Тодов биохимической очистки воды
Способность микроорганизмов (вирусов, фагов, бактерий, водо-
рослей, грибов, простейших) использовать в процессе своей жизнедея-
тельности в качестве питания различные органические и минеральные вещества сточных вод является основой процессов биологической очи- стки. Микроорганизмы имеют очень разнообразные физиологические возможности в отношении питательных веществ и условий окру- жающей среды, что позволяет удалять из сточных вод практически лю- бые органические соединения.
В процессах биологической очистки наибольшая роль отводится бактериям. Все необходимые питательные вещества бактерии получа- ют из сточной воды, поэтому ее качественный и количественный со- став, а также условия проведения очистки - концентрация растворенно- го кислорода, рН, температура, наличие токсических примесей - имеют большое значение для получения высоких и устойчивых показателей качества очищенной воды.
Бактериальное разложение органических веществ может происхо- дить в анаэробных и в аэробных условиях (то есть в бескислородной среде и в присутствии кислорода).
Аэробы разлагают органические вещества, окисляя их кислоро-
дом, который потребляют из воздуха или из химических соединений. Некоторые виды бактерий растут и размножаются в отсутствии сво- бодного кислорода, получая энергию при анаэробном разложении ор- ганических веществ и накапливая частично окисленные промежуточ- ные продукты.
Процессы биохимической деструкции веществ в сточных водах реализуются в естественных условиях: на полях фильтрации, ороше- ния; биологических прудах, а также в искусственных условиях: в аэро-
тенках и биофильтрах (аэробные методы) и в метантенках (анаэроб-
ные методы).
Потребное для полного окисления количество кислорода биохи- мическая потребность в кислороде (БПК) является мерой количества органического вещества, способного окисляться бактериями в аэроб- ных условиях. При оценке степени разложения органического веще- ства в анаэробных условиях и определении эффективности работы ана- эробных сооружений, где кислород не потребляется, показатель БПК применяться не должен.
При очистке сточных вод, содержащих разнообразные органиче- ские и минеральные вещества, используют сообщество микроорганиз- мов, которое обладает широким спектром физиологических возможно- стей и устойчивостью к воздействию внешних факторов. При этом не- которые бактерии участвуют в нескольких этапах разложения веще- ства: например, могут использовать белки, а затем углеводы, окислять
спирты, а затем альдегиды, элементарный, а затем связанный азот и т.д. Как известно, большинство бактерий могут потреблять только оп- ределенные вещества, не используя другие. Одни виды бактерий могут вести окисление органического вещества до конца - до образования уг- лекислого газа и воды, то есть реализовать полное окисление, другие - до промежуточных продуктов, которые в свою очередь могут являться субстратом для других видов бактерий.
Активный ил и биопленка представляют собой сообщество орга- низмов, основную часть которого составляют бактерии, в незначитель- ном количестве присутствуют различные виды простейших, коловрат- ки, некоторые виды червей.
Активный ил – это свободно перемещающиеся в очищаемой во-
де микроорганизмы. Активный ил применяется в аэротенках.
Биопленка – сообщество прикрепленных (иммобилизованных) на специальной загрузке микроорганизмов. Биопленка развивается в био- фильтрах.
Простейшие, присутствующие в активном иле и в биопленке, не-
посредственного участия в окислении органического вещества не при- нимают. Они питаются бактериями и мельчайшими взвешенными ве- ществами, находящимися в воде. Это обуславливает их специфиче- скую регулирующую роль в очистке сточной воды: поедая клетки бак- терий, простейшие способствуют омоложению активного ила, присут- ствие простейших стимулирует рост бактерий, простейшие снижают общее количество единичных бактериальных клеток в очищенной во- де, в том числе и патогенных. На разных этапах очистки, при разных условиях ее проведения преобладают разные группы простейших, что позволяет с большой степенью достоверности использовать их в каче- стве индикаторных организмов и судить о полноте очистки. Например,
в условиях работы аэротенков в режиме полного окисления с ин- тенсивным процессом аэрации в активном иле в массовом количестве присутствуют такие простейшие как, кругло- и брюхоресничные инфу-
зории, а также – коловратки и малощетинковые черви. При орга-
нической перегрузке, недостатке кислорода и др. появляются другие простейшие - бесцветные жгутиковые, равноресничные инфузории, переносящие повышенную концентрацию органических веществ и де- фицит кислорода в воде.
Условная химическая формула активного ила, которая варьирует
в зависимости от условий процесса очистки, имеет вид C5ОH7О2N.
Основными химическими соединениями органического вещества ак-
тивного ила являются белки - 56-58%, жиры - 21-22%, углеводы - 4-5%
от общего органического вещества активного ила.
Отрицательное воздействие на физиологическое состояние актив- ного ила оказывает недостаток биогенных элементов: азота, фосфора, калия, магния, кальция, серы и др. Как правило, в хозяйственно-быто-
вых сточных водах недостатка этих элементов не бывает. Более того,
эти элементы, особенно азот и фосфор присутствуют в избытке, и ос-
новная задача состоит в том, чтобы удалить их из очищаемой воды.
Эффективность очистки сточных вод активным илом в значитель- ной степени зависит от температуры воды. Считается, что оптималь- ный диапазон температур 20°С - 25°С. Повышение температуры, осо-
бенно резкое, до 28°С и выше ведет к изменениям в структуре актив-
ного ила и ухудшению его седиментационных свойств, что нарушает работу, следующих за аэротенком , вторичных отстойников. Темпера- тура выше критической, которая может привести к гибели бактериаль- ных клеток, практически не встречается при очистке хозяйственно- бытовых сточных вод. Значительно чаще на очистные сооружения по- ступает вода с пониженной температурой. По существующим норма- тивам на биологическую очистку не следует подавать сточную воду с температурой ниже 6 °С. При низкой температуре, замедляется ско- рость окисления органического вещества, скорость адаптации микро- организмов к новым загрязняющим веществам, поступающим на очи- стку. Особенно сильное воздействие пониженная температура оказы- вает на скорость процессов нитрификации и денитрификации (эти процессы будут рассмотрены ниже). При низкой температуре ухудша- ются седиментационные свойства активного ила.
На физиологическую активность микроорганизмов активного ила оказывает влияние величина рН. При рН среды менее 6 и более 9 эф- фективность очистки сточных вод резко снижается, что объясняется влиянием активной реакции среды на скорость ферментативных про- цессов. В условиях резко щелочной или кислой среды может произой- ти необратимая денатурация белков бактериальных клеток. Величина рН, поступающей на очистку сточной воды, обычно около 7. За счет процессов, происходящих в аэротенке, особенно нитрификации и де- нитрификации, активная реакция среды изменяется - при высокой эф- фективности очистки достигает 8 - 8,5. Это зависит также от буферно- сти системы, в частности от величины щелочности сточной воды.
Отрицательное действие на процесс биологической очистки ока- зывают различные токсические вещества органического и неорганиче- ского происхождения: соли тяжелых металлов (медь, ртуть, свинец,
хром и др.), четыреххлористый углерод, амиловый спирт, гидрохинон, хлорбензол, хлорвинил и др. Степень влияния токсических веществ зависит от адаптированности активного ила, его дозы, температуры, рН, количества и вида других загрязнений. Токсические органические вещества в концентрациях ниже предельно допустимых могут исполь- зоваться бактериями активного ила в качестве питательного субстрата
и таким образом удаляться из сточной воды. Поэтому так важно уст- ройство на промышленных предприятиях локальных очистных соору- жений и соблюдение требований, предъявляемых к производственным сточным водам при приеме их на городские очистные сооружения.
Механизм действия токсических веществ различен. Например, малые концентрации синильной кислоты или ее солей инактивируют один из дыхательных ферментов - цитохромоксидазу; ПАВ снижают поверхностное натяжение, что создает неблагоприятные условия для микроорганизмов.
Очистка воды в аэротенках
Стадия аэробной биохимической очистки воды реализуется в комплексе сооружений аэротенк – вторичный отстойник (рис.28).
1 2
Сточная вода
Очищенная вода
Возвратный активный ил
Избыточный активный ил
1-аэротенк, 2-вторичный отстойник
Рисунок 28 - Схема работы аэротенки в комплексе с вторичным отстойником
При окислении органического вещества в аэротенке часть его идет на построение клеток бактерий, то есть увеличение биомассы ак-
тивного ила. Образующийся в результате прироста избыточный актив-
ный ил должен регулярно удаляться из системы для поддержания за-
данной дозы и нормальной работы вторичного отстойника.
Важным свойством активного ила, позволяющим поддерживать нормальный режим работы комплекса и относительно высокую био- массу бактерий в аэротенке, является способность ила образовывать
крупные, хорошо оседающие (при отстаивании иловой смеси во вто- ричном отстойнике) хлопья. Величина хлопка, его плотность, компакт- ность зависят при прочих благоприятных условиях, прежде всего от величины органической нагрузки на ил - количества органического вещества по БПКполн. в мг, приходящегося на 1 г органического веще- ства активного ила в сутки.
Обычно аэротенки работают при нагрузках 400-500 мг/(г. сут). При нагрузке ниже 30 мг/(г. сут) активный ил теряет способность к хлопьеобразованию, хлопок распадается на отдельные бактериальные клетки, не оседающие во вторичных отстойниках, и в аэротенке невоз- можно поддерживать необходимую конентрацию активного ила. Обычно в аэротенках поддерживается доза активного ила 1,5-3 г/л, а при благоприятных условиях - до 4-6 г/л.
Количество растворенного кислорода, поступающего в иловую смесь, должно быть достаточным для окисления поступающего орга- нического вещества и эндогенного дыхания бактерий.
Концентрация кислорода в иловой смеси, для поддержания благо-
приятных условий очистки, рассчитывается исходя из БПКполнсточной воды. После аэробного окисления на выходе из вторичного отстойника концентрация растворенного кислорода в воде должна быть не ниже 2 мг/л. Этот показатель контролируется и свидетельствует о нормальной работе комплекса.
Аэротенки, работающие при нагрузках менее 150 мг/(г.сут), на- зываются аэротенками полного окисления или аэротенками с продлен- ной аэрацией. В отличие от обычных аэротенков, в аэротенках полно- го окисления происходит более глубокая очистка сточных вод (содер- жание растворенных органических веществ по БПКполн. составляет около 6 мг/л). Однако, за счет более высокой концентрации взвешен- ных веществ БПК очищенной воды возрастает в 2 и более раз. Интен- сивно идет процесс нитрификации, образуется значительно меньше из- быточного активного ила, причем образующийся осадок минерализо- ван и не требует дополнительной стабилизации.
Удельный расход подаваемого в аэротенк воздуха производится по количеству органического вещества по БПК, подлежащего удале- нию из обрабатываемой сточной воды. Способ подачи воздуха в аэро- тенк пневматический или механический, иногда применяют комбини- рованную систему.
Пневматическая аэрационная система может быть представлена перфорированными трубами, пористыми дисковыми и трубчатыми элементами. Механический способ подачи воздуха предполагает ис-
пользование различных механических аэраторов - механических пере- мешивающих устройств турбинного, лопастного и пропеллерного ти- пов. Схема работы аэротенка с пневматической системой аэрации представлена на рисунке 29.
Загрязненная вода
Активный
ил
Смесь воды с отработанным илом
Сжатый
воздух
Рисунок 29 – Устройство аэротенка
Очистка воды в биофильтрах
В большинстве мелких населенных пунктов используются очист- ные сооружения с биофильтрами, в качестве загрузки которых приме- няется щебень или другие сорбционные материалы-носители, на кото- рых развивается активная биопленка.
Метод биосорбции сочетает преимущества физико-химических и биохимических методов очистки. В биофильтрах одновременно проте- кают процессы адсорбции и биохимического окисления органических веществ. Использование пористых фильтрующих материалов позволя- ет значительно интенсифицировать процессы биохимической очистки за счет адсорбции примесей и закрепления на поверхности материалов биопленки.
Выбор адсорбционных материалов является сложной задачей, так как они должны соответствовать определенным технологическим и экономическим требованиям. Загрузочные материалы должны обла- дать достаточной сорбционной емкостью, механической прочностью,
быть доступными и дешевыми. Эффективно в качестве сорбента ис-
пользовать пластмассовую плоскостную загрузку (рис.30).
а) б)
|
1-ороситель; 2- подача воды на очистку; 3- блоки насадки;
4- отвод воды;5- подача воздуха а- секция биофильтра; б- насадка
Рисунок 30 - Биофильтр с пластмассовой насадкой
На биофильтрах контакт сточной воды с биопленкой осуще- ствляется в течение нескольких минут. За это время происходит в ос- новном сорбция органических веществ и не может осуществляться глубокое удаление из воды растворенных органических загрязнений. Сорбированные вещества затем окисляются бактериями, образующими биопленку.