Аэробные процессы биохимической очистки сточных вод

Существуют две большие группы аэробных процессов биоочистки - экстенсивные и интенсивные. К экстенсивным относятся методы, непосредственно не связанные с управляемым культивированием микроорганизмов — это поля орошения, поля фильтрации, биопруды. Микроорганизмы, находящиеся в верхних слоях почвы полей орошения и фильтрации или воде биопрудов образуют ценозы, за счет деятельности которых и происходит очистка воды.

В основе интенсивных способов лежит деятельность активного ила или биопленки, т.е. естественно возникшего биоценоза, формирующегося на каждом конкретном производстве в зависимости от состава сточных вод и выбранного режима очистки. Формирование биоценоза — процесс достаточно длительный и идущий постоянно в ходе очистки сточной воды в промышленных аппаратах — аэротенках или биофильтрах.

Активный ил представляет собой темно-коричневые хлопья, размером до нескольких сотен микрометров; микроскопия показала, что он состоит на 70 % из ж-ивых организмов и около 30 % составляют твердые частицы неорганической природы. Живые организмы вместе с твердым носителем, к которому они прикреплены, образуют зооглей — симбиоз популяций организмов, покрытый общей слизистой оболочкой. Причины возникновения хлопьев активного ила не совсем понятны, зооглей может формироваться за счет флокуляции или адгезии клеток на поверхности носителя. Взаимодействие микроорганизмов в пределах одного зооглея достаточно сложно и основой его служит по всей видимости, симбиотические взаимосвязи организмов разных популяций.

Соотношение капсульных и бескапсульных форм клеток в иле называется коэффициентом зооглейности k_z.

Микроорганизмы, выделенные из активного ила относятся к различным родам: Actinomyces, Arthrobacter, Bacillus Bacterium, Corynobacterium, Desulfotomaculum, Micococcus, Pseudomonas, Sarcina и др.

Окислительная способность перечисленных микроорганизмов для различных органических соединений различна, и лишь для бактерий рода Pseudomonas она практически одинакова для разных видов загрязнений.

В зависимости от внешней среды, которой в данном случае является сточная вода, та или иная группа бактерий может оказаться преобладающей, а остальные становятся спутниками основной группы.

Существенная роль в создании и функционировании консорциума клеток принадлежит простейшим. Функции простейших достаточно многообразны; сами они не принимают непосредственного участия в потреблении органических веществ, но регулируют видовой и возрастной состав микроорганизмов в активном иле, поддерживая его на оптимальном уровне. Поглощая большое количество бактерий, простейшие способствуют выходу значительного количества бактериальных экзоферментов, которые могут концентрироваться в слизистой оболочке и принимать участие в деструкции загрязнений.

В активных илах высокого качества на 1 млн. бактериальных клеток должно быть 10—15 простейших организмов, это соотношение называется коэффициентом протозойности k_p. Скорость биохимического окисления растет с увеличением значения коэффициентов зооглейности и протозойности.

Доза и возраст активного ила. Эффективность работы очистных сооружений зависит не только от условий обитания микроорганизмов, но и от их концентрации в сточных водах и от возраста активного ила. В обычных очистных сооружениях типа аэротенка текущая концентрация активного ила не превышает 2-4 г/л. Увеличение концентрации активного ила в сточной воде приводит к росту скорости очистки, но требует усиления аэрации для поддержания концентрации кислорода на нелимитирующем уровне.

Техническая реализация аэробных способов очистки. Аэробный способ очистки сточной воды основан на использовании системы аппаратов аэротенк—вторичный отстойник. Аэротенк представляет собой открытое железобетонное сооружение, через которое пропускается сточная вода, содержащая органические загрязнения и активный ил. Суспензия ила в сточной воде на протяжении всего времени нахождения в аэротенке подвергается аэрации воздухом. В зависимости от способа смешения суспензии активного ила с очищаемой водой и гидродинамического режима движения суспензии активного ила аэротеики делятся на аэротенк-вытеснитель, аэротенк-смеситель и аэротенк сложного типа.

Различия в гидродинамических режимах аэротенков в первую очередь влияют на физиологическое состояние популяции микроорганизмов и, следовательно, на скорость и глубину потребления субстрата, которым являются загрязнения, из сточной воды.

Технологические схемы очистки сточной воды с использованием системы аэротенк — вторичной отстойник могут быть различными, но многие их элементы являются обязательными. Выбор конкретной схемы определяется рядом факторов: расходом сточной воды, составом и концентрацией загрязнений, требованиями к качеству очищенной воды и т. п.

Как правило, схема аэробной биологической очистки включает в себя следующие стадии: а) усреднение и осветвление сточных вод от механических примесей (усреднители, песколовки, отстойники); б) аэробная биологическая очистка осветленных сточных вод (аэротенки, регенераторы активного ила, вторичные отстойники); в) доочистка сточных вод (биологические пруды, фильтровальные станции); г) обработка осадков (иловые площадки, сушилки, печи и т.д.).

На практике применяются одноступенчатые и многоступенчатые системы биологической очистки. Сточные воды предприятия поступают в усреднитель, где происходит интенсивнее перемешивание стоков с различным качественным и количественным составом. Перемешивание, как правило осуществляется за счет барботажа воздуха. В случае необходимости в усреднитель также подаются биогенные элементы в нужных концентрациях и аммиачная вода для создания определенного значения рН. При концентрации в сточной воде примесей выше предельно допустимой по данным соединениям в усреднитель дополнительно подают биологически очищенную воду. Время пребывания сточной воды в усреднителе определяется эмпирически и, как правило, составляет несколько часов.

Стадия собственно биологической очистки происходит в аэро-тенках, хотя частичное изменение ХПК и БПК наблюдается уже и на предшествующих этапах. К системе биологической очистки относятся не только аэротенк и вторичный отстойник, но и регенератор активного ила, который представляет собой часть аэро-тенка, куда подается только суспензия возвратного активного ила и не подается вода. Интенсивная аэрация суспензии активного ила кислородом в этой зоне приводит к восстановлению его способности сорбировать органические примеси, которые трудно утилизируются микроорганизмами активного ила. Объем регенератора при совмещении его с аэротенком, как правило, не превышает трети объема основного аппарата.

Очищенная вода и активный ил из аэротенка подаются во вторичный отстойник, где происходит отделение активного ила от воды. Часть активного ила вновь возвращается в систему очистки, а избыточный активный ил, образовавшийся в результате роста микроорганизмов, поступает на иловые площадки с последующим вывозом его после обезвоживания на поля. В последнее время разрабатываются и другие способы использования активного ила.

Очистка сточной воды с использованием биофильтров. В отличие от аэротенков в биофильтрах клетки микроорганизмов находятся в неподвижном состоянии, так как прикреплены к поверхности пористого носителя. Образовавшуюся таким образом биопленку можно отнести к иммобилизованным клеткам. Хотя в этом случае иммобилизована не монокультура, а целый консорциум, неповторимый по своему качественному и количественному составу и различающийся в зависимости от места его нахождения на поверхности носителя. Это, главным образом, и обусловливает те закономерности, по которым протекает процесс извлечения загрязнений из сточной воды. Очищаемая вода контактирует с неподвижным носителем, на котором иммобилизованы клетки, и за счет их жизнедеятельности происходит снижение концентрации загрязнителя. Существенной проблемой при реализации процесса водоочистки с использованием биофильтров является то, что проконтролировать содержание кислорода на каждом уровне биофильтра не представляется возможным, поэтому нельзя с определенностью говорить о строго аэробном способе очистки.

Преимущество применения биофильтров состоит в том, что формирование конкретного биоценоза приводит к практически полному удалению всех органических примесей. Недостатками этого метода можно считать: нереальность использования стоков с высоким содержанием органических примесей (начальное значение по ХПК не должно превышать 500—550 млг/л, в противном случае возможно полное или частичное уничтожение активной пленки); необходимость равномерного орошения поверхности биофильтра сточными водами, подаваемыми с постоянной скоростью; сточные воды перед подачей на биофильтры должны быть очищены от взвешенных частиц, в противном случае капиллярные каналы биофильтра очень быстро забьются и произойдет заиливание.

В качестве загружаемого твердого материала можно использовать керамику, щебень, гравий, керамзит, металлический или полимерный материал с высокой пористостью. Классификация биофильтров производится в зависимости от способа и вида загрузочного материала и от режима подачи жидкости.

Существенным признаком конструкции является и режим аэрации воды, по которому все биофильтры можно разделить на аппараты с принудительной и естественной циркуляцией. В обоих случаях в биофильтрах наблюдается режим противотока воды, которая поступает сверху вниз, и воздуха который поступает снизу вверх. К сожалению, наличие такого режима неспособствует процессам очистки, так как наиболее интенсивно развивающиеся микроорганизмы, потребляющие легкоусвояемые субстраты, контактируют с воздухом, обедненным по кислороду и насыщенным СО₂. Схема биофильтра показана на рис 6 Технологические схемы с использованием биофильтров мало отличаются от схем очистки с применением аэротенков, главное различие заключается в том, что оторвавшиеся частицы микробной пленки после отделения их во вторичном отстойнике не возвращаются обратно в биофильтр, а отводятся на иловые площадки.

Принцип вытеснения жидкости с одновременной фиксацией клеток микроорганизмов в иммобилизованном состоянии положен и в основу работы аэротенков-вытеснителей с применением стеклоершей. Стеклоерши погружают в аэрируемую сточную воду и на их поверхности происходит накопление биоценоза активного ила. Последний при этом так же, как и при работе с биофильтрами, развивается на каждом участке ершей неодинаково и изменяется в объеме как по количественному, так и качественному составу.

Существенным отличием системы с иммобилизованными на стеклоершах клетками от биофильтров является то, что в этом случае можно интенсифицировать процесс массопереноса кислорода. Предполагается, что такая система найдет широкое применение в очистке локальных стоков, под которыми понимают стоки производств с узким спектром загрязнений. Их целесообразно очищать в самостоятельных биологических системах, не смешивая со стоками других производств. Это позволяет получать в биологических системах очистки биоценозы микрооорганизмов, адаптированные именно к данному узкому спектру загрязнений; при этом скорость очистки и ее эффективность резко возрастают. Несмотря на очевидную необходимость создания интенсивных методов биологической очистки водных выбросов, до сих пор широко применяются и экстенсивные способы. К ним относятся биологические пруды, поля орошения, поля фильтрации.

Пруды с искусственной или естественной аэрацией также относятся к сооружениям биологической очистки, в которых под воздействием биоценоза активного ила происходит окисление органических примесей. Формирование биоценоза происходит при этом в известной мере аналогично формированию их в очистных сооружениях интенсивной очистки, однако во многом их формирование специфично. Состав биоценозов биологических прудов определяется глубиной нахождения данной группы микроорганизмов. Так, в верхних слоях, где насыщение воды кислородом максимально, развиваются, в основном, аэробные культуры; в придонных слоях преобладают факультативные аэробы, могут здесь развиваться и анаэробные формы микроорганизмов, способные осуществлять процессы метанового брожения или восстановление сульфатов.

Насыщение воды кислородом происходит, в основном, за счет процессов фотосинтеза, осуществляемых водорослями, из которых особенно широко представлены Chlorella, Scenedesmus, Ankistrodesmus, встречаются представители эвгленовых, воль-воксовых и др. Помимо водорослей и бактерий в прудах в той или иной степени представлены и микро- и макрофауна: простейшие, черви, коловратки, насекомые и другие организмы.

Особую роль играют биопруды в процессах окончательной очистки стоков после очистных сооружений, когда остающиеся примеси осложняют процесс дальнейшей утилизации вод. Применение биологических прудов позволяет практически полностью удалять остаточные количества многих соединений. Используются пруды и непосредственно для очистки без предварительных стадий, причем качество очистки воды и в этом случае очень высоко; хорошо удаляются нефтепродукты, фенолы и другие органические соединения из воды.

Существенным недостатком биологических прудов, кроме полной неуправляемости процесса, является то, что скорость окисления органических соединений в них очень незначительна. Это приводит к тому, что время пребывания воды в биологических прудах составляет несколько суток и при очистке только этим способом сточных вод крупнотоннажных производств пришлось бы занимать огромные площади очистными водоемами.

Поля фильтрации и орошения также используются для очистки сточных вод, при этом первые служат только для целей очистки, на них подается максимально возможное количество жидкости. Поля орошения предназначены для выращивания сельскохозяйственных продуктов, и вода на них подается по мере необходимости.

Процесс самоочищения воды осуществляется в этих случаях за счет жизнедеятельности различных групп почвенных организмов — бактерий, грибов, водорослей, простейших, червей и членистоногих; на поверхности почвенных комочков образуется биологическая пленка.

Решающим фактором, влияющим на формирование почвенного биоценоза, является структура почвы. Расположение микроорганизмов на поверхности почвенных комочков должно в принципе. приводить к тому, что максимальное удельное количество микрофлоры будет в тех почвах, размер частиц которых меньше На практике это не так, уменьшение размера частиц почвы Та затрудняет диффузию кислорода из воздуха, а других способов обогащения среды кислородом нет. Проникновение кислорода в почву ограничивается 20-30 см, поэтому самая интенсивная минерализация органических соединений наблюдается только в поверхностных слоях.

Существенную роль в процессах очистки сточных вод на полях фильтрации и орошения играют нитрифицирующие бактерии. В летний период на 1 га площади образуется до 70 кг нитратов которые с током жидкости поступают в нижние горизонты, где' господствуют анаэробные условия. Кислород нитратов у денитрифицирующих бактерий идет на окисление сохранившихся в воде органических соединений. Хотя дефицит площадей не позволяет в настоящем и будущем широко использовать поля орошения и фильтрации, этот экстенсивный способ очистки сточных вод еще находит применение из-за своей простоты.

Дата добавления: 2015-07-07