Анаэробная, аноксидная и аэробная зоны: как устроена биологическая очистка стоков

Биологическую очистку часто представляют как ёмкость с компрессором: подали воздух — сток очистился. На деле станция держится на чередовании условий: в одних зонах кислорода нет, в других он ограничен, в третьих его достаточно, и каждая зона делает свою часть работы. Разберём, за что отвечает каждая зона и почему выпадение любой из них видно на выходе.

Почему ёмкости с воздухом недостаточно

Сток очищают микроорганизмы. Они разлагают органику, превращают соединения азота, образуют хлопья активного ила и биоплёнку на поверхностях. Работают они только при определённых условиях: достаточное время контакта со стоком, подходящие температура и pH, отсутствие токсичных залпов, удержание биомассы внутри сооружения и регулярный вывод её избытка. О том, как время пребывания связано с объёмом ёмкостей, подробно написано в статье о времени удержания стока.

Обычный септик выполняет только часть этой работы. Он задерживает осадок и частично сбраживает его без кислорода, но растворённая органика и аммонийный азот проходят его почти без изменений. Поэтому септик бывает первой ступенью системы, но сам по себе станцией биологической очистки не является.

Обратная крайность — одна большая аэрируемая ёмкость без зоны отстаивания. Органика в ней окисляется, но активный ил уходит вместе с водой, биомасса теряется, а на выходе мутный сток.

Три режима по кислороду

Различие между зонами удобно объяснять через то, чем бактерии «дышат». Для окисления органики им нужен окислитель, и они выбирают тот, что даёт больше энергии. Первым расходуется растворённый кислород. Когда его нет, часть бактерий переключается на кислород нитратов. Когда кончаются и нитраты, в ход идут сульфаты, а органика начинает бродить. Эта последовательность объясняет и пользу аноксидной зоны, и опасность неуправляемой анаэробной: при восстановлении сульфатов образуется сероводород с запахом тухлых яиц.

Анаэробная зона сама по себе не дефект. В спроектированной схеме у неё есть задача, а за ней идут аноксидная и аэробная ступени. Проблема начинается, когда анаэробной становится вся система: старые бетонные ёмкости без аэрации, многолетний осадок, жировая корка, сток неделями стоит без кислорода. Тогда в каждой ёмкости одновременно идут брожение и восстановление сульфатов, границ между зонами нет, и процессы складываются случайно. Задача модернизации в таком случае — не «добавить воздух везде», а вернуть системе последовательность: где кислорода нет намеренно, где он ограничен и где его достаточно.

Как зоны связаны между собой

Распространённая проточная схема ставит аноксидную зону перед аэробной. На первый взгляд это странно: нитраты образуются в аэробной зоне, а используются раньше по ходу потока. Логика в органике. Денитрифицирующим бактериям нужна органика, и больше всего её в поступающем стоке. Поэтому часть нитрифицированной иловой смеси из конца аэробной зоны насосом или эрлифтом возвращают в начало аноксидной. Расход такой внутренней рециркуляции часто в 2–4 раза больше притока.

Вторая рециркуляция — возврат ила из отстойной зоны в начало схемы. Она удерживает рабочую биомассу внутри станции. Третий поток направлен наружу: избыточный ил регулярно выводят, иначе он стареет, занимает объём и сам становится источником запаха.

Денитрификация полезна не только для удаления азота. Она возвращает процессу часть кислорода, связанного в нитратах, и часть щёлочности, израсходованной на нитрификацию. Это снижает потребность в воздухе — подробнее о доле аэрации в энергозатратах в статье о расходе электроэнергии очистных. Если аноксидной зоны в схеме нет, денитрификация всё равно может начаться — во вторичном отстойнике. Пузырьки азота поднимают ил на поверхность, и он уходит со сбросом. Этот случай разобран в статье о всплытии ила во вторичном отстойнике.

Зоны в пространстве и во времени: проточная схема, SBR, MBR, биоплёнка

В проточной схеме зоны разделены перегородками, и сток проходит их последовательно. В SBR — реакторе периодического действия — те же условия сменяют друг друга во времени в одной ёмкости: наполнение, аэрация с паузами (паузы работают как аноксидные периоды), отстаивание, слив очищенной воды, вывод избыточного ила. Такая схема удобна при неравномерном притоке, но требует автоматики и выверенной длительности фаз: слишком короткая аэрация не успевает окислить органику, аэрация во время отстаивания даёт мутный слив. Пример пневматического варианта SBR — разработка SOLVIA PneumoSBR.

В MBR — мембранном биореакторе — отстойную зону заменяют мембраны, которые отделяют очищенную воду от ила. Это позволяет держать больше биомассы в меньшем объёме и получать стабильно прозрачный сток. Плата — требования к предочистке, промывкам мембран и аэрации мембранного блока.

Отдельный способ удержать биомассу — биоплёнка на загрузке. Микроорганизмы закрепляются на поверхности носителя и не вымываются при пиковом притоке. Внутри плёнки возникает градиент: снаружи аэробный слой, глубже — бескислородный, поэтому в одной загрузке частично идут разные процессы.

Что выводит биологию из равновесия

Типичные причины срыва повторяются от объекта к объекту. Жиры с кухни образуют корку и плёнки, мешающие переносу кислорода. Залповые сбросы после мероприятий или мойки оборудования перегружают ил органикой. Моющие и дезинфицирующие средства в больших дозах подавляют бактерии. Производственные стоки — молочные, сырные, мясные — дают нагрузку, на которую бытовая станция не рассчитана. Холодная вода замедляет нитрификацию. Старый накопленный ил создаёт анаэробные карманы даже в аэрируемой ёмкости.

Поэтому перед биологией на кухнях и производствах ставят жироуловитель, усреднитель и при высокой нагрузке флотацию. Простое добавление воздуха в старую ёмкость без откачки осадка и разделения зон обычно взмучивает ил и усиливает запах. Переделку существующих ёмкостей в управляемую схему описывает разработка SOLVIA Retrofit Module.

Что дальше

Чтобы понять, каких зон не хватает вашей системе, соберите исходные данные: тип объекта и число пользователей, суточный и пиковый расход, наличие кухни, прачечной или производства, существующую схему с объёмами ёмкостей, наличие аэрации и отстойной зоны, дату последней откачки ила и место сброса очищенной воды. Если есть анализы — БПК, ХПК, аммоний, нитраты, взвешенные вещества на входе и выходе, — сравните их с последним столбцом таблицы: он подскажет, какая зона работает плохо. Требования к сбросу назначает водоканал или местный регулятор, и в разрешении на сброс они свои для каждой площадки.

Оборудование для ступеней до и после биологии — флотаторы, ламельные отстойники, прессы — собрано в разделе промышленной очистки стоков, а для обработки избыточного ила — в разделе обезвоживания осадка.