Основы биологической очистки сточных вод

  • Просмотров: 154

Сооружения биологической очистки можно условно разделить на два вида:

• с очисткой в условиях, близких к естественным;

• с очисткой в искусственно созданных условиях.


К первому виду относят поля фильтрации и орошения (земельные участки, в которых очистка происходит за счет фильтрации через слой грунта), а также биологические пруды (неглубокие водоемы, в которых происходит очистка, основанная на самоочищении водоемов).

Второй вид составляют такие сооружения, как биофильтры и аэротенки. Биофильтр - резервуар с фильтрующим материалом, поверхность которого покрыта биологической пленкой (колония микроорганизмов, способных сорбировать и окислять органические вещества из сточных вод). Аэротенк - резервуар, в котором очищаемые стоки смешиваются с активным илом (биоценоз микроорганизмов, также способных поглощать органику из стоков).

Биологическая очистка является основным методом обработки городских сточных вод. Существуют аэробные и анаэробные методы биологической очистки сточных вод. При аэробной очистке микроорганизмы культивируются в активном иле и биопленке.

Состав активного ила и биопленки

Активный ил является амфотерной коллоидной системой. Элементный химический состав активных илов достаточно близок и для городских сточных вод имеет формулу -C54H212082N8S7. Сухое вещество активного ила содержит:

70...90 % органических и 10...30 % неорганических веществ. Кроме живых организмов, в иле содержится субстрат - различные твердые остатки, к которым крепятся микроорганизмы. По внешнему виду активный ил представляет собой комочки и хлопья размером 3...150 мкм и высокой удельной поверхностью - около 1200 м2 на 1 м3 ила.

Сообщество живых организмов, населяющих активный ил или биопленку, называют биоценозом. Самыми важными факторами формирования биоценоза илов очистных сооружений являются состав обрабатываемой воды и величина нагрузки на ил (биопленку). Действие других факторов - температуры, перемешивания, концентрации растворенного кислорода - практически не изменяет качественного состава илов, но влияет на количественное соотношение различных групп микроорганизмов.

Бактерии. При аэробной очистке сточных вод протекают два наиболее важных микробиологических процесса: окисление органического углерода и нитрификация. Бактериальное микронаселение илов обычно представлено родами pseudomonas, bacterium, bacillus, corynebacterium, arthrobacter, mycobacterium, micrococcus, sarcina, actinomyces, nocardia и др.

К роду pseudomonas относится 50...80 % бактерий илов, очищающих сточные воды. Сюда входят бактерии, окисляющие метан (methanomonas), нитриты (nitrosomonas), молекулярный водород (hydrogenomonas), восстановленные соединения серы (sulfomonas, thiobacillus) и др. Бактерии hydrogenomonas интенсивно разлагают жирные кислоты, ароматические и гетероциклические соединения, a sulfomonas кроме соединений серы хорошо усваивают органические соединения.

В производственных сточных водах встречается до 30 видов bacterium. Эти бактерии усваивают нефть, парафины, наф-тены, фенолы и другие соединения. Видовое название бактерий отражает характер усваиваемых соединений: bact. aliphaticum, bact. naphtalinicus, bact. benzoli, bact. cyrloclastes и др. Из аммо-нификаторов в сточных водах встречаются bact. mycoides. Процессы аммонификации белковых соединений - важнейшая составная часть процессов очистки сточных вод. Высвобождаемый аммиак является источником азота, часть его окисляется до нитритов и нитратов. По сравнению с гетеротрофными углеродокисляющими бактериями бактерии-нитрификато-ры развиваются медленнее. Численность нитрификаторов увеличивается с возрастом ила. Наиболее активно нитрификация протекает после окисления органических соединений, когда создаются благоприятные условия для нитрификаторов. Из групп серобактерий в илах развиваются thiobacterium и thiotrix, окисляющие сульфиды, гипосульфиты, сероводород.

Бактерии bacillus, преобладающие среди микроаэрофильных и факультативно анаэробных форм, окисляют углеводы, фенолы, спирты; corynebacterium и arthrobacer встречаются в сточных водах производства нафтеновых и синтетических жирных кислот; mycobacterium - в сточных водах крекинга и риформинга. Бактерии micrococcus усваивают спирты, органические кислоты, альдегиды, бактерии sarcina - фенолы, сахара и т.д.

Если сточная вода в аэротенке плохо аэрируется, то развиваются анаэробные процессы, в которых могут участвовать микроорганизмы, осуществляющие маслянокислое брожение, денитрификацию, сульфатредукцию и др.

В зимний период преобладают психрофильные формы микроорганизмов.

Грибы. В активном иле аэробных очистных сооружений встречаются дрожжи и мицелиальные (плесневые) грибы.

Дрожжи активно развиваются в сточных водах, богатых углеводами, углеводородами и органическими кислотами, например при очистке сточных вод, образовавшихся при производстве кормовых дрожжей из разных субстратов, стоков молочных производств, содержащих молочную сыворотку. Среди дрожжей часто встречаются дрожжи Candida, torulopsis, trichosporon, rhodotorula.

При поддержании значения pH в области 3,5...6,0 биоценозы с доминированием дрожжей могуг иметь высокую окислительную способность и способны очищать сточные воды. Однако применение дрожжей для очистки сточных вод ограничено их слабой седиментационной способностью и недостаточной глубиной окисления загрязнений.

Грибы могут усваивать трудноокисляемые и токсичные соединения, в частности фенолы, поэтому их роль в процессах очистки существенна. Оптимальный pH их развития 4,0...5,5.

Среди мицелиальных грибов встречаются cladosporium, fusarium, geotrichum, mucor, trichoderma. Они образуют разветвленные гифы, которые затрудняют образование плотных хлопьев и осаждение ила и могут быть ответственны за его вспухание. Особенно часто во вспухающем иле наряду с нитчатыми бактериями s. natans встречаются грибы из рода fusarium. Для предотвращения опасности обильного развития грибов и вспухания ила биологическую очистку проводят при pH = 6,8...7,2, благоприятном для развития флокулообразующих бактерий.

Простейшие составляют около 0,5...1 % суспендированных частиц активного ила. Они непосредственно не участвуют в потреблении органических веществ, однако занимая в сообществе активного ила более высокий уровень в трофической цепи питания, чем бактерии, простейшие поглощают большое их количество (20...40 тыс. бактерий в сутки на одно простейшее). При этом регулируется видовой и возрастной состав микроорганизмов, снижается масса биоценоза, и следовательно, улучшается очистка воды. В биоценозах очистных сооружений встречаются несколько сотен видов представителей трех классов простейших: саркодовые (sarcodina), жгутиковые (masti-gophora) и инфузории (infusoria) с двумя подклассами - ресничные (ciiiata) и сосущие (suctoria). По сравнению с бактериями простейшие более чувствительны к изменению химических и физических условий среды, колебаниям технологических параметров очистки. Поэтому простейшие являются индикаторами состояния окислительной системы и качества очистки воды. Установлено, что в илах хорошего качества на 10!6 бактериальных клеток приходится 10-16 видов простейших организмов, в илах среднего качества - 5-9 и в илах плохого качества 1-4. Этот показатель состава ила называют коэффициентом прото-зойности крг.

Из других сопутствующих организмов важное место занимают коловратки (rotatoria) - микроскопические животные длиной 0,01...2,5 мм, питающиеся бактериями, простейшими, органическим детритом. Они чувствительны к кислороду и являются показателями хорошей работы очистной системы. При массовом развитии коловраток деструкция органического вещества может достигать по БПК 100...200 мг 02/л в сут. Отсутствие коловраток в иле свидетельствует о неудовлетворительной очистке.

Кроме рассмотренных групп организмов, в илах и биопленке встречаются круглые черви nematoda, малощетинковые кольчатые черви рода aelosoma, водные клещи, мушки psichoda.

В сооружениях с изменяющейся нагрузкой на биомассу по ходу движения сточной воды (аэротенки-вытеснители, биофильтры) изменяется биоценоз. В частности, в биофильтрах основная часть микрофлоры, окисляющей химические загрязнения, сосредоточена в верхнем слое - до 0,5 м от орошаемой поверхности сооружений. В более глубоких слоях микронаселение значительно меньше. Отмечено также, что плотность микробного населения в высоконагружаемом биофильтре в десятки раз превышает плотность, возникающую в капельном биофильтре.

В аэротенках-вытеснителях по ходу движения сточной воды достаточно четко прослеживается изменение в микробном составе ила. В начале процесса, когда на единицу массы ила приходится большая масса загрязнений, в нем преобладают гетеротрофные бактерии и сапрозойные простейшие, питающиеся растворенными органическими веществами. Свободно плавающие ресничные представлены незначительно. Далее при уменьшении количества загрязнений преобладающими становятся голозойные свободно плавающие инфузории и коловратки, питающиеся бактериями и сапрозойными простейшими. В конце процесса очистки максимальное развитие получают прикрепленные и хищные инфузории, коловратки, черви, питающиеся голозойными инфузориями и иловыми частицами.

Интересно отметить, что при очистке одной и той же сточной воды в аэротенке и биофильтре развивается идентичная микрофлора, но с разным количественным соотношением отдельных групп микроорганизмов. Например, в 1 м3 аэротенка при очистке дренажных вод, содержащих сероводород, число микробов, учтенное методом посева на питательные среды, составляло 21014, из них анаэробов около 0,01 %. Число микробов в 1 м3 биофильтра достигало 110!2, при этом анаэробная микрофлора составила уже 28,8 %.

Важнейшим свойством активного ила является его способность к оседанию. Свойство оседания описывается величиной илового индекса, представляющего собой объем в мл, занимаемый 1 г ила в его естественном состоянии после 30-минутного отстаивания. Илы с индексом до 120 мл/г оседают хорошо, с индексом 120... 150 мл/г - удовлетворительно, а при индексе свыше 150 мл/г - плохо. Иногда плохая оседаемость ила связана с развитием в нем нитчатых бактерий. Плохая оседаемость ила влечет за собой повышенный вынос его с очищенной водой и, следовательно, ухудшение качества ее очистки.

Оседаемость ила зависит от способности бактерий образовывать зооглеи (хлопки ила) - скопления бактерий разной формы и консистенции, окруженные слизистым слоем. Установлено, что хлопьеобразование у ила тем выше, чем больше в нем капсульных форм микробов. Соотношение капсульных и бескапсульных форм бактерий в иле называют коэффициентом зооглейности к2. Чем он выше, тем, следовательно, выше способность к хлопьеобразованию. Выявлена четкая зависимость способности к оседанию от нагрузки на ил; лучшей оседаемо-стью обладают илы, имеющие нагрузку по загрязнениям, соответствующую «классическим» системам аэротенков.

Илы обладают способностью вспухать, причем это явление наблюдается в любых системах кроме низконагружаемых, работающих с полной минерализацией ила. Вспухший ил (его индекс составляет более 150 мл/г) очень плохо отделяется от воды, однако вследствие весьма развитой поверхности соприкосновения частиц ила с водой он обладает высокой очищающей способностью. Существует мнение, что бороться с вспуханием илов практически невозможно, поскольку нельзя устранить его причины, которые неизвестны. К вспуханию ила могут привести самые разнообразные изменения условий работы системы, обычно не удается зафиксировать какую-либо одну конкретную причину этого явления.

Для образования биоценозов систем очистки используют активный ил с уже работающих очистных сооружений, состав которого сходен с составом поступающих загрязнений. При отсутствии очистных систем-аналогов активный ил формируют из сточных вод, разбавленных водой местных хозяйственнобытовых предприятий или из рек, постепенно адаптируя ценоз к загрязнениям стоков. Ил наращивают путём аэрации отсто-енной, снабженной биогенными солями и подогретой до

20...25 °С сточной воды. При появлении через 36...48 ч видимых хлопьев ила добавляется исходная сточная вода, аэрация продолжается и периодически производится декантация активного ила, сброс отстоенной воды и добавка исходных стоков. Через 15-16 сут по достижении концентрации ила 0,4...0,5 г/л аэротенк переводят в режим непрерывной подачи сточных вод с возвратом всего оседающего во вторичном остойнике ила в аэротенк до тех пор, пока его концентрация не достигнет 3...5 г/л. После этого часть ила начинает выводиться из системы.

Иногда активный ил формируют, используя сообщества микроорганизмов, полученных в лаборатории и потребляющих один или несколько основных компонентов загрязнений. Однако в условиях очистных сооружений лабораторный ценоз неустойчив и является лишь начальным звеном для образования рабочего активного ила.

Биопленка растет на наполнителе биофильтра и имеет вид слизистых образований толщиной 1,5...2 мм. Бактерии образуют нижний трофический уровень (рис. 1.2), именно они разрушают загрязнения. Простейшие, коловратки, как было отмечено ранее, поедают бактерии (одна инфузория в среднем поглощает от 20 до 40 тыс. бактерий) и в свою очередь служат пищей высшим видам, например личинкам насекомых. Учёт отдельных видов, участвующих в экологической пирамиде, несуществен для проектирования.