Состав бытовых сточных вод и их биологическая очистка

Септик из металла
Септик из металла

Доктор технических наук Рудольф Рандольф в книге «Что делать со сточными водами», выпущенной в 1987 году издательством «Стройиздат» под редакцией признанного авторитета в области биологической очистки сточных вод Т. А. Карюхиной, пишет:

«Сбрасываемые в канализацию бытовые сточные воды состоят в основном из воды (99,9 % и 0,1 % твердых веществ). Такая сточная вода, похожая внешне на воду от мытья полов, не обладает резким запахом, если она не очень долго протекала по городским коллекторам. Это пока свежая вода, процесс разложения в ней еще не начался.

Очень трудно дать краткую характеристику ингредиентов сточных вод, так как загрязненные воды могут содержать в большем или меньшем количестве многие вещества. Находящиеся в сточных водах твердые вещества различаются по крупности. Диапазон крупности довольно широк: от крупных механических примесей в несколько сантиметров до полурастворенных и растворенных веществ, различимых лишь с помощью микроскопа. Среди них имеются частицы, находящиеся во взвешенном состоянии, от крупных песчинок до мельчайших взвесей.

Осаждающиеся, полурастворенные и растворенные вещества, находящиеся в сточных водах, — это преимущественно (58 %) органические вещества, т. е. продукты живой природы. Поскольку все они представляют собой химические соединения углерода, то в сухом состоянии горят. Остальные твердые вещества (42 %) являются неорганическими. К ним относятся такие минералы, как песок, глина, и т. п.; эти вещества не горят. В природе все органические вещества спустя какое-то время разлагаются. В этом можно убедиться, если, например, сосуд с осадком взятой на пробу сточной воды оставить на несколько дней открытым. Осадок, состоящий преимущественно из органических веществ, превращается вскоре в гниющую массу с очень неприятным запахом. При этом не только осадок, но и находящаяся над ним мутная вода скоро начинают загнивать, что легко определяется по запаху. В такой воде имеется еще значительное количество разлагающихся органических веществ. Если в лабораторных условиях пропустить эту воду через тонкий фильтр, то полурастворенные вещества осядут на фильтре, а полученная в результате фильтрования вода будет прозрачной. Но даже от нее через некоторое время начинает исходить неприятный тухлый запах. Это свидетельствует о том, что даже растворенные вещества, которые не были задержаны фильтром, являются отчасти веществами органического происхождения, вследствие чего они разлагаются. Эти опыты показывают, что очистка сточных вод не ограничивается только выделением осадков, то есть отстаиванием. В отстоянной воде остаются еще органические вещества, и даже в результате последующей очистки не удается получить воду, которая не содержала бы веществ, вызывающих гниение».

СНиП 2.04.03–85 «Канализация. Наружные сети и сооружения», в свою очередь, для определения концентрации загрязняющих веществ в бытовых сточных водах приводит таблицу 1, в которой указано количество загрязнений на одного жителя.

Таблица 1

Показатель Количество загрязняющих веществ на одного жителя, г/сут.
Взвешенные вещества 65
БПК полн. неосветленной жидкости 75
ВПК полн. осветленной жидкости 40
Азот аммонийных солей N 8
Фосфаты Р205 3.3
В том числе от моющих веществ 1.6
Хлориды CI 9
Поверхностно-активные вещества (ПАВ) 2.5
Трехкамерный септик из ж/б колец
Трехкамерный септик из ж/б колец

Исходя из данных, собранных в этой таблице, и зная количество сточных вод от одного человека в сутки (норму водоотведения), можно примерно определить концентрацию основных загрязнителей в стоках. Какова же эта норма и от чего она зависит? Есть нормативные документы, устанавливающие ее в зависимости от степени благоустройства жилья. Это СНиП 2.04.01–85* «Внутренний водопровод и канализация зданий», различные территориальные нормативы. Величина удельного водоотведения, кроме того, зависит от времени года, недели, привычек конкретного человека. Кто-то умывается, заткнув раковину пробочкой, а кто-то пиво охлаждает под струей воды. Но среднестатистическая норма для среднестатистического загородного дома колеблется в районе от 150 до 200 литров на человека в сутки (от 95 до 360 литров по приложению 3 к указанному СНиП). Данные цифры обычно и используют в расчетах. При этом 160 литров на человека в сутки вполне достаточно для нормальной жизни с душем, унитазом и стиркой-готовкой. 200 литров на человека представляются уже некоторым расточительством, хотя именно эту цифру чаще всего используют при загородном строительстве. Разумеется, речь идет о среднесуточной величине за достаточно продолжительное время, а не о суточных максимумах.

Если жители канализуемого дома просто живут в нем, стирая белье, готовя пищу, умываясь, чистя зубы, принимая ванну и пользуясь унитазом (только в целях личной гигиены, а не для слива в него всякой химической гадости), то сточные воды будут называться бытовыми или хозяйственно-бытовыми. Это достаточно стабильный по составу и давно изученный сток. Его характеристику я приведу по «Методическим рекомендациям по расчету количества и качества принимаемых сточных вод и загрязняющих веществ в системы канализации населенных пунктов», утвержденным приказом Госстроя России от 6 апреля 2001 г. № 75 (табл. 2).

Таблица 2. Усредненные характеристики качества бытового стока, отводимого абонентами жилищного фонда населенных пунктов

Перечень загрязняющих веществ Концентрация, мг/л
1 Взвешенные вещества 110
2 БПК полн. 180
3 ХПК 250
4 Жиры 40
5 Азот аммонийный 18
6 Хлориды 45
7 Сульфаты 40
8 Сухой остаток 300
9 Нефтепродукты 1,0
10 СПАВ (анионные) 2,5
11 Фенолы 0,005
12 Железо общее 2,2
13 Медь 0,02
14 Никель 0,005
15 Цинк 0,1
16 Хром (+3) 0,003
17 Хром (+6) 0,0003
18 Свинец 0,004
19 Кадмий 0,0002
20 Ртуть 0,0001
21 Алюминий 0,5
22 Марганец 0,1
23 Фториды 0,08
24 Фосфор фосфатов 2,0
Строительство монолитного бетонного септика
Строительство монолитного бетонного септика

Как видите, Госстрой упоминает 24 загрязняющих вещества, присутствующих в бытовом стоке, хотя их там гораздо больше. Но эти основные. Весь этот «компот» и будет присутствовать в сточных водах вашего коттеджа, примерно в тех же самых концентрациях, если каждый проживающий человек будет тратить около 150–200 литров воды в день. Будете экономить воду — сточных вод будет меньше, а концентрация загрязнений больше. И наоборот — стоков больше, концентрация меньше.

Теперь давайте внимательнее посмотрим на этот перечень. В нем присутствуют интегральные показатели, такие как взвешенные вещества (совокупность мелких частиц твердого вещества в жидкости), жиры, СПАВ (поверхностно-активные вещества — это в основном моющие средства), БПК и ХПК (биологическая и химическая потребность в кислороде) — показатели, описывающие количество органики в стоках через потребность в кислороде на ее окисление. Кроме того, в сточных водах присутствуют ионы тяжелых металлов (медь, цинк, марганец и другие), а также биогенные элементы — азот и фосфор.

Фильтрующие тоннели (инфильтраторы) американской фирмы Infiltrator Systems, Inc.
Фильтрующие тоннели (инфильтраторы) американской фирмы Infiltrator Systems, Inc.
Моноблок SBR-реактора установки «Solid-clAir»
Моноблок SBR-реактора установки «Solid-clAir»

Очевидно, какую бы очистку для сточных вод мы ни предусмотрели, все эти вещества (и многие другие, не вошедшие в перечень Госстроя, но присутствующие в сточной воде) в той или иной концентрации будут находиться и в очищенном стоке.

Наиболее распространенный и общеупотребительный способ очистки бытовых сточных вод — биологический.

Большой энциклопедический словарь дает следующее определение биологической очистки стоков:

«Биологическая очистка сточных вод — очистка, основанная на способности микроорганизмов разрушать (минерализовать) содержащиеся в сточных водах органические вещества (загрязнения)».

Различают анаэробный и аэробный процесс биологической очистки.

Анаэробный процесс очистки сточных вод — процессы разрушения органических веществ микроорганизмами при отсутствии кислорода воздуха.

Аэробный процесс очистки сточных вод — процесс разрушения органических веществ микроорганизмами в присутствии кислорода воздуха.

Существует два основных типа или способа биологической очистки — с применением сооружений с естественными или искусственно созданными условиями. Процессы разрушения органических веществ в естественном виде протекают в почве и водоемах. Если количество органических веществ колеблется в пределах естественной нормы, то почва и водоемы справляются с процессом биологического окисления своими силами. Когда органики слишком много, процессы окисления угнетаются, почва и водоемы загнивают. Биологического окисления сточных вод можно добиться, если создать условия, способные интенсифицировать процесс. Такие условия создаются на полях фильтрации (не путать с подземными полями фильтрации), биопрудах и модных в настоящее время биоплато.

Поля фильтрации — это земельные участки с песчаными почвами, супесями и суглинками, подготовленные для естественной биологической очистки сточных вод фильтрацией через почвенные горизонты. В почве присутствуют как аэробные, так и анаэробные бактерии (аэробы — в основном на поверхности почвы и в ее верхнем слое, анаэробы — в толще земли), соответственно, осуществляются оба процесса очистки. В связи с тем, что этот естественный и простой метод очистки бытовых стоков требует больших площадей и «плохо пахнет», в настоящее время он имеет ограниченное применение. Биопруды и биоплато в наших климатических условиях используют в основном для доочистки сточных вод в летнее время (дело в том, что при низкой температуре воды биологические процессы замедляются, а при температуре, близкой к нулю, вообще практически не идут).

Монтаж инфильтратора Quick4 (Infiltrator Systems, Inc.)
Монтаж инфильтратора Quick4 (Infiltrator Systems, Inc.)

Очистка сточных вод в искусственных условиях так же использует аэробный и анаэробный процессы. На отечественном рынке в основном присутствуют два типа малых очистных сооружений — септики и аэрационные биологические очистные сооружения (аэротенки и реакторы) различных модификаций. Искусственные условия позволяют интенсифицировать процесс очистки, сократив занимаемые площади и выделение дурнопахнущих веществ в атмосферу. Аэротенки, реакторы и септики часто используют совместно с биофильтрами, процесс очистки в которых протекает аналогично процессу очистки на полях фильтрации. Разница в том, что биопленка на полях фильтрации образуется на поверхности частиц земли, а в биофильтре — на поверхности его загрузки. Можно сказать, что биофильтр — это «свернутое», компактное поле фильтрации. В отличие от биофильтра, где создаются условия, интенсифицирующие процесс биологического окисления в почве, аэротенки и реакторы представляют собой сооружения, где интенсифицируется процесс, происходящий в водоемах. Интенсификация осуществляется за счет подачи воздуха и интенсивного перемешивания. Понятно, что это в основном аэробный процесс. Итак, аэротенки (реакторы), биофильтры и септики — это искусственные сооружения, моделирующие и интенсифицирующие естественные процессы, происходящие в почве (биофильтры и септики) и в водоеме (классические аэротенки и реакторы различных модификаций).

Напомню, что все очистные сооружения автономных систем канализации используют биологический способ очистки, то есть в них культивируются микроорганизмы, разрушающие органические загрязнения. Органические загрязнения бывают растительного и животного происхождения. К растительным относятся: остатки растений, плодов, овощей, злаков, бумаги и растительные масла. Основным химическим элементом этого рода загрязнений является углерод. К загрязнениям животного происхождения относятся физиологические выделения людей и животных, остатки мускульных и жировых тканей животных, клеевые вещества и прочее. Они характеризуются довольно значительным содержанием азота.

Возможно, неискушенный читатель удивится, но специалистам давно известно, что классические биологические очистные сооружения рассчитываются только на удаление из воды органики (БПК) и взвешенных веществ (существует еще технология биогенного удаления фосфора, но она в основном реализуется на больших очистных сооружениях, в малых установках фосфор, как правило, удаляют химически). А как же остальное? — спросите вы. А удаление всего остального — не более чем полезный сопутствующий эффект, расчету практически не поддающийся из-за невероятной сложности протекающих процессов. Очень грубо его можно свести к поглощению загрязнений поверхностью активного ила (тех самых микроорганизмов, разрушающих органические загрязнения) и сопутствующим биохимическим реакциям.

Приведу, сильно сократив, таблицу из «Методических рекомендаций по расчету количества и качества принимаемых сточных вод и загрязняющих веществ в системы канализации населенных пунктов», утвержденных приказом Госстроя России от 6 апреля 2001 г. № 75 (табл. 3).

Таблица 3. Перечень загрязняющих веществ, удаляемых из сточных вод на сооружениях биологической очистки

Вещество Макс. конц. для биологической очистки, мг/л Эффективность удаления, %
Алюминий 5 50
Аммонийный азот (ион) <**> 45 30
Висмут 15 65
Fe+3 Железо 5 65
Жиры (растительные и животные) 50 60
2+ Марганец 30
Медь 0,5 65
Мочевина (карбамид) по БПК
Нефть и нефтепродукты в раств. и эмульгир. виде 15 70
Никель 0,5 40
Ртуть 0,005 50
Свинец 0,1 40
СПАВ (анионные) 20 65
Фенол 15 80
Формальдегид 100 65
Фосфаты 20 30
+3 Хром 2,5 65
+6 Хром 0,1 50
Цинк 1,0 60
Этиловый спирт 14 70
Септик из стеклопластика
Септик из стеклопластика

Из этого перечня видно, что для каждого вещества в стоках есть некоторое пороговое значение, и если содержание этого вещества окажется больше, то биоценоз очистного сооружения не выдержит — погибнет или будет сильно угнетен. Кроме того, каждое из перечисленных веществ имеет свой процент удаления. Его нельзя рассчитать, и на него практически нельзя воздействовать.

В стоках присутствуют и загрязнения, вообще не задерживаемые биологическими очистными сооружениями. В «Методических рекомендациях…» приведен список из 63 таких веществ (в действительности их гораздо больше, но эти 63 — наиболее часто встречающиеся в бытовом стоке).

Под очисткой на биологических сооружениях понимается (кроме деструкции органического вещества) и сепарация, при которой образуются относительно чистая вода и относительно загрязненный осадок. Поэтому, когда вы прочли в рекламе об «очистке на 98 %», надо понимать, что вода если и освободилась на 98 % от загрязнений, то основная их часть сконцентрировалась в осадке.

А что же тогда делают микроорганизмы, «живущие» в очистных сооружениях? Кушают органику, разлагая ее на простейшие минералы. Не будем вдаваться сейчас в подробности, поскольку эта тема гораздо шире и требует как минимум отдельной обзорной статьи. Приведу лишь одну цитату:

«По утверждениям микробиологов, из всех функций микроорганизмов самой важной для жизни на Земле является та, которую они выполняют, участвуя в круговороте углерода. Микроорганизмы поддерживают динамическое равновесие углекислоты между процессами фиксации ее зелеными растениями и выделения во внешнюю среду вследствие минерализации органических соединений, скапливающихся в воде и почве» (С. В. Яковлев, Т. А. Карюхина «Биохимические процессы в очистке сточных вод»).

Пластиковая емкость для септика
Пластиковая емкость для септика
Водослив радиального отстойника
Водослив радиального отстойника

Биологическое окисление углеродсодержащей части органических веществ в идеале проходит до образования углекислоты и воды, азотсодержащей — через образование нитритов и нитратов до атомарного азота, выделяющегося в атмосферу.

Микроорганизмы, осуществляющие биологическую обработку стоков, сами устанавливают степень их очистки. Человеку необходимо как минимум им не мешать, а по возможности и помогать. Насколько велика должна быть помощь, зависит от того, как глубоко надо очистить стоки, а это, в свою очередь, зависит от места их сброса.

Сбрасывать можно в водоем или в грунт. Для того и другого есть свои нормативы очистки, но для водоема они значительно строже, чем для грунта. Между тем сброс в почву полностью замыкает круговорот веществ в биосфере, давая растениям возможность использовать многие элементы стоков для своего роста. Именно поэтому при сбросе в грунт воду не надо чистить «очень сильно», поскольку тогда она будет очищаться от полезных веществ.

Кратко коснемся биохимических процессов, происходящих в классических сооружениях малой автономной канализации — септиках с почвенным поглощением стока. Без поступления кислорода извне в септике развиваются метанобразующие бактерии, которые перерабатывают осажденные в нем загрязнения с образованием минерального осадка и газообразного метана. Этот процесс (метановой ферментации) протекает в две стадии. На первой — сложные органические вещества разлагаются до более простых (жирных кислот, спиртов, альдегидов, углекислоты, аммиака и водорода). На второй — метанобразующие бактерии превращают продукты первой фазы в метан, углекислоту и другие газы, образующиеся в малых количествах, а также нерастворимые соединения, выпадающие в осадок. Газы уходят в атмосферу через вентиляционные вытяжки, а минерализованные соединения накапливаются в осадке. Очистка стоков, прошедших септик, продолжается в почве подземных полей фильтрации, в почве вокруг фильтрующего колодца или в биофильтре, установленном после септика.

Почва представляет собой огромный естественный биохимический реактор, в котором непрерывно протекают самые разнообразные сложные процессы разрушения и синтеза органических веществ, образуются новые неорганические соединения, происходит отмирание патогенных бактерий, вирусов, простейших, яиц гельминтов. Этот реактор — ведущее звено круговорота веществ в природе, поддерживающее мощнейшие природные циклы трансформации (азота, углерода, кислорода и прочих элементов), от которых зависит все живое на планете. Почва является главным элементом биосферы, где происходят процессы миграции, трансформации и обмена всех химических веществ на нашей планете.

Органические вещества, поступающие в почву в естественных условиях в виде остатков растений и животных, а также продуктов их жизнедеятельности, разрушаются различными сапрофитными почвенными микроорганизмами: бактериями, актиномицетами, грибами, водорослями и простейшими. В присутствии кислорода аэробные микроорганизмы разлагают углеводы до двуокиси углерода и воды. Жиры в аэробных условиях расщепляются на глицерин и жирные кислоты, которые распадаются на углекислый газ и воду. Распад белковых соединений происходит в 2 этапа. На первом этапе — аммонификации — белки распадаются до аминокислот, которые, в свою очередь, разрушаются до аммиака и солей аммония, а также кислот жирного и ароматического рядов. В аэробных условиях параллельно происходит второй этап минерализации азотсодержащих соединений — нитрификации, когда аммиак окисляется до нитритов, а последние — до нитратов. Благодаря процессам почвенного разрушения органические соединения преобразуются в те формы неорганических веществ, в которых они могут стать питательным материалом для растений, и снова попадают в природный круговорот веществ.

Здесь стоит отметить, что очистка — понятие техногенное, придуманное человеком для описания искусственных процессов, необходимых ему в процессе его жизнедеятельности. В мире человека «очистка» идет рука об руку с «отходами», с которыми человек сражается всю свою сознательную историю. В природе же очистки в этом смысле не существует, есть трансформация (реакции нитрификации-денитрификации, к примеру), синтез (образование гумуса) и сепарация, разделение (например, при отстаивании — осветленная вода водоема и осадок, ил). Грязь, отходы, сточные воды — эти вещества не на своем месте. Борьба с отходами заключается в направлении веществ туда, где они окажутся на своем месте. В рассматриваемом случае септик выполняет функцию сепаратора загрязнений, а почва — трансформации, синтеза и включения их продуктов в естественные природные циклы.

Процессы минерализации и гумификации органических веществ сточных вод в почве являются очень сложными. В реальных условиях они протекают параллельно и одновременно под влиянием большого количества организмов, входивших в состав биоценоза почвы. Главную роль в этих процессах играют аэробные и анаэробные микробы почвы. Кроме микробов в этих процессах принимают участие актиномицеты, грибы, простейшие и растения. Микроорганизмы, которые разрушают и синтезируют органическое вещество при использовании почвенных методов очистки сточных вод, имеют двойное происхождение. Одна их часть поступает в почву со сточными водами, а вторая — это бактериальная флора собственно почвы, приспособившаяся к определенным условиям существования.

Очистные сооружения производительностью 160 тысяч кубометров стоков в сутки. Владивосток
Очистные сооружения производительностью 160 тысяч кубометров стоков в сутки. Владивосток
Радиальные отстойники городской станции аэрации
Радиальные отстойники городской станции аэрации

Процесс синтеза гумуса протекает в условиях биокатализа, действия ферментов, выделяемых микроорганизмами. Сущность этого процесса сводится к тому, что промежуточные продукты разложения органического вещества, попадая под воздействие реакций биохимического окисления, поликонденсации, полимеризации, дают качественно новые органические соединения, которые называют гумусовыми, или перегнойными, а процесс их образования — гумификацией. Обычно под гумусом (от лат. «humus» — «земля», «почва») понимают группу темноокрашенных высокомолекулярных азотсодержащих органических веществ кислотной природы, большая часть которых — коллоиды. Собственно гумусовые вещества составляют 85–90 % общего количества органических соединений почвы.

В дикой природе наибольшее количество гумуса дает листовой опад, травянистая растительность и ее корневая система. В результате биохимических процессов разложения их органического вещества образуются две основные группы соединений: неспецифичный гумус (лигнин, целлюлоза, воски, смолы и другие полуразрушенные соединения) и специфический гумус (гуминовые и фульвокислоты, гумин). Фульвокислота наиболее подвижная, более агрессивная. При попадании в колодцы она придает питьевой воде коричневый цвет.

С агрономической точки зрения лучшим гумусом считается тот, в котором преобладает гумин с гуминовой кислотой, как в наших дерновых или черноземных почвах. В большинстве же почв суши преобладает фульватный состав гумуса. Наибольшее количество доброкачественного гумуса имеют черноземы (4–15 %). Поэтому эти почвы самые плодородные.

Гумус в почве частично соединяется с глеем и коллоидными частичками, создавая органо-минеральные соединения (хелаты). Они полезны тем, что замедляют минерализацию гумуса (создание золы — оксидов химических соединений), увеличивают содержание ценных элементов питания в доступной для растений форме и замедляют вынос биогенных элементов из почвы в реки и озера.

Степень гумификации органического вещества в почве характеризуется так называемым санитарным числом (по Н. И. Хлебникову), позволяющим оценить очищающую способность почвы от органических загрязнений.

СанПиН 2.1.7.1287–03 устанавливает санитарно-эпидемиологические требования к качеству почвы населенных мест и сельскохозяйственных угодий, обуславливающих соблюдение гигиенических нормативов при размещении, проектировании, строительстве, реконструкции (техническом перевооружении) и эксплуатации объектов различного назначения, в том числе и тех, которые могут оказывать неблагоприятное воздействие на состояние почв.

В соответствии с этим документом санитарное число (отношение белкового азота к общему органическому азоту) должно быть не ниже 0,98 (относительные единицы). Почвы, отвечающие предъявленным требованиям, следует относить к категории «чистая».

В упоминаемой выше книге Рудольф Рандольф пишет:

«При аэробном процессе распада происходит присоединение кислорода к продуктам распада. Этот процесс называют также окислением. Процессы разложения и окисления продолжаются до тех пор, пока весь углерод не превратится в двуокись углерода, водород — в воду, а азот — в нитраты. При аэробном разложении постоянно потребляется кислород.

Аэробные процессы разложения широко распространены в природе. Они постоянно протекают в водоемах, содержащих растворенный кислород, или в хорошо аэрируемых и населенных живыми организмами почвах. При круговороте органической материи продукты распада вновь оказываются исходными веществами для образования высших соединений.

В противоположность только что описанным процессам существует другой путь распада крупных молекул органических веществ на более мелкие частицы — анаэробное разложение. Он совершается лишь в отсутствие кислорода воздуха. Этот процесс известен также под названием “гниение”. В нем принимают участие живые организмы. Однако в то время как в процессе аэробного разложения участвуют многие виды организмов, процессы гниения осуществляются лишь определенными видами бактерий. При поступлении воздуха в достаточном количестве бактерии гниения подавляются другими организмами, поглощающими кислород. Лишь когда эти организмы из-за недостатка кислорода погибают, могут размножаться анаэробные бактерии. Конечные продукты процессов гниения не похожи на продукты, образующиеся при аэробном разложении. При гниении происходит процесс восстановления. При этом наряду с твердыми соединениями в качестве конечных продуктов образуются различные газы, такие как метан, углекислый газ, аммиак и сероводород. В конечном счете образующиеся вследствие анаэробного разложения частицы высокомолекулярных органических соединений вновь используются для синтеза новых белков, жиров и углеводов с помощью растений. Таким образом, мы видим, что при протекании распада по второму пути круговорот органической материи в природе снова замыкается».

Андрей Анатольевич Ратников,
руководитель контрольной комиссии,
член правления НП «ИСЗС-Проект»



наши проекты
  • АПИК
  • Университет климата
  • Выставка «Мир климата»
  • АПИК-тест