Состав бытовых сточных вод и их биологическая очистка

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:

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

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

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.

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.)

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

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

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

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:

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