Биологическая очистка воды

Общие сведения и сфера применения биологических методов очистки воды

Биологическая очистка воды заключается в применении природных биоценозов гидробионтов для освобождения загрязненной воды от нежелательных примесей. В состав данных биоценозов гидробионтов входят микроорганизмы и др. представители животного и растительного мира, которые обитают в активном иле, биопленке и в очищаемой воде.

Биологическое извлечение примесей из воды с помощью микроорганизмов может происходить как при наличии кислорода (аэробные окислительные процессы), так и без него (анаэробные восстановительные процессы).

Биологические способы применяют для очистки промышленных и коммунально-бытовых сточных вод от органических веществ, которые используются микроорганизмами как источник питания и энергии. При этом происходит деструктивное разложение – окисление при аэробной очистке и восстановление с образованием метана при анаэробной очистке воды.

Аэробная очистка сточных вод может осуществляться вследствие насыщения их воздухом (или кислородом) в аэротенках. При этом развивающиеся микроорганизмы образовывают легкооседающие хлопья активного ила или биологическую пленку, которая образуется во время фильтрования воды сквозь аэрированную загрузку из щебня в биофильтрах. Анаэробную очистку в метатенках применяют для очистки сточных вод лишь при высокой концентрации органических веществ.

Современные биологические способы можно использовать для очистки воды практически для всех растворенных в ней органических соединений в любой концентрации: от нитратов, сульфатов, хроматов, аммиакатов, ионов тяжелых металлов и от опасных биологических агентов – болезнетворных бактерий, вирусов и т.д.

При биологической очистке рекомендуют применять смесь промышленных и бытовых сточных вод, что способствует повышению эффективности очистки и обеспечивает попадание в очистные сооружения необходимых биогенных элементов – нитрогена и фосфора в усваиваемой микроорганизмами форме. Концентрация органических соединений в сточной воде не должна превышать предельно допустимые величины, установленные исследовательским путем. Если концентрация органических веществ выше предельно допустимой, то перед биологической очисткой сточные воды разбавляют речной водой или бытовыми сточными водами.

Аэрация сточных вод должна обеспечить содержание растворенного кислорода не менее чем 2 мг/дм³. Оптимальное значение рН сточных вод должно находиться в пределах 6, 5-8, 5, температура воды – 6-37°С. В воде должны быть также соединения, содержащие биогенные элементы – нитроген и фосфор. При недостаточном содержании этих элементов в воду добавляют суперфосфат или сульфат аммония. Концентрация взвешенных веществ в очищаемой воде не должна превышать 100 мг/дм³, содержание солей – не более 10 г/дм³ (желательно 5 г/дм³).

Учитывая относительную дешевизну, надежность и экологическую безопасность биологическая очистка воды широко используется в практике водоподготовки.

Аэробные процессы очистки воды от органических веществ

Бактерии, которые развиваются в очистных сооружениях, делят на авто- и гетеротрофы, причем в зависимости от условий работы системы могут преобладать те или другие. Гетеротрофы используют для своего питания готовые органические вещества и перерабатывают их для получения энергии и биосинтеза клеток. Автотрофы потребляют для синтеза клеток неорганический углерод, а энергию получают благодаря фотосинтезу, используя энергию света, или хемосинтеза – вследствие окисления некоторых неорганических соединений – аммиака, нитритов, сероводорода, элементарной серы, солей ферума (II) и т.п.

Механизм биологического окисления гетеротрофными бактериями в аэробных условиях можно записать в виде схем:

Схема 1:

Органические вещества + О₂ + N + Р ®

Микроорганизмы + СО₂ + Н₂О + Биологически неокисляемые вещества

Схема 2:

Микроорганизмы + О₂ ®

СО₂ + Н₂О + N + Р + Биологически неразрушаемая часть клеточного вещества

Согласно схемы 1 происходит окисление исходных органически загрязнителей воды и образование новой биомассы. В очищаемой воде остаются биологически неокисляемые вещества (преимущественно в растворенном состоянии), поскольку нерастворимые вещества и коллоиды удаляются из очищаемой воды сорбционными методами. Процесс эндогенного окисления клеточного вещества, который происходит после использования внешнего источника питания, происходит по схеме 2.

Микробиологи утверждают, что микроорганизмы могут окислить в аэробных условиях любое вещество биологического происхождения. В зависимости от сложности строения этих веществ и их свойств процесс окисления осуществляется с разной скоростью: одни вещества окисляются быстро, другие – очень медленно. Поэтому важнейшей задачей является интенсификация протекания окислительных процессов, происходящих в аппарате, который называется аэротенком. С этой целью в него постоянно нагнетают сжатый воздух и создают другие благоприятные условия для жизнедеятельности микроорганизмов и целенаправленной их селекции. Последняя происходит вследствие постепенной смены условий среды. В результате в популяции микроорганизмов преимущественно развиваются те из них, которые наилучшим образом приспособлены к питанию новыми примесями, которые загрязняют воду. Однако адаптационные возможности микроорганизмов не бесконечны, поэтому часть органических веществ не усваивается ими, точнее, усваивается очень медленно.

Критерием оценки биокисляемости является биологическое потребление кислорода (БПК). Если БПК равно нулю при достаточно большом промежутке инкубации пробы (более 5 дней), то вещество относится к категории неокисляемых.

На основе экспериментальных исследований установлено, что первичные спирты окисляются легче, чем вторичные, а вторичные – легче, чем третичные. Чем больше разветвленность углеродной цепочки, тем выше стойкость к биоокислению. Циклические углеводы окисляются труднее парафиновых. Производные бензола окисляются легче, чем сам бензол.

Окисление сложных органических соединений является сложным многоступенчатым процессом, протекание которого в очистных сооружениях происходит не всегда до конца, т.е. до образования СО₂ и Н₂О. В некоторых случаях могут образовываться промежуточные продукты, которых не было в исходной воде, причем намного токсичнее. Поэтому определение рациональных параметров проведения технологического процесса аэробного окисления является очень важной задачей.

Микроорганизмы, которые заселяют биопленку и активный ил, представлены родами Pseudomonas, Bakterium, Bacillus, Corynobacterium, Arthro- bacter, Mycobacterium, Micrococcus, Sarcina, Actinomyces, Nocardia и др.

К роду Pseudomonadineae принадлежит 50-80% бактерий, которые населяют активный ил, образующийся во время очистки сточных вод. К этому роду относятся бактерии, которые окисляют метан (Methanomonas), нитриты (Nitrosomonas), водород (Hydrogenomonas), соединения серы (Sulfomonas, Thiobacillus) и др. Бактерии Hydrogenomonas также интенсивно разлагают жирные кислоты, ароматические и гетероциклические соединения, Sulfomonas кроме соединений серы хорошо усваивают органические соединения. В промышленных сточных водах насчитывается до 30 видов бактерий.

В биоценозах очистных сооружений встречаются представители трех классов простейших: саркодовые (Sarcodina), жгутиковые (Mastigophora) и инфузории (Infusoria). Из других сопутствующих организмов важное значение имеют коловратки (Rotatoria), которые питаются бактериями, органическим детритом и простейшими. Кроме того в биопленке и в иле развиваются также водные грибы, дрожжи, плесень, причем в биопленке встречаются даже водяные клещи и мушки Psichoda.

Анаэробные процессы очистки воды

В анаэробных условиях микроорганизмы не имеют доступа к растворенному кислороду и другим акцепторам электронов, таких как нитрат-ионы. Поэтому микроорганизмам приходится использовать углерод, который входит в состав органических молекул как акцептор электронов.

Анаэробный процесс метановой ферментации происходит по такой схеме:

Органические вещества + Н₂О ® СН₄ + СО₂ + C₅H₇NО₂ + NH₄ + НСО₃

Анаэробный процесс денитрификации происходит в две стадии:

+ Органические вещества® + CО₂ + Н₂О;

+ Органические вещества ® N₂ + CО₂ + Н₂О + .

Процесс анаэробной очистки воды, который происходит в бактериальной массе, включает конверсию сложных органических веществ – полисахаров, липидов и белков на метан и оксид углерода (IV). По пищевым потребностям анаэробные бактерии подразделяют на три группы (рис.7)

Рис. 7. Биодеградация субстрата при анаэробном брожении

Анаэробные бактерии осуществляют начальный гидролиз макромолекул до низкомолекулярных органических кислот и других простейших органических соединений. Продуктами анаэробного брожения являются органические кислоты – оцтовая, масляная, муравьиная, капроновая, молочная, янтарная и др.; спирты и кетоны – метанол, этанол, изопропиловый спирт, глицерин, бутанол, ацетон; газы – метан, оксид углерода (IV), водород; ферменты – целюлаза, алкогольдегидрогеназа; витамины – рибофлавин, витамин В₁₂ и т.д.

Таким образом, процесс брожения – это растворение белков, липидов, гомо- и гетерополисахаридов – целлюлозы, пептина, крахмала, гемицеллюлозы. Кроме природных субстратов анаэробные популяции разрушают фенолы и серосодержащие соединения, которые находятся в сточных водах разных производств органического синтеза. В зависимости от вида и штамма бактерий, состава и количества питательных веществ (загрязнителей воды) и других параметров – значения рН, температуры и редокс-потенциала (окислительно-восстановительный потенциала) среды продукты брожения могут изменяться.

Влияние различных факторов на эффективность процессов биологической очистки

Эффективность протекания процессов биологической очистки зависит от химического состава очищаемой воды, наличия в ней биогенных элементов, содержания кислорода, токсичных веществ, значения рН среды, температуры и т.д. Значение этих факторов может изменяться в широком диапазоне, а их действие определяет проникающую способность системы и степень очистки воды.

Для нормального развития гидробионтов, осуществляющих очистку воды, в среде должна быть достаточная концентрация основных питательных веществ – органического углерода, азота и фосфора. Кроме основных элементов клетки (С, N, О, Н) для ее строения в небольшом количестве нужны и другие элементы, такие как марганец, медь, цинк, молибден, селен, магний, кобальт, кальций, натрий, калий и др. Последних в сточных водах достаточно, чтобы полностью удовлетворить требования бактериального метаболизма. В основном не хватает азота и фосфора, поэтому их добавляют в очищаемых воду в виде солей фосфорной и азотной кислот (суперфосфат, аммофос, мочевина, сульфат, нитрат или хлорид аммония и т.д.).

Достаточное количество элементов питания для бактерий в очищаемом воде определяется соотношением БПК: N: Р. При очистке городских сточных вод оно должно быть не менее 100: 5: 1. В коммунально-бытовых сточных водах это соотношение примерно составляет 100: 20: 2, 5, то есть содержание в них азота и фосфора намного выше. Поэтому такие воды разбавляют промышленными сточными водами, если последние не содержат этих элементов.

В аэробных очистных сооружениях содержание растворенного кислорода в очищаемой воде должно быть не менее 2 мг/дм³. Это достигается подачей атмосферного воздуха или воздуха, обогащенного кислородом, или подачей чистого кислорода. Активная реакция среды в процессе биологической очистки должна находится в пределах рН = 5-9. Оптимальным считается уровень рН = 6, 5-7, 5. В таких условиях лучше развиваются микроорганизмы и достигается наибольший эффект очистки.

Оптимальной температурой для аэробных процессов в очистных сооружениях является 20-30°С. При этой температуре биоценоз имеет наибольшее разнообразие, а микроорганизмы – оптимальные условия развития. Однако оптимальный температурный режим для различных бактерий может изменяться в широких пределах, °С: для психрофилов – 10-15, мезофилов – 25-37, термофилов – 50-60. Следует отметить, что микроорганизмы выдерживают значительные колебания температур. Так, психрофилы могут существовать при температурах от -8 до +30°С, мезофилы – от -5 до +50, термофилы – от +30 до +85 ° С. Если температурный режим выходит за пределы оптимального, то скорость обменных процессов в клетках заметно уменьшается.

На ход биологической очистки воды существенно влияет наличие в ней токсичных органических и неорганических веществ. Токсическое действие может быть и микробостатичным, если задерживается рост и развитие микроорганизмов, а также убийственным (микробоцидным). В зависимости от концентрации большинство веществ проявляют токсическое действие. Поэтому одной из главных задач является установление ПДК для индивидуальных химических соединений, а также их суммарного эффекта.

За величину ПДК принимают максимальную концентрацию химического вещества, которое находится в воде и не наносит заметного негативного воздействия на работу БОС – биологических очистных сооружений (ПДК_БОС). Вместе с тем некоторое микробостатичное действие может проявляться уже при значительно меньших концентрациях, чем ПДК_БОС. Поэтому кроме этой величины иногда указывают величину ПДК_б – концентрацию вещества, при превышении которой возможны любые негативные воздействия на процессы биоокисления и жизнедеятельность клетки.

Неорганические и некоторые металлоорганические соединения характеризуются преимущественно величиной ПДК_б, поскольку эти вещества обычно не влияют на работу биологических сооружений. Наименьшую ПДК_б имеют тетраэтилсвинец, соединения бериллия, ртути, хрома (VI), титана, бора, висмы, кадмия, ванадия, оксид углерода (II), сульфат меди, цианид калия и др. Наименьшее токсическое действие имеет хлорид натрия.

Характерным для большинства органических соединений является значительное превышение величины ПДК_БОС в сравнении с ПДК_б. К органическим веществам с относительно малой ПДК_БОС (до 25 мг О₂/дм³) принадлежат жесткие и промежуточные ПАВ, красители и т.п.