Аэробные процессы биохимической очистки сточных вод

Существуют две большие группы аэробных процессов биоочистки: экстенсивные и интенсивные. К экстенсивным относятся методы, непосредственно не связанные с управляемым культивированием микроорганизмов: поля орошения, поля фильтрации; биопруды. Микроорганизмы, находящиеся в верхних слоях почвы полей орошения и фильтрации или в воде биопрудов, образуют ценозы, за счет деятельности которых и происходит очистка воды.

В основе интенсивных способов лежит деятельность активного ила или биопленки, т. е. естественно возникающего биоценоза, формирующегося на каждом конкретном производстве в зависимости от состава сточных вод и выбранного режима очистки. Формирование биоценоза — процесс достаточно длительный и идущий постоянно в ходе очистки сточной воды в промышленных аппаратах: аэротенках, биофильтрах.

Активный ил представляет собой темно-коричневые хлопья размером до нескольких сотен микрометров; микроскопия показала, что он состоит на 70% из живых организмов и около 30% составляют твердые частицы неорганической природы.

Живые организмы вместе с твердым носителем, к которому они прикреплены, образуют зооглей — симбиоз популяций организмов, покрытый обшей слизистой оболочкой. Причины возникновения хлопьев активного ила не совсем понятны, зооглей может формироваться за счет флокуляции или адгезии клеток на поверхности носителя. Взаимодействие микроорганизмов в пределах одного зооглея достаточно сложно, и основой его служат, по всей видимости, симбиотические связи организмов разных популяций.

Соотношение капсульных и бескапсульных форм клеток в иле называется коэффициентом зоо^ейности К₂.

Микроорганизмы, выделенные из активного ила, относятся к различным родам: Actinomyces, Arthrobacter, Bacillus, Corynebacterium, Desulfotomaculum, Micrococcus, Pseudomonas, Sarcina и др. Наиболее многочисленны бактерии рода Pseudomonas. Они окисляют спирты, жирные кислоты, парафины, ароматические углеводороды, углеводы и др. Широко представлены в активном иле и бактерии родов Flavobacterium, Achromobacter, Mycobacterium (выделено 30 видов), которые осуществляют деградацию нефти, парафинов, нафтенов, фенолов, альдегидов и жирных кислот. Алифатические углеводороды окисляются представителями рода Bacillus. Окислительная способность перечисленных микроорганизмов для различных органических соединений различна, и лишь для бактерий рода Pseudomonas она практически одинакова для разных видов загрязнений.

В зависимости от внешней среды, которой в данном случае является сточная вода, та или иная группа бактерий может оказаться преобладающей, а остальные становятся спутниками основной группы.

При изменении состава сточной воды может увеличиться численность одного из видов микроорганизмов, однако другие культуры, проигрывающие в конкурентной борьбе за субстрат, все равно остаются в составе биоценоза. На взаимоотношения микроорганизмов ила влияют и продукты биосинтеза различных групп: возможен не только симбиоз или антагонизм микроорганизмов, но также и взаимодействие их по принципу аменсализма, комменсализма или нейтрализма. На формирование ценозов активного ила могут оказывать влияние сезонные колебания температуры (ведущие к преобладанию психрофильных форм микроорганизмов в зимний период), обеспеченность кислородом и присутствие в сточных водах минеральных компонентов.

Роль всех этих параметров при формировании активного ила делает процесс достаточно сложным и практически не воспроизводимым: даже для стоков, имеющих одинаковый состав, но возникающих в разных регионах, невозможно получить одинаковые биоценозы активного ила. Существенная роль в создании и функционировании консорциума клеток принадлежит простейшим.

Функции простейших достаточно многообразны: сами они не принимают непосредственного участия в потреблении органических веществ, но регулируют видовой и возрастной состав микроорганизмов в активном иле, поддерживая его на оптимальном уровне. Поглощая большое количество бактерий, простейшие способствуют выходу значительного количества бактериальных экзоферментов, которые могут концентрироваться в слизистой оболочке и принимать участие в деструкции загрязнений. В активных илах встречаются разнообразные простейшие: саркодовые (Sarcodina); жгутиковые (Mastigophora); ресничные инфузории (Ciliata)', сосущие инфузории (Suctoria).

Простейшие выбирают из смешанной культуры бактерий лишь те виды, которые они усваивают. Одна инфузория пропускает через свой организм от 20 до 40 тыс. бактерий за сутки.

Поедание старых ослабленных форм облегчает размножение оставшихся и приводит к появлению большого количества молодых, биологически активных форм. При хорошей работе очистных сооружений представители класса саркодовых (амебы рода Amoeba) развиваются в активных илах в незначительных количествах.

В активных илах высокого качества на 1 млн клеток бактерий должно быть 10—25 клеток Protozoa. Это соотношение называется коэффициентом протозойности К_р. Скорость биохимического окисления растет с увеличением значения К, и К_р. Следует отметить, что простейшие очень чувствительны к присутствию в сточных водах небольших концентраций определенных органических веществ: так, фенол и формальдегид уже в незначительных концентрациях угнетают их развитие.

В активном иле идентифицированы бактерии множества различных видов, но, как правило, их определение до вида не представляет большого интереса. Следует выделить три основные группы: флокулообразующие бактерии; органотрофные нитчатые бактерии; бактерии-нитрификаторы.

Флокулообразовател и необходимы не только для деградации органических веществ (определяемых как биохимическая потребность в 0₂ — ВПК), но и для образования стабильных флокул, которые способны быстро осаждаться с образованием плотного ила в отстойнике.

Нитрификаторы превращают аммонийный азот в нитраты. Эти бактерии необходимы, если процесс направлен на получение выходных стоков с низкой концентрацией аммонийного азота.

Нитчатые бактерии представляют собой до некоторой степени аномалию. С одной стороны, известно, что они образуют скелет, вокруг которого формируются флокулы, с другой — являются источником двух проблем — плохого осаждения и образования устойчивой пены.

Простейшие потребляют бактерии и обеспечивают низкую мутность выходных стоков. Всего было идентифицировано около 200 видов простейших, но именно инфузории, в частности круглоресничные (прикрепленные к субстрату), такие как сувойки (Vorticello) и Opercularia, имеют наибольшее значение. Применительно к илу термин «активный» означает, что биомасса:

• • представляет собой микрофлору, содержащую все ферментативные системы, необходимые для деградации загрязнений, которые следует удалить;
• • имеет поверхность с сильной адсорбционной способностью;
• • способна образовывать стабильные флокулы, которые легко осаждаются при отстаивании.

Несколько иную картину представляет биоценоз, возникающий на биофильтрах. На поверхности загрузочного материала биофильтра происходит образование биологической пленки: микроорганизмы прикрепляются к носителю и заполняют его поверхность. В отличие от биоценоза активного ила, количественный и видовой состав которого практически одинаков во всей системе очистки, на разных уровнях биофильтра создаются свои ценозы микроорганизмов, которые порой резко отличаются не только качественным, но и количественным составом. Это вызвано тем, что по мере прохождения сточной воды через биофильтр за счет жизнедеятельности предыдущего ценоза меняется характеристика органических загрязнений воды, попадающей на следующий уровень. При этом сначала потребляются более лсгкоусвоясмыс загрязнения и преимущественно развивается микрофлора, усваивающая эти соединения с большей скоростью.

В свою очередь, сточная вода обогащается продуктами жизнедеятельности этого ценоза. По мере дальнейшего продвижения воды происходит потребление все более трудноусвояемых компонентов смеси и, следовательно, развиваются другие организмы, которые функционируют за счет потребления части биопленки, оторвавшейся с поверхности носителя. Созданный таким образом биоценоз способен практически полностью извлечь из сточной волы все органические примеси.

Эффективного управления процессом биологической очистки можно достичь лишь при правильном подборе параметров процесса.

обеспечивающих необходимую полноту извлечения загрязнений. Основные параметры, влияющие на биологическую очистку, таковы: температура; pH; количество растворенного кислорода; уровень перемешивания; концентрация и возраст циркулирующего в очистных системах активного ила; наличие в воде токсичных соединений.