Биохимические методы переработки техногенных отходов Часть 1. Биологи

ментативной активностью и интенсивностью окисления органических веществ.

Способность к образованию слизи отражает ассоциативные образования различных групп бактерий, населяющих активный ил. Зооглейные бактерии способны изменять условия среды, влияющие неблагоприятно на существование нитчатых бактерий вида Sphaerotilus natans, родов Cladothrix, Leptothrix и др., разру-

шающих зооглейные скопления. Слизистые вещества, образующие зооглею, содержат антибиотики, обладающие способностью подавлять рост нитчатых бактерий.

Способность к образованию слизи у бактерий не является видовым признаком и зависит от состава и биохимического показателя сточных вод, типа очистного сооружения и других факторов.

У капсульных форм микроорганизмов, образующих зооглею, ферментативные системы в большей степени соответствуют тем химическим веществам, на которые данные ферментативные системы могут действовать. Капсульные формы микробов, образующих зооглею, лучше катализируют реакции, протекающие под влиянием данной ферментативной системы, и используют конечные продукты этой реакции.

Соотношение капсульных и бескапсульных штаммов бакте-

рий называют коэффициентом зооглейности Kz или зооглейным коэффициентом.

Структура биоценоза активного ила изменяется в зависимости от биохимического показателя, определяемого соотношением БПКполн/ХПК. ХПК многих промышленных сточных вод колеблет-

ся от 2 до 10 мг О2/дм3, при БПКполн в пределах 0,3–0,8 мг О2/дм3. Биохимический показатель таких сточных вод составляет 0,15–

0,08. Высокий биохимический показатель (0,1–0,4) имеют сточные воды производств синтетических жирных кислот, нафтеновых кислот, гидрогенизационной очистки и др. Низким биохимическим показателем характеризуются сточные воды риформинга, производств карбамида, депарафинизации, сульфирования и др. Сточные воды с низким биохимическим показателем являются

91

токсичными для микроорганизмов активного ила, поэтому биохимический показатель необходимо определять для всех видов органических загрязнений. Значения коэффициента зооглейности различных экологических групп микроорганизмов в зависимости от биохимического показателя (G) представлены в табл. 5.1 [2].

Таблица 5.1

Значения Kz различных экологических групп микроорганизмов

Зооглейный коэффициент обнаруживает выраженную зависимость от специфических особенностей экологических группировок бактерий. Наиболее высокими зооглейными коэффициентами обладали облигатные аэробы, термотолеранты и мезофиллы: Kz этих микроорганизмов были равны 30, 40, 18 соответственно.

У микроаэрофильных, капнеических аэробов и окситолерантных анаэробов значения коэффициента зооглейности были меньше 10, что указывает на нарушение технологического режима биохимической очистки. Чем хуже показатели биохимического окисления в процессе очистки сточных вод, тем меньше значения коэффициента зооглейности. При Kz меньше 10 наблюдалось образование расчлененных зооглей с древовидно-развет- вленными тяжами, плохое уплотнение и вспухание активного ила. Бактерии, лишенные слизистого слоя, отличались низкой скоростью окисления органических веществ. При очистке промышленных сточных вод величина коэффициента зооглейности активного ила, содержащего псевдомонады Zoogloea ramigera и Zoogloea filipendula, имела высокие величины. Отдельные штаммы вида Z. ramigera вызывали плохое оседание и вспухание активного ила.

Скорость биохимического окисления возрастала при зооглейном коэффициенте выше 10, для которого характерно образование «большой зооглеи» (слизистое скопление бактерий в виде длинных лент). Соответственно возрастала и скорость биохимического окисления органических веществ. Наблюдалось образование расчлененных зооглей с древовидно-разветвленными тяжами. Развитие нитчатых бактерий приводило к плохому уплотнению и вспуханию активного ила. Бактерии, лишенные слизистого слоя, отличались низкой скоростью окисления.

Состав экологических и физиологических групп микроорганизмов, находящихся в активном иле и осадках аэротенков, изменялся в зависимости от биохимического показателя сточных вод. Изменение состава различных экологических групп микроорганизмов от биохимического показателя показано в табл. 5.2.

93

Таблица 5.2

Зависимость состава экологических групп микроорганизмов от биохимического показателя сточных вод

На величину коэффициента зооглейности влияют различные факторы среды: поверхностное натяжение, осмотическое давление, температура и др.

Поверхностное натяжение. Различные вещества: мыльные растворы, ПАВ, алкилбензолсульфонаты, алифатические спирты с длинной углеводородной цепочкой снижают поверхностное натяжение иловой жидкости и способствуют уменьшению величины Kz активного ила. Снижение величины поверхностного натяжения усиливает токсичность фенолов, крезолов, содержащихся в сточных водах. С уменьшением поверхностного натяжения менее 0,020 Дж/м2 размножение многих видов бактерий, населяющих активный ил, приостанавливалось, изменялась форма клеток, задерживалось или прекращалось образование слизи. Зооглея приобретала сферическую или древовидную форму и состояла только из бактерий Mуcobacterium smegmatis. Образование расчлененных зооглей связано с изменением поверхностного натяжения иловой жидкости. Снижение поверхностного натяжения среды приводит к изменению метаболических процессов в микробиологической клетке и влияет на образование капсул и зооглей.

Осмотическое давление. Концентрация растворенных соединений в иловой жидкости оказывает большое влияние на интенсивность образования зооглей активного ила. Оптимальная концентрация вещества для данных бактерий способствует созданию благоприятных условий накоплению слизи и образованию зооглейных скоплений. В определенных условиях увеличение концентрации вещества стимулирует капсулообразование. Например, при концентрации нефтепродуктов в иловой жидкости 100 мг/дм3 и солей не выше 10 г/дм3 создаются оптимальные условия для образования капсул и слизи. Увеличение концентрации нефтепродуктов до 150 мг/дм3 и солей более 10 мг/дм3 задерживает образование слизистого слоя.

Всолевых растворах с высоким осмотическим давлением

вмикробных клетках происходит процесс плазмолиза – оттока воды из клетки наружу, что приводит к ее обезвоживанию и сжатию протопласта.

95

Осмотическое давление бактериальной клетки достигает примерно 5,0–20 кгс/см2. В растворах с высоким осмотическим давлением (например, в 15–20%-м растворе NаСl) рост бактерий

иобразование слизистого слоя затруднены. У толерантных видов

микроорганизмов Kz < 10, факультативные и облигатные галофилы имеют Kz < 1,0. Это затрудняет биохимическую очистку загрязненной морской воды.

Температура. Величина коэффициента зооглейности меняется в зависимости от температуры. При повышении температуры

сточных вод с 30 до 45 °С возрастает величина Kz активного ила до 12–14. Величина Kz может изменяться в зависимости от состава сточных вод и соотношения термофилов и мезофиллов. При соот-

ношении термофилов и мезофиллов 1:5 значения Kz увеличивались до 12. Зооглеи термотолерантных термофилов имели слизистый слой 1000 мкм и угнетали нитчатых бактерий, термофилы

имезофиллы в соотношении 1:6 и 1:8 способствовали интенсивному развитию нитчатых бактерий.

Аэрация. Для образования зооглейных скоплений может быть создан наиболее благоприятный режим при помощи аэрации. Содержание воздуха в иловой жидкости подвержено значительным колебаниям в зависимости от состава сточных вод, типа очистного сооружения и других факторов. В аэротенке биоценоз активного ила в толще сточной воды непрерывно перемещается, переходя от сильно аэрированной зоны в зону, бедную растворимым кислородом. В активном иле присутствуют не только аэробы (оксибиотические) виды, но и микроаэрофилы и капнеические аэробы – виды, нуждающиеся в повышенной концентрации диоксида углерода. При увеличении интенсивности аэрации возрастает количество облигатных аэробов и уменьшается численность нитчатых бактерий. Наибольшее количество аэробов и высокий коэффици-

ент зооглейности (Kz = 14) наблюдались при очистке сточных вод нефтеперегонных установок. Увеличение количества микроаэро-

филов до 50 % содержание нитчатых бактерий в 1 мл возрастало до 4·104.

96

В процессе агрегации возникает слипание клеток в активном иле после их деления. Основную роль в агрегации клеток играют их физико-химические свойства: электрокинетический потенциал и поверхностный заряд и специфическое взаимодействие друг с другом.

Агрегация клеток меньше зависит от механического воздействия, но чувствительна к химическому составу среды, ее температуре и рН. Неблагоприятные условия для роста и размножения клеток приводят к их агрегации. В этих условиях наблюдается их флокуляция – агрегация большого количества клеток с образованием видимых невооруженным глазом структур в виде хлопьев. Такие структуры в естественном состоянии присутствуют в микробных ценозах установок очистки сточных вод.

Для процесса биохимической очистки сточных вод важное значение имеют хлопья (флокулы) активного ила. Они представляют специфический (по отношению к составу очищаемых сточных вод) многовидовой биценоз микроорганизмов, сфлокулированных в органо-минеральной матрице.

Хлопья активного ила играют важную роль в процессе биохимического окисления различных органических веществ, содержащихся в сточных водах. Они отличаются значительным разнообразием форм, которые отнесены к шести основным типам [10]. Схема основных типов хлопьев представлена на рис. 5.1. В пусковой период сооружения биохимической очистки образуются хлопья первого типа, представляющие рыхлый беспорядочный конгломерат. Несмотря на небольшие размеры и незначительную плотность хлопьев, они положительно влияют на процесс биохимического окисления, но затрудняют отделение их во вторичных отстойниках. При небольших гидравлических толчках происходит вынос хлопьев с очищенной водой, ухудшая ее показатели.

По мере созревания активного ила происходит укрупнение хлопка, в зависимости от физиологических потребностей микроорганизмов. Аэробы (главным образом псевдомонады) перемещаются к поверхности, анаэробы (нитробактерии и др.) – к центру, а большую часть хлопка (до 70 %) занимают микроаэрофилы, требующие в 3 раза меньше кислорода, чем аэробы.

97

Рис. 5.1. Основные типы хлопьев активного ила: 1 – молодые рыхлые; 2 – зрелые рыхлые; 3 – плотные сферические; 4 – с диффузными краями; 5 – зооглейного типа; 6 – «диктиоглея», сетчатые

В процессе очистки формируются зрелые рыхлые хлопья второго типа, размер которых составляет 300 мкм. Хлопья имеют матрикс в виде фибриллярного уплотнения, связывающего отдельные бактерии. Анаэробы располагаются в центре хлопка. В процессе жизнедеятельности они выделяют различные газы: азот, окись и закись азота, аммиак, метан. Чем хлопок активного ила плотнее, тем более затруднена диффузия за пределы хлопка.

Развитый анаэробный центр обнаруживается в плотных сферических хлопьях третьего типа. Такие хлопья характерны для старого активного ила, имеющего возраст 10 и более суток. В таких хлопьях диффузия, образующихся газообразных метаболитов затруднена, что приводит к образованию внутри хлопьев газовых камер различной величины. При интенсивном перемешивании иловой смеси газы диффундируют за пределы хлопьев, но при ослаблении перемешивания газовые камеры уплотняются, парциальное давление в них растет до тех пор, пока не произойдет прорыв одной камеры в другую и распад хлопьев на неоседающие фрагменты – дифлокуляция. Очищенная вода имеет высокую мут-

98

ность в результате присутствия в ней фрагментов разрушенных хлопьев, которые не оседают в отстойниках и нарушают процесс очистки.

Большой возраст хлопьев характерен для низконагружаемого активного ила (например, при нагрузке 0,1 г БПК5 на 1 г беззольного вещества активного ила с возрастом 14–18 суток), однако именно в его хлопьях происходит развитие наиболее крупного анаэробного центра. С целью сохранения целостности таких хлопьев низконагружаемого ила требуется повышенная аэрация по сравнению с высоконагружаемым. Рассчитанная по СНиП интенсивность аэрации не обеспечивает целостности хлопьев активного ила, что повышает мутность очищенной воды вследствие плохого оседания активного ила в отстойнике и нарушения последующей доочистки и обеззараживания.

Зрелые хлопья представляют собой целостные системы. При накоплении внутри хлопьев биоинертных и шлаковых веществ образуются зоны деструкции, которые прорываются наружу без нарушения целостности хлопка. Деструктивные зоны вновь заполняются бактериями соответствующей зоны. При этом зольность такого ила не пропорциональна его возрасту. Значение этой важной особенности зрелых хлопьев активного ила позволяет пересмотреть представление о старых хлопьях, как состоящих в основном из мертвых клеток, утративших способность к деструкции органических веществ [10].

Хлопья четвертого типа имеют диффузионные края и характерны для высоконагружаемого активного ила (0,8 г БПК5 на 1 г беззольного вещества активного ила и более). Анаэробные центры в таких хлопьях небольшие, края хлопьев рыхлые, изрезанные. Вокруг хлопьев часто наблюдается диффузный рост в виде ореола, когда делящиеся бактерии не входят в их состав. В таких случаях очищенная сточная вода имеет высокую мутность, как при дефлокуляции. С целью восстановления нормальной работы очистного сооружения необходимо увеличение концентрации, процента циркуляции и возраста активного ила, которые подбираются опытным путем. При обнаружении хлопьев четвер-

99

того типа в активном иле необходимо увеличить интенсивность аэрации, даже если она по показателям контроля аэрации является достаточной. Критерием нормы может служить прозрачность надиловой жидкости (30 см через 2 ч при 20 °С).

Хлопья первого, пятого и шестого типов относятся к категории молодых и не преобладают, но получают заметное развитие при нарушении процесса очистки и служат биоиндикаторами этого нарушения.

Хлопья пятого типа определяются многими исследователями [11–14] как колонии бактерий вида Zoogloea ramigera и являются показателем поступления сточных вод с большим содержанием органических веществ. Образование большого количества хлопьев пятого типа не оседают во вторичных отстойниках, не задерживаются фильтрующей загрузкой, осложняют обеззараживание фильтрата, способствуют повышению мутности и опалесценции очищенной жидкости.

Хлопья шестого типа – диктиоглейные или сетчатые, состоят из нитчатых бактерий. При значительных нагрузках на активный ил, который длительное время работал в режиме низких нагрузок, наблюдается вспышка численности нитчатых бактерий активного ила. Диктиоглейные илы существуют непродолжительное время. При уменьшении нагрузок они вымываются из системы, так как практически не оседают. В случае сохранения высоких нагрузок в очищаемой сточной воде начинают преобладать хлопья четвертого типа. При попадании в диктиоглейные активные илы частиц песка они приобретают способность оседать на дно отстойника, циркулируют с основной массой активного ила, но быстро деградируют. В диктиоглейных активных илах часто обнаруживаются водоросли или грибы, что может быть причиной вспухания активного ила.

Все шесть типов хлопьев можно обнаружить в каждом аэротенке, но обычно преобладают один, два, реже – три типа. Наблюдение за структурой хлопьев активного ила входит в состав гидробиологического контроля работы очистного сооружения, позволяющего эффективно регулировать процесс очистки сточных

100