Микробиология и основы биотехнологии

пленки почвы очень велика: на площади 1 м2 глубиной 40 см биомасса составляет 48 000 м2.

Âпроцессе очистки бактерии минерализуют органические вещества, водоросли продуцируют кислород, простейшие улучшают органолептические свойства очищенной воды, беспозвоночные (дождевые черви, личинки жуков, клещи) разрыхляют слой почвы и тем самым обогащают ее кислородом воздуха, а также деструктируют трудноокисляемые вещества (целлюлозу, хитин, кератин).

Âсточной воде, очищенной на полях фильтрации и орошения, содержится незначительное количество бактерий и отсутствуют яйца гельминтов.

9.3. Сооружения, используемые для аэробной биохимической очистки

Биофильтры, или аэрофильтры — это очистные сооружения, предназначенные для очистки сточных вод, прошедших первичный отстойник. Биофильтры заполняются крупнозернистым загрузочным материалом, в качестве которого используется керамзит, пластмассовая крошка, галька, шлак, щебень и др. По конструкции и производительности (на 1 м загрузочного материала) они подразделяются на капельные, высоконагружаемые, башенные и пластмассовые [22].

Большинство биофильтров является перколяционными, т. е. вода на загрузку (перколяционный слой) поступает сверху, а воздух — снизу. В капельном биофильтре сточная жидкость подается равномерно через определенные промежутки времени в виде капель или струй. Поступление воздуха в сооружение происходит путем естественной вентиляции через открытую поверхность биофильтра и дренаж. Особенностью капельных биофильтров является сравнительно небольшой размер частиц загрузочного материала (диаметр от 25 до 30 мм). Нагрузка сточной воды незначительная и колеблется в пределах от 0,5 до 1 м3 фильтра в сутки. Поступающие на очистку сточные не должны превышать нагрузку по БПКïîëí = 220 ìã Î2/äì3. При работе биофильтра на полную нагрузку эффективность очистки по БПКïîëí не превышает 15 мг О2/äì3. Недостатками сооружений данного типа является трудоемкость их обслуживания, а также быстрое заиливание поверхности фильтра.

Высоконагружаемые биофильтры èëè аэрофильтры. Эти сооружения отличаются от капельных биофильтров крупностью зерен загрузки от 40 до 65 мм, что способствует повышению нагрузки. Особая конст-

151

рукция днища и дренажа обеспечивает искусственную продувку сооружения воздухом. Сравнительно большая скорость движения сточных вод в биофильтре обеспечивает постоянный вынос из него трудноокисляемых нерастворимых веществ и отмершей биопленки. Особенность устройства сооружений обеспечивает высокую окислительную мощность по сравнению с капельными биофильтрами.

При очистке концентрированных сточных вод для их разбавления используется очищенная сточная вода, содержащая адаптированную микрофлору, что способствует интенсификации процесса минерализации органических веществ. Высоконагружаемые биофильтры обеспечи- вают любую заданную степень очистки (частичную или полную).

Состав организмов в биологической пленке разнообразнее, чем в активном иле. В биоценоз биопленки биофильтра входят водоросли (зеленые, сине-зеленые, диатомовые), микроскопические грибы и бактерии, простейшие организмы, вирусы, личинки насекомых, черви, жуки.

В верхних слоях загрузки (от 0 до 10 см), в котором содержится достаточное количество кислорода и света, развиваются зеленые и сине-зе- леные водоросли. Диатомовые водоросли обитают в нижних слоях загрузки (от 10 до 50 см) как в орошаемых, так и в неорошаемых зонах; для их жизнедеятельности не требуется свет и высокое содержание кислорода. Простейшие развиваются в неорошаемой зоне верхнего слоя и орошаемой и неорошаемой зонах нижнего слоя. На орошаемых участках в нижних слоях биофильтра располагается «зона червей». Бактерии населяют всю массу биологической пленки и представлены в основном - и -мезосапробными группами.

Количество организмов, населяющих биопленку объемом 1 м3, представлено в табл. 9.1 [22].

Ò à á ë è ö à 9 . 1

Количество клеток организмов в 1 м3 обитаемой зоны биопленки

152

В условиях непрерывного потока воды в биопленке преобладают микроорганизмы, способные к росту на носителе. В экосистеме биофильтра встречаются представители родов Flavobakterium, Bacillus, Acinetobakter, Pseudomonas, энтеробактерии, коринеформные бактерии, микрококки. В верхних слоях биопленки развиваются зооглееобразующие бактерии Zooglea ramigera.

До 30 % биопленки формируется плесневыми грибами. Преобладают представители родов Fusarium, Geotrichum, Sepedonium, Ascoidea, Penicillium. С глубиной, по мере прохождения сточной воды через загрузку, численность бактерий и грибов снижается.

В верхних слоях биофильтра развиваются простейшие организмы, устойчивые к дифициту кислорода: Paramecium putrinum, P. caudatum, Colpidium colpoda и др. В нижних слоях биофильтра преобладают брюхоресничные инфузории и сувойки.

Все организмы биопленки принимают активное участие в очистке сточных вод. Бактерии минерализуют органические вещества, содержащиеся в сточных водах. Рачки, черви, личинки, насекомые, клещи, питаясь простейшими организмами и отмершей биомассой биопленки, способствуют более полной минерализации органических веществ и очистке сточных вод. Черви, среди которых встречаются как мелкие виды (Nematoda), так и крупные — Enchitreus и малощетинковые — Aelosoma, а также гельминты разрыхляют биопленку и улучшают аэрацию биофильтра. Черви способны разлагать ряд стойких органических соединений — хитин, клетчатку. Личинки мелких мушек (Podura è Psichoda) выполняют ту же функцию, что и черви, однако обильный вылет насекомых в период их массового размножения нежелателен с гигиенической точки зрения. Водоросли, потребляя СО2 и выделяя О2, являются симбионтами по отношению к бактериям и в процессе фотосинтеза могут полностью обеспечить потребность бактерий биопленки в кислороде.

Биоценоз активной пленки очень чувствителен к изменениям температуры. Процесс очистки резко замедляется при низких температурах. Теоретически скорость окисления органических веществ в биофильтре должна быть выше, чем в аэротенке, т. к. количество биомассы составляет примерно 100 г/дм3 в пересчете на сухое вещество, а в аэротенке — 2–5 г/дм3. Процесс очистки в биофильтре продолжается от 1 до 2 ч, в аэротенке — 4–10 ч.

Окислительная мощность сооружения выражается в г/м3 загрязняющих веществ (по БПКïîëí), которое минерализуется активной био-

153

пленкой, сорбированной на 1 м2 загрузочного материала, и колеблется в зависимости от температуры сточной жидкости и воздуха, состава очи- щаемой жидкости, материала загрузки, способа подачи воздуха, типа сооружения и т. д.

Нагрузку на биофильтр определяют по количеству подаваемой в сутки на 1 м2 загрузки сточной воды или по БПКïîëí, приходящемуся на 1 м3 загрузочного материала в сутки. Допустимые пределы колебаний нагрузок на биофильтры разных типов, рассчитанные для полной биологической очистки, приведены в табл. 9.2 [22].

Однако полной очистки невозможно достичь даже при использовании самых совершенных аэрофильтров. В очищенной жидкости всегда присутствуют остаточные органические вещества и микроорганизмы, для обезвреживания которых используется метод хлорирования.

Ò à á ë è ö à 9 . 2

Допустимые нагрузки на биологические фильтры разных типов

Биофильтры успешно применяются для очистки сточных вод самых разных производств. На капельных биофильтрах с высотой загрузочного слоя 1,5 м и естественной аэрацией эффективно очищаются сточные воды канифольно-экстракционного завода, термической переработки сланцев, производств диметилтерефталата, оксида этилена, поливинилацетата, хлоропренового каучука и др. Во всех случаях сточная вода перечисленных производств, поступающая на биофильтр, характеризуется высокими значениями БПКïîëí — îò 320 äî 580 ìã Î2/äì3; степень очистки по БПКïîëí составляет 10–25 мг О2/äì3 íà 1 ì3 сооружения в сутки, что в 1,5–2 раза выше требований технологического регламента для этих сооружений при очистке в них бытовых сточных вод.

Биологические пруды. Эти сооружения предназначены для доочистки биологически очищенных сточных вод во всех климатических рай-

154

онах, за исключением районов Северной зоны, в которой допускается их применение только в летнее время [22].

Биологические пруды представляют собой искусственные водоемы, расположенные каскадом (обычно 2–4), глубиной около 1 м и занимают площадь от 5 до 1,5 га. Очищенная сточная вода поступает в первый пруд и последовательно проходит остальные, постепенно очищаясь. Схема типового биологического пруда представлена на рис. 9.1 [22].

чайших организмов и миллионами бактерий в 1 мл. Зеленые водоросли планктона продуцируют кислород и обеспечивают существование аэробных бактерий.

Êпредставителям гидрофауны относятся инфузории, коловратки

èнизшие ракообразные. Бактериальный планктон (- и -мезосапроб- ные виды) является основным минерализатором органических веществ сточных вод; трофическая функция зоопланктона сводится к уничтожению планктонных организмов.

Бентос прудов представлен высшими растительными организмами

èобитателями донного ила. Разнообразная растительность (сусак, частуха, рогоз, камыш, осока) обогащает воду прудов кислородом, а ризосферная микрофлора способствует очистке воды. Обитатель донного ила

мотыль, пропуская через себя иловые массы (в 4–6 раз превышающие массу его тела), играет большую роль в очистке воды. На 1 м2 ила приходится до 90 000 особей.

Организмы планктона и бентоса совместно принимают активное уча- стие в минерализации органических веществ в сточной воде. Очищенная

155

вода, прошедшая биопруды, имеет высокую прозрачность, низкую концентрацию органических веществ (БПКïîëí — 5–6 ìã Î2/äì3); в ней снижается содержание аммонийных солей и численность бактерий, но она содержит большое количество планктонных организмов. Интенсивность процессов очистки возрастает с повышением температуры и уменьшается

ñее понижением.

Âосенний период происходит опорожнение прудов, перекапывают их дно и высаживают новые растения. В зимнее время пруды используют как накопители сточных вод.

Аэротенки — это железобетонные резервуары прямоугольной формы; состоят из секций, разделенных продольными перегородками, не доходящими до одной торцовой стены, на коридоры (от 2 до 4). Смесь активного ила и очищаемой сточной воды в резервуаре протекает медленно. Термин «аэротенк» объединяет обширную группу биологических окислителей, принцип действия которых заключается в минерализации органических веществ сточных вод активным илом.

Аэротенки классифицируются по следующим признакам:

– по гидродинамическому режиму — вытеснители, смесители, промежуточного типа (с рассредоточенным выпуском сточной воды);

–по способу регенерации активного ила — с отдельной или совмещенной регенерацией активного ила;

–по нагрузке на активный ил — высоконагружаемые (на полную

очистку), обычные или низконагружаемые (высокопроизводительные) — в них поддерживается высокая доза ила (5 г/дм3 и более);

–по количеству ступеней очистки — одно-, двух- и многоступен- чатые. Под ступенью очистки понимается часть общей биохимической системы, в которой поддерживается специфическая культура активного ила (например, два работающих последовательно аэротенка, имеющие свои вторичные отстойники и отдельные системы циркуляции активного ила, образуют двухступенчатый аэротенк);

–по режиму ввода сточных вод — проточные, полупроточные,

ñпеременным рабочим уровнем и контактные.

Конструкции аэротенков подразделяются:

–по типу систем аэрации;

–по способу блокировки аэротенка и отстойника;

–по направлению движения сточной жидкости;

–по концентрации обрабатываемых сточных вод;

156

–по принципу работы отстойной зоны;

–по способу разделения сточных вод.

По типу аэрации аэротенки делятся на пневматические, пневмомехани- ческие è механические (поверхностные) аэрационные системы. При анализе установок с пневматической или пневмомеханической системой аэрации необходимо различать низконапорные и обычные воздухоразделительные системы, т. к. этот параметр в значительной степени влияет на конструкцию аэротенка в целом. При низких нагрузках на активный ил основная энергия аэратора расходуется на перемешивание иловой жидкости.

По способу блокировки различают аэротенки с раздельными вторичными отстойниками и аэротенки, сблокированные с вторичными отстойниками (аэротенки-отстойники).

Аэротенки-вытеснители представляют сооружения, в которых поступающая сточная вода подается в начало сооружения и практически не перемешивается с ранее поступившей. Такой тип аэротенков целесообразно использовать в тех случаях, когда нагрузка сточных вод по БПК не превышает 500 мг О2/äì3. Смесь очищаемых сточных вод и активного ила проходит последовательную очистку без полного перемешивания во всем объеме жидкости [23, 24].

Особенностью процесса биохимической очистки в сооружении данного типа является его «ступенчатость» по условиям метаболизма микрофлоры активного ила. Это приводит к разделению процесса очистки на отдельные стадии, поэтому оптимальные условия метаболитической активности микроорганизмов создаются на протяжении короткого промежутка времени, по сравнению с общей продолжительностью пребывания очищаемых сточных вод в аэротенке. В таких сооружениях на на- чальных стадиях процесса наблюдается повышение нагрузки органиче- ских веществ на активный ил и ощущается дефицит кислорода. На последующих стадиях очистки активный ил испытывает недостаток питательных веществ при избыточном количестве кислорода.

Пребывание иловой жидкости во вторичных отстойниках в течение от 1,5 до 2 ч в условиях дефицита кислорода приводит к снижению активности микрофлоры илов, что не может не сказаться в дальнейшем на его метаболитических процессах при биохимической очистке сточных вод. В аэ- ротенках-вытеснителях концентрация активного ила практически постоянна по длине сооружения, в то время как нагрузка на него высока вначале и быстро падает уже в первой трети сооружения. Реакция окисления орга-

157

нических соединений в таком сооружении носит гетерогенный характер. На входе в аэротенк дефицит кислорода (при одинаковой интенсивности аэрации) в три раза выше, чем на выходе из него. Концентрация остаточ- ных загрязнений по БПКïîëí высока в начале сооружения, но интенсивно снижается по мере приближения к выпуску из него.

Вследствие тех условий, которые складываются в сооружениях такого типа, биохимическая очистка далека от идеальной.

Âаэротенках-смесителях (системы полного смешения) сточная вода и активный ил подаются по всей длине сооружения, что позволяет равномерно распределять органические загрязнения и растворенный кислород и обеспечить работу сооружения в условиях высоких нагрузок.

Технологической особенностью таких аэротенков является рассредоточенный впуск смеси сточной жидкости и активного ила вдоль продольной стенки сооружения и такой же выпуск с противоположной стороны, что обеспечивает при интенсивном перемешивании сточной жидкости практически одинаковое снижение концентрации органических веществ во всех точках объема аэротенка. Разбавление сточных вод, поступающих в сооружение, большим объемом очищенных вод позволяет подавать сточную воду с высокой концентрацией органических веществ без разбавления их условно-чистыми водами, не увеличивая объема вторичных отстойников. Реакция окисления органических веществ протекает в сооружении почти в гомогенных условиях.

К аэротенкам-смесителям относятся и сооружения, оборудованные механическими аэраторами. Отношение длины таких сооружений к их ширине близко к единице.

Недостатком аэротенков-смесителей является возможный «проскок» части сточной жидкости без достаточной очистки, поэтому вели- чина БПКïîëí очищенной воды больше, чем в аэротенке-вытеснителе.

Âаэротенке с рассредоточенном выпуском сточной жидкости

(при сосредоточенной подаче активного ила) концентрация активного ила на входе равна содержанию его в возвратном иле и постепенно уменьшается по мере приближения к выходу из сооружения. Нагрузка на активный ил, низкая в начале сооружения, увеличивается по мере продвижения сточной воды. Дефицит кислорода в начале сооружения выше, чем в конце. Эффективность очистки сточной воды выше в первой части сооружения и снижается при увеличении нагрузки на активный ил.

Âаэротенке с рассредоточенным выпуском активного ила (при сосредоточенной подаче сточной жидкости) концентрация его увеличива-

158

ется к концу сооружения, а дефицит кислорода и содержание загрязнений уменьшается. Нагрузка на активный ил неравномерная, высокая в начале сооружения. Этим сооружениям присущи те же недостатки, что и аэротенкам-вытеснителям [23].

9.4. Экосистема активного ила

Процесс биохимического разрушения органических загрязнений в аэротенках происходит под воздействием развивающегося в нем биоценоза микроорганизмов. Основная роль в биоценозе принадлежит бактериям, обладающим способностью образовывать флоккулы активного ила.

Активный ил представляет собой сложную экосистему, в состав которой входит большое количество представителей микрофлоры и микрофауны, в том числе и патогенная микрофлора человека. С физико-хими- ческих позиций активный ил представляет собой коллоидную систему, обладающую высокой сорбционной способностью. В активных илах

èбиопленке бактерии встречаются в виде скоплений различной формы

èконсистенции, окруженных слизистым слоем. Такие слизистые группы бактерий называют зооглеями. Зооглейные илы обладают хорошими физическими характеристиками (структура, оседание, уплотняемость), высокой ферментативной активностью и интенсивностью окисления загрязнений. Способность к образованию слизи отражает ассоциативные взаимоотношения различных групп бактерий, образующих хлопьевидные скопления в активных илах. Слизистые вещества зооглеи содержат антибиотики, обладающие способностью подавлять рост нитчатых бактерий и даже убивать их [25].

Хлопья (флокулы) активного ила представляют собой специфичный к составу очищаемых вод многовидовой биоценоз микроорганизмов, сфлокулированных в органо-минеральной матрице [26, 27]. Хлопья активного ила отличаются разнообразием форм, которые можно разделить на шесть основных типов, представленных на рис. 9.2 [27].

Хлопья первого типа образуются в пусковой период очистного сооружения и представляют собой беспорядочный рыхлый конгломерат. Малые размеры и незначительная плотность этих хлопьев затрудняют отделение их во вторичных отстойниках. Во время небольших гидравли- ческих толчков происходит вынос хлопьев с очищенной водой, что ухудшает ее показатели.

159

Рис. 9.2. Основные типы хлопьев активного ила: 1 — молодые рыхлые; 2 — зрелые рыхлые; 3 — плотные сферические; 4 — с диффузными краями;

5 — зооглейного типа; 6 — «диктиоглея», сетчатые

По мере созревания активного ила происходит укрупнение хлопка и перераспределение внутри него микроорганизмов в зависимости от их физиологических потребностей.

Аэробные бактерии (главным образом псевдомонады) перемещаются к поверхности хлопка, анаэробы (Nitrobacter и др.) — к центру. 70 % массы хлопка занимают микроаэрофилы, требующие для своего развития примерно в 3 раза меньше кислорода, чем аэробы.

Постепенно формируются хлопья второго типа, размер которых не превышает 300 мкм, они зрелые, но рыхлые. Хлопья имеют матрикс в виде фибриллярного уплотнения, связывающего отдельные бактерии. Чем плотнее становится хлопок, тем труднее диффузия газов (азот, оксид и закись азота, аммиак, метан и др.), выделяющихся в процессе жизнедеятельности аэробных бактерий, располагающихся в центре хлопка.

Хлопья третьего типа — плотные сферические образования с наиболее развитым анаэробным центром. Они характерны для старого активного ила, имеющего возраст десять и более суток. В таких хлопьях диффузия образующихся газообразных метаболитов затруднена, что приводит к образованию внутри хлопка газовых камер различной величины. Интен-

160