СООРУЖЕНИЯ ДЛЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД В ИСКУССТВЕННО СОЗДАННЫХ УСЛОВИЯХ

Метод биологической очистки сточных вод основан на способности микроорганизмов использовать разнообразные вещества, содержащиеся в сточных водах, в качестве источника питания в процессе жизнедеятельности. Таким образом, искусственно культивируемые микроорганизмы освобождают воду от загрязнений, а метаболизм этих загрязнении в клетках микроорганизмов обеспечивает их энергетические потребности, прирост биомассы и восстановление распавшихся веществ клетки.

Биологическим путем могут обрабатываться очень многие сложные и разнообразные органические вещества. Переработке подвергаются также некоторые неокисленные неорганические соединения — сероводород, аммиак, нитриты и т. п. Однако в сточных водах присутствуют и такие вещества, которые биологическим путем не окисляются или окисляются настолько медленно, что практически завершение процесса оказывается недостижимым. К группе биологически неокисляемых веществ относятся многие углеводороды, некоторые сложные эфиры, ряд «жестких» синтетических поверхностно-активных веществ, красители и другие вещества.

Микроорганизмы культивируют как в аэробных, так и в анаэробных условиях.

Реакции осуществляют гетеротрофы. Когда вода очищена и экзогенный (внешний) источник органического углерода исчерпан, наступают благоприятные условия для развития автотрофных культур. При наличии в воде достаточной концентрации растворенного кислорода в среде развиваются автотрофы — нитрификаторы, которые проводят биологическое окисление аммонийного азота сначала до нитритного, а затем и до нитратного

Для нормального процесса синтеза клеточного вещества, а следовательно, и для эффективного процесса очистки воды в среде должна быть достаточная концентрация всех основных элементов питания — органического углерода (БПК), азота, фосфора.

Кроме основных элементов состава клетки (С, N, О, Н) для ее построения необходимы также и другие элементы в очень незначительной массе. К ним относятся калий, кальций, магний, сера, железо, марганец и др. Содержание этих элементов в природных водах обычно бывает достаточным, чтобы полностью удовлетворить требованиям бактериального метаболизма. Азота и фосфора часто не хватает и их приходится добавлять искусственно, обычно в виде одно- и двузамещенных фосфатов калия и хлорида аммония. Это в большей степени относится к производственным сточным водам и в меньшей — к городским, потому что в физиологических выделениях людей содержится много белкового азота и, кроме того, мочевина полностью гидролизуется до аммиака и оксида углерода. Считается, что в процессе очистки сточных вод бактериями преимущественно используется аммонийный азот, но если его недостаточно, то его с успехом может заменить белковый азот.

Дополнительно по теме канализация:

Достаточность элементов питания для бактерий в сточных водах определяется соотношением БПКполн : N : Р (азот аммонийных солей и фосфор в виде растворенных фосфатов). В каждом конкретном случае это соотношение индивидуально, так как оно определяется составом продуцируемых клеток, который, в свою очередь, зависит от состава очищаемой воды. В отечественной практике, согласно рекомендациям СНиП, при обработке городских сточных вод используется соотношение БПКполн : N: Р= 100:5: 1.

Белковый азот в результате аммонификации разлагается до аммонийного, который и используется при очистке сточных вод в качестве источника азота. Под БПК здесь понимается наличие в воде источника углеродного питания клеток. Наиболее интенсивно азот используется в период логарифмической фазы роста клеток, а в период окисления клеток азот высвобождается вновь в виде аммиака. Выделившийся аммонийный азот может окисляться до нитритов и нитратов либо повторно использоваться для нового цикла синтеза. Таким образом, для цикла превращений азота справедливы реакции

Вступая в общий круговорот азота, нитриты и нитраты могут выполнять две функции — служить источником кислорода в анаэробных условиях и быть источником азота, например при биосинтезе водорослей. Подсчитано, что 1 мг азота нитратов продуцирует в водоеме 10 мг водорослей. Вот почему во избежание интенсивного зарастания водоемов в них не следует выпускать сточные воды, содержащие большие концентрации нитритов и нитратов. Если же последние получаются при биоокислении и оправданы требованиями технологического процесса, то вслед за сооружениями-окислителями следует предусмотреть сооруже-ния-денитрификаторы для разложения окисленных форм азота до азота молекулярного. Потеря азота (в виде молекулярного он уходит в атмосферу) — явление, нежелательное для биосферы, и в будущем, по-видимому, должны быть найдены иные пути использования нитритов и нитратов.

Денитрификация — процесс сложный, многостадийный и может протекать по разным схемам в зависимости от условий среды. Конечными продуктами распада могут быть либо молекулярный азот, либо аммиак, либо оксиды азота, но применительно к сточным водам денитрификация проходит, как правило, до молекулярного азота.

Биологическую очистку называют полной, если БПКполн очищенной воды составляет менее 20 мг/л, и неполной при БПКполн более 20 мг/л. Такое определение является условным, так как и при полной биологической очистке происходит лишь частичное освобождение воды от суммы находящихся в ней примесей.

В свою очередь, полную биологическую очистку можно подразделить на две категории: с нитрификацией азота аммонийных солей и без нее. Процесс нитрификации проходит одновременно с окислением клеточного вещества бактерий, поэтому вариант полной биологической очистки с нитрификацией называют еще процессом очистки с минерализацией активного ила или длительным процессом очистки.

Органические загрязнения находятся в сточных водах в растворенном, коллоидном и нерастворенном состоянии. Ряд микроорганизмов и, в частности бактерии, вирусы, дрожжи, плесени, могут использовать питательные вещества лишь в виде относительно небольших молекул в водном растворе. Крупные частицы загрязнений перерабатываются бактериями первоначально вне клетки. Бактерии выделяют во внешнюю среду в значительных количествах пищеварительные ферменты, где они контактируют с крупными частицами веществ и осуществляют гидролитический распад сложных органических веществ до более простых, небольших по размеру молекул, которые затем проходят через оболочку клетки и поступают в протопласт.

Практически все химические преобразования от начала процесса усвоения в живом веществе осуществляются с помощью ферментов, каталитическая функция которых лежит в основе жизнедеятельности любого организма.

В настоящее время выделено и изучено несколько сотен ферментов. Каждый фермент ускоряет, как правило, один единственный тип химической реакции, независимо от того, какие конкретно вещества взаимодействуют. Особым отличительным свойством фермента является строгая специфичность действия. Ферменты обладают исключительно высокой каталитической активностью, проявляемой в мягких условиях — при нормальных температуре и давлении. Процесс ферментативного катализа благодаря уникальной структуре каждого фермента предстает как серия элементарных превращений вещества, строжайшим образом организованных в пространстве и времени. Механизм биокатализа отличают кооперативность и жесткая запрограммированность этапов действия.

В практике очистки сточных вод для характеристики напряженности окисления применяют определение дегидрогеназной активности микроорганизмов. Процесс биологического окисления, схематично показанный реакциями (4.140) и (4.141), состоит из множества ступеней и начинается с расщепления органического вещества с выделением активного водорода. Этот вид окисления называется непрямым. Водород передается ферментами дегидрогеназами на цитохромную систему дыхательной цепи ферментов, где соединяется с кислородом, образуя воду (частично перекись водорода). Количественное определение ферментов дегидрогеназ в ряде случаев позволяет получать быструю характеристику условий процесса и его особенностей и используется в качестве одного из технологических параметров улравления процессом.

Методы биоокисления в искусственных условиях осуществляются в двух основных модификациях — с микроорганизмами, прикрепленными к материалу загрузки фильтра или со свободно плавающими в обрабатываемой воде.

Первый способ реализуется в сооружениях, называемых биологическими фильтрами или кратко биофильтрами. В биофильтрах сточная вода фильтруется через крупнозернистый материал, покрытый биопленкой, образованной колониями микроорганизмов.

Второй вариант метаболизма в аэробных условиях заключается в создании в резервуаре со сточной водой взвешенного слоя хлопьев ила, называемого активным, через который протекает сточная вода.

Бионаселение активного ила и биопленки весьма разнообразно. Оно включает бактерии, которым в процессе очистки отводится главенствующая роль, простейшие, грибы, некоторые высшие организмы (типа коловраток, червей, клещей), водоросли, вирусы.

Качественный и количественный состав микронаселения ила и пленки зависит от многих факторов: состава обрабатываемой воды, массы загрязнений, приходящихся на единицу массы ила в единицу времени, доступа кислорода, гидродинамического режима в сооружении и ряда других.

Число бактерий в илах колеблется от 108 до 10*2 на 1 мг сухого вещества. Большинство бактерий принадлежит к родам: Pseudomosms, Achromobacter, Alkaligehes, Bacillus, Bacterium micirococcus Flavabacte-rium.

В ряде илов развиваются не образующие жщезшя, актиномицеты, называемые mycobacterium.

Нитрифицирующие бактерии представлены двумя основными видами—Nitrosomonas и Nitrobacter. Почти всегда в больших или меньших числах в илах присутствуют нитчатые бактерии Sphaerotilus и Clado-thrix.

В активном иле всегда присутствуют» хорошо сформированные зооглейные скопления бактерий с развитой поверхностью, состоящие как из чистой культуры Zooglea ramigera, так и из развитых форм многих других видов бактерий.

Установлено, что чем больше различных органических соединений в стоках, тем разнообразнее биоценоз ила. Так, в илах от обработки хозяйственно-бытовых стоков найдено 32 вида бактерий, а в илах, которые выращивались на стоках от производства винилацетата и ацеталь-дегида, — только 7 видов.

Микрофлора и фауна активного ила и биопленки, обрабатывающих одинаковую сточную воду, идентичны в качественном отношении, но отличаются в количественном — по соотношению микроорганизмов различных родов и видов. В биопленке относительно высокий процент приходится на анаэробную микрофлору.

Биоценоз ила меняется на протяжении процесса очистки воды. По мере изменения содержания питательных веществ в иле в нем происходит изменение числа бактерий разных родов.

В биофильтрах микробиальный состав ила меняется по высоте сооружения, что соответствует постепенному снижению нагрузки по загрязнениям в направлении фильтрации и нарастанию концентрации растворенного кислорода в очищаемой воде.

Важнейшим свойством ила является его способность образовывать хлопья, которые можно отделить от воды путем седиментации. Ил отделяют от воды во вторичных отстойниках, после чего он возвращается вновь в аэротенк, а очищенная вода направляется на последующую обработку. Избыток ила, т. е. тот его прирост, который образуется в процессе использования органических веществ сточной воды, удаляется из сооружений. Имеется несколько теорий хлопьеобразования, из которых наиболее удачной считается теория Маккини. По этой теории хлопьеобразование происходит в той стадии метаболизма, когда соотношение содержания питательных веществ к бактериальной массе становится низким. Низкое соотношение обусловливает и низкий энергетический уровень системы активного ила, что, в свою очередь, приводит к недостаточному запасу энергии движения. Энергия движения противодействует силам притяжения, а если она мала, то противодействие тоже мало, и бактерии взаимно притягиваются. Считается, что важными факторами флокуляции являются электрический заряд на поверхности клетки, образование бактерией капсулы и выделение слизи на поверхности клетки. Химический анализ слизи и капсулы (оболочки клетки) показал, что они в значительной степени состоят из ацетильных групп и аминогрупп.

Маккини предположил, что именно эти группы и определяют поверхностный электрический заряд клетки: отрицательный при преобладании первых и положительный при преобладании вторых. Как только хлопья начинают образовываться, некоторые бактерии внутри хлопка отмирают, распадаются, нерастворимые полисахариды остаются в хлопке и захватывают следующие малоактивные бактерии. Небактериальное население илов и биопленки представлено следующими группами микроорганизмов: простейшие, коловратки, черви, водные личинки и куколки насекомых, водные клещи, водные грибы.

Между различными группами организмов активного ила наблюдаются три типа отношений, лежащих в основе микробиологического процесса очистки: отношения метабиоза между гетеротрофными и нитрифицирующими бактериями, конкурентные отношения между гетеротрофными бактериями и сапрозойными простейшими и отношения «хищник — жертва» между ресничными простейшими и гетеротрофными бактериями.

Можно выделить три последовательных трофических   уровня, соответствующих основным фазам роста ила и обусловливающих развитие определенных групп микроорганизмов (в периодическом процессе очистки) :

первый трофический уровень (когда на единицу массы ила приходится большая масса загрязнений) характеризуется преобладанием в иле гетеротрофных бактерий и сапрозойных простейших, питающихся растворенными органическими веществами, и незначительным развитием свободно плавающих ресничных;

второй трофический уровень (при меньшем количестве загрязнений) отличается развитием в иле голозойных свободно плавающих инфузорий и коловраток, питающихся бактериями и сапрозойными простейшими;

третий трофический уровень (с очень малым количеством загрязнений) характеризуется максимальным развитием прикрепленных и хищных инфузорий, коловраток и червей, питающихся голозойными инфузориями и иловыми частицами.

Если процесс очистки включает все указанные трофические уровни, то в ходе его в биоценозе активного ила наблюдается последовательное развитие популяций от организмов с сапрозойным способом питания до организмов-хищников. Если процесс очистки ограничен вторым и третьим или только третьим уровнем питания, то значительных изменений в микробном составе ила не происходит.

Многолетние наблюдения за работой очистных сооружений биологической очистки, а также результаты исследований показали, что микронаселение ила может служить индикатором процесса очистки.

В нормально работающем иле обычно наблюдается большое разнообразие простейших, при этом нет количественного преобладания какого-либо одного из видов, все организмы подвижны, находятся в оживленном состоянии; ил хорошо флокулирует и легко оседает.

Если питания для ила недостаточно, то наблюдается измельчение простейших, они становятся прозрачными; инфузории инцистируются. Вслед за инфузориями инцистируются коловратки. Вода над илом имеет мелкую, плохо оседающую муть.

Ил с избытком питания имеет малое количественное разнообразив видов при количественном преобладании одного из них. Появляются саркодовые, могут в большом числе развиваться нитчатые бактерии. Вода над илом имеет опалесценцию.

Отклонения в составе ила появляются при поступлении сточной воды другого состава или при недостатке кислорода в сооружении.

Количественная оценка организмов в иле производится путем подсчета числа особей каждого вида в определенном объеме капли (под микроскопом) с переводом затем полученного результата на 1 мл смеси. Число организмов в 1 мл изменяется от единиц до нескольких сотен тысяч. Ориентировочно можно считать, что «мало» организмов соответствует 1 —10 тыс. в 1 мл, «нормально», «заметно», «удовлетворительно»— 10—100 тыс. и «много» — более 100 тыс.