Biologické čištění odpadních vod – Kandidát technických věd Stepina Ekaterina Yuryevna

Biologické čištění odpadních vod vzniklo v 19. století, kdy se v Británii objevila první zemědělská filtrační pole. U nás se tato metoda rozšířila mnohem později, otevřením první biologické čistírny v Kozhukhovu ve 30. letech 20. století. Dnes se bakterie aktivně používají k čištění odpadních vod v průmyslových komplexech, městských kanalizacích a soukromých místních instalacích.

Principy biologické léčby

Základem této technologie je schopnost mikroorganismů rozkládat organické polutanty na jednoduché látky jako je voda, oxid uhličitý a metan. V podstatě se domácí a průmyslové nečistoty stávají živnou půdou pro bakterie a podporují jejich růst a vývoj.

Klíčovým prvkem biologického čištění je aktivovaný kal – skupina mikroorganismů, které zpracovávají kontaminanty. Jeho složení se volí individuálně pro každý čistící komplex v závislosti na objemu a charakteru odpadní vody.

Odpadní voda se čistí pomocí dvou typů bakterií:

1. Aerobní, které pro efektivní fungování vyžadují neustálý přísun kyslíku. Pracují při teplotě +9°C – +28°C a úrovni pH 5,0-7,0. Jedná se o pseudomonády, sirné bakterie, nitrifikační, vláknité, thiogenní a celulózu rozkládající organismy.
2. Anaerobní, schopné zpracovávat odpad bez přístupu vzduchu. Tyto mikroorganismy žijí při teplotách +9°C – +37°C a pH 6,0-8,0. Patří sem hydrolytické, acidogenní, heteroacytogenní a methanogenní bakterie.

Čistírny s aerobními bakteriemi fungují podle následujícího schématu:

• Příprava. Nejprve se odpadní voda čistí od pevných částic pomocí mechanických filtrů, lapačů písku, lapačů tuku a dalších zařízení.
• Základní bakteriální čištění. Pokud je velká, může existovat několik fází čištění.
• Bránit se. Tento proces odděluje aktivovaný kal od vyčištěné vody a umožňuje jeho opětovné použití.
• Závěrečný úklid. Provádí se za účelem snížení škodlivých látek, zejména pokud bude vyčištěná kapalina použita ve vodních útvarech k rybolovu nebo znovu použita.
• Likvidace.

Systémy s anaerobními mikroorganismy fungují odlišně:

• Nejprve je odpadní voda fermentována bakteriemi, čímž dochází ke vzniku plynu (metan, sirovodík atd.), který je následně likvidován.
• Ve druhé sekci se odpadní voda odvodňuje, dělí se na aktivovaný kal a vyčištěnou vodu vhodnou k opětovnému použití nebo likvidaci, včetně do přírodních nádrží.
• Vyčištěná voda je likvidována a vysušený kal je znovu použit pro výrobu kompostu.

Významnou roli v urychlení procesu biologického čištění odpadních vod hrají různé biopreparáty. Podporují obnovu a růst aktivovaného kalu, který aktivně interaguje se znečišťujícími látkami. Díky biologickým přípravkům se snižuje spotřeba kyslíku a snižují se náklady na obsluhu čistíren. Kromě toho pomáhají snižovat objem odpadu, který je nutné ze struktur odstraňovat, a urychlují rozklad organických sloučenin, jako jsou bílkoviny a tuky.

Výběr vhodného přípravku závisí na konkrétním složení odpadních vod a výrobci obvykle na obalech uvádějí doporučení pro jeho použití.

Definice domovních odpadních vod

Vznikají v důsledku každodenních činností člověka. Jedná se o toky odpadních vod z obytných prostor, veřejných a komerčních budov, restaurací, jídelen, zdravotnických zařízení a dalších zařízení. Objevují se při úklidu, mytí nádobí, osobní hygieně, vaření, mytí a přirozených potřebách.

Mezi hlavní znečišťující látky patří:

• organické sloučeniny bohaté na dusík, fosfáty a dusičnany (např. exkrementy a zbytky potravin);
• malé suspendované částice (např. odumřelé kožní buňky, písek, prach);
• čisticí prostředky a chemikálie pro domácnost;
• petrochemické produkty;
• biologický odpad (plísně, bakterie, viry).

Vzhledem k rozmanitosti znečišťujících látek vyžaduje domácí odpadní voda před likvidací seriózní čištění, včetně biologických metod.

Komplexní čištění odpadních vod je relevantní také pro venkovské domy, kde je voda dodávána ze studní nebo vrtů. Nesprávná likvidace může mít za následek kontaminaci zásob vody a zdravotní rizika.

<strong>Metody</strong>

Biologické čištění odpadních vod lze provádět v přírodních i umělých podmínkách.

Přírodní metody zahrnují filtrační pole, studny a příkopy, stejně jako biologické rybníky. Mezi umělé patří provzdušňovací nádrže, biofiltry a další specializovaná zařízení.

<strong>Filtrační pole</strong>

Jedná se o pozemek, kde se shromažďuje odpadní voda k čištění.
Proces zahrnuje 2 fáze:

1. Filtrace, při které se nečistoty a jiné částice zadržují v horní vrstvě půdy. Účinnost čištění závisí na složení a tloušťce filtrační vrstvy.
2. Tvorba biofilmu a oxidace organických sloučenin.

Úplné vyčištění odpadní vody trvá šest až dvanáct měsíců. Povinnou podmínkou je předběžné čištění vody pomocí lapačů písku, lapačů tuku nebo jiných zařízení nebo usazování ve speciálních nádržích.

Při uspořádání filtračního pole je nutné vzít v úvahu:

• přítomnost písčitých nebo hlinitopísčitých půd, které poskytují vysokou filtraci;
• na místě nejsou žádné svahy;
• vzdálenost od vodních zdrojů a přírodních nádrží.

Filtrační pole jsou atraktivní díky své energetické nezávislosti, hlubokému stupni čištění a efektivitě nákladů. Vyžadují však pravidelnou údržbu: každých 5-8 let je nutné odstranit nahromaděné nečistoty, omýt nebo vyměnit štěrk a ornici.

Mezi nevýhody lze vyzdvihnout několik klíčových aspektů: prvním je akumulace látek v půdě, které mohou přetrvávat po dlouhou dobu bez přirozeného rozkladu. Druhým jsou omezené možnosti využití pozemku kvůli instalovaným systémům. Za třetí, vysoké náklady na pozemky, zejména v blízkosti obydlených oblastí, mohou výrazně zvýšit celkové náklady projektu. A za čtvrté relativně nízká rychlost čištění, která nemusí splňovat potřebné požadavky na provozní zpracování.

Při nedostatku místa se filtrační pole nahrazují filtračními jímkami nebo příkopy.

<strong>biologických jezírek</strong>

Jde o umělé nádrže hluboké až jeden metr, osídlené mikroorganismy. Mohou být užitečné jako samostatné systémy úpravy nebo jako součást složitějších návrhů.

Dodávají se s přirozeným nebo umělým provzdušňováním. Jejich nepřetržité použití je možné v subtropických a tropických oblastech. V polárním a mírném podnebí fungují hlavně v létě.

Umělé provzdušňování se dělí na:

• mechanické (zařízení pro plnění vody kyslíkem jsou umístěny na pontonech);
• pneumatické (v nádrži jsou umístěny perforované trubky).

Biologické rybníky jsou klasifikovány podle typu. Například ředící rybníky, kde se odpadní voda mísí s říční vodou, je povoleno zarybňovat rybami.

Neředěné biojezírka jsou vícestupňový systém, kde se odpadní voda nemíchá s čistou vodou, dokud nezačne čištění. Tím se prodlouží doba kompletního čisticího cyklu až o 1 měsíc. Biojezírka se používají i pro doléčení.

Tyto rybníky se nacházejí na hustých půdách s minimální filtrací a měly by být umístěny po větru od obydlených oblastí. Velikost a tvar se volí na základě typu systému, objemu odpadní vody, její rychlosti a dalších důležitých parametrů.

<strong>Aerotanky</strong>

Provzdušňovací nádrže jsou jedním z nejběžnějších umělých zařízení používaných pro biologické čištění odpadních vod. Jsou to železobetonové konstrukce, které obsahují integrovaná čerpadla pro čerpání kapalin, kompresory a provzdušňovače. Ty jsou nezbytné k obohacení vody kyslíkem, který podporuje životně důležitou aktivitu mikroorganismů zapojených do čištění. Systém lze doplnit o primární a sekundární usazovací nádrže, ale i další prvky. Délka procedury je od několika hodin do několika desítek hodin v závislosti na velikosti a naplnění provzdušňovací nádrže.

Provzdušňovací nádrže lze rozdělit do několika typů v závislosti na jejich hydraulickém okruhu:

Prvním typem jsou výtlačné nádrže, ve kterých se odpadní voda pohybuje po etapách, aniž by se mísila s novými přítoky. To zajišťuje vysokou kvalitu, ale takové systémy jsou citlivé na změny v zatížení a složení odpadních vod, a proto jsou nejúčinnější pro čištění domovních odpadních vod. Druhým typem jsou mixéry, které zajišťují rovnoměrné zatížení mikroorganismů, což pomáhá vyhladit nerovnoměrné toky, i když to snižuje stupeň čištění. Tyto systémy jsou ideální pro čištění průmyslových odpadních vod. Třetím typem je provedení s rozptýleným vtokem, které je přechodnou možností mezi vytlačovači a míchadly a je vhodné pro manipulaci se směsnými odpadními vodami.

Systémy se mohou lišit z hlediska úrovně zatížení a počtu fází zpracování. Z hlediska zátěže se dělí na vysokozátěžové instalace, kde zátěž přesahuje 500 mg/(g⋅den), klasické varianty s rozsahem od 150 do 500 mg/(g⋅den) a nízkozátěžové, fungující v rozmezí 65–150 mg/(g⋅den). Pokud jde o počet stupňů v procesu čištění, systémy jsou jednostupňové, dvoustupňové a vícestupňové.

Mezi výhody provzdušňovacích nádrží patří naprostá absence zápachu, čištění až na 98 %, rychlé zpracování, kompaktnost a dlouhá životnost. Vyžadují však značné finanční investice, spotřebovávají hodně elektřiny a vyžadují pečlivou, neustálou údržbu.

<strong>Biofiltry</strong>

Jedná se o další efektivní zařízení pro biologické čištění odpadních vod. Fungují tak, že procházejí vodou přes filtrační materiál potažený biofilmem mikroorganismů.

Konstrukce biofiltru zahrnuje:

• Filtrační náplň z drceného kamene, štěrku, keramiky nebo jiných komponentů;
• Zařízení pro distribuci vody pro rovnoměrné zásobování;
• Zařízení pro distribuci vzduchu pro přívod kyslíku;
• Drenáž pro vypouštění vyčištěné kapaliny.

Systémy lze klasifikovat podle několika kritérií. Za prvé, podle stupně čištění: existují jak zařízení s úplným, tak částečným cyklem, které vyžadují dodatečné zpracování. Za druhé, technologické vlastnosti zahrnují jednostupňové systémy se základní úrovní čištění a vícestupňová zařízení schopná eliminovat až 96 % škodlivých nečistot. Kapacita je rozdělena na odkapávací systémy, které se vyznačují nízkou úrovní zatížení, a větší, které pracují při vysokém zatížení. Princip činnosti se také liší: některé pracují s recirkulací, vracející část vyčištěné vody zpět do procesu, zatímco jiné se obejdou bez ní. Důležitý je také režim provzdušňování: může být přirozený nebo zajištěný nuceným větráním. Typ nakládání materiálu může být buď objemový, včetně štěrku a drceného kamene, nebo plochý, s použitím tkaniny, plastu nebo azbestocementu. Nakonec se podle typu ponoření dělí na ponorné, rotační a zavlažovací. Biofiltry jsou ceněny pro svou jednoduchou konstrukci, nízké riziko poruch a dlouhou životnost až 50 let.

Biofiltry poskytují nejvyšší stupeň čištění až 96 %, snadno se udržují, spotřebovávají málo energie, jsou odolné vůči chladu a změnám vypouštěného objemu. Jsou však horší než provzdušňovací nádrže, pokud jde o stupeň čištění a produktivitu.

Volitelná výbava

Pro biologické čištění odpadních vod se navíc používají:

• Bionádrže, které se od provzdušňovacích nádrží liší zvýšeným objemem biomasy.
• Stanice, kde se vyčištěná odpadní voda posílá do země nebo znovu používá a zbytek se přeměňuje na organická hnojiva.
• Septiky, ve kterých se pomalu filtrují odpadní kapaliny, procházejí aerobním čištěním a rozkládají se sedimenty.
• Metanové nádrže určené pro dezinfekci kalů s uvolňováním metanu.
• Membránové bioreaktory, které kombinují proces mechanické filtrace s činností mikroorganismů.

Čištění lze provádět jak na jednotlivých stanicích, tak ve složitých objektech, které kombinují několik technologií. Smíšené systémy odstraňují nečistoty efektivně a rychle.

Výhody a nevýhody technologie

Biologické čištění se aktivně používá pro čištění průmyslových a domácích odpadních vod díky několika výhodám:

1. Jednoduchost technologie řízené automatizací umožňuje obsluhu komplexů malým počtem zaměstnanců.
2. Malé množství odpadu, které se snadno likviduje; Při procesu rozkladu vzniká oxid uhličitý a voda a odpadní kal lze použít jako hnojivo. Emitovaný metan může být zdrojem tepelné energie.
3. Vyčištěná voda může být znovu použita, protože neobsahuje škodlivé chemikálie.
4. .Kompaktnost ošetřovacích zařízení, která nevyžadují velké plochy pro umístění.
5. Ekologický proces, který nepoškozuje energetické systémy ani přírodu.
6. Malé náklady.

Biologická léčba má také řadu nevýhod. Za prvé je nutné udržovat určitou koncentraci biomasy, protože nedostatek aktivních mikroorganismů může snížit účinnost čištění. Za druhé, proces může uvolňovat toxické látky, které vyžadují rychlou likvidaci, aby se zabránilo smrti mikroorganismů. Za třetí je nutné přísně dodržovat technologický režim, protože chyby v tomto mohou výrazně snížit účinnost celého systému.

Biologické čištění odpadních vod však zůstává účinnou a jednoduchou metodou odstraňování škodlivých látek. Taková zařízení na úpravu jsou vhodná pro instalaci v oblastech s omezeným prostorem a při dodržení správných technologií zůstává proces bezpečný pro životní prostředí.