КАНАЛИЗАЦИЯ

СООРУЖЕНИЯ ДЛЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД В ИСКУССТВЕННО СОЗДАННЫХ УСЛОВИЯХ

Метод биологической очистки сточных вод основан на способности микроорганизмов использовать разнообразные вещества, содержащиеся в сточных водах, в качестве источника питания в процессе жизнедея­тельности. Таким образом, искусственно культивируемые микроорганиз­мы освобождают воду от загрязнений, а метаболизм этих загрязнении в клетках микроорганизмов обеспечивает их энергетические потреб­ности, прирост биомассы и восстановление распавшихся веществ клетки.

Биологическим путем могут обрабатываться очень многие сложные и разнообразные органические вещества. Переработке подвергаются также некоторые неокисленные неорганические соединения — сероводо­род, аммиак, нитриты и т. п. Однако в сточных водах присутствуют и та­кие вещества, которые биологическим путем не окисляются или окисля­ются настолько медленно, что практически завершение процесса оказы­вается недостижимым. К группе биологически неокисляемых веществ относятся многие углеводороды, некоторые сложные эфиры, ряд «же­стких» синтетических поверхностно-активных веществ, красители и дру­гие вещества.

Микроорганизмы культивируют как в аэробных, так и в анаэробных условиях.

Если процесс проводят в аэробных условиях, то сумму реакций био« логического окисления можно представить в виде следующих схем:

/ и г 3 ферменты /її—з

С* Пу 02 N + U + ~ - — - — J 02----------------------------------- « С02 + J Н20 + NH3+ ДН; (4.140)

Ферменты

Сх Щ 02 N - f NH3 + Оа------------------ >C5H7NOa + Н20 + С02 + ЛН; (4.141)

Ферменты

C5H7N02 + 502------------------- »5С02 + NHg + 2НаО + АН; (4.142)

Ферменты ферменты

NH3 + 02---------------- >HN02 + 02----------------- >HNOg. (4.143)

Здесь CxHyOzN обозначает органические вещества сточных вод, а C5H7NO2 — среднестатистическое соотношение основных элементов про­дуцируемого клеточного вещества.

Реакции (4.140) и (4.141) символизируют биологический процесс очистки от исходных загрязнений состава CxHj, OzW. Первая реакция — окисление вещества на энергетические потребности клетки, вторая — на синтез биомассы состава C5H7WO2. Затраты кислорода на эти две реак­ции соответствуют БПКполн сточной воды.

Если окисление проводится достаточно долго, то после использова­ния исходного органического вещества начинается процесс окисления клеточного вещества бактерий [реакция (4.142)].

Реакции (4.140) и (4.141) осуществляют гетеротрофы. Когда вода очищена и экзогенный (внешний) источник органического углерода исчерпан, наступают благоприятные условия для развития автотрофных культур. При наличии в воде достаточной концентрации растворенного кислорода в среде развиваются автотрофы — нитрификаторы, которые проводят биологическое окисление аммонийного азота сначала до нит - ритного, а затем и до нитратного [реакция (4.143)].

Для нормального процесса синтеза клеточного вещества, а следова­тельно, и для эффективного процесса очистки воды в среде должна быть достаточная концентрация всех основных элементов питания — органи­ческого углерода (БПК), азота, фосфора.

Кроме основных элементов состава клетки (С, N, О, Н) для ее пост­роения необходимы также и другие элементы в очень незначительной массе. К ним относятся калий, кальций, магний, сера, железо, марганец и др. Содержание этих элементов в природных водах обычно бывает достаточным, чтобы полностью удовлетворить требованиям бактери­ального метаболизма. Азота и фосфора часто не хватает и их приходит­ся добавлять искусственно, обычно в виде одно - и двузамещенных фос­фатов калия и хлорида аммония. Это в большей степени относится к производственным сточным водам и в меньшей — к городским, потому что в физиологических выделениях людей содержится много белкового азота и, кроме того, мочевина полностью гидролизуется до аммиака и оксида углерода. Считается, что в процессе очистки сточных вод бакте­риями преимущественно используется аммонийный азот, но если его недостаточно, то его с успехом может заменить белковый азот.

Достаточность элементов питания для бактерий в сточных водах оп­ределяется соотношением БПКполн : N : Р (азот аммонийных солей и фосфор в виде растворенных фосфатов). В каждом конкретном случае это соотношение индивидуально, так как оно определяется составом продуцируемых клеток, который, в свою очередь, зависит от состава очищаемой воды. В отечественной практике, согласно рекомендациям СНиП, при обработке городских сточных вод используется соотношение БПКполн :N :Р= 100:5: 1.

Цикл превращений азота в процессе биоокисления загрязнений сточ­ных вод в общем виде может быть представлен диаграммой:

БПК (С) - f - Шо - f - 02 Бактериальные клетки (орг. азот) - f - СОо 4" Н20

T Ф02

NH3 -f С02 + Н20

|02

О3

Ш2 —І NO3

Белковый азот в результате аммонификации разлагается до аммо­нийного, который и используется при очистке сточных вод в качестве источника азота. Под БПК здесь понимается наличие в воде источника углеродного питания клеток. Наиболее интенсивно азот используется в период логарифмической фазы роста клеток, а в период окисления кле­ток азот высвобождается вновь в виде аммиака. Выделившийся аммо­нийный азот может окисляться до нитритов и нитратов либо повторно использоваться для нового цикла синтеза. Таким образом, для цикла превращений азота справедливы реакции (4.141) — (4.143).

Вступая в общий круговорот азота, нитриты и нитраты могут выпол­нять две функции — служить источником кислорода в анаэробных усло­виях и быть источником азота, например при биосинтезе водорослей. Подсчитано, что 1 мг азота нитратов продуцирует в водоеме 10 мг во­дорослей. Вот почему во избежание интенсивного зарастания водоемов в них не следует выпускать сточные воды, содержащие большие кон­центрации нитритов и нитратов. Если же последние получаются при биоокислении и оправданы требованиями технологического процесса, то вслед за сооружениями-окислителями следует предусмотреть сооруже- ния-денитрификаторы для разложения окисленных форм азота до азо­та молекулярного. Потеря азота (в виде молекулярного он уходит в атмосферу) — явление, нежелательное для биосферы, и в будущем, по - видимому, должны быть найдены иные пути использования нитритов и нитратов.

Денитрификация — процесс сложный, многостадийный и может про­текать по разным схемам в зависимости от условий среды. Конечными продуктами распада могут быть либо молекулярный азот, либо аммиак, либо оксиды азота, но применительно к сточным водам денитрифика­ция проходит, как правило, до молекулярного азота.

Биологическую очистку называют ПОЛНОЙ, если БПКполн очищенной ВОДЫ составляет менее 20 мг/л, И неполной при БПКполн более 20 мг/л. Такое определение является условным, так как и при полной биологиче­ской очистке происходит лишь частичное освобождение воды от суммы находящихся в ней примесей.

В свою очередь, полную биологическую очистку можно подразделить на две категории: с нитрификацией азота аммонийных солей и без нее. Процесс нитрификации проходит одновременно с окислением клеточ­ного вещества бактерий, поэтому вариант полной биологической очистки с нитрификацией называют еще процессом очистки с минерализацией активного ила или длительным процессом очистки.

Органические загрязнения находятся в сточных водах в растворен­ном, коллоидном и нерастворенном состоянии. Ряд микроорганизмов и, в частности бактерии, вирусы, дрожжи, плесени, могут использовать питательные вещества лишь в виде относительно небольших молекул в водном растворе. Крупные частицы загрязнений перерабатываются бактериями первоначально вне клетки. Бактерии выделяют во внешнюю среду в значительных количествах пищеварительные ферменты, где они контактируют с крупными частицами веществ и осуществляют гидроли­тический распад сложных органических веществ до более простых, небольших по размеру молекул, которые затем проходят через оболочку клетки и поступают в протопласт.

Практически все химические преобразования от начала процесса ус­воения в живом веществе осуществляются с помощью ферментов, ката­литическая функция которых лежит в основе жизнедеятельности любо­го организма.

В настоящее время выделено и изучено несколько сотен ферментов. Каждый фермент ускоряет, как правило, один единственный тип хими­ческой реакции, независимо от того, какие конкретно вещества взаимо­действуют. Особым отличительным свойством фермента является стро­гая специфичность действия. Ферменты обладают исключительно высо­кой каталитической активностью, проявляемой в мягких условиях — при нормальных температуре и давлении. Процесс ферментативного катализа благодаря уникальной структуре каждого фермента пред­стает как серия элементарных превращений вещества, строжайшим образом организованных в пространстве и времени. Механизм биоката­лиза отличают кооперативность и жесткая запрограммированность эта­пов действия.

В практике очистки сточных вод для характеристики напряженности окисления применяют определение дегидрогеназной активности микро­организмов. Процесс биологического окисления, схематично показанный реакциями (4.140) и (4.141), состоит из множества ступеней и начина­ется с расщепления органического вещества с выделением активного водорода. Этот вид окисления называется непрямым. Водород переда­ется ферментами дегидрогеназами на цитохромную систему дыхатель­ной цепи ферментов, где соединяется с кислородом, образуя воду (ча­стично перекись водорода). Количественное определение ферментов дегидрогеназ в ряде случаев позволяет получать быструю характери­стику условий процесса и его особенностей и используется в каче­стве одного из технологических параметров управления про­цессом.

Методы биоокисления в искусственных условиях осуществляются в двух основных модификациях — с микроорганизмами, прикрепленны­ми к материалу загрузки фильтра или со свободно плавающими в обра­батываемой воде.

Первый способ реализуется в сооружениях, называемых биологиче­скими фильтрами или кратко биофильтрами. В биофильтрах сточная вода фильтруется через крупнозернистый материал, покрытый биоплен­кой, образованной колониями микроорганизмов.

Второй вариант метаболизма в аэробных условиях заключается в создании в резервуаре со сточной водой взвешенного слоя хлопьев ила, называемого активным, через который протекает сточная вода.

Бионаселение активного ила и биопленки весьма разнообразно. Оно включает бактерии, которым в процессе очистки отводится главенст­вующая роль, простейшие, грибы, некоторые высшие организмы (типа коловраток, червей, клещей), водоросли, вирусы.

Качественный и количественный состав микронаселения ила и плен­ки зависит от многих факторов: состава обрабатываемой воды, массы загрязнений, приходящихся на единицу массы ила в единицу времени, доступа кислорода, гидродинамического режима в сооружении и ряда других.

Число бактерий в илах колеблется от 108 до 10*2 на 1 мг сухого ве­щества. Большинство бактерий принадлежит к родам: Pseudomosms, Achromobacter, Alkaligehes, Bacillus, Bacterium micrococcus Flavabacte - rium.

В ряде илов развиваются не образующие мицезшя, актиномицеты, называемые mycobacterium.

Нитрифицирующие бактерии представлены двумя основными вида­ми—Nitrosomonas и Nitrobacter. Почти всегда в больших или меньших числах в илах присутствуют нитчатые бактерии Sphaerotilus и Clado - thrix.

В активном иле всегда присутствзнот" хорошо сформированные зоо - глейные скопления бактерий с развитой поверхностью, состоящие как из чистой культуры Zooglea ramigera, так и из развитых форм многих других видов бактерий.

Установлено, что чем больше различных органических соединений в стоках, тем разнообразнее биоценоз ила. Так, в илах от обработки хозяйственно-бытовых стоков найдено 32 вида бактерий, а в илах, кото­рые выращивались на стоках от производства винилацетата и ацеталь - дегида, — только 7 видов.

Микрофлора и фауна активного ила и биопленки, обрабатываю­щих одинаковую сточную воду, идентичны в качественном отношении, но отличаются в количественном — по соотношению микроорганизмов различных родов и видов. В биопленке относительно высокий процент приходится на анаэробную микрофлору.

Биоценоз ила меняется на протяжении процесса очистки воды. По мере изменения содержания питательных веществ в иле в нем проис­ходит изменение числа бактерий разных родов.

В биофильтрах микробиальный состав ила меняется по высоте со­оружения, что соответствует постепенному снижению нагрузки по за­грязнениям в направлении фильтрации и нарастанию концентрации ра­створенного кислорода в очищаемой воде.

Важнейшим свойством ила является его способность образовывать хлопья, которые можно отделить от воды путем седиментации. Ил от­деляют от воды во вторичных отстойниках, после чего он возвращается вновь в аэротенк, а очищенная вода направляется на последующую обработку. Избыток ила, т. е. тот его прирост, который образуется в процессе использования органических веществ сточной воды, удаляет­ся из сооружений. Имеется несколько теорий хлопьеобразования, из которых наиболее удачной считается теория Маккини. По этой теории хлопьеобразование происходит в той стадии метаболизма, когда соот­ношение содержания питательных веществ к бактериальной массе ста­новится низким. Низкое соотношение обусловливает и низкий энерге­тический уровень системы активного ила, что, в свою очередь, приводит к недостаточному запасу энергии движения. Энергия движения проти­водействует силам притяжения, а если она мала, то противодействие тоже мало, и бактерии взаимно притягиваются. Считается, что важны­ми факторами флокуляции являются электрический заряд на поверх­ности клетки, образование бактерией капсулы и выделение слизи на поверхности клетки. Химический анализ слизи и капсулы (оболочки клетки) показал, что они в значительной степени состоят из ацетиль­ных групп и аминогрупп.

Маккини предположил, что именно эти группы и определяют по­верхностный электрический заряд клетки: отрицательный при преобла­дании первых и положительный при преобладании вторых. Как только хлопья начинают образовываться, некоторые бактерии внутри хлопка отмирают, распадаются, нерастворимые полисахариды остаются в хлопке и захватывают следующие малоактивные бактерии. Небактери­альное население илов и биопленки представлено следующими группами микроорганизмов: простейшие, коловратки, черви, водные личинки и куколки насекомых, водные клещи, водные грибы.

Между различными группами организмов активного ила наблюда­ются три типа отношений, лежащих в основе микробиологического про­цесса очистки: отношения метабиоза между гетеротрофными и нитри­фицирующими бактериями, конкурентные отношения между гетеро­трофными бактериями и сапрозойными простейшими и отношения «хищник — жертва» между ресничными простейшими и гетеротрофны­ми бактериями.

Можно выделить три последовательных трофических уровня, соот­ветствующих основным фазам роста ила и обусловливающих развитие определенных групп микроорганизмов (в периодическом процессе очи­стки) :

Первый трофический уровень (когда на единицу массы ила прихо­дится большая масса загрязнений) характеризуется преобладанием в иле гетеротрофных бактерий и сапрозойных простейших, питающихся растворенными органическими веществами, и незначительным развити­ем свободно плавающих ресничных;

Второй трофический уровень (при меньшем количестве загрязне­ний) отличается развитием в иле голозойных свободно плавающих ин­фузорий и коловраток, питающихся бактериями и сапрозойными про­стейшими;

Третий трофический уровень (с очень малым количеством загрязне­ний) характеризуется максимальным развитием прикрепленных и хищ­ных инфузорий, коловраток и червей, питающихся голозойными инфу­зориями и иловыми частицами.

Если процесс очистки включает все указанные трофические уровни, то в ходе его в биоценозе активного ила наблюдается последовательное развитие популяций от организмов с сапрозойным способом питания до организмов-хищников. Если процесс очистки ограничен вторым и третьим или только третьим уровнем питания, то значительных измене­ний в микробном составе ила не происходит.

Многолетние наблюдения за работой очистных сооружений биологи­ческой очистки, а также результаты исследований показали, что микро­население ила может служить индикатором процесса очистки.

В нормально работающем иле обычно наблюдается большое разно­образие простейших, при этом нет количественного преобладания како­го-либо одного из видов, все организмы подвижны, находятся в ожив­ленном состоянии; ил хорошо флокулирует и легко оседает.

Если питания для ила недостаточно, то наблюдается измельчение простейших, они становятся прозрачными; инфузории инцистируются. Вслед за инфузориями инцистируются коловратки. Вода над илом име­ет мелкую, плохо оседающую муть.

Ил с избытком питания имеет малое количественное разнообразие видов при количественном преобладании одного из них. Появляются саркодовые, могут в большом числе развиваться нитчатые бактерии. Вода над илом имеет опалесценцию.

Отклонения в составе ила появляются при поступлении сточной во­ды другого состава или при недостатке кислорода в сооружении.

Количественная оценка организмов в иле производится путем под­счета числа особей каждого вида в определенном объеме капли (под микроскопом) с переводом затем полученного результата на 1 мл сме­си. Число организмов в 1 мл изменяется от единиц до нескольких сотен тысяч. Ориентировочно можно считать, что «мало» организмов соответ­ствует 1 —10 тыс. в 1 мл, «нормально», «заметно», «удовлетворитель­но»— 10—100 тыс. и «много» — более 100 тыс.