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

При повышенных нагрузках в ходе работы сооружений биологической очистки в режиме неполного окисления формируется биоценоз с бедным видовым разнообразием простейших (5–13 видов) и численным преобладанием отдельных групп, таких как жгутиковые и амебы.

Низконагружаемые илы, работающие на полное окисление, богаче видами. Биоценоз нитрифицирующего активного ила характеризуется в целом наиболее сложной экологической структурой с высоким таксономическим разнообразием (до 45 видов простейших) без численного преобладания различных видов.

Биоценоз аэротенка менее разнообразен, чем биоценозы водоемов. В аэротенке, как правило, отсутствуют водоросли и насекомые, весьма ограниченно представлены черви и членистоногие, состав простейших беднее, чем в водоемах. Видовое разнообразие организмов в биологической пленке выше, чем в активном иле.

Из физиологических и биохимических показателей наиболее часто используются следующие.

Дыхательная активность определяется по количеству потребляемого кислорода (газообразного или растворенного) в единицу времени в стандартных условиях методом Варбурга (измеряется изменение объема газовой фазы вследствие поглощения кислорода микроорганизмами ила или биопленки) или с помощью датчика растворенного кислорода (по показаниям pO2). В последнем случае при проведении дыхательного теста сточную воду интенсивно аэрируют для ее насыщения кислородом (8–10 мг/л), после чего аэрацию останавливают. При слабом перемешивании воды измеряют наклон кривой падения концентрации растворенного кислорода. Зная концентрацию ила и наклон кривой, можно определить удельную дыхательную активность. При наличии в сточной воде органических субстратов дыхание физиологически активного ила имеет величину порядка 20–40 мг О2/(г асв·ч). И наоборот, по результатам дыхательного теста с физиологически активным илом можно оценить концентрацию микроорганизмов в среде.

По скорости окисления аммонийных ионов и образования нитратов можно оценить содержание бактерий-нитрификаторов.

Количество денитрифицирующих бактерий можно определить параллельно

вдыхательном тесте с нитратом в качестве акцептора электронов. Доля денитрифицирующих бактерий в активном иле может быть определена как отношение скорости окисления, полученной в тексте с нитратом, к показателю кислородного дыхания.

Показатели ферментативной активности: дегидрогеназной, каталазной, ка- талазно-пероксидазной и др. Дегидрогеназную активность определяют при помощи хлорида 2,3,5-трифенилтетразолия. Дегидрогеназы восстанавливают это соединение в формазан ярко-красного цвета. По степени интенсивности окраски судят об окислительной способности ила. Каталазную активность измеряют

встандартных условиях по скорости выделения кислорода в тесте с разложением пероксида водорода.

Для определения содержания биомассы на фоне наличия большого количества минеральных и органических взвесей можно использовать количествен-

72 Глава 1

ное измерение содержания белка (если белковые вещества отсутствуют в поступающих на очистку стоках), содержания ДНК и АТФ (ATP). Содержание ДНК в биомассе активного ила относительно постоянно и составляет 3,5% от сухой биомассы клеток.

Показателем качества активного ила является быстрота его осаждения в отсутствие аэрации. Чем хуже способность ила к осаждению, тем меньше должна быть гидравлическая нагрузка на вторичный отстойник (выражается в м3 сточной воды на м2 поверхности отстойника). Ухудшение осаждаемости может привести к вымыванию ила из вторичного отстойника и уменьшению его концентрации в аэротенке.

Способность ила осаждаться характеризуется величиной индекса ила (ИИ). За индекс ила принимается объем (в мл), который занимает 1 г ила через 30 мин отстаивания. Диапазоны значений осаждаемости и ИИ следующие:

Хороший ил полностью осаждается за 15–20 мин, и дальнейшее его уплотнение незначительно. Плотный, хорошо осаждающийся ил имеет иловый индекс 60–79 мл/г, менее плотный – 80–99 мл/г. Ил считается плохо осаждающимся при ИИ > 120–150 мл/г. Ил с ИИ < 60 мл/г характеризуется неудовлетворительным хлопьеобразованием и неразвитой поверхностью хлопьев и флокул, что также снижает его окислительную способность.

Иловый индекс является общепринятым критерием оценки седиментационных свойств активного ила. В табл. 1.13 приведены значения илового индекса для некоторых видов сточных вод в зависимости от нагрузки на ил.

Таблица 1.13.

Значения иловых индексов для промышленных и бытовых сточных вод

Наряду с индексом ила также иногда используются показатели: индекс плотности ила – его концентрация в фазе ила после 30 мин осаждения и объем ила – соотношение объема фазы ила через 30 мин отстаивания и исходного объема иловой смеси, выраженное в процентах.

1.4.2.Основные биохимические процессы при аэробной очистке

При аэробной очистке сточных вод протекают два основных биохимических процесса: окисление органического углерода и нитрификация. В результате образуется биомасса активного ила, состав которой меняется в некоторых пределах в зависимости от состава загрязнений и условий очистки. Типичное содержание основных элементов в биомассе активного ила, г/кг асв: C – 400–600, H – 50–80, O – 250–350, N – 80–120, P – 10–25, S – 5–15, Fe – 5–15.

Окисление органических загрязнений микроорганизмами можно представить как совокупность реакций энергетического и конструктивного обмена с потреблением органического вещества, например, с формулой состава CxHyOz и образованием биомассы условного состава (в мольных соотношениях) С5H7O2N (близкого к химическому составу активного ила большинства очистных сооружений).

Энергетический обмен (полная минерализация органического вещества)

Конструктивный обмен (синтез клеточного вещества) при использовании нитратов в качестве источника азота для микроорганизмов:

CxHyOz + HNO3 + (x + 0,25y – 0,5z – 5,5) O2

Зная отношение выхода биомассы к потребленному субстрату (в данном случае C5H7O2N к CxHyOz), т. е. экономический коэффициент Yx/s, можно составить совокупный материальный баланс реакции окисления органических загрязнений с учетом энергетического и конструктивного обмена.

Образующийся ил может в дальнейшем минерализоваться:

В этом случае на 1 мг активного ила потребляется 1,42 мг O2 (величина ХПК 1 мг активного ила).

Полную минерализацию (без образования биомассы) белковых компонен-

тов условного состава CH1,58O0,325N0,259S0,007 (содержание атомов элементов в молекуле белка приведено в пересчете на 1 атом углерода) можно представить сле-

дующим образом:

CH1,58O0,325N0,259S0,007 + 1,049O2

0,259NH4+ + 0,259HCO3– + 0,741CO2 + 0,136H2O + 0,007H2SO4 (1.30)

гой стороны, денитрификация является полезным процессом; ее используют для удаления азота из воды. Источником энергии для денитрификации в таких случаях служат либо органические соединения сточных вод, либо специально добавляемые органические субстраты (см. разд. 1.7.1).

1.4.3. Очистка с использованием естественных методов

Методы естественной биоочистки включают иловые площадки (иловые карты), поля орошения, поля фильтрации (почвенные методы), системы подземной фильтрации, фильтрующие траншеи, колодцы и кассеты, песчано-гравийные фильтры, биопруды, инфильтрационные пруды, лагуны. Удаление загрязнений, содержащихся в сточных водах, происходит при участии обитающих в этих средах организмов.

Иловые площадки (площадки-уплотнители) представляют собой спланированные участки земли (карты) шириной 10–120 м, длиной 20–200 м, огражденные со всех сторон земляными валиками высотой 0,5–1,5 м, без дренажа или оборудованные дренажем. Они предназначены для складирования, обезвоживания и подсушивания в естественных условиях осадков, образующихся в процессе очистки сточных вод (см. разд. 1.8). Подаваемая суспензия ила отстаивается, при этом одна часть воды испаряется, а другая часть осветленной воды удаляется через поверхностный отвод или через дренаж.

Поля орошения – специально подготовленные и спланированные земельные участки, предназначенные для очистки сточных вод (главная задача), содержащих нетоксичные загрязнения, с одновременным использованием этих участков для агротехнических целей (для выращивания технических культур). Почва обогащается биогенными элементами, содержащимися в сточной воде и высвобождаемыми в процессе минерализации органических загрязнений, что повышает ее плодородие. Во избежание засоления почв общая соленость сточных вод не должна превышать 4–6 г/л. Предельное содержание солей в стоках, используемых для орошения: для Na2CO3 – до 1 г/л, NaCl – до 2 г/л, Na2SO4 – до 5 г/л.

Подача воды на поля орошения ограничена потребностями растений и не всегда возможна, например во время дождей, уборки урожая и проведения сельскохозяйственных работ. Для таких случаев предусматриваются резервные участки в виде полей фильтрации. Поля орошения имеют окислительную мощность 0,2–1 г БПК/(м2·ч) и принимают от 5 до 50 м3 сточных вод на 1 га в сутки.

Поля фильтрации в отличие от полей орошения предназначены только для очистки сточных вод. Они располагаются с подветренной стороны относительно населенного пункта с учетом защитной зоны и выполняются в виде карт на незаболачиваемых и незатопляемых талыми водами участках, спланированных горизонтально или с малым уклоном (угол наклона <0,02) и разделенных земляными оградительными валиками. Уровень грунтовых вод должен быть на глубине не менее 1,5 м, в противном случае необходимо устройство дренажа. По контуру полей высаживают влаголюбивые деревья, ширина полосы насаждений 10 м.

Сточная вода подается на поля фильтрации в максимально возможном количестве, периодически, в среднем каждые 5 суток. Она распределяется на полях

равномерно и фильтруется через почвенные поры. Органическое вещество задерживается и минерализуется в основном в верхнем полуметровом почвенном слое. Профильтрованная вода собирается в дренажных трубах и канавах и стекает в водоемы. В зимний период для местности с холодным климатом на полях производится намораживание сточных вод. Скорость фильтрации в сильной степени зависит от структуры почвы и меняется от менее 0,001 см/с на илистых почвах до 0,01–1,0 см/с на песчаных грунтах. По этой причине поля фильтрации рекомендуется устраивать на песчаных и супесчаных почвах, а если на торфяных грунтах, то предварительно осушенных. Тяжелые суглинки и глины непригодны для устройства полей фильтрации. Нагрузка сточных вод на поля фильтрации колеблется в зависимости от уровня грунтовых вод и структуры почвы от 100 до 3000 м3/(га·сут) при окислительной мощности 0,5–10 г БПК/(м2·ч).

Сточная вода, подаваемая на поля, должна содержать небольшие концентрации относительно биодоступных и нетоксичных загрязнений. При высоком содержании взвешенных частиц почва быстро заиливается. В таких случаях сточные воды перед подачей на поля орошения необходимо отстаивать (продолжительность отстаивания – не менее 30 мин). В процессе отстаивания из жидкости вместе со взвешенными частицами удаляется значительная часть яиц гельминтов и бактерий. Улушению фильтрации способствует чередование цикла увлажнения с циклом высушивания почвы.

Очистка сточных вод путем фильтрации их через почву позволяет удалить до 99,8% от общего числа бактерий, поступающих со сточными водами, и получить воду высокого качества, практически не содержащую патогенных микроорганизмов и яиц гельминтов. Однако сами поля представляют опасность в санитарно-эпидемиологическом отношении, могут аккумулировать вредные неразлагаемые примеси (тяжелые металлы и др.). По этой причине на полях орошения запрещается выращивать сельскохозяйственные культуры, употребляемые в пищу.

Под поля орошения и фильтрации требуется отводить большие площади изза их низкой эффективности; они малоэффективны при среднегодовой температуре воздуха ниже 10 °С, поэтому становятся все более непопулярными. Для очистки канализационных вод Москвы естественными очистными сооружениями потребовалась бы площадь, равная площади города, т. е. в пересчете на одного человека требуется отводить около 70 м2 земельных участков.

Поля подземной фильтрации применяются при расходе сточных вод 10–100 м3/сут, фильтрующие траншеи (рис. 1.19), песчано-гравийные фильтры –

при расходе сточных вод до 15 м3/сут. Оросительная и дренажная сеть этих сооружений проложена в слое искусственной фильтрующей загрузки из привозного грунта, крупно- и среднезернистого песка, гравия, щебня, котельного шлака

идругих материалов. Их устраивают при наличии водопроницаемых песчаных

исупесчаных или слабофильтрующих грунтов при наивысшем уровне грунтовых вод на 1 м ниже лотка отводящей дрены в течение всего срока эксплуатации. Проходя через слой загрузки, вода собирается в дренажную трубу; очищенную воду собирают в накопители (с целью использования ее на орошение) или сбрасывают в водные объекты при соблюдении нормативных требований к сбросу.

Рис. 1.19. Схема фильтрующей траншеи: 1 – перфорированная дренажная труба с уклоном; 2 – перфорированная оросительная труба; 3 – вентиляция; 4 – гравийная засыпка

В фильтрующих колодцах и кассетах очистка воды происходит при фильтрации воды через естественные грунты – пески, супеси, легкие суглинки, используемые непосредственно на месте. Фильтрующие колодцы (см. рис. 1.112, с. 276) используются при расходе сточных вод до 1 м3/сут. Они сооружаются из железобетонных колец, кирпича усиленного обжига или бутового камня, имеют размер в сечении не более 2 2 м, глубину 2,5 м и заполняются гравием, щебнем, спекшимся шлаком и другими материалами. Для выпуска профильтровавшейся воды в стенках колодца предусматриваюся отверстия; для доступа воздуха – вентиляционная труба.

Фильтрующие кассеты (см. рис. 1.110, с. 274) с пропускной способностью 0,5–6 м3/ сут применяются в слабофильтрующих грунтах (суглинках). При их сооружении оросительные перфорированные трубы укладывают на слой фильтрующей подсыпки толщиной 20–50 см на расстоянии выше уровня грунтовых вод не менее чем на 1 м и исходя из условия, что нагрузка на 1 м2 суглинка не должна превышать 40–60 л/сут.

Биологические пруды (см. разд. 5.3) используются для доочистки сточных вод перед сбросом в водоем или на поля орошения или накопления сточных вод в неблагоприятные периоды года, когда их нельзя использовать для орошения. Их устраивают на нефильтрующих или слабофильтрующих грунтах или используют дополнительные противофильтрационные мероприятия для предотвращения проникновения воды в нижележащие горизонты. Обычно предусматривается несколько параллельных секций биологических прудов с 3–5 последовательными ступенями в каждой, с возможностью отключения любой секции пруда для чистки или профилактического ремонта без нарушения работы остальных.

Инфильтрационные пруды в отличие от биопрудов часто работают с перерывами на 1–2 недели. На этот период они опорожняются, что способствует аэробному

разложению верхнего слоя органического вещества, скопившегося на дне пруда, и предохраняет пруд от роста микроорганизмов и вызванного этим засорения.

1.4.4. Очистка с активным илом

1.4.4.1. Очистка в аэротенках

Аэротенк – открытое сооружение, глубиной 4–6 м, через которое пропускается сточная вода, содержащая органические загрязнения, подается воздух и возвратный (рециркулируемый) активный ил (рис. 1.20). Как правило, аэротенки изготавливаются из железобетона. Для промышленных очистных сооружений используются также реакторы из нержавеющей или эмалированной стали.

Рис. 1.20. Аэротенк (слева – строительство, справа – в действии) попеременной нитрификации-денитрификации с аэрируемыми и неаэрируемыми зонами (установка очистки стоков молокозавода, фото ЭнвироХеми)

По режиму ввода сточной жидкости различают аэротенки проточные и контактные (с переменным рабочим уровнем). В проточном аэротенке сточная жидкость поступает в аэротенк и удаляется из него непрерывно. Время пребывания жидкости в аэротенке, или время аэрации, колеблется от двух часов до нескольких суток.

Контактные аэротенки работают в периодических условиях. Сточная вода загружается в них порциями, после чего аэрируется в течение некоторого времени, отстаивается и выгружается. Для удаления органических загрязнений эти

аэротенки в настоящее время применяются редко вследствие их малой пропускной способности и высокой стоимости очистки. Однако такие системы, получившие название SB-реакторы (SBR, см. разд. 1.7.1.2), используются для удаления избытка биогенных элементов (азота, фосфора). В них цикл аэрации сточной воды, прошедшей стадию удаления органических загрязнений, чередуется с циклом отстаивания и отделения осветленной жидкости.

Наиболее часто биологическая очистка в аэротенках проводится в проточном режиме: в одноступенчатом аэротенке, в аэротенке с регенератором и по многоступенчатой схеме очистки (рис. 1.21).

Рис. 1.21. Схемы очистки сточной воды с использованием аэротенков: а – одноступенчатая очистка в аэротенке; б – очистка в аэротенке с регенератором; в – двухступенчатая схема очистки. Обозначения: А – аэротенк, О – отстойник, СВ – сточная вода, ОВ – очищенная вода, ИАИ – избыточный активный ил, РАИ – рециркулируемый активный ил

При одноступенчатой схеме очистки жидкость из аэротенка направляют во вторичный отстойник, где активный ил оседает на дно. Осветленную воду выпускают на финишные этапы очистки (доочистка, обеззараживание), напрямую сбрасывают в водоем, а осевший активный ил частично возвращают в аэротенк (циркулирующий активный ил) для повышения производительности аэротенка, частично отправляют на переработку (избыточный активный ил). Максимальная концентрация активного ила в одноступенчатом аэротенке с вторичным отстойником традиционной конструкции не превышает 1,5–2 г/л, так как вторичный отстойник обеспечивает полное осаждение ила только при его концентрации 2 г/л. Более современные отстойники позволяют в зависимости от степени осаждаемости ила поддержать его концентрацию в аэротенке до 4 г/л при остаточной концентрации взвешенных веществ в осветленном стоке менее 50 мг/л.