1.3.1. Биохимическая очистка фильтрационных вод

Биохимический метод применяют для очистки фильтрационных вод от многих растворенных органических и некоторых неорганических веществ. Процесс очистки основан на способности микроорганизмов использовать эти вещества для питания в процессе жизнедеятельности, являющиеся для них источником углерода.

Процессы биохимической очистки фильтрата делятся на аэробные и анаэробные в зависимости от того, требуется ли поступление кислорода в среду биохимической обработки.

При аэробной обработке органические загрязнители преобразуются в углекислый газ и воду, а твердые биопродукты возвращаются в фильтрат. При анаэробной обработке органические вещества преобразуются в биогаз, состоящий в основном из углекислого газа и метана, и твердую фазу – ил.[10]

Аэробная очистка.

Аэробный метод очистки заключается в культивировании сообщества микроорганизмов, получающих энергию за счет процесса дыхания. Окисление кислородом углеродсодержащих восстановленных соединений — главная особенность аэробного культивирования микроорганизмов активного ила. Во всех аппаратах для аэробной очистки биологический агент может находиться в культуральной жидкости в свободном (взвешенном) состоянии или может быть закреплен на поверхности твердого носителя в виде биопленки. Системы со свободной микрофлорой называют аэротенками, с прикрепленной (иммобилизованной) - биофильтрами, с комбинированным расположением – биоаэротенками или аэротенками с заполнителями.

Основным методом аэробной очистки считается применение аэрационных прудов, которые эффективно снижают концентрацию ионов аммония в водах, образующихся на свалках. Разложение загрязнений в аэробных прудах производится организмами, способными существовать только в среде с растворенным кислородом. Это наиболее богатая видами группа гидробионтов, представители которой способны утилизировать самые разнообразные вещества.[11]

Сущность метода очистки в биологических прудах основана на способности высшей и низшей растительности, а также гидробионтов поглощать из воды и накапливать различные минеральные элементы. Это поглощение и накопление является активным физиологическим процессом, связанным с жизнедеятельностью всего организма в целом. Большим достоинством этого метода является его экологическая безопасность, а также значительно меньшие экономические затраты, связанные с его пуском и эксплуатацией, по сравнению с техническими методами. При использовании этого метода исключается применение громоздкой аппаратуры, едких, токсичных и дорогостоящих реактивов. Метод прост в использовании, не требует больших затрат труда и квалифицированного персонала.

Очистку воды высшими водными растениями обычно проводят на гидроботанических площадках, представляющих собой пруды или каналы, засаженные прибрежно-водной, погруженной и плавающей растительностью. В зависимости от химического состава фильтрационных вод подбирается оптимальных комплекс растений, наиболее эффективно участвующий в процессе очистки данных стоков.

Широко применяется метод создания искусственных гидроботанических площадок, которые на 40-100 % засаживаются высшей водной растительностью. Ложе пруда включает две зоны: прибрежно-мелководную зону (глубиной до 1 м), занимающую до 40 % площади и засаженную прибрежно-водной растительностью, и глубоководную зону, засаженную плавающими формами. Фильтрационные воды проходят через заросли прибрежно-водных растений, являющихся хорошими фильтраторами и седиментаторами. Многочисленные исследования показали, что наиболее эффективной очистительной способностью обладают тростник обыкновенный, камыш озерный, рогоз узколистный и Лаксмана.

Для очистки фильтрационных вод могут быть использованы низшие растения – макро- и микроводоросли. Участие водорослей в активизации процессов самоочищения водоемов можно рассматривать в следующих основных направлениях: фотосинтетическая аэрация воды; удаление из воды биогенных и органических веществ; выделение в процессе жизнедеятельности и постлетально органических соединений, играющих важную роль в формировании природных гидробиоценозов и выполняющих функции питательного субстрата для нефотосинтезирующих микроорганизмов; детоксикация и минерализация рядя загрязнителей.[12]

Качественный и количественный состав бактериальной микрофлоры зависит от химического состава воды и развивается спонтанно, в соответствии с конкретными условиями в водоеме. В настоящее время наибольший интерес представляет очистка фильтрационных вод с использованием единого гидробиоценоза, сходного с природным, где загрязнители, переходя с одного трофического уровня на другой, быстро трансформируются в стабильные вещества растительных и животных организмов, чем и завершается процесс очистки. Для различных вод подбирается свой, специально подобранный, искусственный биоценоз. Процесс очистки в этом случае протекает с использованием комплекса водорослей и высшей водной растительности, а также максимально разнообразных сообществ других организмов – агентов очистки – бактерий, простейших, беспозвоночных, рыб.

Микроорганизмы, являющиеся биохимическим агентом при аэробной очистке сточных вод, образуют сложные сообщества активного ила и биопленки. Такие сообщества состоят из бактерий, актиномицетов, грибов, водорослей, членистоногих. Основу биомассы таких сообществ составляют бактерии. Общая поверхность 1 г сухой биомассы оценивается площадью около 100 м², что и обусловливает высокую скорость обменных процессов при очистке.[13]

Биопленка, покрывающая твердые поверхности, погруженные в объем жидкости аэробных биохимических реакторов, образуется за счет иммобилизованных клеток микроорганизмов, ее толщина обычно не более 3 мм, чаще 0,5—1,0 мм.

Состав микроорганизмов активного ила и биопленки подвержен изменениям и зависит от условий культивирования, температуры в реакторе, от состава очищаемой фильтрационной воды.

Капельные биофильтры – наиболее широко используемый тип аппаратов с неподвижной биопленкой и противотоком воздуха и жидкости. Биомасса растет на поверхности насадки в виде пленки.

Основной режим работы биофильтров – это однократное прохождение фильтрата. Фильтрационные воды постепенно просачиваются через фильтр, поступают в отстойник и затем удаляются.

В биопленке, покрывающей поверхности носителя в реакторах с иммобилизованной микрофлорой, помимо бактерий наблюдается большое количество простейших, коловраток, червей. Биоценоз ила аэротенков и биопленка идентичны при очистке одной и той же воды, однако, количество различных видов организмов разное. Показателем хорошего состояния биопленки является наличие инфузорий круглоресничных, брюхоресничных, жгутиковых, червей Nematoda, коловраток.

На стадии окончания биологической очистки воды протекают процессы нитрификации с образованием нитритов и нитратов. В этом процессе в качестве биологических агентов выступают бактерии из родов Nitrosomonas и Nitrobacter. Наиболее изученным микроорганизмом, осуществляющим окисление аммонийного азота до нитритов - нитрификацию первой фазы, является Nitrosomonas europaea. Основной биологический агент второй фазы нитрификации - окисления нитритов в нитраты — Nitrobacter Vinogradskyi.[13]

Анаэробная очистка.

Целесообразность применения анаэробных процессов очистки к концентрированным стокам обусловлена способностью сообществ анаэробных микроорганизмов продуцировать энергетическое сырье (биогаз) и снижать концентрацию субстратов до уровня, приемлемого для последующего применения аэробной очистки. К другим достоинствам анаэробной обработки можно отнести образование осадков, представляющих собой ценное органическое удобрение, или потенциальное сырье для получения протеина и биологически активных веществ.

Анаэробная очистка фильтрата обеспечивает продолжение идущего в теле свалки микробиологического анаэробного процесса и может осуществляться как в анаэробных прудах, так и на установках анаэробной обработки.[10]

К реакторам, в которых очистка осуществляется иммобилизованными микроорганизмами, относят метантенки с псевдокипящим слоем носителя иммобилизованой микрофлоры. В качестве таких носителей используют гранулы активного угля и пластмасс, песок.

Все типы реакторов с иммобилизованной биопленкой характеризуются высокой степенью задержки биомассы, приспособлены к значительным колебаниям нагрузки, но требуют надежных систем автоматизации.[12]

Разложение загрязнений в анаэробных прудах осуществляется бактериями, способными существовать в среде без свободного кислорода. Это в основном метанообразующие анаэробные бактерии, а также бактерии, сбраживающие клетчатку, жирные кислоты, трудноокисляемые углеводы, аммонифицирующие бактерии, восстанавливающие соли серной и азотной кислот.

Процесс анаэробного сбраживания имеет две фазы и зависит от наличия соответствующих каждой фазе бактерий, температуры и величины рН.

На первой фазе происходит образование низкомолекулярных органических кислот и спиртов из углеводов, белков и жиров, а также газообразных продуктов: CO₂, NH₃, H₂S и Н₂. Осуществляют это факультативные гетеротрофы (t=25⁰С, рН=6,5).

Второй фазой является метановое брожение, в процессе которого образовавшиеся органические кислоты и спирты разлагаются до метана, углекислоты и воды (t=32⁰С, рН=7). При низких температурах скорость метанового брожения снижается, а при 4⁰С прекращается.

Присутствие солей меди, хрома и других тяжелых металлов подавляет работу бактерий в обеих фазах.

Анаэробные микроорганизмы осуществляют метановое сбраживание концентрированных углеродсодержащих субстратов, которая протекает в три стадии:

Углеводы, белки, липиды