10.1.1. Биологическая очистка сточных вод

Биологическая очистка сточных вод представляет интенсифицированную модель процессов, происходящих в природных водоемах при попадании в них избытка органических соединений:

1. На повышение концентрации доступного субстрата автохтонная микробная популяция водоема отвечает увеличением своей плотности.

2. Развиваются микроорганизмы, способные использовать субстрат в более высоких концентрациях.

3. Резко понижается содержание растворенного кислорода в воде.

4. Увеличение в воде содержания соединений азота и фосфора вызывает в водоемах массовое развитие зеленых водорослей и водных растений, что, в свою очередь, приводит к увеличению концентрации кислорода в воде.

5. В проточных водоемах, в реках, ручьях очищению воды способствуют микробные обрастания на твердых поверхностях. Важный природный фактор очистки поверхностных вод – фильтрация через почву и грунт, где микроорганизмами обрастают твердые поверхности.

6. Избыток бактерий потребляется простейшими.

7. В иловых осадках природных водоемов осуществляется анаэробная деградация органических веществ. В условиях доступа кислорода преобладают аэробные микроорганизмы, в его отсутствие соответственно анаэробные.

8. Для улучшения процесса очистки необходимо улучшение снабжения кислородом и удержание высокой плотности и разнообразия микроорганизмов в системе.

Простые методы очистки стоков. Окислительные пруды (лагуны) и каналы представляют собой простейшие системы очистки бытовых сточных вод. Это аналоги гиперевтрофицированных водоемов. Микроорганизмы находятся во взвешенном состоянии и в осадке. Снабжение кислородом осуществляется за счет диффузии и фотосинтетической активности водорослей и водных растений, поэтому водоемы должны быть неглубокими. Более эффективны системы из нескольких прудов, соединенных каналами, где происходит ступенчатая очистка. Разновидностью окислительных прудов и каналов являются водоемы, заросшие тростником (камышом). Очищаемая вода медленно течет через камышовые плавни. Через полые стебли растений кислород поступает в ризосферу, где развивается сложное микробное сообщество, представленное взвешенными и прикрепленными к корням тростника аэробными и анаэробными микроорганизмами.

Поля орошения, искусственные болота. Такая очистка может применяться в местах, где имеется слой глины, залегающий под фильтрационным слоем почвы и песка и предохраняющий грунтовые воды от загрязнения.

Пруды-отстойники или закрытые навозохранилища применяются для стабилизации навозных стоков, деградации легкоразлагаемых органических веществ используют длительное, от 6 месяцев и более, выдерживание навоза, при этом в верхней части осуществляется аэробная деградация, а в нижней – анаэробная.

Струйные биофильтры с прикрепленными микроорганизмами также являются простыми и дешевыми очистными сооружениями. Они представляют собой емкости, заполненные пористым материалом (щебень, керамзит и т.п.). Вода поступает сверху, медленно струится между обросшим микробной биопленкой наполнителем и собирается внизу. Для улучшения очистки используют циркуляцию очищаемой воды в одном фильтре или несколько соединенных последовательно струйных биофильтров.

Открытые окислительные каналы или резервуары, в которых установлены вращающиеся диски, изготовленные из синтетических материалов и наполовину погруженные в медленно протекающую воду, также являются недорогими устройствами для очистки сточных вод. Диски обрастают микробной биопленкой.

В формировании микробной биопленки важную роль играет выделяющая слизь Zoogloea ramigera и близкие к ней виды. В слизистой матрице, толщина которой обычно составляет около 200 мкм, развивается сложное микробное сообщество, включающее бактерии, микроскопические грибы, простейшие, нематоды. Простейшие выполняют важную санитарную функцию, поедая бактерии, не прикрепленные к пленке, в том числе отмирающие и патогенные.

При самоочищении природных водоемов и в функционировании окислительных прудов лимитирующими факторами при попадании органических соединений в воду являются низкая плотность микробной популяции, способной использовать загрязнения, и недостаточный доступ кислорода.

Простые системы с невысокой скоростью процесса очистки, конечно, не могут решить проблем городов с большим населением и крупных промышленных предприятий, особенно в регионах с умеренным и холодным климатом, где необходимо применение гораздо более эффективных систем обработки сточных вод.

Процессы с использованием активированного ила и централизованная очистка сточных вод. В современных системах аэробной очистки путем применения принудительной интенсивной аэрации и поддержания высокой плотности микробной популяции в аэротенках путем возврата части активного ила обеспечивают необходимую плотность и разнообразие микробной популяции, окисляющей органические загрязнения вплоть до практически полного их удаления. Технология «Процесс активированного ила» применяется в настоящее время во всем мире для очистки городских сточных вод.

Централизованные очистные сооружения в больших городах представляют собой промышленные предприятия.

Городские сточные воды включают: 1) бытовые – туалетные и кухонные стоки; 2) ливневые – дождевые и снеговые воды; 3) промышленные – стоки различных предприятий.

Ливневые стоки в России практически не очищают, однако в связи с резким увеличением автомобильного транспорта в крупных городах эта проблема требует решения. Городские станции очистки воды очищают бытовые сточные воды и обычно принимают нетоксичные стоки промышленных предприятий.

Сточные воды, поступающие для очистки на станции аэрации российских городов, содержат от 200 до 400 мг/л загрязнений, из них около 50 % составляют углеводы, 35 – 40 % – азотсодержащие соединения, 10 % – жиры и детергенты, около 5 % – другие, включая полимерные и полициклические соединения. При этом около трети загрязнений находятся в нерастворимой фрак­ции. Из неорганических загрязнений наи­более важными являются соединения аммония и нитраты (до 40 мг N/л), а также фосфаты (до 10 мг Р/л).

В сточных водах обычно присутствует до 10¹⁰/л микробных клеток, при этом содержание патогенных микроорганизмов очень мало. Так, численность клеток индикатора фекальных загрязнений Escherichia coli составляет обычно не более 1 % от общей численности микробных клеток. Среди непатогенных бактерий доминируют Pseudomonas fluorescens, P. aeruginosa, Bacillus cereus, В. subtilis, Proteus vulgaris, Klebsiella. pneumonie, Enterobacter cloacae, Zoogloea ramigera.

На современных предприятиях очистки воды обеспечивается не только окисление органических загрязнений, но и удаление соединений азота и фосфора. Типовая схема очистки сточных вод «процесс активированного ила» включает 4 ступени (рис. 10.1):

1. удаление твердых включений (механическая обработка, осаждение);

2. биологическое окисление органических загрязнений (микробиологическая обработка, собственно процесс активированного ила);

3. химическое и/или биологическое удаление неорганических загрязнений (доочистка);

4. обеззараживание (хлорирование, озонирование).

Рис.10.1. Типовая схема очистки сточных вод

На первой механической при прохождении стока через решетки, песколовку и первичный отстойник отделяются крупные и мелкие твердые включения, при этом удаляется до 30 % загрязнений. Крупные включения захораниваются на полигонах ТБО, осадок из отстойника (первичный осадок) направляется на анаэробную обработку в метантенк.

Биологическая очистка – вторая, центральная, ступень обработки сточных вод. Она осуществляется с помощью «процесса активированного ила». Основной процесс происходит в открытом бассейне, аэротенке, содержимое которого перемешивается и снабжается кислородом с помощью мешалок и воздуходувок разных конструкций. Контролируемая подача воздуха обеспечивает поддержание в аэротенке содержания кислорода в пределах 10 – 40 % насыщения воздухом. Растворенные и суспендированные загрязнения окисляются сложным микробным сообществом, при этом удаление органических загрязнений достигает часто 99 % от первоначального.

Активированный ил представлен агрегатами (флоками) бактериальных клеток и некоторым количеством простейших. Простейшие в активированном иле представлены инфузориями родов Paramecium и Vorticella и амебами. Кроме того, часто присутствуют нематоды и иногда олигохеты. Простейшие питаются преимущественно одиночно плавающими микробными клетками. Таким образом, хищники:

• улучшают способность активированного ила к осаждению.

• осуществляют и обеззараживающую функцию, поедая патогенные и условно патогенные микроорганизмы.

• в отсутствие простейших увеличивается количество взвешенных микробных клеток, которые выносятся с очищенной водой, что ухудшает ее качество.

Микробное сообщество активированного ила представлено исключительным биоразнообразием. Для него характерны бактерии, способствующие формированию агрегатов – зооглейные Zoogloea ramigera и близкие к ней виды и нитчатые Leucothrix и Thiothrix. В иле также показано присутствие бактерий родов Paracoccus, Caulobacter, Hyphomicrobium, Nitrobacter, Acinetobacter, Sphaerotilus, Aemmonas, Pseudomonas, Cytophaga, Flavobacterium, Flexibacter, Haliscomenobacter, Arthrobacter, Corynebacterium, Nocardia, Rhodococcus, Bacillus, Clostridium, Lactobacillus, Staphylococcus. Считается, однако, что к настоящему времени идентифицировано не более 5 % видов микроорганизмов активированного ила. Интересно, что условия очистки воды в процессе активированного ила неблагоприятны для развития патогенных бактерий. Там их очень немного. Обычно численность Salmonella, Shigella и Е. coli в очищенной воде на 90 – 99 % ниже, чем в воде, поступающей на очистку. Гибели патогенов способствует интенсивная аэрация, неспособность их к агрегированию, уничтожение простейшими и Bdellovibrio. Энтеровирусы также эффективно удаляются при очистке воды, адсорбируясь на осаждающихся твердых частицах и флокулах ила.

В аэротенке происходит активный рост микроорганизмов, которые благодаря наличию слизистых капсул у многих микроорганизмов, нитчатых форм бактерий, притяжению положительно заряженных ионов и образованию полисахаридных фибрилл спонтанно агрегируются, образуя рыхловатые флоки неправильной формы размером до 1 – 2 мм.

Способность ила к осаждению – ключевое свойство, позволяющее контролировать систему.

Активированный ил не всегда хорошо осаждается. Практикам известна ситуация, когда микробный ил всплывает на поверхность воды и выносится с очищенной водой, ухудшая ее качество. Флотация ила обусловлена развитием избытка нитчатых бактерий, которые формируют сеть между микробными флокулами ила, образуя гигантские пенообразные хлопья. Всплывающий ил содержит большое количество нитчатых бактерий родов Sphaerotilus, Beggiatoa, Thiothrix, Bacillus, а также нитчатых грибов и актиномицетов родов Geothrichum, Cephalosporium, Cladosporium, Penicillium.

Обработанная в аэротенке вода и активный ил, состоящий в основном из микробной биомассы, разделяются в отстойнике (вторичный отстойник), из которого вода направляется для сброса в принимающий водоем или на доочистку (удаление азота и фосфора). Агрегированная микробная биомасса, выносимая с водой из аэротенка в отстойник, осаждается довольно эффективно, и 70 – 95 % ее направляется обратно в аэротенк.

Возврат в аэротенк части активного микробного ила обеспечивает важные функции, отличающие процесс активированного ила от обычной проточной культуры:

• позволяет поддерживать максимально возможное разнообразие микроорганизмов, необходимое для обеспечения использования различных веществ, присутствующих в сточных водах в разных концентрациях;

• возврат ила поддерживает количество активной биомассы в аэротенке намного выше необходимого для деградации поступающих со сточной водой загрязнений. Это позволяет повысить скорость окисления и увеличить сродство ила к нерастворимому субстрату;

• возврат ила разобщает время пребывания в аэротенке ила и очищаемой воды. Время пребывания воды составляет 4 – 12 ч, а ила – от нескольких дней до нескольких недель, что позволяет удерживать в системе медленно растущие микроорганизмы;

• возврат ила регулирует эффективность его осаждения, так как в аэротенк возвращаются только агрегированные микроорганизмы, которые уже прошли осаждение, в то время как суспендирован­ные микробы вымываются из системы.

Избыток активированного ила удаляется из вторичных отстойников, смешивается с первичным осадком и направляется на анаэробную обработку в метантенк, где удаляется 20 – 30 % легко разлагаемых органических веществ. Затем стабилизированный осадок уплотняется механически с помощью центрифуг и фильтрпрессов. Уплотненные механически или в иловых чеках осадки вывозятся на полигоны захоронения ТБО. Осадки с допустимыми концентрациями тяжелых металлов все чаще используются как удобрения.

На сооружения третьей ступени очистки очищенная в аэротенках вода поступает на доочистку от азота и фосфора, попадание которых в водоем вызывает евтрофикацию. Для удаления этих элементов используются химические, физические и биологические методы.

Азот удаляется в виде N₂. В поступающей на доочистку воде азот присутствует в виде аммония, нитрита и нитрата. Для полного окисления до нитрата нитрифицирующим бактериям необходимы интенсивная аэрация и низкая концентрация органических веществ. Образующийся нитрат может быть восстановлен до молекулярного азота N₂ в процессе анаэробной денитрификации в присутствии неорганического (или органического) донора электронов, которым могут быть водород, метанол, этанол. На практике окисление аммония и восстановление нитрата обычно осуществляются в одном бассейне (емкости), в условиях периодического ограничения доступа кислорода, т.е. путем чередования аэробных и анаэробных условий. Источником углерода и электронов служат органические загрязнения, которые подаются с порцией неочищенной воды.

Подобный процесс способствует развитию бактерий, аккумулирующих фосфат, в частности представителей рода Acinetobacter и некоторых грамположительных бактерий. В условиях интенсивной аэрации эти бактерии накапливают в клетках в качестве запасного материала полифосфат, а при ограничении доступа кислорода в анаэробных условиях выделяют неорганический фосфат. Таким образом, фосфат может быть удален с осадком аэробного ила. Другим путем удаления фосфора является химическое осаждение в виде фосфатов железа и алюминия – FePO₄ и А1РО₄. Это наиболее распро­страненный метод очистки воды от фосфора. Однако осаждение его из воды без стадии развития фосфатаккумулирующих бактерий требует большого расхода химических реагентов.

Дезинфекция – четвертая ступень очистки сточных вод, применяется довольно редко для уничтожения остающихся после очистки патогенных бактерий и вирусов и обычно в тех случаях, когда очищенная, так называемая оборотная вода, используется для технических нужд. Для дезинфекции используют обычно газообразный хлор (С1₂), гипохлорит кальция Са(ОС1)₂ или натрия NaOCl, либо эффективный, но дорогостоящий метод озонирования с использованием О₃.

Анаэробная обработка концентрированных стоков.

Интенсивная анаэробная очистка сточных вод. Благодаря развитию систем интенсивной анаэробной очистки стоков, так называемых анаэробных реакторов нового поколения, широкое распространение находит первичная анаэробная очистка концентрированных сточных вод. Применяется чередование аэробных и анаэробных ступеней очистки.

Первичная анаэробная обработка оказалась чрезвычайно подходящей и экономичной для современных концентрированных сточных вод различных отраслей промышленности. Более того, для стоков, ХПК которых превышает 2000 мг/л, анаэробная обработка является единственно приемлемым методом очистки, позволяющим удалить до 90 % загрязнений. Последующая аэробная очистка нужна для окисления остатка органических веществ, аммония и сульфида. Так как анаэробное микробное сообщество развивается очень медленно, необходимо максимальное удержание активной биомассы в реакторе.

Этому способствует использование реакторов с прикрепленной микробной биомассой – анаэробных биофильтров и взвешенного слоя активного ила (рис. 10.2). Реакторы с фиксированной жесткой загрузкой представляют собой анаэробную модификацию биофильтра (рис. 10.2, А). Очищаемая вода может подаваться как сверху, так и снизу. Недостатком анаэробного биофильтра считается относительно быстрое забивание пористого материала. Этот недостаток преодолевается в системах взвешенного слоя ила (рис. 10.2, Б). Наиболее эффективна система, представленная реактором восходящего потока с взвешенным слоем ила (рис. 10.2, В).

Рис. 10.2. Типы современных реакторов для интенсивной аэробной и анаэробной очистки сточных вод (По А.И. Нетрусов, 2004)

Эти реакторы имеют достаточно простую конструкцию и относительно просты в эксплуатации. Инертный носитель в них не используется. Очищаемая вода подается в нижнюю часть реактора, и ее восходящий поток медленно проходит через толстый обычно 2 – 4 м) слой активного ила, более плотного внизу и взвешенного в верхней части.

Метаногенный ил представлен плотными агрегатами до 2 – 3 мм в диаметре, так называемыми гранулами, которые спонтанно формируются из микробных клеток. Вместе с пузырьками образуемого ими метана микробные гранулы поднимаются в верхнюю часть реактора, пузырьки газа отрываются и гранулы ила опускаются вниз. В верхней части реактора установлены отбойники для сбора газа и предотвращения выноса микробных гранул.

Важными факторами образования гранул являются морфология и физиология микроорганизмов метаногенного сообщества и гидродинамический режим реактора. Основу структуры метаногенных гранул составляют археи родов Methanosarcina и Methanosaeta (Methanothrix). Метаносарцины образуют макроколонии и имеют гликокаликс, в который погружены клетки и колонии других бактерий, входящих в сообщество. Однако агрегаты с преобладанием метаносарцин мелкие, рыхлые и образуются, как правило, на сильно концентрированных стоках. Настоящие плотные гранулы формируются на основе Methanosaeta (Methanothrix). Ее нити образуют клубковые структуры, а в промежутках обитают остальные члены сообщества, для которых тесное пространственное расположение выгодно для транспорта промежуточных продуктов. Образование метаногенных гранул является феноменом естественной самоорганизации микробного сообщества в искусственной среде обитания. Сформированный гранулированный ил используется в качестве посевного материала для пуска новых реакторов. Важная особенность систем с взвешенным слоем ила – высокая селективность в отношении микроорганизмов и сообществ, способных деградировать те или иные вещества в заданных условиях, лишние микроорганизмы не включаются в гранулы и вымываются из реактора.

Образующийся в реакторах биогаз используют для обогрева реакторов или подаваемой на очистку воды, так как процесс очистки проходит в большинстве случаев в мезофильном режиме при 30 °С. В последнее время уделяется большое внимание анаэробной обработке при пониженных температурах (10 – 20 °С).

Анаэробная обработка полужидких отходов. Только анаэробная обработка пригодна для полужидких текучих отходов с содержанием сухого вещества до 15 г/л, к которым относятся осадки сточ­ных вод и навоз при самотечной системе уборки.

Анаэробные пруды (лагуны) используются в странах с теплым климатом для обработки полужидкого, в основном свиного, навоза с целью получения удобрений и биогаза как источника энергии. При этом пруды или большие емкости, установленные на поверхности земли для лучшего обогрева, сверху покрывают пластиковыми матрасами, в которые собирают биогаз, состоящий из метана и углекислоты. Анаэробные лагуны применяются в теплых странах также для стабилизации концентрированных стоков боен, включающих содержимое желудочно-кишечного тракта животных. Большое количество жира всплывает, поднимая твердые частицы и образуя плотную корку на поверхности. Корка создает анаэробные условия и уменьшает распространение чудовищного запаха.

Иловые чеки и пруды-накопители, куда транспортируют сырой, не прошедший анаэробную обработку осадок сточных вод, также являются анаэробными лагунами, так как кислород проникает только в самый верхний слой осадка. В климатических условиях России анаэробная деградация в прудах осуществляется крайне медленно.

При анаэробной обработке навоза быстро получается качественное обеззараженное удобрение. Вместе с навозом возможно сбраживание растительных остатков, пищевых отходов и т.п., как это традиционно осуществляется в Китае, Индии и в других странах Юго-Восточной Азии.