Кузнецов А.Е., Градова Н.Б., Лушников С.В. и др. Прикладная экобиотехнология. Учебное пособие. В 2-х томах

Благодаря тому что циркуляционный поток воды отводится через водосборную систему, скорость воды через плотный слой угля падает до 5–6 м/ч. Для удаления накопившейся взвеси плотный слой активного угля периодически промывают восходящим потоком воды. При этом биоадсорбер временно выключают из работы и плотный слой угля перемешивают со взвешенным. В результате этого промывке подвергается весь уголь, находящийся в биоадсорбере.

Рис. 1.49. Биоадсорбер со взвешенным слоем угля конструкции ВНИИ ВОДГЕО: 1 – сточные воды на доочистку; 2 – воздуховод; 3 – циркуляционная вода; 4 – аэрационная камера; 5 – водосборный лоток; 6 – водосборная система; 7 – периферийный водоотводящий лоток; 8 – биосорбционная секция со взвешенным слоем активного угля; 9 – водораспределительная система; 10 – аэраторы; 11 – гравийный дренаж; 12 – циркуляционная труба

Недостаток биоадсорберов со слоем адсорбента – обрастание сорбента биопленкой микроорганизмов и закупоривание микропор. Это приводит к неполному использованию адсорбционной емкости сорбента, снижению пропускной способности реактора (при использовании плотного слоя сорбента) и сопровождается снижением эффективности процесса. Во избежание этого необходимо проводить периодическую промывку плотного слоя сорбента прямым или обратным током воды. Чередование биоадсорбции и промывки не совсем удобно в эксплуатации и не всегда может привести к полному удалению излишней биопленки.

В новейших модификациях биосорбционного метода, разработанных в России, используются новые поколения сорбентов и носителей биомассы, специализированные ассоциации штаммов-биодеструкторов, учитывается «индивидуальный» состав сточных вод. Например, использование адсорбционного биореактора с неподвижной фазой сорбента на основе модифицированного

торфа с добавками феррицианидов и иммобилизованными микроорганизмамибиодеструкторами позволяет обезвреживать стоки, содержащие нефтепродукты, тяжелые металлы, радионуклиды. Нагрузка на реактор может составлять до 1000 мг ХПК (300 мг нефтепродуктов) в сутки при очистке загрязненной воды

ссодержанием нефтепродуктов 5–150 мг/л.

ВЗападной Европе разработаны биоадсорберы непрерывного действия (рис. 1.50) с носителями в виде коксованного бурого или активного угля, которые вводятся в поток сточных вод. Они используются на предприятиях для очистки сточных вод, содержащих неполярные загрязнения. Реакторы имеют циркуляционный контур, куда подается суспензия кокса и жидкости, перемешиваемая при помощи реактивной струи или быстро вращающейся мешалки в потоковой трубе. Для отделения адсорбента от очищенной сточной воды используется вторичный отстойник-осветлитель или флотационная установка.

Рис. 1.50. Внешний вид оборудованного мешалкой биоадсорбера непрерывного действия с заполнением из коксованного бурого угля, используемого для аэробной очистки сточных вод текстильной промышленности (фото ЭнвироХеми)

Общими недостатками биоадсорбционных методов являются сравнительно короткий срок службы сорбента, необходимость его утилизации или обезвреживания вместе с избыточным активным илом – в биосорбционных очистных установках на 1 г порошкообразного активного угля приходится 2,5–3,0 г биомассы активного ила, изнашивание и вынос части сорбента с выходящим потоком сточных вод, необходимость наличия, как и в классическом аэротенке, вторичного отстойника.

Применение биосорбционного метода сдерживается проблемой разработки более устойчивых в эксплуатации и дешевых адсорбентов, эффективных способов их регенерации. Кроме того, преимущества биосорбционного метода нивелируются при обработке высококонцентрированных сточных вод из-за относительно невысокой доли адсорбирующихся веществ по отношению к общей массе загрязнений. По этой причине биосорбционный метод не может быть использован при локальной очистке стоков с высокой концентрацией загрязнений.

Системы с подвижной загрузкой, с расширенным слоем были разработаны

вначале 1970-х гг.

Вбиофильтре с подвижной загрузкой (реакторе с расширенным слоем) сточная вода движется снизу вверх через слой дисперсной загрузки, например слой песка. При определенной скорости восходящего потока, когда давление в нижней части фильтра сравняется с весом расположенного выше слоя загрузки, контакт между отдельными песчинками нарушается, они становятся подвижными, все время трутся друг о друга, и биопленка остается тонкой. Толщина слоя в работающем фильтре увеличивается обычно на 30–40%.

Вреакторе с псевдоожиженной насадкой (так называемый реактор флюидного типа, от англ. fluidized-bed reactor, fluid-bed reactor, FBR) биологическая очистка протекает во взвешенном слое носителя с прикрепленными к нему микроорганизмами. Частицы носителя с микроорганизмами более тяжелые, чем флокулы активного ила или частицы биопленки, быстрее оседают и легче удерживаются

вреакторе, что позволяет обеспечить высокую концентрацию микроорганизмов в среде.

Врежиме псевдоожижения загрузка поддерживается во взвешенном состоянии турбулентным восходящим потоком, при этом наблюдается равновесие между скоростью восходящего потока и скоростью оседания частиц, зависящее от плотности частиц. Чем выше скорость потока, тем выше степень расширения; в рабочем состоянии псевдоожиженный слой фильтра примерно вдвое толще относительно неподвижного слоя. В FB-реакторе процесс очистки резко ускоряется за счет большой удельной поверхности носителя (в 30–200 раз выше по сравнению с загрузкой перколяционных или дисковых биофильтров), на котором закрепляются микроорганизмы, и обеспечения высоких массообменных характеристик для снабжения процесса кислородом. В качестве носителя в них используют песок, стеклянную дробь, активный уголь, антрацитовую крошку, дробленый керамзит, различные пластмассы. Реактор аэрируется обычно прокачиванием его содержимого через выносной контур,

вкоторый подается воздух или кислород. В ряде случаев воздух или кислород подаются непосредственно в реактор. По величинам достигаемой объемной нагрузки фильтры с псевдоожиженным слоем являются одними из наиболее эффективных из числа существующих в настоящее время биологических реакторов: они могут работать при нагрузке 10 кг БПК/(м3·сут) и более.

Установки со взвешенным псевдоожиженным слоем с использованием технического кислорода (типа «Окситрон» фирм «Эколотрон» и «Дорр-Оливер», США) получили широкое распространение в США и Западной Европе. Такие установки включают биореактор, в котором очищаемая сточная жидкость проходит снизу вверх со скоростью 10–60 м3/(м2·ч), достаточной для взвешивания песка, находящегося в реакторе. Частицы песка обеспечивают значительную площадь поверхности для роста микроорганизмов, которая составляет около 3000 м2/м3 реактора. Высота слоя взвешенного песка достигает 3 м, размер частиц чистого песка 0,6 мм, песка с илом 0,8–2 мм. Избыток активного ила отводится с границы раздела взвешенной загрузки и осветленной воды. Песок отмывается от активного ила на виброситах или в гидроциклонах и возвращается в реактор для

повторного использования. Концентрация биомассы в реакторе может составлять от 12 до 40 г/л; за один цикл протекания жидкости через загрузку потребляется 65–70 мг/л растворенного кислорода, эффективность использования подаваемого технического кислорода составляет 90%.

Рис. 1.51. Схема установки ВНИИ ВОДГЕО с псевдоожиженным слоем песчаной загрузки: 1 – подающий насос; 2 – сатуратор; 3 – отражающий конус; 4 – реактор; 5 – чистый песок; 6 – зона взвешенного песка с прикрепленными микроорганизмами; 7 – песковый насос; 8 – пульпопровод; 9 – илоуплотнитель; 10 – напорный гидроциклон; 11 – насадка; 12 – водосливной лоток; 13 – зона осветления; 14 – сброс очищенной воды; 15 – рециркуляционный трубопровод; 16 – эжектор

Процесс не требует разделения иловой смеси, поскольку выходящая из загрузки жидкость содержит незначительное количество взвешенных веществ. Производительность такого реактора в 3–30 раз выше, чем аэротенков или биофильтров традиционных конструкций. Процесс стабилен при залповых нагрузках и менее подвержен токсичному влиянию загрязненных сточных вод. При использовании установки типа «Окситрон» капитальные затраты по сравнению

собычным процессом снижаются на 30%, площадь, занимаемая сооружением, уменьшается на 80%, существенно сокращается объем сооружения; не требуется обратная промывка носителя.

Опытно-промышленная установка с псевдоожиженным слоем песка, разработанная во ВНИИ ВОДГЕО (рис. 1.51), включает в себя реактор диаметром 0,75 м и высотой 5,5 м, загруженный в нижней части песком с размером частиц 0,3–0,8 мм, систему растворения технического кислорода в поступающей сточной жидкости, узлы распределения, отвода и рециркуляции жидкости, гидроциклон для отмывки песка от активного ила, отстойник-уплотнитель и насосы.

Установка работает следующим образом. Неочищенная сточная жидкость, насыщенная кислородом, подается в нижнюю часть реактора центробежным насосом, оборудованным эжектором для подачи технического кислорода, растворение которого осуществляется в сатураторе. Очищаемая вода сначала проходит через небольшой слой чистого песка, затем через слой песка с закрепленными микроорганизмами активного ила, собирается кольцевым водосливом и сбрасывается из установки. Рециркуляция жидкости осуществляется насосом. За один цикл в установке потребляется 50–60 мг/л кислорода. Распределитель жидкости, выполненный в виде опрокинутого конуса, обеспечивает эффективное псевдоожижение песка и предотвращает попадание песка в подающий трубопровод при опорожнении установки. Избыточный активный ил с помощью пескового насоса отбирается с границы раздела фаз между слоем загрузки и осветленной жидкости, далее пульпа направляется в гидроциклон, в котором происходит отмывка песка от активного ила. Регенерированный песок сбрасывается через насадку в реактор, а осветленная жидкость с илом направляется в илоуплотнитель.

Внастоящее время ВНИИ ВОДГЕО на установках глубокой биологической очистки хозяйственно-бытовых сточных вод типа «Биосервис» реализован принцип биоадсорбции в псевдоожиженном слое гранулированной загрузки, что позволяет сократить время обработки сточных вод в 8–10 раз по сравнению

страдиционными сооружениями (аэротенками).

Реакторы со взвешенным слоем могут применяться для удаления органических веществ и азота при очистке сточных вод с высокой концентрацией загрязнений, разбавленных городских, промышленных сточных вод, природных вод. Они обладают наибольшей производительностью, но требуют дополнительных затрат энергии на рециркуляционные насосы, поддерживающие насадку во взвешенном состоянии, и сложного инженерного обеспечения. При использовании таких загрузок, как активный уголь, может наблюдаться повышенный вынос взвешенных веществ из реактора, приводящий к нарушению псевдоожижения и кольматации загрузки. Для уменьшения выноса носителя с илом могут использоваться комбинированные конструкции со слоем неподвижной загрузки и псевдоожиженным слоем. В колонном реакторе-биоадсорбере с углем неподвижный слой располагается вверху, а взвешенный – внизу. Верхний слой угля работает как механический фильтр, в котором задерживаются взвешенные вещества, выносимые со сточной водой.

Взвешенное состояние может быть обеспечено и без восходящего потока, путем перемешивания. Реактор, в котором осуществляется такой принцип, называют реактором со взвешенной биопленкой, с плавающей загрузкой или подвижным фильтром с перемешиванием. В качестве загрузки используют различные виды пористого или непористого полимерного материала, изготовленного в виде шариков, колец Рашига и т. п., они имеют плотность несколько ниже плотности воды, свободно плавают в воде и удерживаются в аэрируемой емкости благодаря ситам или перемычкам. Носители биомассы заполняют реактор до 50% (в большинстве случаев на 20–40%). Благодаря нарастанию биопленки вес носителя увеличивается и приближается по плотности к плотности воды; носитель с биомассой свободно «парит» в аэрируемых емкостях. В процессе аэрации и перемешивания частицы загрузки трутся между собой, благодаря чему толщина биопленки, нарастающей на поверхности плавающей загрузки, существенно меньше, чем на стационарно установленных загрузках. Чтобы воспрепятствовать чрезмерному обрастанию частиц носителя и соответственно их утяжелению и опусканию на дно емкости, в реакторах часто применяются так называемые маммут-насосы. В маммут-насос, представляющий собой вертикальную трубу, снизу подается воздух, струя которого поднимает частицы носителя биомассы вверх. Из-за турбулентности и трения частиц друг об друга избыточная биопленка отделяется от носителя и выносится из реактора. В результате этого обеспечивается лучший доступ кислорода в глубь биопленки и не происходит загнивания ее внутренних отмерших слоев.

Реакторы с плавающим носителем биомассы используются при двухступенчатой технологии аэробной очистки в качестве первой ступени для удаления загрязнений перед обычной очисткой аэробным илом. Благодаря высокой концентрации биомассы в реакторах с плавающим носителем могут достигаться высокие нагрузки 3–5 кг БПК/(м3 сут) при снижении БПК на 50–70%. Расположенные в технологической цепочке перед аэротенками реакторы с плавающей загрузкой позитивно влияют на показатели осаждаемости аэробного активного ила при аэробной очистке. В Западной Европе и других странах такие реакторы получили большое распространение при очистке сточных вод производства бумаги, смазочных материалов, в газовой и металлообрабатывающей промышленности.

По сравнению с биофильтрами с неподвижно закрепленным носителем при эксплуатации реакторов с подвижной загрузкой требуется меньшая интенсивность промывки загрузки и меньший расход промывной воды. Отсутствует необходимость в изготовлении различного рода рамок и каркасов для крепления загрузки, стоимость которых может быть сопоставимой со стоимостью самой загрузки. Однако использование такой загрузки требует более тщательного подбора режима аэрации во избежание полного отрыва биопленки в результате соударения элементов загрузки; необходимы устройства, удерживающие загрузку; возможно слипание частиц загрузки, ведущее к проскоку неочищенной воды через реактор.

1.4.6. Пути совершенствования систем аэробной очистки

Универсального метода биологической очистки, который удовлетворял бы всем желаемым критериям, не существует. В зависимости от ситуации предпочтительными критериями совершенствования могут быть:

способность как можно более полно разлагать, минерализовать, обезвреживать присутствующие загрязнения, обеспечивая нормативные требования по содержанию загрязнений в очищенной воде;

уменьшение объема обрабатываемых потоков;

обеспечение высокой интенсивности процесса, эффективности массопереноса;

улучшение технологических качеств активного ила: уменьшение вспухаемости ила и пенообразования, повышение концентрации ила в рабочей зоне очистных сооружений;

минимальное образование вторичных отходов (избыточного ила, побочных продуктов метаболизма организмов очистных сооружений), возможность удаления избытка биогенных элементов (N, P);

снижение энергозатрат и совокупных затрат на очистку.

Показатели очистки улучшаются при использовании пространственного разделения микроорганизмов, специализирующихся на потреблении субстратов определенной группы, и консументов различных уровней. Из сооружений искусственной биологической очистки такое разделение наиболее полно происходит в перколяционных биофильтрах и при прямоточной многоступенчатой очистке с активным илом без возврата биомассы с конечного этапа очистки в голову сооружения. Каждая ступень представляет собой специфическую экологическую нишу, к которой наилучшим образом адаптированы обитающие в ней организмы, а совокупный биоценоз очистного сооружения функционирует как пространственно-разделенная сукцессия с последовательной сменой организмов в очистном сооружении. На поздних стадиях этой сукцессии важную роль выполняют олиготрофные микроорганизмы, осуществляющие более полную минерализацию органических субстратов, и высокоорганизованные гидробионты – консументы второго и более высоких уровней, питающиеся микроорганизмами и продуктами их жизнедеятельности. Поскольку скорости роста олиготрофов и консументов намного ниже, чем у основной массы микроорганизмов, для предотвращения вымывания первых на финишных стадиях необходимо создавать условия для удерживания их в соответствующем аппарате, например на носителе или насадке. Благодаря этим решениям повышаются общая эффективность изъятия загрязнений и скорость очистки (при отсутствии других ограничений, например низкой скорости массопереноса кислорода, если используются аэробные процессы). Применение ступенчатой схемы тем результативнее, чем больше разница в скоростях биохимического окисления отдельных компонентов сточных вод.

В существующих конструкциях аппаратов и схемах очистки активный ил или биопленка формируются на основе микрофлоры природного окружения, а пространственное разделение организмов по экологическим нишам про-

исходит естественным образом. Можно улучшить показатели очистки, используя специально селекционированные культуры микроорганизмов, адаптированные к потреблению конкретной группы загрязнений, ферменты и иммобилизацию их на носителе с целью повышения скорости и степени деструкции загрязнений.

На целесообразность использования специально выделенных культур микроорганизмов, адаптированных к отдельным видам загрязнений для очистки сточных вод, начали обращать внимание еще с 1950–1960-х гг. В последующем очистка сточных вод с помощью специальных культур бактерий получила название микробного метода.

Вбывшем СССР одним из первых этот метод был применен при биологической очистке сточных вод коксохимических заводов, содержащих фенол. Было выделено и использовано несколько культур, выдерживающих концентрацию фенолов до 3000 мг/л и активно их разлагающих.

Однако у микробного метода был выявлен и ряд недостатков. В частности, при очистке сточных вод коксохимического производства непременным условием нормальной работы аэротенка было отсутствие поступления в него бытовых сточных вод, так как в этом случае бактерии переключались на использование более легкодоступных органических веществ. Бактерии плохо образовывали скопления, не оседали во вторичном отстойнике и, следовательно, не могли быть возвращены в аэротенк. Очистка полностью шла за счет естественного прироста бактерий,

анеобходимая концентрация микроорганизмов в аэротенке обеспечивалась лишь при концентрации фенолов не менее 1000 мг/л. Вынос биомассы из аэротенка приводил к вторичному загрязнению водоемов, и поэтому данный метод очистки мог быть применен только в том случае, если очищенная вода использовалась в технологическом процессе или поступала на доочистку.

Впоследующих исследованиях по применению специализированных культур и биоценозов были получены положительные результаты при очистке сточных вод ацетоно-бутилового производства, гидролизно-дрожжевых, дрожжевых и спиртовых заводов, где удалось осуществить достаточно глубокую очистку без предварительной физико-химической обработки сточных вод; при очистке сточных вод животноводческих хозяйств, высокоминерализованных сточных вод производства антипиренов от галогенсодержащих ароматических соединений (с концентрацией таких соединений, как тетрабромдифенилпропан или гексабромбензол, до 25 г/л), производств по переработке сланцев, производства фталевого ангидрида (выделенный штамм Acetobacter sp. был способен эффективно утилизировать о-фталат в концентрациях 40 г/л) и др.

Внастоящее время повышение эффективности методов биологической очистки с использованием микробных культур связывают прежде всего с выпуском специализированных биопрепаратов и использованием новых, более активных штаммов биодеструкторов, в частности, генетически модифицированных бактерий, содержащих гены, позволяющие вовлекать трудноразлагаемые соединения в метаболизм. Из различных микроорганизмов наиболее часто для деструкции органических загрязнений используются бактерии рр. Pseudomonas, Bacillus, Acetobacter и др. Известно применение плесневых грибов для обесцве-

чивания сточных вод целлюлозно-бумажных комбинатов, разложения цианидов и других соединений.

В ряде стран налажен выпуск коммерческих препаратов моно- и смешанных культур микроорганизмов для использования в очистных сооружениях. Примеры таких препаратов: биопрепарат компании «Биотрол», содержащий флавобактерии, способные разлагать пентахлорфенол (используемый как антисептик для пропитки древесины); бактериальный препарат Biolen, содержащий бактерии рр. Nitrosomonas, Nitrobacter, окисляющие соответственно аммонийный и нитритный азот, и используемый для интенсификации удаления аммонийного азота из стоков, скапливающихся на сахарных заводах к концу сезона переработки свеклы; препараты на основе плесневых грибов, в частности дереворазрушающего гриба Phanerochaete chrysosporium (выделяемые этим грибом ферменты, разрушающие лигнин, способны разлагать на простые вещества такие токсиканты, как ДДТ, 2,4,5-Т, тринитротолуол, пентахлорфенол, креозот); биопрепараты на основе различных культур микроорганизмов, используемые при пуске и поддержании нормальной работы малых очистных сооружений. Разработаны биопрепараты для индивидуальных и коллективных очистных сооружений домохозяйств и домовладельцев, автозаправочных станций и т. д.

Многочисленные примеры микроорганизмов, которые могут использоваться в свободном или иммобилизованном виде для трансформации и минерализации органических ксенобиотиков, можно найти в специальной литературе (см., в частности, А. Е. Кузнецов, Н. Б. Градова, 2006).

Примеры использования ферментов для очистки сточных вод: полимеризация фенолов до малотоксичных и нерастворимых в воде полифенолов под действием H2O2 и пероксидазы и удаление их из воды при добавлении каолина или талька; гидролиз мочевины уреазой; гидролиз жиров липазой.

Специализированные культуры, применяемые в виде водной суспензии, как правило, менее устойчивы к колебаниям рабочих параметров очистных сооружений,

ипри их эксплуатации требуется более тщательный контроль процесса очистки. Иммобилизация на носителях позволяет повысить устойчивость процесса

ипредотвратить вымывание или вытеснение специализированных биологических агентов дикой микрофлорой. Для иммобилизации микроорганизмов и ферментов могут использоваться методы и материалы, применяемые в технологиях биосинтеза и биотрансформации: механическое включение в гранулы геля (в агарозный, полиакриламидный, кальций-альгинатный и другие), физико-химическая или химическая иммобилизация на гранулах, в пористых материалах, волокнах, пластинах носителя, микроинкапсулирование в полупроницаемые мембраны и т. д.

Системы с иммобилизованными микроорганизмами могут включать одновременно несколько различных культур, которые взаимосвязаны симбиотическими, мутуалистическими отношениями, что повышает эффективность очистки по сравнению с монокультурами. Такие «микроэкосистемы» могут выпускаться в виде биопрепаратов и включать наряду с различными микроорганизмами необходимые питательные вещества, доноры и акцепторы электронов, регуляторы метаболизма, редокс- и рН-буферы, адсорбенты и комплексообразователи и быть полностью автономными в работе.