Биохимические методы переработки техногенных отходов Часть 1. Биологи

Среди этой группы гидробионтов индикатором качества воды является вид Aspidisca costata, обладающий широкой экологической валентностью, который обычно считается малопригодным объектом для индикации. Этот вид в значительных количествах присутствует в самых различных типах очистных сооружений, от высоконагружаемых (свинооткормочных ферм) до аэротенков с продленной аэрацией, в которых процесс деструкции органических веществ идет почти до полной их минерализации.

А. cosatata обнаруживается и при анализе обрастаний в пробах, взятых на сливе из вторичных отстойников. По внешним признакам этого вида можно определить, в каких условиях происходило развитие особей. При высоких нагрузках (зоны α, α – ρ) они переполнены пищеварительными вакуолями, по мере снижения органических нагрузок уменьшается степень их упитанности (зона ß), в олигосапробных условиях наблюдается остановка движения и переход к инцистированию.

Изменения вышеперечисленных признаков позволяют установить, к какой зоне сапробности могут быть отнесены учтенные в каждой пробе виды. При достаточной квалификации исследователя могут быть определены промежуточные подразделения между типичными зонами сапробности (о – ß, ß – α и т.д.). По принадлежности к зонам сапробности каждому учтенному виду приписывается определенная индикаторная значимость и основанная на относительном или абсолютном учете количественная характеристика. На основании полученных данных по формуле Пантле и Бука вычисляется индекс сапробности, который по графику, составленному по данным В. Сладечека, переводится в соответствующий показатель биохимического поглощения кислорода (БПК5 отстоенной пробы) (рис. 6.2).

Данные качества воды по гидробиологическим и биохимическим показателям приведены в табл. 6.2 [2].

Индексы сапробности, приведенные в табл. 6.2, вычислены описанным способом. Величины БПК5, прогнозируемые на основе индекса сапробности, получены путем химического анализа. Дан-

161

ные, приведенные в таблице, показали, что морфологическое тестирование по результатам гидробиологического анализа достаточно перспективно и может использоваться для оценки качества очищенной воды.

Рис. 6.2. Соотношение индекса сопробности и БПК5

Таблица 6.2

Сопоставление гидробиологических и биохимических анализов качества очистки воды

Внастоящее время видовой состав организмов после первичных и вторичных отстойников по сравнению с фауной активного ила изучен недостаточно, а изучение его необходимо для развития метода гидробиологического контроля качества очищаемой воды.

Вбиоценозах отстойников, в отличие от экосистемы активного ила, содержится большое разнообразие водорослей с автотрофным способом питания. Использование представителей первого трофического уровня для оценки качества очищенной воды

вбиохимических сооружениях по методу Пантле и Бука дает положительные результаты и является важным дополнением к индикации микроорганизмов всей экосистемы активного ила.

При физиологическом анализе виды организмов относят к какой-либо одной зоне сапробности, поэтому не учитываются сапробные валентности и индикаторное значение вида, которые являются обязательными для морфологического тестирования.

6.3. Взаимодействие организмов-индикаторов с технологическими параметрами очистки

На непрерывно действующих сооружениях биохимической очистки невозможно проследить последовательную смену биоценозов активного ила в результате происходящих изменений в условиях их эксплуатации. В процессе биодеградации загрязняющих веществ необходимо установить, насколько состав организмов является индикатором качества очистки и согласуется с технологическими параметрами очистки.

При высоких нагрузках в активном иле происходит массовое развитие жгутиковых, при снижении нагрузок – инфузорий. Наибольшее число видов цилиат встречается при нагрузке 0,2–0,3 г БПК5 на 1 г ила в сутки. Наиболее характерными видами инфузорий, развивающихся в активном иле при высоких нагрузках, яв-

ляются: Paramaecium caudatum, P. aurelia, Opercularia microdiscum, O. coarctata, Vorticella microstoma, V. alba, Cуclidium glaucoma, Chilodonella cucullulus. При низких нагрузках появляются Euplotes haron, E. patella, Peranema trichophorum, Actinosphaerium

163

eichhornii, Coleps hirtus и коловратка Monostуla bulla. В зрелом стабильном иле присутствуют организмы, выдерживающие широ-

кий диапазон нагрузок: Vorticella convallaria, Aspidisca costata, Chilodonella uncinata, Opercularia coarctata, Oxуtricha pellionell.

Оперкулярия встречается при различных нагрузках, но функционирует только при нормальной работе аэротенка, у нее раскрыт ресничный диск и оживленно двигаются реснички, при неблагоприятных условиях ресничный аппарат сжимается и организм инцистируется.

Для неполной очистки (БПК5 выше 15 мг/дм3) характерна низкая численность простейших; при удовлетворительной очистке (БПК5 10–15 мг/дм3) число простейших организмов не коррелирует с качеством очищенной воды.

Длительная аэрация приводит к снижению органической нагрузки и соответствующему изменению биоценозов. После шестичасовой аэрации в активном иле появляются организмы, характерные для более высокой степени очистки сточных вод: Euplotes moebiusi, Aspidisca lуnceus, A. costata, Epistу plicatilislis, Vorticella convollaria. У нитчатых бактерий рода Beggiatoa в процессе аэрации изменяется содержание в клетках трихома серы. Отсутствие серы в клетках серобактерий указывает на недостаток кислорода, достаточная его концентрация – на высокую скорость окислительных процессов, которые не позволяют накапливаться сере. Откладывание серы происходит при переходе к большей нагрузке или при плохой аэрации и всегда совпадает с развитием бактерий, видимых в жидкости.

Смена биоценозов в процессе деструкции загрязняющих сточных вод подтверждает целесообразность многоступенчатой очистки с культивированием особых биоценозовнакаждойступени.

Одним из путей усовершенствования процессов очистки является разделение ее стадий в аэротенке на две и более ступеней. Очистка сточных вод может осуществляться в две ступени: вначале отдельно с бактериальным, а затем с протозойным илом. Это позволяет создать для каждого типа биоценоза специфические

164

условия жизнедеятельности микроорганизмов и повысить эффективность очистки.

Новые методы аэрации очистки сточных вод с активным илом с применением биофлокуляции имеют раздельные этапы сорбции и окисления, что позволяет работать при высоких нагрузках, не повреждая простейших, развивающихся в фазе окисления.

Высокая концентрация растворенного кислорода в конце аэротенка, наблюдающаяся в аэротенках-вытеснителях, не эффективна, так как не увеличивает биохимическую активность организмов активного ила. Стремление добиться избытка кислорода в сооружении приводит только к трате энергии на аэрирование. Лимитирующим фактором в процессе очистки является дыхание клеток, которое не может изменяться под действием технических средств. Перенос питательных веществ зависит от величины коэффициента диффузии и градиента концентрации вещества, который всегда низок в аэротенке, где перемешивание создает незначительные концентрации субстрата, как в очищенной воде. Клеточный рост лимитируется концентрацией субстрата сильнее, чем концентрацией кислорода. В стационарном аэротенке концентрация растворенного кислорода от 0,3 до 8,0 мг/дм3 не влияет на его потребление дисперсными клетками. Для крупного хлопка (с частицами диаметром 10 мкм) необходимо содержание кислорода выше 4 мг/дм3. В концентрированных субстратах при высокой дозе активного ила процесс очистки может быть эффективным с использованием чистого кислорода и применением аэратора, создающего высокую турбулентность.

Процесс очистки промышленных сточных вод может быть интенсифицирован в сооружении «окситенке», в котором совмещается действие высоких доз активного ила (8–10 г/дм3), подачи чистого кислорода и повышения температуры до 37 °С.

По состоянию хлопка активного ила можно судить о фазах развития бактерий и качестве работы очистного сооружения. При хорошей работе сооружения бактериальные клетки расположены

165

плотнее в хлопке активного ила, меньше встречается автолизированных клеток, по сравнению с илом после остановки сооружения. Изучение хлопка активного ила как микробиотопа с популяцией микроорганизмов необходимо, так как он защищает микрофлору от химического стресса, позволяет избежать хищников. От степени долговечности микробиотопа зависит состав населяющих его биоценозов.

Качество сточных вод в значительной степени определяет состав биоценозов активного ила. В очистных сооружениях при очистке различных видов сточных вод преобладают определенные виды простейших организмов: в целлюлозных сточных водах – оперкулярии, в фекальных – арцеллы и диффлюгии, в смешанных сточных водах городских канализаций – амебы и вортицеллы.

Для того чтобы оперативно контролировать содержание токсичных примесей в промышленных сточных водах, качество их очистки возможно оценивать по крупным систематическим группам простейших. Для аэротенков приводятся данные вредных доз для 22 токсичных веществ, что позволяет выбрать подходящий метод очистки и технологический режим аэротенка в зависимости от состава сточных вод.

В очистке промышленных сточных вод, содержащих гептанол, метанол, ведущая роль принадлежит бактериям. При содержании в сточных водах метанола в концентрации 1,5 г/дм3 в активном иле присутствовали индикаторные виды простейших организмов, указывающие на хорошую работу биоокислителя:

Opercularia glomerata, Philodina roseola, Trimуema ovata, Aeolosoma. В сточных водах, содержащих гептанол, в период адаптации к нему микрофлоры активного ила уменьшилась численность

иколичество видов. В активном иле преобладали актиномицеты

иводные грибы.

Вслучае токсического влияния на микрофлору активного ила производится его замена. С целью улучшения качества активного ила предусматривается добавка активных культур.

166

Причина «вспухания» активного ила на очистных сооружениях – появление массового развития нитчатых организмов. Среди этих организмов обнаружено 47 видов грибов, в том числе дрожжей. Грибы успешно конкурировали с другими организмами, так как способны развиваться в среде при недостатке кислорода.

Большинство нитчатых родов: Thiothrix, Beggiatoa, Sphaerotilus,

Toxotrix, молочнокислые бактерии являются микроаэрофилами или анаэробами, но могут присутствовать в активном иле при увеличении интенсивности аэрации.

Связь нитчатых организмов с другими может быть изучена при исследовании структуры биоценоза методом группового анализа. Грибы и водоросли, присутствующие в сточных водах, практически не зависят от других организмов и встречаются здесь случайно.

Культуры грибов видов Fusarium solani и Fusarium oxуporum

применялись при очистке высококонцентрированных промышлен-

ных сточных вод, имеющих рН 5–6 и БПКполн до 4 г О2/дм3 [24].

Факторы, влияющие на развитие и жизнеспособность активного ила. Важнейшими факторами, определяющими удовлетворительную работу сооружения, а также качество биохимической очистки, являются: температура, наличие питательных веществ, содержание кислорода в иловой смеси, значение реакции среды рН, присутствие токсических веществ. Влияние этих факторов рассматривалось в главе 5. Удовлетворительная работа аэротенков в значительной степени определяется технологическим режимом эксплуатации, в котором основными показателями являются: оптимальное соотношение концентрации загрязняющих веществ в сточных водах и рабочей дозы активного ила; время контакта загрязняющих веществ с активным илом; достаточная аэробность системы.

Часть органических веществ в процессе очистки окисляется активным илом до конечных продуктов СО2 и Н2О, а другая часть используется на синтез запасных веществ и образование новых клеток активного ила. Доза активного ила по массе служит ориентировочным показателем потребителей загрязнений в иловой сме-

167

си. Для получения удовлетворительного качества очистки необходимо обеспечить стабильную удельную нагрузку на активный ил. С увеличением количества поступающих загрязняющих веществ со сточной жидкостью следует увеличить дозу активного ила по массе. Необходимая доза активного ила устанавливается в зависимости от нагрузки на ил по БПК и от технологических возможностей отделения очищенной жидкости от ила во вторичных отстойниках.

Для аэротенков с регенераторами средняя доза активного ила устанавливается при проектировании. При очистке городских сточных вод доза активного ила не должна превышать 3 г/дм3. При снижении мощности биохимического окисления в зимний период работы очистного сооружения доза активного ила должна увеличиваться. Ее следует поддерживать в интервале от 1,6 до 2,0 г/дм3. В летний период доза активного ила составляет 1,2–1,5 г/дм3.

При превышении удельной нагрузки на активный ил происходит нарушение его седиментационных свойств и возрастает иловый индекс, который является важным показателем состояния активного ила. Иловый индекс (объем 1 г сухого ила, занимаемый за 30 мин отстаивания в 1 дм3 цилиндре) рассчитывается по формуле

I VD,

где I – иловый индекс, см3/г; V – объем дозы ила, см3/дм3; d – доза ила по сухой массе, г/дм3.

При ухудшении способности активного ила к седиментации иловый индекс возрастает, разделение ила и очищенной жидкости нарушается, что приводит к избыточному выносу взвешенных веществ из вторичных отстойников.

Для очистных сооружений с аэротенками условно принято считать оптимальные значения илового индекса от 80 до 120 см3/г. Диапазон допустимых значений – от 60 до 150 см3/г.

Время контакта активного ила с загрязненными сточными водами определяется таким технологическим параметром, как период аэрации, который вычисляется по формуле

168

T Wq ,

где W – объем аэрируемого сооружения, м3; q – часовой расход сточных вод, м3/ч.

Продолжительность периода аэрации предусматривается при проектировании и обусловливается сложностью состава очищаемых промышленных сточных вод. Чем сложнее состав сточных вод, тем более продолжительный контакт их с активным илом требуется для обеспечения глубокого окисления загрязнений.

Кислородный режим в аэротенке. В активном иле не должно быть застойных зон, при появлении которых происходит нарушение массообмена в хлопьях, что приводит их к гибели от собственных метаболитов. Норма содержания растворенного кислорода в любой точке аэротенка составляет не менее 1,0–2,0 мг/дм3. Для каждого конкретного очистного сооружения устанавливается своя «критическая концентрация» кислорода, степень поглощения которого определяется характером и концентрацией загрязнений. В бытовых сточных водах скорость поглощения кислорода превосходит скорость поглощения питательных веществ, поэтому кислород редко лимитирован на таких сооружениях. В концентрированных промышленных сточных водах с высоким содержанием легкоокисляемых органических веществ скорость поглощения бактериями питательных веществ превосходит скорость поглощения кислорода, который в этом случае лимитирован. Необходимая степень аэрации в первую очередь должна учитывать нагрузки по загрязняющим веществам, а не гидравлические нагрузки. Повышение содержания растворенного кислорода в аэротенках более 3,5–4,0 мг/дм3 незначительно влияет на эффективность биохимического окисления загрязнений, но значительно увеличивает энергетические затраты.

Наибольшая потребность в кислороде характерна для аэро- тенка-вытеснителя в начале поступления в него сточных вод с максимальным содержанием органических веществ. Далее по

169

длине аэротенка степень аэрации можно снижать, а в зоне регенерации снова увеличивать в 2–3 раза.

Подача воздуха обеспечивает несколько процессов, происходящих в активном иле: перемешивание иловой смеси и улучшение контакта органических веществ с активным илом, хемоокисление органических веществ, дыхание организмов, удаление метаболитов.

Плохие аэрационные условия влияют на метаболитическую активность микрофлоры активного ила. Аэрационные условия обусловлены различными нарушениями:

разрушением и засорением подающих воздух элементов;

плохим перемешиванием ила в различных участках аэрируемой зоны и всех звеньев очистки;

повышением удельных нагрузок на активный ил в результате увеличения органических веществ в воде, поступающей на очистку;

возрастанием поглощения кислорода активным илом из-за нарушения режима выгрузки осадка из вторичных отстойников;

недостатком кислорода при повышении оптимальной концентрации возвратного ила.

Улучшение аэрации достигается отлаженным технологическим режимом эксплуатации очистного сооружения.

Используемые в аэротенках системы аэрации подразделяются на три типа: пневматическую, механическую, комбинированную. В процессе эксплуатации производятся расчеты для оценки эффективности применяемой системы аэрации.

Использование мелкопузырчатой аэрации способствует замещению в активном иле микроаэрофилов аэрофилами, что приводит к значительному повышению качества очистки, улучшению седиментационных характеристик активного ила, снижению его влажности, сокращению его прироста, повышению уровня метаболизма и устойчивости микрофлоры ила к воздействию токсических веществ.

170