11. Биологическая очистка ex situ (при откачке)

11.41. Биореакторы

Биореакторы обеспечивают разложение загрязняющих веществ в воде с микроорганизмами за счет биологических систем с суспензионными культурами или организмами-обрастателями. В случае систем с суспензионными культурами (например, реактор с активированным илом, псевдоожиженным слоем или последовательно-циклический реактор) загрязненные грунтовые воды циркулируют в аэрационном бассейне, где микробная популяция аэробно разлагает органическое вещество и вырабатывает CO2, H2O и новые клетки. Клетки образуют ил, который оседает в отстойнике и направляется на переработку в аэрационный бассейн или удаляется. В случае систем с организмами-обрастателями (например, биореакторы с фиксированной пленкой и восходящим потоком, вращающиеся биореакторы и капельные биологические фильтры) микроорганизмы закрепляются на матрице инертной подложки для аэробного разложения загрязняющих веществ в воде.

Одна из перспективных методик предусматривает использование активных опор (например, активированный уголь, который поглощает загрязнители и медленно выпускает их микроорганизмам для разложения). Микробную популяцию можно получить из источника загрязнений или из инокулята организмов, характерных для загрязнителя. К другим видам применения относятся экосистемы влажных земель и колонные реакторы.

В биореакторы зачастую добавляются питательные вещества для поддержки роста микроорганизмов.

Биореакторы – это долгосрочная технология. Продолжительность процесса может составлять несколько лет.

Капельный биологический фильтр

Другим методом очистки сточных вод посредством аэрирования является капельный биологический фильтр. Капельный фильтр состоит из слоя высокопроницаемой среды, водораспределителя и дренажной системы. Сточная вода распределяется по верху фильтрующего слоя, сквозь который сточная вода просачивается. Органические загразнения в сточной воде разлагаются микроорганизмами-обрастателями, прикрепленными к фильтрующей среде. Фильтрационным материалом может служить горная порода, пластик или древесина. Фильтрующий слой, как правило, круглый. Его глубина варьирует от 3 до 8 футов (0,9-0,5 м). Средняя глубина – 6 футов (1,8 м). Так как сточная вода течет по фильтрующему материалу, она насыщается кислородом, при этом загрязняющие вещества разлагаются под действием закрепленных микроорганизмов на поверхности фильтрующего слоя. Дренажная система используется для сбора очищенной воды и биомассы, открепившейся от фильтрующего слоя. Дренажная система также играет важную роль, так как ее пористая структура способствует циркуляции воздуха.

Продолжительность работы и поддержания орошения дождеванием зависит от количества времени, необходимого на получение и обработку загрязненных стоков; мониторинга очищенной воды; и мониторинга возможных накоплений металла.

Биореакторы используются главным образом для обработки полулетучих органических соединений, топливных углеводородов и биоразлагаемых органических материалов. Эффективность процесса в отношении некоторых пестицидов может быть ниже. Экспериментальные полевые исследования дали успешные результаты в отношении некоторых галогенсодержащих соединений, таких как изомеры PCP, хлорбензола и дихлорбензола. Биореакторы с кометаболитами используются для обработки полихлорированных бифенилов, галогенированных летучих органических соединений и полулетучих органических соединений в вытяжке грунтовых вод.

Ограничивающие факторы:

• Загрязненные грунтовые воды имеют разжиженную структуру, поэтому зачастую они не обеспечивают достаточную плотность микробной популяции. Это особенно касается реакторов с суспензионными культурами. Может понадобиться использование дополнительных питательных веществ.

• Очень высокая концентрация загрязняющих веществ может быть токсичной для микроорганизмов. В этом случае необходимы специальные конструкции.

• Может потребоваться применение механизмов контроля загрязнения воздуха в случае улетучивания, вызванного процессами в активированном иле.

• Низкая температура окружающей среды существенно сокращает скорость биоразложения, что приводит к увеличению продолжительности очистки и росту затрат на нагрев.

• В биореакторах могут поселиться вредные микроорганизмы, что приводит к снижению эффективности.

• Остаточные продукты иловых процессов подлежат переработке или удалению.

• Возможно регулирование сброса очищенных стоков.

11.42. Сконструированные экосистемы переувлажненных земель

Данная технология объединяет в себе основные компоненты экосистемы переувлажненных земель; включая органические грунты, микробные грунты, водоросли и сосудистые растения; в основе восстановления лежит деятельность микробов.

Поступающая вода с высокой концентрацией металлов и низким показателем ph протекает через аэробные и анаэробные зоны экосистемы переувлажненных земель. Металлы удаляются за счет ионного обмена, адсорбции, абсорбции и осаждения при геохимическом и микробном окислении и восстановлении. Ионный обмен происходит при контакте металлов в воде с гумусом или другими органическими веществами в переувлажненной земле. В переувлажненных землях, сконструированных для этих целей, зачастую мало или совсем нет почвы, но есть солома, навоз или компост. Реакции окисления и восстановления, где катализатором выступают бактерии, встречающиеся в аэробных и анаэробных зонах, соответственно, играют основную роль в осаждении металлов как гидроксидов и сульфидов. Осажденные и поглощенные металлы оседают в успокоительных бассейнах или отфильтровываются по мере просачивания воды через среду или растения.

Поступающая вода со следами взрывчатых веществ или другими загрязняющими веществами протекает через гравийную поверхность или под гравийной поверхностью переувлажненных земель, основанных на гравии. Мокрые земли с полупогруженными растениями представляют собой комбинированную аэробно-анаэробную систему. В анаэробной ячейке используются растения вместе с натуральными микробами для разложения загрязняющего вещества. В аэробной ячейке (ячейке возвратно-поступательного движения) качество воды улучшается за счет постоянного воздействия растений и движения воды между камерами ячейки.

Технология очистки с использованием переувлажненных земель рассчитана на долгосрочную перспективу и непрерывное функционирование в течение нескольких лет.

Сконструированные переувлажненные земли широко использовались для очистки сточных вод с целью контроля органического вещества; питательных веществ, например азота и фосфора; и взвешенных наносов. Процессы с использованием переувлажненных земель также подходят для контроля следов металла и других токсичных материалов. Кроме того, такая технология очистки использовалась для обработки отвода кислых шахтных вод, образованных в ходе добычи угля или металлических руд. Такие стоки, как правило, характеризуются высокой концентрацией металла и кислотностью. Данный процесс можно адаптировать для обработки нейтральных и базовых отходов.

Ограничивающие факторы:

• Состав следов металлов и климат в регионах разработки месторождений металлических руд на западе США.

• Факторы, которые могут ограничить применение и эффективность процесса:

• Долгосрочная эффективность сконструированных экосистем переувлажненных земель не известна. «Старение» переувлажненных земель может представлять собой проблему, т.к. с течением времени это может привести к снижению показателей удаления загрязнений.

• Стоимость создания искусственных переувлажненных земель существенно различается в зависимости от проекта. Во многих местах создание такой системы может быть экономически нецелесообразным.

• Температура и колебания потока воды могут сказаться на функционировании переувлажненных земель и привести к нарушению стабильности показателей удаления загрязняющих веществ.

• Низкая температура приводит к замедлению процесса разрушения загрязняющих веществ в переувлажненных землях.

• Сильный поток поступающей воды может привести к перегрузке механизмов удаления в переувлажненных землях, а засуха может привести к гибели растений и серьезно ограничить функционирование переувлажненных земель.