Очистка сточных вод

В биофильтрах  сточные воды пропускаются через  слой крупнозернистого материала, покрытого  тонкой бактериальной пленкой. Благодаря  этой пленке интенсивно протекают процессы биологического окисления. Именно она  служит действующим началом в  биофильтрах.

В биологических  прудах в очистке сточных вод  принимают участие все организмы, населяющие водоем.

   Аэротенки - огромные резервуары из железобетона. Здесь очищающее начало - активный ил из бактерий и микроскопических животных. Все эти живые существа бурно развиваются в аэротенках, чему способствуют органические вещества сточных вод и избыток кислорода, поступающего в сооружение потоком подаваемого воздуха. Бактерии склеиваются в хлопья и выделяют ферменты, минерализующие органические загрязнения. Ил с хлопьями быстро оседает, отделяясь от очищенной воды. Инфузории, жгутиковые, амебы, коловратки и другие мельчайшие животные, пожирая бактерии, неслипающиеся в хлопья, омолаживают бактериальную массу ила.

   Сточные воды перед биологической очисткой подвергают механической, а после нее для удаления болезнетворных бактерий и химической очистке, хлорированию жидким хлором или хлорной известью. Для дезинфекции используют также другие физико-химические приемы (ультразвук, электролиз, озонирование и др.)

   Биологический метод дает большие результаты при очистке коммунально-бытовых стоков. Он применяется также и при очистке отходов предприятий нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной промышленности, производстве искусственного волокна. 

3.Процессы биологической очистки 

   Сооружениям биологической очистки отводится главенствующая роль в общем комплексе сооружений канализационной очистной станции. В результате процессов биологической очистки сточная вода может быть очищена от многих органических и некоторых неорганических примесей. Процесс очистки осуществляет сложное сообщество микроорганизмов - бактерий, простейших, ряда высших организмов - в условиях аэробиоза, т.е. наличия в очищаемой воде растворённого кислорода. Загрязнения сточных вод являются для многих микроорганизмов источником питания, при использовании которого они получают всё необходимое для их жизни - энергию и материал для конструктивного обмена (восстановления распадающихся веществ клетки, прироста биомассы). Изымая из воды питательные вещества (загрязнения), микроорганизмы очищают от них сточную воду, но одновременно они вносят в неё новые вещества - продукты обмена, выделяемые во внешнюю среду.

   До настоящего времени не существует системы биоиндикации процесса биологической очистки, и остаётся справедливым утверждение о множестве разноречивых данных, трактующих взаимосвязь качества очистки и специфических организмов. Это объясняется, прежде всего, особенностями биоценоза активного ила, его высоким адаптационными свойствами, что позволяет развиваться одним и тем же видам в разных экологических зонах, влиянием на его развитие сложного комплекса биотических и абиотических факторов. 

3.1.Комплекс биотических и абиотических факторов 

Основными абиотическими  факторами, воздействующими на биоценоз ила, являются: температура, состав очищаемых  сточных вод и наличие в  них токсичных веществ, влияющих на жизнедеятельность микроорганизмов; фактические концентрации и разнообразие растворённых питательных веществ, используемых микроорганизмами для  роста; содержание растворённого кислорода  в иловой смеси (табл.1). 

Таблица 1. Экологические факторы, определяющие развитие активного ила. 

АБИОТИЧЕСКИЕ  ФАКТОРЫ                           БИОТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ 

3.2.Способность  к флокуляции 

   Своеобразные  условия существования формируют  активный ил и его способность  к флокуляции, которая является  одной из важнейших характеристик  состояния биоценоза. Структура  и биологические свойства хлопьев  ила определяют эффективность  и качество биологической очистки.  При нормально идущих процессах  очистки масса активного ила  представлена хлопьями с плотностью  в среднем 1.1-1.37 г/см3 и размером  от 53 до 212 мкм. Бактериальные клетки  расположены внутри, на поверхности  хлопьев, могут быть представлены  незначительным количеством не  связанных с хлопьями одиночными  бактериями: палочками, кокками,  спирохетами и микроколониями  из палочек. Бактерии активного  ила синтезируют и секретируют  в среду внеклеточный биополимер - полисахаридный гель. Именно наличие  геля обуславливает агрегацию  микроорганизмов и образование  хлопьевидных скоплений - флокул. Активный ил только в флокулированном  состоянии может обеспечивать  высокие скорости окисления загрязняющих  веществ, и, по существу, качество  очищенной воды определяется  его способностью к флокуляции. 

3.3.Процесс  полной трёхстадийной биологической  очистки 

   Процесс  полной биологической очистки  протекает в три стадии.

   На первой  стадии, сразу же после смешения  сточных вод с активным илом, на его поверхности происходят  адсорбция загрязняющих веществ  и их коагуляция (укрупнение частиц  несущих органические вещества), причём адсорбция обеспечивается  как хемосорбцией, так и биосорбцией  с помощью полисахаридного геля  активного ила и благодаря  огромной поверхности ила, один  грамм которого занимает 100 м2. Таким  образом, на первой стадии очистки  загрязняющие вещества в сточных  водах удаляются благодаря механическому  изъятию их активным илом из  воды и началу процесса биоокисления  наиболее легкоразлагающейся органики. Высокое содержание поступающих  загрязняющих веществ способствует  на первой стадии высокой кислородопоглащаемости, что приводит к практически  полному потребления кислорода  в зонах поступления сточных  вод в аэротенках. На первой  стадии за 0.5-2.0 часа содержание  органических загрязняющих веществ,  характеризуемых показателем БПК5, снижается на 50-60%.

   На второй  стадии полной биологической  очистки продолжается биосорбция  загрязняющих веществ и идёт  их активное окисление экзоферментами (ферментами, выделяемыми активным  илом в окружающую среду). Благодаря  снизившейся концентрации загрязняющих  веществ, начинает восстанавливаться  активность ила, которая была  подавлена к концу первой стадии  очистки. Скорость потребления  кислорода на этой стадии меньше, чем в начале процесса, и в  воде накапливается растворённый  кислород. В случае благополучия  второй стадии экзоферментами  окисляется до 75% органических загрязняющих  веществ, характеризуемых показателем  БПК5. Продолжительность этой стадии  различна в зависимости от  состава очищаемых сточных вод  и составляет от 2.0 до 4.0 часов.

   На третьей  стадии очистки происходит окисление  загрязняющих веществ эндоферментами (внутри клетки), доокисление сложноокисляемых  соединений, превращение азота аммонийных  солей в нитриты и нитраты,  регенерация активного ила. Именно  на этой стадии (стадии внутриклеточного  питания активного ила) происходит  образование полисахаридного геля, выделяемого бактериальными клетками. Скорость потребления кислорода  вновь возрастает. Общая продолжительность  процесса в аэротенках составляет 6-8 часов для бытовых и может  увеличиваться до 10-20 и более часов  при совместной очистке бытовых  и производственных сточных вод.  Продолжительность третьей стадии, таким образом, составляет от 4-6 часов при очистке бытовых  сточных вод и может удлиняться  до 15 часов.

   Благополучие  фазы эндогенного питания определяется  величиной нагрузки, возрастом активного  ила и временем пребывания  его в аэротенках. Увеличение  возраста активного ила, времени  его пребывания в системе очистки,  падение удельной нагрузки на  него продлевает фазу эндогенного  питания и создаёт благоприятный  режим для её протекания, что  способствует активному гелеобразованию,  укрупнению хлопьев активного  ила, улучшению его флокулирующих  свойств. Внезапное увеличение  нагрузки, сокращение возраста, токсические  вещества, присутствующие в поступающей  на очистку воде, оказывают подавляющее  воздействие на процесс ферментативного  окисления в целом и на фазу  эндогенного питания. Таким образом,  флокуляция хлопьев, а, следовательно,  эффективность очистки, зависит  от характеристик поступающих  сточных вод, условий введения  технологического процесса очистки  и от действия гидродинамических  сил в аэротенке. 

3.4.Видовое  разнообразие организмов активного  ила 

   Богатое  видовое разнообразие (не менее  25 видов простейших) организмов активного  ила свидетельствует о благополучии  биологической системы аэротенка,  Высокой эффективности очистки  и устойчивости биоценоза к  повреждающему воздействию токсичных  сточных вод.

Как и в других водных сообществах, характер реакции  биоценоза активного ила на неблагоприятное  воздействие, проявляется в снижении видового разнообразия. Чувствительные к неблагоприятному воздействию  виды могут исчезнуть совсем или  резко снизить численность, в  то время как устойчивые становятся ещё обильнее. Если действие неблагоприятного фактора нарастает или долго  сохраняется, затрагиваются все  новые виды биоценоза и, в результате, при минимальном видовом разнообразии наблюдается максимальная численность  наиболее устойчивых видов.

   Усложнение  биоценоза сопровождается последовательным  включением в него всё более  совершенных видов вплоть до  хищников:

зооглеи - нитчатые бактерии-мелкие жгутиконосцы - мелкие раковинные амёбы-свободноплавающие - брюхоресничные - прикреплённые и  сосущие инфузории - коловратки - черви - водные клещи - представители третьего трофического уровня .Своеобразие биоценоза  активного ила в наибольшей степени  определяется нагрузкой по органическим загрязняющим веществам и эффективностью их разложения. 

3.5.Режим  работы активного ила 

   Суммарный  эффект воздействия разнообразных  факторов, основным из которых  следует считать удельные нагрузки, формирует специфический для  каждого очистного сооружения  активный ил, который может быть  подразделён на три основных  типа:

А. Работающий на неполное окисление органических загрязнений.

Б. Полное окисление.

В. Полное окисление  с последующей нитрификацией 

   Сооружения  биологической очистки, работающие  в режиме неполного окисления,  как правило, имеют высокие  удельные нагрузки (400-600 мг БПК  на грамм активного ила). При  этом формируется биоценоз с  бедным видовым разнообразием (5-13 видов) простейших и численным преобладанием отдельных групп, таких как жгутиконосцы, раковинные амёбы, нитчатые бактерии, крупные свободноплавающие инфузории, "бентосные" раковинные амёбы, мелкие корненожки.

   При сниженных нагрузках на ил до 250-300 мг/г, обеспечивается полное окисление растворённых органических веществ. Такие сооружения обычно очищают сточные воды смешанного состава (бытовые и производственные). Неоднородное, многокомпонентное загрязнение среды обитания даёт возможность организмам ила приобрести и сохранять необходимый уровень приспособленности в широком спектре непрерывно меняющихся условий. Биоценозы на таких очистных сооружениях разнообразны по видам, динамичны, подвижны и чутко реагируют на внешнее воздействие. При нормально протекающем процессе очистки в них отсутствуют численно доминирующие виды или такое доминирование минимально.

   При удельных нагрузках 80-150 мг/г обеспечивается полное окисление и нитрификация азотосодержащих загрязнений. При полном окислении поступающих на очистку растворённых органических веществ, ненарушенном балансе их сорбции и окислении, низких нагрузках на активный ил и развитом процессе нитрификации формируется наиболее экологически совершенный биоценоз - нитрифицирующий активный ил. Нитрифицирующие хлопья ила крупные, компактные, хорошо оседающие, наполненные пузырьками газа, наблюдается самопроизвольная флотация ила, вызванная процессами денитрификации. Процесс денитрификации, протекающий во вторичных отстойниках, может ухудшать качество очищенной воды за счёт избыточного выноса активного ила, особенно в тёплое время года.

   Биоценоз нитрифицирующего активного ила характеризуется, в целом, наиболее сложной экологической структурой с высоким таксономическим разнообразием (до 45 видов простейших) без численного преобладания различных видов. Нитчатые бактерии, мелкие бесцветные жгутиконосцы, мелкие формы как голых, так и раковинных амёб практически полностью вытесняются из биоценоза или их численность минимальна. Из инфузорий преобладают брюхоресничные и прикреплённые формы, жизнедеятельность которых тесно связана с хорошо сформированными, флокулированными хлопьями активного ила. Присутствуют представители высшего звена - хищники, что положительно влияет на степень очищения воды от органических загрязняющих веществ за счёт повышения интенсивности обмена. В нитрифицирующем иле всегда присутствуют (не достигая массового развития) хищные коловратки, сосущие инфузории, хищные грибы и черви рода Chaetogaster. Периодически встречаются тихоходки.