Биохимическая очистка сточных вод

Биологическая очистка основана на способности микроорга­низмов использовать в качестве источника питания загрязнения сточных вод.

Биохимический способ является деструктивным, так как приводит к полному или частичному разруше­нию загрязнителей, изменению их состояния в водных растворах.

Бактерии могут окислять клетчатку, гуминовые вещества, уг­леводороды. Некоторые из них получают энергию, окисляя вос­становленные минеральные соединения. На биоматериале могут также сорбироваться ионы тяжелых металлов и некоторые ток­сичные соединения, например бензапирен. Энергия, которая вы­деляется при окислении, используется для биосинтеза вещества клеток бактерий с большой эффективностью. То есть бактериаль­ная деструкция сопровождается продуцированием биомассы.

Биохимические показатели. Сточные воды, направляемые на биохимическую очистку, характеризующуюся величиной БПК и ХПК. БПК – это биохимическая потребность в кислороде, т.е. количество кислорода, использованного при биохимических процессах окисления органических веществ (не включая процесса нитрификации) за определенный промежуток времени (2, 5, 8, 10, 20 суток), в мг О₂ на 1 мг вещества. Например БПК₅– биохимическая потребность в кислороде за 5 сут, БПК_ПОЛН – полная БПК до начала процесса нитрификации. ХПК – химическая потребность в кислороде, т.е. количество кислорода, эквивалентное количеству расходуемого окислителя, необходимого для окисления всех восстановителей, содержащихся в воде. ХПК также выражают в мг О₂на 1 мг вещества.

Биохимической активностью микроорганизмов называют биохимическую деятельность, связанную с разрушением органических загрязнений сточных вод. Возможность биохимического окисления (биоразлагаемость сточных вод) характеризуется через биохимический показатель, т.е. отношением БПК_ПОЛН/ХПК. Его значение колеблется в широких пределах для раз-личных групп сточных вод: промышленные сточные воды имеют низкий биохимический показатель (0,05…0,3), бытовые сточные воды – свыше 0,5. При отношении (БПК/ХПК) 100% = 50% вещества поддаются биохимическому окислению.

Теория процессов биологической очистки стоков

Все биологические методы подразделяются на две группы, в которых бактериальная масса работает в условиях:

- аэробных: используют аэробные микроорга­низмы, жизнь которых требует присутствия в воде свободного ки­слорода;

- анаэробных: разрушение примесей происхо­дит анаэробными организмами без доступа кислорода. Этот ме­тод применяется реже и в основном как предварительная стадия перед аэробным окислением или для сбраживания осадков.

Обе группы способов осуществляются или в термофильном режиме (при температуре 30-40 ⁰С) или в мезофильном режиме (20-30 ⁰С).

Методы биологической очистки подразделяют на очистку в естественных (биологические пруды) и искус­ственных условиях (аэротенки, биофильтры).

В процессах биологической очистки сточных вод часть окисляемых микроорганизмами веществ используется в процессах биосинтеза (образование биомассы – активного ила или биопленки), а другая часть превращается в продукты окисления: воду, CO₂, NO₃ и т.д.

Принцип действия современных аппаратов основан на мето­дах непрерывного культивирования микроорганизмов (рис.).

Рис. Принципиальная схема уста­новки биоочистки с аэротенком:

1 – аэротенк; 2 – вторичный отстойник; 3 – ре­генератор

Процесс извлечения и потребления микроорганизмами орга­нических примесей сточных вод состоит в основном из трех ста­дий:

- массопередачи органического вещества и кислорода из жидкости к поверхности клетки;

• диффузии вещества и кислорода через полупроницаемую мембрану клеток;

• метаболизма диффундированных веществ, что сопровож­дается приростом биомассы, выделением энергии, СО₂ и т. п.

Исследование и практика показывают, что основная роль в процессах очистки принадлежит стадии метаболизма.

Интенсивность и эффективность биологической очистки оп­ределяются скоростью размножения бактерий. С точки зрения ме­ханизма процесса наиболее характерны две временные стадии на рис.

Рис. Зависимость концентрации загрязне­ний в очищаемой воде (L) и

массы микрофло­ры (а) от продолжительности процесса

Стадия 1 – стадия физиологической активности (1), где наблюдается резкое падение концентрации загрязнений и соответственно резкое увеличение количества активной массы.

Средняя стадия 2 – так называемая «макси­мально стационарная» – характеризуется тем, что прирост бакте­рий компенсируется их гибелью. То есть здесь физиологическая активность клеток очень малая и заканчивается период их актив­ного развития.

Для организации эффективной очистки необходимо поддерживать микроорганизмы все время в стадии физиологической активности. Этой стадии способствует постоянный приток стоков и неизменные концентрации субстрата.

♣ Биоценоз активного ила и биопленки

В процессе биоочистки формируется биоценоз микроорга­низмов (активный ил или биопленка), состав которого зависит от характера примесей сточных вод, исходного посевного материала и условий проведения процесса. Активный ил представляет собой хлопья темноватого цвета, состоящие из большого числа много­слойно расположенных или сфлокулированных клеток. Он явля­ется амфотерным коллоидом, имеющим на поверхности частиц в интервале рН 4-9 слабый отрицательный заряд.

Биопленка, которая формируется на поверхности загрузки, например в биофильтрах, представляет собой слизь толщиной 1-3 мм такого же темного, темно-зеленого цвета.

Сухое вещество активного ила – это примерно 70-90% органических и 10-30% минеральных веществ.

Активный ил (биопленка) представляет собой сложный комплекс микроорганизмов разных систематических групп (бактерий, простейших, грибов), между которыми складываются определенные взаимоотношения: симбиотические (обоюдополезные) или антагонистические (враждебные).

Самая многочисленная группа микроорганизмов в активном иле – бактерии. Число их колеблется от 10⁸ до 10¹² клеток на 1 г сухого ила. Из активного ила выделено более 100 штаммов бактерий.

Скопления бактерий в активных илах и биопленке окружены слизистым слоем и называются зооглеями. Зооглейные илы имеют высокую ферментативную активность и хорошие физические характеристики. Соотношение капсульных и бескапсульных форм бактерий называется коэффициентом зооглейности K. При K<10 наблюдается развитие нитчатых бактерий, плохое уплотнение и вспухание ила. При K>10 возрастает скорость биохимического окисления органических веществ.

В биоценозах активных илов и биопленок встречаются представители простейших: саркодовые, инфузории. Функции простейших в биоценозах до конца не установлены. Очевидно, что непосредственного участия в очистке сточных вод простейшие не принимают. Однако, питаясь бактериями, они регулируют их количество. Простейшие способствуют осветлению воды, рыхлят биопленку и т.д. Поедая менее подвижные старые бактериальные клетки, простейшие обусловливают омоложение биоценоза, увеличение коэффициента зооглейности, активности биоценоза.

Кроме того, в активных илах и биопленках встречаются микроскопические животные – коловратки, грибы, водоросли, черви, клещи, личинки мух.

♣ Ферментативная активность микроорганизмов

Способность микроорганизмов окислять органические вещества определяется активностью их ферментов.

Во многих случаях образование фермента, который разру­шает загрязнение (ферментная адаптация), происходит только при непосредственном кон­такте его с клеткой. Особенно часто это явление наблюдается, если субстратом является новое вещество, ранее в природе не присутствующее, а также при пуске новых очистных сооружений.

Разрушение такого вещества может начаться даже через не­сколько месяцев. Поэтому для уменьшения времени адаптации при пуске очистных сооружений обычно делают предварительный их засез уже адаптированной микрофлорой из других аппаратов.

♣ Прирост биомассы

Прирост биомассы – отношение массы органического соединения, используемого микроорганизмами на построение клеточных структур Q, к потребленной массе соединения Q₀.

Прирост биомассы зависит от вида бактерий, их возраста, химической природы соединения, отношения БПК_полн:N:P, температуры и т.д. Прирост биомассы для смеси культур биоценоза активного ила и биопленки выше, чем для монокультуры.

♣ Влияние различных факторов на процесс биологической очистки

Температура. В зависимости от климатических условий и времени года температура биологически очищаемых сточных вод может колебаться от 2-5 до 25-35 ⁰С.

Повышение температуры за пределы физиологической нормы микроорганизмов приводит к их гибели, в то время как понижение температуры вызывает лишь снижение физиологической нормы активности микроорганизмов.

Изменение температуры воды вызывает изменение растворимости кислорода в воде. В теплое время года, когда физиологическая активность микроорганизмов усиливается, растворимость кислорода снижается; в зимний период наблюдается противоположная картина. В связи с этим для поддержания высокой эффективности биологической очистки в теплое время года необходимо производить более интенсивную аэрацию, а в зимнее время – поддерживать более высокую концентрацию микроорганизмов в возвратном иле, а также увеличивать продолжительность аэрационного периода.

Величина pH. Бактерии лучше растут в нейтральной или слабощелочной среде. Для большинства грибов и дрожжей более благоприятна слабокислая среда.

Эффективная очистка сточных вод происходит при pH 5,5-8,5, оптимальный интервал pH составляет 6,5-7,5.

Микроорганизмы активного ила обладают способностью авторегулирования pH.

Перемешивание. Перемешивание сточный воды и активного ила обеспечивает поддержание ила во взвешенном состоянии, создает более благоприятные условия массопередачи питательных веществ и кислорода к поверхности микробных клеток.

Турбулизация жидкости приводит к разрушению хлопьев активного ила на более мелкие скопления микроорганизмов. Это способствует улучшению снабжения клеток питательными веществами и кислородом.

Концентрация кислорода. Скорость растворения кислорода в сточной воде не должна быть ниже скорости его потребления микроорганизмами.

При низкой концентрации кислорода в воде увеличивается количество метаболитов.

Концентрацию кислорода в сточной воде рекомендуется поддерживать в зависимости от размеров хлопьев активного ила:

- при интенсивном перемешивании и минимальных размерах хлопьев – не менее 1 мг/л;

- при слабом перемешивании и крупных размерах хлопьев – около 2 мг/л.

Токсичные примеси. Вредные вещества, попадая в бактериальную клетку, взаимодействуют с ее компонентами и нарушают их функции.

Особенно токсичны соли тяжелых металлов.

Биогенные элементы. Азот и фосфор являются необходимыми компонентами клеточного материала для всех организмов. Азот входит в состав вещества клетки в восстановленной форме, а фосфор – в окисленной.

Недостаток азота и фосфора в воде приводит к резкому нарушению процесса очистки, снижению физиологической активности микроорганизмов и интенсивности окисления загрязненных сточных вод.