад листьев, корневая система травянистой растительности и сама растительность. После биохимических процессов разложения вещества образуется несколько групп соединений: специфический и неспецифический гумус. Неспецифический – целлюлоза, смолы, воски, лигнин и т.д.; специфический – гумин, гуминовые кислоты, фульвокислота. Последний элемент является наиболее подвижным и агрессивным. Если он попадает в колодец, то вода окрашивается в коричневый цвет.

С точки зрения агрономии, лучший – это тот гумус, в составе которого преобладает гуминовая кислота и гумин. Таким составом характеризуются черноземы и дерновые грунты. Другие почвы характеризуются мультиватным составом. Самое большое количество качественного гумуса содержится именно в черноземах, поэтому данные почвы и являются самыми плодородными.

Станция аэрации в Люберцах

Довольно часто в почве гумус соединяется с коллоидными частицами и глеем. При этом создаются органо-минеральные соединения или хелаты. Полезны хелаты тем, что способствуют замедлению минерализации гумуса и выноса биогенных элементов в водоемы, реки и озера. При этом они увеличивают содержание полезных веществ в составе, что важно для развития растительности.

Уровень гумификации вещества в почве определяет санитарным числом, которое позволяет оценить способность почвы очищаться от разного рода загрязнений.

СанПиН 2.1.7.1287–03 определяет санитарные и эпидемиологические требования к качеству грунтов сельскохозяйственных угодий и населенных мест, которые обуславливают соблюдение нормативов при строительстве, размещении, проектирования, реконструкции или эксплуатации разных объектов, в том числе и оказывающих на почву неблагоприятное воздействие.

Санитарное число (отношение белкового азота к органическому), в соответствии с этим документом, должно быть не ниже 0.98. Почва, соответствующая данному критерию, является чистой.

В соответствии с книгой Рудольфа Рандольфа: аэробный процесс распада протекает с соединением кислорода к продуктам, образовавшимся при распаде. Данный процесс принято называть окислением. Разложение и окисление – те процессы, продолжительность которых ограничена превращением углерода в двуокись углерода; азота – в нитраты; водорода – в воду. При аэробном процессе в течение всего времени потребляется кислород.

Эти процессы разложения в природе очень широко распространены. Они всегда протекают в почвах (населенных организмами и хорошо вентилируемых) и в водоемах, в составе которых есть растворенный кислород. Круговорот органики в природе предполагает, что продукты распада вновь станут исходными веществами, необходимыми для создания высших соединений.

Есть также и другой путь распада, при котором крупные молекулы органических веществ превращаются в мелкие. Этот процесс – анаэробное разложение. Протекает он только при отсутствии кислорода. Известен он как «гниение», и в нем также принимают участие живые организмы. Если в аэробном процессе участие принимают разные организмы в огромном множестве, то в процессе гниения участвуют только конкретные виды бактерий. Если воздух поступает в достаточном количестве, то бактерии гниения подавляются иными видами организмов, которые поглощают кислород. И только когда эти организмы по причине отсутствия кислорода гибнут, размножаются анаэробные бактерии. Естественно, продукты при процессе гниения совершенно не похожи на те, которые образуются при аэробном разложении. При гниении осуществляется процесс восстановления, и вместе с твердыми соединениями создаются различные газы как конечные продукты: метан, углекислый газ, сероводород, аммиак. Затем, в конечном итоге, частицы, образованные при анаэробном разложении, будут использованы для синтеза новых жиров, белков и углеводов для растительности. Буд то аэробный или анаэробный процесс, круговорот органики в природе все равно замыкается.