Биологическая очистка сточных вод

влиянием на его развитие сложного комплекса биотических и абиотических

факторов.

5.1.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 |

| | | |

|Нагрузки на активный ил по | |Автохтонная микрофлора и фауна|

|БПК | | |

| | | |

|Хим. состав сточных вод | |Аллохтонная микрофлора и фауна|

| | | |

|Токсиканты | |Взаимоотношения |

| | |хищник ( жертва |

| | | |

|Сбалансированность | |Скорость репродукции |

|питательных веществ | | |

| | | |

|Тип сооружения, определяющий | | |

|размер биотопа | | |

| | | |

|Кислород | | |

| | | |

|Перемешивание иловой смеси | | |

| | | |

|Температура, рН | | |

5.2.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.

5.3.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.

5.4.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 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 (Приложение 1). Своеобразие биоценоза активного ила в наибольшей

степени определяется нагрузкой по органическим загрязняющим веществам и

эффективностью их разложения.

5.5.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 (применяется на Самарских

очистных сооружениях).

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.

В целом, в низконагружаемых илах, за счёт богатого видообразия,

расширяется возможность ила адекватно реагировать на неблагоприятные

воздействия и увеличивается его способность поддерживать эффективное и

устойчивое качество очистки. При воздействии концентрированных

производственных сточных вод биоценоз устойчиво сохраняет свою структурную

целостность и удовлетворительный уровень ферментативного окисления.

Разрушение стабильности и способности к быстрому восстановлению у такого

биоценоза возможно только при чрезвычайном воздействии: в результате

резкого возрастания удельной нагрузки на активный ил, воздействия сильно

токсичных (при аварийных сбросах) сточных вод, недостатке и дисбалансе

питательных веществ.

В условиях устойчивых нагрузок на активный ил при отсутствии токсичных

примесей в сточных водах, поступающих на очистку, значительная часть

микробной популяции связана с хлопком активного ила. Хлопья ила крупные,

компактные, хорошо флокулирующие. В биоценозе возрастает численность

организмов, непосредственно связанных с хлопьями, - ползающих

брюхоресничных инфузорий, прикреплённых инфузорий, нематод, коловраток и

т.д.

Однако, в неблагоприятных условиях перегрузок, при поступлении на

очистку токсичных сточных вод, различных нарушений технологического режима

очистки, хлопья активного ила диспергируются, измельчаются, возрастает

число бактерий, не связанных с хлопьями активного ила, и, следовательно,

возрастает число их поедателей - свободноплавающих инфузорий, мелких

раковинных амёб, жгутиконосцев и проч. При очистке сточных вод, содержащих

специфические сложноокисляемые соединения (фенолсодержащие, сточные воды

ЦБК и т.д.), хорошо флокулирующие хлопья ила, как правило, вообще не

образуются, и очистка осуществляется диспергированной микрофлорой. При

подаче избыточного активного ила в "голову" сооружений, питание активного

ила в аэротенках дисбалансируется, что приводит к развитию нитчатого

вспухания или нарушению флокуляции хлопьев, которые приобретают перистую,

вытянутую форму (Приложение 2).

5.6.Формирование различных типов биоценоза

Описанные три основные типа биоценоза активного ила формируются в

своеобразных экологических условиях, обеспечивающих определённое качество

очистки, оговариваемое в проекте БОС. На фоне описанных общих

закономерностей биоценоз активного ила на каждом очистном сооружении

своеобразен по своей структуре и адаптационным свойствам и уникален,

поскольку состав сточных вод и режим эксплуатации каждого конкретного

сооружения специфичен, а их конструкция относится к одному из нескольких

определённых типов. Таким образом, на формирование биоценоза, его структуру

оказывают влияние проектные параметры, состав сточных вод и соблюдение

технологического режима эксплуатации очистных сооружений, где решающее

значение имеет поддержание необходимого качества и количества активного

ила, которые определяются такими показателями как доза ила, иловой индекс,

зольность, возраст, прирост ила.

Также при индикаторной оценке процесса биологической очистки следует

учитывать и сезонные изменения биоценоза ила, что характерно для небольших

сооружений, очищающих менее 10 тыс. м3 сточных вод в сутки. Летний биоценоз

активного ила при прочих равных условиях (состав сточных вод, режим

эксплуатации сооружений) по видовому составу несколько богаче зимнего.

Смена биоценоза по сезонам года происходит по закону гетерогенной

сукцессии, однако, на крупных очистных сооружениях, в условиях горячего

водоснабжения, сезонные изменения менее значительны.

6.ХАРАКТЕРИСТИКА ОЧИЩЕННОЙ ВОДЫ С САМАРСКИХ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ ЗА 1998 ГОД

После сооружений биологической очистки сточная вода характеризуется

следующими показателями:

рН - 7.6

Взвешенные вещества - 7.4 мг/л

БПКполн натур. пробы - 8.8 мг/л

ХПК -75 мг/л

Растворённый кислород -5.9 мг/л

Азот аммонийный -2.23 мг/л

Азот нитритов -0.14 мг/л

Азот нитратов -10.46 мг/л

В процессе биологической очистки прошло значительное снижение

соотношения БПК и ХПК. Оно составило 12% (в поступающей воде - 41%).

Это говорит о том, что в воде остались лишь биохимически неокисляемые

примеси. Вынос ила из вторичных отстойников составил 7.4 мг/л. Эта величина

в течение года колебалась от 6.9 до 7.7 мг/л.

Наличие окисленных форм азота (нитриты и нитраты) является

свидетельством глубоко прошедшего процесса, так как нитрификация

аммонийного азота начинается после окисления углеродосодержащих соединений,

т.е. после практически полного снижения БПК.

Очищенная вода имеет достаточный запас растворённого кислорода, что

позволяет выполнить требования санитарных правил по спуску сточных вод в

открытые водоёмы.

Эффективность всего комплекса сооружений в 1998 году составила 93%, по

БПКполн 93%, по ХПК 75%.

7.УТИЛИЗАЦИЯ осадков сточных вод и активного ила

Утилизация осадков сточных вод и избыточного активного ила часто

связана с использованием их в сельском хозяйстве в качестве удобрения, что

обусловлено достаточно большим содержанием в них биогенных элементов.

Активный ил особенно богат азотом и фосфорным ангидридом.

В качестве удобрения можно использовать те осадки сточных вод и

избыточный активный ил, которые предварительно были подвергнуты обработке,

гарантирующей последующую их незагниваемость, а также гибель патогенных

микроорганизмов и яиц гельминтов.

Наиболее эффективным способом обезвоживания отходов, образующихся при

очистке сточных вод, является термическая сушка. Перспективные

технологические способы обезвоживания осадков и избыточного активного ила,

включающие использование барабанных вакуум-фильтров, центрифуг, с

последующей термической сушкой и одновременной грануляцией позволяют

получать продукт в виде гранул, что обеспечивает получение незагнивающего и

удобного для транспортировки, хранения и внесения в почву

органоминерального удобрения, содержащего азот, фосфор, микроэлементы.

Наряду с достоинствами получаемого на основе осадков сточных вод и

активного ила удобрения следует учитывать и возможные отрицательные

последствия его применения, связанные с наличием в них вредных для растений

веществ в частности ядов, химикатов, солей тяжелых металлов и т.п. В этих

случаях необходимы строгий контроль содержания вредных веществ в готовом

продукте и определение годности использования его в качестве удобрения для

сельскохозяйственных культур.

Извлечение ионов тяжелых металлов и других вредных примесей из сточных

вод гарантирует, например, получение безвредной биомассы избыточного

активного ила, которую можно использовать в качестве кормовой добавки или

удобрения. В настоящее время известно достаточно много эффективных и

достаточно простых в аппаратурном оформлении способов извлечения этих

примесей из сточных вод. В связи с широким использованием осадка сточных

вод и избыточного активного ила в качестве удобрения возникает

необходимость в интенсивных исследованиях возможного влияния присутствующих

в них токсичных веществ ( в частности тяжелых металлов) на рост и

накопление их в растениях и почве.

Представляет интерес практика использования осадков сточных вод в ФРГ.

По санитарным соображениям в ФРГ допускается использование в качестве

удобрения только незагнивающих, стабилизированных осадков сточных вод,

термически высушенных, компостированных и пастеризованных. Пастеризация

осадков заключается в их нагревании до 65-70 оС в течение 20-30 мин, что

приводит к уничтожению в яиц гильминтов и патогенных микроорганизмов. Более

высокий эффект пастеризации достигается при нагревании осадка до 80-90 оС с

последующим выдерживанием в течение 5 мин. В случае образования больших

объемов осадков сточных вод, содержащих соли тяжелых металлов, из-за чего

их нельзя использовать в качестве удобрения, по-видимому, целесообразно

использовать другие пути утилизации, например, сжигание осадков.

В ФРГ также предложен способ сжигания активного ила с получением

заменителей нефти и каменного угля. Подсчитано, что при сжигании 350 тыс. т

активного ила можно получить топливо, эквивалентное 700 тыс. баррелей

нефти и 175 тыс. т угля [1 баррель - 159л.]

Одним из преимуществ этого метода является то, что полученное топливо

удобно хранить. В случае сжигания активного ила выделяемая энергия

расходуется на производство пара, который немедленно используется, а при

переработке ила в метан требуются дополнительные капитальные затраты на его

хранение.

Важное значение также имеют методы утилизации активного ила, связанные

с использованием его в качестве флокулянта для сгущения суспензий,

получения из активного угля адсорбента в качестве сырья для получения строй

материалов и т.д.

Проведенные токсикологические исследования показали возможность

переработки сырых осадков и избыточного активного ила в цементном

производстве.

Ежегодный прирост биомассы активного ила составляет насколько

миллионов тонн. В связи с этим возникает необходимость в разработке таких

способов утилизации, которые позволяют расширить спектр применения

активного ила.

Заключение

Защита водных ресурсов от истощения и загрязнения и их рационального

использования для нужд народного хозяйства - одна из наиболее важных

проблем, требующих безотлагательного решения. В России широко

осуществляются мероприятия по охране окружающей Среды, в частности по

очистке производственных сточных вод.

Одним из основных направлений работы по охране водных ресурсов

является внедрение новых технологических процессов производства, переход на

замкнутые (бессточные) циклы водоснабжения, где очищенные сточные воды не

Страницы: 1, 2, 3