Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технологии очистки сточных вод. Учебное пособие.pdf
Поля фильтрации – наиболее старый способ биологической очистки сточных вод. Процесс очистки состоит
в том, что сточная вода, фильтруясь сквозь почву, оставляет в поверхностном слое взвешенные и коллоидальные
вещества, образующиеся на поверхности частичек почвы
плёнку, обильно заселённую бактериями. Эта бактериальная плёнка, с одной стороны адсорбирует органические
растворённые вещества из фильтрующейся сквозь почву
сточной воды, а с другой – соприкасаясь с воздухом, черпает из него кислород, необходимый для жизнедеятельности микроорганизмов, производящих минерализацию
органических веществ. Воздух является необходимым
условием нормального протекания процесса очистки сточных вод на полях орошения. Его недостаток быстро приводит к отрицательным результатам.
При устройстве полей фильтрации необходимо соблюдение следующих условий:
– поля фильтрации должны устраиваться на легко
проницаемых почвах;
– сточные воды, поступающие на поля фильтрации,
не должны содержать большие количества масел и жиров;
– нагрузка на поля фильтрации должна соответствовать очистительной способности полей.
Предварительное осветление сточных вод перед поступлением их на поля фильтрации позволяет повысить
нагрузку полей фильтрации.
2.2.2. ФАЗЫ БИОХИМИЧЕСКОЙ (БИОЛОГИЧЕСКОЙ)
ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
В процессе очистки сточных вод условно можно выделить две стадии. Первая фаза, происходящая в аэробных
условиях, характеризуется накоплением оптимального
21
количества активного ила. Вторая стадия также проходит
в аэробных условиях и протекает в несколько фаз.
1. Биосорбция органических загрязнений хлопьями
активного ила. Отличается интенсивным накоплением
биомассы ила и быстрым снижением концентрации загрязняющих веществ. Продолжительность – не более получаса.
2. Биохимическое окисление органических соедине-
ний хлопьями активного ила. Во время данной фазы происходит дальнейшее увеличение количества биомассы
активного ила и снижение концентрации загрязнителей
в следствие декарбонизации. Продолжительность фазы –
примерно час.
Биохимическая очистка осуществляется, как правило,
под действием бактериальных ферментов. Ферменты делятся на два типа: экзо- и эндоферменты. Экзоферменты,
относящиеся к классу гидролитических, выделяются бактериями в целях превращения сложных соединений в простые. Эндоферменты содержатся внутри микробной клетки и необходимы для усвоения питательных веществ и переработки их в компоненты цитоплазмы. Каждый вырабатываемый клеткой фермент действует на определённую
группу веществ: на белки (протеолитические ферменты),
жиры (липолитические) и углеводы (гликолитические).
Совокупность биохимических процессов, протекающих
в бактериальной клетке под действием ферментов, можно
представить в виде схемы, представленной на рис. 2.1.
При этом большая часть полученных моносахаридов
идёт не на построение клеточного материала, а окисляется.
Процесс окисления углеродсодержащих веществ называется декарбонизацией сточных вод.
22
Рис. 2.1. Биохимические процессы, протекающие
в бактериальной клетке
3. Синтез клеточного вещества активного ила из
остаточного количества органических соединений. Содержание органических веществ в начале данной фазы составляет примерно 65%. Отличительной особенностью данной
фазы является постоянство массы активного ила. Продолжительность – около 20 ч (примерное время исчерпания
23
органических веществ, накопленных клетками активного
ила). Элементом, необходимым для синтеза клеточного
вещества, является азот, получаемый в результате биохимического разложения белка. Процесс разложения белка
можно представить следующим образом. Молекулы белка
под действием бактериальных ферментов расщепляются на
пептиды и аминокислоты. При этом, одна часть аминокислот идёт на построение клеток активного ила, а другая –
дезаминируется с образованием аммиака, углекислого газа
и воды. Под действием кислорода аммиак растворяется
в воде с образованием гидрата окиси аммония, который,
вступая в реакцию с углекислым газом, превращается
в углекислый аммоний. Однако бóльшая часть аминокислот всё же используется в качестве строительного материала клеток активного ила.
4. Эндогенное дыхание (окисление клеточного вещества активного ила). Характеризуется уменьшением количества биомассы активного ила. Конечными продуктами
эндогенного дыхания являются аммиак, углекислый газ и
вода. В конечном итоге из азота образуется углекислый
аммоний. Начинается фаза после 20 – 24 ч аэрации активного ила и заканчивается через 2–3 сут. Так же во время
данной фазы происходит медленное окисление жиров.
Биохимические превращения при дальнейшей очистке
сточных вод. Образующийся в процессе эндогенного ды-
хания, дезаминирования и при гидролизе мочевины и продуктов азотистого обмена углекислый аммоний вступает
в реакцию нитрификации – окисления с участием бактерий. Аммонийные соли в процессе окисления превращаются в нитриты под действием бактерий рода
B. Nitrosomonas и нитраты под действием B. Nitrobacter.
24
Таким образом, конечным продуктом окисления белков и
продуктов их обмена является азотная кислота в виде нитратов. Поэтому, именно по концентрации нитратов судят
о полноте процесса биохимического окисления. Так же
во время нитрификации накапливается кислород, окисляющий органические безазотистые вещества.
Затем происходит денитрификация – восстановление
нитратов до оксидов азота, аммиака или свободного азота
с участием микроорганизмов. Так, в щелочной среде и при
свободном доступе кислорода восстановительный процесс
не идёт дальше солей азотистой кислоты, в кислой среде и
при затруднённом доступе кислорода восстановление идёт
до аммиака. Не имея свободного кислорода или располагая
им в ограниченном количестве, денитрифицирующие бактерии получают его при расщеплении солей азотной или
азотистой кислоты, одновременно окисляя им же безазотные органические соединения, получая при этом энергию,
необходимую для инициирования реакции. Процесс характеризуется выделением газообразных продуктов (смесь
углекислого газа и азота). Таким образом, органические
соединения, содержащиеся в сточных водах, являются
источником энергии для денитрифицирующих бактерий.
Хотя цикл развития активного ила происходит по тем
же фазам, по которым развиваются «чистые» бактериальные культуры, развитие активного ила имеет ряд особенностей, к которым в первую очередь относят низкую
скорость отмирания активного ила. По некоторым данным
установлено, что отмирание активного ила происходит
в 17 раз медленнее, чем его прирост, что, очевидно, обусловлено его отменной адаптацией.
25
2.2.3. АЭРОБНЫЕ ПРОЦЕССЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ
ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
Очистку сточных вод в аэробных условиях осуществляют в двух видах сооружений: аэротенках с активной
биомассой (активный ил), взвешенной в воде, и биофильтрах, где активная биомасса (биоплёнка) прикреплена
к зёрнам инертной загрузки. Состав микрофлоры и микрофауны илов и биоплёнки формируется в зависимости
от состава стоков, количества растворённого кислорода,
температуры, pH, соотношения количества питательных
веществ и микроорганизмов, наличия токсичных веществ
и т.д. Активный ил и биоплёнка представляют собой биоценоз, образованный бактериями, простейшими, микроскопическими грибами, микроводорослями. Так же в состав
активного ила могут входить и многоклеточные организмы, например, коловратки, черви, насекомые. Но всё же
процессы биологического окисления веществ, входящих
в состав сточных вод, в основном осуществляют бактерии
(их количество 108…1014 клеток/г сухого вещества).
Бактерии представлены следующими родами: Pseudomonas
(наиболее часто встречаемые), Bacillus, Bacterium,
Achromobacters Zoogloea, семейства энтеробактерий и др.
В активном иле практически всегда присутствуют актиномицеты. Простейшие в основном представлены двумя
типами: саркомастигофорами и инфузориями. Простейшие, питаясь бактериями, поддерживают бактериальное
равновесие активного ила и способствуют его омолаживанию. Простейшие питаются частицами исходных загрязнений, благодаря чему дополнительно осветляют воду.
Кроме того, простейшие, как и бактерии выделяют экзоферменты, необходимые для протекания биохимических
26
реакций. Так же они являются биоиндикаторами, т.е.
по их количеству, видовому составу и внешнему виду
можно судить об условиях работы очистного сооружения и
намечать меры оперативного управления процессом. В иле
эффективно работающих аэротенков обычно присутствует
10 – 15 видов простейших, равномерно представленных
либо с незначительным преобладанием одного-двух видов.
В таком иле почти отсутствуют амёбы и жгутиковые,
в основном развиваются инфузории; преобладающие
виды – брюхоресничные и кругоресничные инфузории.
Любое нарушение в работе аэротенка приводит к снижению видового разнообразия простейших, сопровождающемуся изменением внешнего вида и подвижности организмов, и при этом начинают преобладать один или два
вида. Например, при недостатке кислорода начинают
активно развиваться в основном жгутиковые простейшие,
инфузория-туфелька. Вортицеллы отрываются от стебелька и раздуваются. Некоторые индикаторные простейшие
активного ила представлены на рис. 2.2.
Так же в активном иле наблюдаются коловратки,
выполняющие те же функции, что и простейшие. Реже
в иле присутствуют черви. Видовой состав бактерий биоплёнки практически не отличается от активного ила при
условии обработки сточных вод одного и того же состава.
Существенные различия между активным илом и биоплёнкой наблюдаются в составе фауны. В биоплёнке в большом
количестве развиваются черви, потребляющие в качестве
питания избыточную биомассу. Минерализуя биоплёнку
(рис. 2.3.), они способствуют её выносу из загрузки,
а, прорывая ходы в биоплёнке, черви облегчают доступ
кислорода к глубоким её слоям.
27
1
2
3
7
9
5 6
10
4
8
Рис. 2.2. Некоторые индикаторные простейшие активного ила:
Организмы – показатели хорошей работы аэротенка:
1 – Arcella discoldes; 2 – Aspidisca turrida;
3 – Opercularia glomerata; 4 – Epistylis plicatilis;
5 – Oxytricha pellionella; 6 – Tokophrya lemnarum.
Организмы – показатели плохой работы аэротенка:
7 – Litonotus lamella; 8 – Colpoda steini;
9 – Podophrya collini; 10 – Bodo edax
28
Рис. 2.3. Минеральная биоплёнка активного ила
2.2.4. ФАКТОРЫ СРЕДЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ПРОЦЕСС
БИОХИМИЧЕСКОЙ (БИОЛОГИЧЕСКОЙ) ОЧИСТКИ
На состав отдельных биоценозов и в связи с этим на направленность процесса биологической очистки промышленных сточных вод влияет ряд факторов. К важнейшим
из них относятся температура, интенсивность аэрации, концентрация иловой жидкости или почвенного раствора,
наличие ростовых веществ, бактерий-хищников и др.
При соответствующем подборе указанных факторов
можно выделять и селекционировать новые штаммы микроорганизмов с высокой специфической активностью,
формировать устойчивые селекционные ценозы и устанавливать наиболее выгодные ассоциативные взаимоотношения между микроорганизмами. Поиски оптимальных
решений и оптимальных режимов ведутся с помощью
вычислительной техники. Особенно большое значение
для получения высокоактивных культур бактерийдеструкторов имеют ростовые вещества. При помощи ростовых веществ управляют составом населения естественных и селекционных ценозов. Вырождение субстратных
культур и лабораторных активных илов часто бывает связа-
29
но с недостаточным содержанием и изменением состава
ростовых веществ в аэротенках. При помощи ростовых веществ субстратная культура создаёт благоприятную обстановку для своего существования в ассоциации и устраняет
конкурентов. Активным участником смены микробных
ассоциаций является фильтрующийся микроорганизм
Bdellovibrio bacteriovorus. Это подвижная бактерия с толстым полярным жгутом, грамнегативная палочка размером
0,3…0,4×0…1,2 мкм. Существуют антагонистические взаимоотношения между Bd. bacteriovorus и другими бактериями. В частности, исчезновение из почв и активных илов
многих бактерий, вызывающих инфекционные болезни,
обуславливается присутствием Bd. bacteriovorus. Температурный режим оказывает большое влияние на деятельность
Bd. bacteriovorus. Например, при температуре 39…40 °C
из активного слоя почвы исчезают бактерии группы кишечных палочек. Бактерии-хищники активно проникают через
клеточную стенку в клетку бактерии-жертвы и размножаются там, используя материал клетки-жертвы в качестве питательной среды. Группа бактерий Bd. bacteriovorus выгодно отличается от бактериофагов отсутствием специфичности. Она включает в себя штаммы, способные поражать
главным образом грамнегативные, реже грамположительные или и те, и другие микроорганизмы. Отдельные штаммы паразитируют на бактериях нескольких родов, а группа
в целом проявляет чрезвычайно широкий спектр действия.
К настоящему времени литическое действие Bdellovibrio
показано на бактериях Pseudomonas, Bacterium, Corynebacterium, Arthrobacter, Mycobacterium и др. Напряжённость
литической деятельности Bdellovibrio повышается в термотолерантных условиях и связана с наличием ростовых
веществ, в частности, нафтенатов марганца, хрома и меди.
30