Карабинцева Фармацевтическая технология методички / Экологическая биотехнология

Вбиофильтре происходят непрерывный прирост и отмирание биопленки. Отмершая биопленка смывается током очищаемой воды

ивыносится из биофильтра. Очищенная вода поступает в отстойник, в котором осовбождается от частиц биопленки, и далее сбрасывается в водоем. Процесс окисления органических веществ сопровождается выделением тепла, которое используется для обогрева биофильтра. Биофильтр в основном обогревается сточной водой, поэтому при понижении ее температуры ниже 6 °С целесообразно присоединять к водоотводящей сети трубопроводы условно-чистых теплых конденсационных вод.

Необходимость в естественной или искусственной вентиляции определяется типом биофильтра и климатическими условиями размещения сооружений. Искусственная вентиляция в основном используется в высоконагружаемых биофильтрах (аэрофильтрах).

Впрактике биологической очистки сточных вод, помимо биофильтров и аэротенков, находят применение комбинированные сооружения, имеющие признаки аэротенков и биофильтров, в кото-

рых сглаживаются недостатки биоокислителей обоих видов. Процесс биологической очистки в любом конструктивном оформлении зависит от двух основополагающих факторов — благоприятных условий жизнедеятельности прикрепленного и свободноплавающего биоценозов, а также развитой поверхности для прикрепления биоценозов. К комбинированным сооружениям относят погружные биофильтры (дисковые, шнековые, барабанные с наполнителями, трубчатые); аэротенки с наполнителями (стационарными, блочными, сетчатыми, тканевыми, засыпными, свободноплавающими); аэротенки, сблокированные с погружными биофильтрами (стационарными, плавающими), биореакторы с гранулированной загрузкой (неподвижной и подвижной в псевдосжиженном состоянии); биотенки с секционированными емкостями (со сплошным или перфорированным днищем) и др.

Избыток активного ила и биопленки с сооружений биологической очистки или неочищенные сточные воды обычно отводят на иловые площадки (иловые карты), поля орошения и поля фильтрации.Этисооруженияотносятсяксистемаместественнойбиологической очистки с биопленкой. Иловые площадки предназначены для складирования и переработки активного ила и биопленки с очист-

61

ных сооружений. Поля орошения — специально подготовленные и спланированные земельные участки, предназначенные для очистки сточных вод с одновременным использованием этих участков для агротехнических целей (выращивания технических культур: овощей, злаков, декоративных кустарников, деревьев). Поля фильтрации предназначены только для очистки сточных вод.

Сущность процесса биологической очистки на полях орошения и полях фильтрации заключается в контакте загрязнителей сточных вод, которые находятся во взвешенном, коллоидальном или растворенном состоянии, с иммобилизованными микроорганизмами почвенного слоя. Эти микроорганизмы сосредоточены в основном на глубине до 0,4 м, что обеспечивает оптимальную аэрацию. Во время этого контакта за счет процессов биосорбции, биоразложения и механической фильтрации сточных вод происходит их очистка.

Сточные воды, направляемые на поля орошения и поля фильтрации, должны предварительно отстаиваться. Этим достигается снижение содержания в них яиц гельминтов на 50–60 %. Поля орошения могут устраиваться во всех климатических зонах за исключением районов Крайнего Севера и районов вечной мерзлоты. Глубина залегания грунтовых вод на территории, используемой под поля орошения, должна быть не менее 1,5 м.

Поля орошения и поля фильтрациии состоят из карт, спланированных горизонтально или с незначительным уклоном и разделенных земляными валиками. Сточная вода распределяется по картам оросительной сетью; очищенная вода, профильтровавшаяся через слой почвы, отводится осушительной сетью. Нормы нагрузки зависят от многих факторов: характера почвы, ее окислительной мощности, фильтрационной способности, пористости; от типа полей, рода выращиваемых растений; характера и концентрации загрязнений сточной воды; климатических условий и т. д. Для полей фильтрации межполивной период колеблется от 5 до 10 сут, для полей орошения он устанавливается в соответствии с режимом полива выращиваемых культур.

Биологические пруды могут применяться как самостоятельные сооружения биологической очистки, так и для для глубокой очистки сточных вод после сооружений искусственной биологической

62

очистки. Биологические пруды бывают с естественной и искусственной аэрацией, контактные, проточные, серийные (состоящие из каскада прудов) и представляют собой мелкие котлованы глубиной от 0,5–1 м при естественной аэрации и до 3–4,5 м (в зависимости от характеристики аэрирующего устройства) при искусственной. Располагают их на слабофильтрующих грунтах. Как правило, биологические пруды имеют прямоугольную форму и вытянуты по ходу движения воды.

Системы анаэробной очистки применяют для сбраживания высококонцентрированных стоков, осадков, ила, в том числе активного ила очистных сооружений, переработки промышленных и сельскохозяйственных отходов с высоким содержанием твердых веществ. Процессы чаще всего осуществляются в септитенках (септиках) и метантенках.

Септитенки — горизонтальные отстойники закрытого типа без перемешивания, в которых образовавшийся на дне осадок твердых частиц перегнивает и разлагается анаэробными микроорганизмами при температуре 20–35 °С. В них часто сбраживают активный ил вторичных отстойников, осадок первичных отстойников и пену с целью уменьшения их объема, устранения дурного запаха и количества патогенной микробиоты. Осадок выдерживают до 4–6 мес. В результате разложения органических веществ и уплотнения объем его уменьшается до 50 %.

В метантенках (рис. 15), в отличие от септитенков, осуществляют перемешивание, обогрев, контроль основных параметров (температуры, состава сырья, интенсивности загрузки аппарата и др.). Процесс протекает более интенсивно, чем в септитенках. Выделяющийся биогаз собирают и утилизируют. Метантенки работают, как правило, в периодическом режиме загрузки отходов или сточных вод с постоянным отбором биогаза; твердый осадок выгружают по мере завершения процесса.

Типовые метантенки имеют полезный объем одного резервуара 1000–3000 м3. Условно этот объем разделяется на четыре с разными функциями части: объем для образования плавающей корки, объем для иловой воды, объем для собственно сбраживания, объем для уплотнения и дополнительной стабилизации осадка при хранении

(до 60 сут).

63

Рис. 15. Схема метантенка

Совместно с канализационными осадками допускается подача в метантенки других сбраживаемых органических веществ после их дробления (домового мусора, отбросов с решеток, производственных отходов органического происхождения и т. п.). Для сбраживания осадков в метантенках можно использовать мезофильный (30–35 °С) либо термофильный (50–60 °С) режим.

Большинство анаэробных систем без обогрева (в том числе септитенки) работают в криофильном режиме (20 °С), метантенки — в мезофильном и термофильном. При мезофильном режиме сбраживание длится 20–30 сут, при термофильном — около 10 сут. При анаэробном сбраживании отходов, в отличие от аэробного, уменьшается объем ила, снижается содержание патогенных микроорганизмов и дурного запаха.

Применение анаэробных биофильтров и других реакторов позволяет интенсифицировать и стабилизировать брожение. Анаэробные микроорганизмы прикрепляются к носителю (иммобилизуются), что повышает их общую концентрацию и обеспечивает устойчивую работу реакторов. В биофильтрах можно сбраживать субстрат с невысоким содержанием органических веществ (около 0,5 %) и взвешенных твердых частиц.

При выборе между аэробными и анаэробными процессами обычно склоняются к первым, так как они признаны более надежными, стабильными и хорошо изученными. В аэробных процессах более эффективное удаление органики (на 95 % за 5–7 ч), высокие скоро-

64

сти процесса, однако в анаэробных процессах образуется меньше ила, значит, расходы на его переработку снижены. Другим преимуществом анаэробных процессов является наличие побочного продукта в виде биогаза, который можно использовать в качестве горючего. Даже без учета использования метана в качестве источника энергии потребность в энергии на аэрацию в аэробных процессах превышает потребность в энергии на перемешивание при анаэробных процессах. Главные недостатки анаэробных систем — невысокая скорость реакций, поэтому требуются установки больших размеров, большая влажность избыточного ила (до 100 %), иногда наблюдаемая плохая осаждаемость и всплывание ила из-за избыточного количества газов, низкая продуктивность микроорганизмов (при первичном запуске требуется не менее 1–2 мес для наращивания биомассы, в то время как для аэробных сооружений — 3–5 нед).

4.2. Биоценоз активного ила и биофильтров аэробных сооружений

В двух основных типах реакторов (сооружений) биологической очистки сточных вод — биофильтрах и установках с активным илом — создаются разные условия для жизнедеятельности, и это сказывается на составе обитающих в них организмов. Наибольшее число видов организмов обнаружено на биофильтрах. Из-за различий в конструкции и операционных характеристиках биофильтры отличаются сильно изменяющимися условиями среды, и хорошо приспосабливаться к обитанию в них могут самые различные организмы. В установках с активным илом их меньше, и они не так разнообразны по видовому составу.

Активный ил представляет собой хлопья размером от 0,1–0,5 до 2–3 мм и более, состоящие из активных и отмирающих организмов (около 70 %), твердых частиц неорганической природы (около 30 %), полисахаридов (в том числе клетчатки), продуциремых бактериями. Выделяемые полисахариды окружают бактериальные клетки, скрепляют частицы в хлопья, поэтому лишь небольшая часть клеток остается вне хлопьев. Активный ил имеет развитую поверхность (до 100 м2/г сухой массы) и, следовательно, высокую адсорбционную способность. На поверхности его концентрируются поступающие со сточной жидкостью мелкие частицы, клетки микроорганизмов и молекулы растворенных веществ.

65

В активном иле присутствуют все основные физиологические группы микроорганизмов, обеспечивающие разложение углерода, азота, фосфора, серы и других элементов. Сообщество микроорганизмов,главнымобразомбактерийипростейших,формируетсяестественным путем, включает местную микробиоту, адаптированнyю к определенному спектру загрязнений сточных вод (рис. 16). Биоценотической особенностью является отсутствие звена первичных продуцентов (за исключением хемоавтотрофных бактерий), поскольку органическое вещество поступает со сточными водами в готовом виде.

Организм в активном виде

воды? да

Организм активного ила

Рис. 16. Схема селекции в аэробном реакторе с активным илом

(по [Хенце и др., 2004])

В биоценозах активного ила развиваются представители семи отделов микробиоты (бактерии, грибы, актиномицеты, диатомовые, зе-

66

леные, эвгленовые, вольвоксовые микроводоросли), а также девяти таксономических групп простейших и многоклеточных животных (жгутиконосцы, саркодовые, инфузории, первичнополостные, вторичнополостные и брюхоресничные черви, коловратки, тихоходки, паукообразные, к которым относятся водные клещи). Биоценоз ила имеет характерную биотическую и трофическую структуру с функциональной связью между организмами различных групп.

Активный ил представляет собой сложную искусственно созданную антропогенно зависимую экосистему, организмы которой находятся на разных трофических уровнях в условиях высокой трофностиизначительногострессирования(нагрузкипопромышленнымзагрязняющим веществам, включая токсиканты). Гетеротрофные бактерии, водоросли, сапрофитные грибы и простейшие — первичные поедатели — составляют первый трофический уровень; голозойные простейшие — второй, а отдельные виды нематод, хищные коловратки, сосущие инфузории, тихоходки, хищные грибы — третий трофический уровень (рис. 17).

Загрязняющие вещества в сточных водах

Растворенные вещества Взвешенные и коллоидные вещества

Рис. 17. Схема трофических уровней экосистемы активного ила

67

В процессе окисления загрязнений сточных вод основная роль принадлежит бактериям, число которых в расчете на 1 г сухого вещества ила колеблется от 108 до 1014 клеток, из них обычно 50–80 % составляют гетеротрофные микроорганизмы. В биоценозе аэротенка, как правило, отсутствуют водоросли, весьма ограниченно представлены черви и членистоногие. В целом в активном иле преобладают организмы, характерные для мезосапробной зоны природных водоемов.

Основная задача бактерий — первичная трансформация и разложение растворенных органических веществ. Они также участвуют в разложении взвешенных органических веществ посредством синтеза внеклеточных ферментов.

В процессах деградации загрязняющих веществ в аэротенках основная роль принадлежит гетеротрофным флокулообразующим бактериям, которые формируют организованное структурнофункциональное целое — хлопок активного ила, включающий совокупность клеток микроорганизмов, объединенных биополимерным гелем. Популяции флокулообразующих бактерий составляют в иле 90–95 %, их функциональное состояние, активность и адаптированность к экологическим условиям аэротенков определяют устойчивость и эффективность биохимического окисления загрязняющих веществ, присутствующих в сточных водах.

Основная роль в образовании полисахаридов хлопьев активного ила (способности к хлопьеобразованию) принадлежит капсульной палочковидной бактерии Zoogloea ramigera, которая обнаруживается также в сильно загрязненных пресноводных водоемах, где она образует взвешенные в воде хлопья или слизистые обрастания (зооглеи) на находящихся в воде предметах. В состав биополимерного геля, окружающего клетки микроорганизмов, кроме гликопротеинов,содержащихглюкозу,галактозу,аминосахара,входяттакжеэкзоферменты клеток ила, полипептиды, клетчатка и др. К полисахаридпродуцирующим бактериям активного ила относятся роды Zooglea,

Pseudomonas, Aeromonas, Acinetobacter, Micrococcus, Paracoccus, Flavobacterium, Achromobacter, Alcaligenes.

Углеродокисляющие нитчатые бактерии представлены родами

Sphaerotilus, Beggiatoa, Tiothrix. Нитчатые бактерии окисляют мно-

гочисленные органические соединения и образуют каркас, вокруг которого формируются флокулы, но при чрезмерном размножении они

68

становятся причиной плохого осаждения ила в отстойнике и образования устойчивой пены в аэротенке. Это связано с избытком биомассы размножившихся бактерий, нити которых не включаются в частицы активного ила. Происходит процесс вспухания ила: нарушаются его седиментационные характеристики, что сопровождается резким ухудшением качества очищенных сточных вод по причине избыточного выноса ила из вторичных отстойников, где он неудовлетворительно отделяется от очищенных вод.

Численность организмов очистных сооружений регулируется бактериями-паразитами рода Bdellovibrio и литическими бактериями. Bdellovibrio прикрепляются к клеткам бактерий-хозяев, проникают в них, размножаются и лизируют клетки. Литические бактерии разрушают клетки микроорганизмов при воздействии выделяемых литических ферментов. Содержание литических бактерий в зависимости от состояния ила варьирует в пределах 0,001–0,5 % и более от общего числа гетеротрофных бактерий.

Грибы конкурируют с бактериями за источники питания, и, посколькупреимуществообычнобываетнасторонебактерий,вреакторах они немногочисленны. Сапрофитные грибы, обычные обитатели аэротенков, хорошо устойчивы к изменению рН сточных вод в кислую сторону, благодаря чему они могут вызывать вспухание активного ила в этих условиях. Грибы лучше представлены на биофильтрах, чем в активном иле. Хищные грибы на вегетативном мицелии имеют ловчие приспособления для улавливания и использования в пищу нематод, коловраток, простейших, часто значительно превосходящих их по размеру. Хищные грибы развиваются в биоценозе ила при высоком качестве очистки с нитрификацией, при низких нагрузках на активный ил.

Водоросли обнаруживаются на поверхности биофильтров, где условия благоприятны для их развития, а также в биопрудах, используемых на конечных стадиях очистки. В активном иле присутствуют микроводоросли, относящиеся к 4 отделам: диатомовые, зеленые, эвгленовые, вольвоксовые. Численность водорослей в зимнее время в активном иле аэротенков сокращается до единично встречающихся экземпляров либо полного отсутствия.

Биоценоз активного ила аэротенков почти полностью гетеротрофен. Однако условия обитания во вторичных отстойниках (отсутствие перемешивания и присутствие света) дают возможность раз-

69

виваться автотрофным водорослям, которые активно участвуют в очистке сточных вод, поскольку постоянно присутствуют и достигают массового развития в обрастаниях стенок отстойников. Вследствие того, что часть активного ила непрерывно перекачивается из вторичных отстойников в аэротенки, водоросли с потоком циркулирующего ила привносятся в аэротенки, однако там они не находят удовлетворительных условий для своего существования и, следовательно, не принимают активного участия в очистке сточных вод непосредственно в этом звене очистки. Поэтому водоросли на очистных сооружениях следует рассматривать как облигатные (характерные) виды для вторичных отстойников и факультативные (периодически встречающиеся) для аэротенков.

При значительном разрастании на водопереливах лотков вторичных отстойников водоросли отрицательно влияют на равномерное распределение потоков очищенных сточных вод, по этой причине необходимо регулярно производить очистку водопереливов от водорослей-обрастателей.

Простейшие являются обычными обитателями аэробных биореакторов и биофильтров. В активном иле встречаются следующие типы простейших: саркодовые (Sarcodina), жгутиковые (Flagellata), ресничные инфузории (Ciliata), сосущие инфузории (Suctoria). В сооружениях с активным илом их численность зависит от нагрузки на это сооружение: чем меньше нагрузка, тем больше простейших. Простейшие очень чувствительны к присутствию в сточных водах токсичных примесей, например фенола, формальдегида, которые угнетаютихразвитие.Роль простейшихвосновномзаключаетсявстимулировании роста флокулообразующих бактерий и повышении прозрачности надиловой воды за счет интенсивного выедания бактерий, не включенных в хлопья ила, а потому наиболее доступных.

Мелкие амебы — показатели нарушения очистки высокой нагрузки, неудовлетворительной аэрации, диспергирования хлопьев и высокого содержания в иловой смеси бактерий, не связанных с хлопьями активного ила. Крупные амебы — обычные обитатели нормально функционирующего ила.

В активном иле с мелкими диспергированными хлопьями преобладают крупные свободноплавающие инфузории, поедающие свободноживущих бактерий. В периоды разрушения хлопьев ила свободно плавающим инфузориям нет равных в процветании, поскольку

70