Биотехнология очистки сточных вод

Использование и получение огромного количества продуктов в различных сферах человеческой деятельности сопровождается образованием сточных вод, загрязненных разнообразными органическими и неорганическими соединениями. Многие из них токсичны для живых организмов. Сброс неочищенных сточных вод отрицательно сказывается на содержании в воде растворенного кислорода, ее pH, прозрачности и цветности и т. д., что отрицательно влияет на состояние компонентов водной экосистемы, снижает продуктивность и способность водоемов к самоочищению.

Сточные воды могут быть классифицированы по источнику происхождения:

• — производственные (промышленные) сточные воды, образующиеся в технологических процессах при производстве или добыче полезных ископаемых. Отводятся через систему промышленной или общесплавной канализации;
• — бытовые (хозяйственно-фекальные) сточные воды, образующиеся в жилых помещениях, а также в бытовых помещениях на производстве. Отводятся через систему хозяйственно-бытовой или общесплавной канализации;
• — атмосферные сточные воды (их подразделяют на дождевые и талые, т. е. образующиеся при таянии снега, льда, града). Отводятся, как правило, через систему ливневой канализации.

Производственные сточные воды, в отличие от бытовых и атмосферных, не имеют постоянного состава и, в свою очередь, могут быть классифицированы:

• 1) по составу загрязнителей — на загрязненные: преимущественно минеральными примесями; органическими примесями; как минеральными, так и органическими примесями;
• 2) по концентрации загрязняющих веществ — с содержанием примесей:
  • — 1—500 мг/л;
  • — 500—5000 мг/л;
  • — 5000—30 000 мг/л;
  • — более 30 000 мг/л;
• 3) по свойствам загрязнителей:

по кислотности на:

• — неагрессивные (pH 6,5—8);
• — слабоагрессивные (слабощелочные — pH 8—9 и слабокислые — pH 6—6,5);
• — сильноагрессивные (сильнощелочные — pH > 9 и сильнокислые — pH < 6);

по токсическому воздействию и воздействию загрязнителей на водные объекты — на содержащие вещества:

• — влияющие на общесанитарное состояние водоема (например, на скорость процессов самоочищения);
• — изменяющие органолептические свойства (вкус, запах и др.);
• — токсичные для человека и обитающих в водоемах животных и растений.

Специальные «Правила охраны поверхностных вод от загрязнений сточными водами» нормируют показатели загрязнения в водоеме после смешивания сточных вод с естественными. Важнейшими являются следующие показатели:

• — количество растворенного в воде кислорода после смешивания — не менее 4 мг/л;
• — содержание взвешенных частиц после спуска стоков не может возрасти более чем на 0,25—0,75 мг/л (для водоемов разной категории);
• — содержание минерального осадка — не более 1000 мг/л;
• — органолептические свойства — вода не должна иметь запахов и привкусов;
• — pH — в пределах 6,5—8,5.

Кроме того, на поверхности не должно быть пленок, плавающих пятен, а содержание ядовитых веществ не должно превышать установленных предельно допустимых концентраций (ПДК). Запрещается сбрасывать в водоемы радиоактивные вещества.

Известно, что попавшие в водоемы органические вещества окисляются до С0₂ и Н₂0 в пределах способности водоемов к самоочищению, а количество кислорода, расходуемое в этих процессах, т. е. ВПК (биохимическое потребление кислорода), определяется концентрацией и спектром присутствующих в воде примесей. Показатель ВПК является важным критерием при оценке состояния сточных вод. Различают ВПК₅ (пятидневный), ВПК₂₀ (двадцатидневный) и БПК_полн (полный). БПК_полн обозначает время, в течение которого все вещества стоков окисляются в водоеме полностью до конечных продуктов.

Комплекс мероприятий по удалению загрязнений, содержащихся в бытовых и промышленных сточных водах, называется очисткой сточных вод. Это система методов, вызывающих разрушение или удаление из них присутствующих веществ, а также патогенных микроорганизмов. Очистка сточных вод включает три этапа: механический, биологический и физико-химический. Иногда производят дезинфекцию сточных вод.

На механическом этапе осуществляют предварительную очистку сточных вод. Он необходим для подготовки поступающих на очистные сооружения сточных вод к дальнейшим этапам очистки.

Для вылавливания крупных загрязнений применяют решетки и сита. Затем стоки проходят через песколовки, где осаждаются мелкие частицы (песок, молотый кофе и т. п.) и жироловушки, в которых происходит удаление с поверхности воды гидрофобных веществ. Песок из песколовок обычно складируют или применяют в дорожных работах. Очищенные таким образом сточные воды переходят на первичные отстойники для выделения взвесей. В результате удаляется до 60—70% минеральных загрязнений, а БПК₅ снижается на 30%.

Механический этап очистки важен для создания равномерного движения сточных вод и позволяет избежать колебаний объема стоков на биологическом этапе.

Биологический этап (биологическая очистка) предполагает деградацию органической составляющей сточных вод микроорганизмами (бактериями и простейшими), которые используют в качестве ростовых субстратов различные соединения, входящие в их состав. При этом происходят минерализация вод, удаление органического азота и фосфора, а главной целью является снижение БПК₅.

В процессах биологической очистки принимает участие сложная биологическая ассоциация, состоящая из бактерий, водных грибов, простейших организмов (амебы, жгутиковые и ресничные инфузории), микроскопических животных (коловратки, круглые черви — нематоды, водные клещи) и др. В сточных водах часто встречаются следующие виды микроорганизмов: эуглифа (раковинная амеба), аэрцелла (раковинная амеба), инфузория туфелька, хармонихилл (инфузория), стилонихия (инфузория), циклидиум (инфузория), кархезиум (колониальная инфузория), оперкулярия (колониальная инфузория), оксидриха (брюхоресничная инфузория), эплотес (брюхоресничная инфузория), сосущая инфузория, амеба протей, амеба дисковидная, амеба террикола, нитчатые бактерии, политома (жгутиковые), бодо (жгутиковые), коловратка нотоммата, коловратка филодина, коловратка мостила, коловратка катипна, аспидиска (брюхоресничная), аэлозома (малоресничный червь).

Достоинства биологической очистки заключаются в возможности удаления из стоков широкого спектра органических и неорганических веществ, простоте используемой аппаратуры и относительно невысоких эксплуатационных расходах. На этом этапе необходимо строго соблюдать технологии режима очистки и, главное, учитывать чувствительность микроорганизмов к высоким концентрациям загрязнителей. Поэтому перед биоочисткой стоки необходимо разбавлять.

На этом этапе очистки сточных вод можно применять как аэробные микроорганизмы, которые используют для окисления веществ кислород, так и анаэробные микроорганизмы, не имеющие доступа ни к свободному растворенному кислороду, ни к предпочтительным акцепторам электронов типа нитрат-ионов. В этих процессах в качестве акцептора электронов микроорганизмы могут использовать углерод.

При выборе между аэробными и анаэробными процессами предпочтение обычно отдают первым: аэробные системы более надежны, стабильно функционируют и больше изучены.

Биологическая очистка стоков проводится в различных по конструкции сооружениях — биофильтрах, аэротенках (с активным илом) и метантенках (анаэробное брожение).

Аэробные процессы очистки стоков. Биофильтр — наиболее распространенный тип биореактора с неподвижной биопленкой, применяемый для очистки стоков. По существу, это реактор с неподвижным слоем и противотоком воздуха и жидкости. Биомасса растет на поверхности насадки в виде пленки. Особенностями насадки или фильтрующего слоя являются значительная удельная поверхность для развития микроорганизмов и большая пористость. Последнее придает необходимые газодинамические свойства слою и способствует прохождению через него воздуха и жидкости.

В биофильтре происходят непрерывный прирост и отмирание биопленки. Отмершая биопленка смывается током очищаемой воды и выносится из биофильтра. Очищенная вода поступает в отстойник, в котором освобождается от частиц биопленки, и далее сбрасывается в водоем. Процесс окисления органических веществ сопровождается выделением тепла, которое используется для обогрева биофильтра.

Эксплуатация биофильтров достаточно несложный процесс. Важное условие их эффективной работы — тщательная предварительная очистка стоков от взвешенных частиц, способных засорить распределительное устройство. Неблагоприятными факторами при эксплуатации биофильтров являются вероятность их переполнения, размножение мух на поверхности, дурной запах как следствие избыточного образования микробной биомассы.

Около 70% очистных сооружений Европы и Америки представляют собой капельные биофильтры. Срок службы таких биореакторов исчисляется десятками лет (до 50). Основной недостаток конструкции — избыточный рост микробной биомассы, что приводит к засорению биофильтра и вызывает сбои в системе очистки.

Аэротенк относится к гомогенным биореакторам. Типовая конструкция биореактора представляет собой железобетонный герметичный сосуд прямоугольного сечения, связанный с отстойником. Подача воздуха в «коридоры» аэротенка осуществляется через пористые железобетонные плиты или через систему пористых керамических труб. Обычно воздухораспределительное устройство располагают не по центру, а около одной из стен коридора. В результате этого в аэротенке происходит турбулизация потока, и сточные воды не только продвигаются вдоль коридора, но и закручиваются по спирали внутри него. Это улучшает режим аэрации и условия очистки.

В аэротенке происходит непрерывная ферментация. Частицы активного ила, образованные бактериями и простейшими, являются флокулирующей смесью. По сравнению с биопленкой, функционирующей в биофильтрах, в активном иле аэротенков беднее экологическое разнообразие видов.

Биоочистка в аэротенке осуществляется в два этапа. На первом этапе микроорганизмы активного ила адсорбируют загрязняющие вещества стоков, на втором — окисляют их и восстанавливают свою окислительную способность.

Число микроорганизмов в активном иле достигает многих миллиардов бактериальных клеток в 1 г ила. Количество бактерий, как и их видовой состав, может быстро меняться, в зависимости от химического состава поступающей в данный момент воды.

Среди обитателей активного ила больше всего псевдомонад (Pseudomonas) — свыше половины всех видов; представители родов Bacillus

составляют более трети всех видов, Enterobacterium и Sarcinia — около одной пятой. Есть еще сахаромицеты (Sacharomycetes, до 8—10%), микрококки (Micrococcus), разные грибки, актиномицеты и близкие к ним микобактерии, немного нитчатых бактерий Sphaerotilis natans и Cladotrix dichotoma. Если в воде есть соединения серы, то в активном иле появляются серобактерии и тионовые бактерии (Thiobacillus thioparus), которые усваивают серу. Серобактерии (бесцветная серобактерия Beggiata alba или пурпурная, с красным пигментом, из семейства Thiorodacea) образуют обрастания или плавающие нити.

Микроорганизмы формируют скопления в виде слизи — зооглеи, в которой много палочковидных бактерий, кокков. Обычный обитатель активного ила Zoogloea ramigera образует зооглеи в виде лопастей. Все эти группы микробов осуществляют первичное окисление и разложение жиров и углеводов и усваивают продукты их распада. При этом образуются промежуточные вещества: спирты, органические кислоты.

В качестве самостоятельного очистного сооружения или конечного пункта очистки стоков, прошедших стадию биоочистки в биофильтре или аэротенке, используют биологи ческие (очистные) пруды. Если таковые функционируют как самостоятельные системы водоочистки, сточные воды перед поступлением в них разбавляются трех-, пятикратными объемами технической или хозяйственно-питьевой воды. Для отстоянных стоков без разбавления нагрузка на пруды составляет до 250 м³/га/сут., для биологически очищенных вод — до 500 м³/га/сут. Средняя глубина прудов составляет от 0,5 до 1,0 м. Срок «созревания» прудов в зонах умеренного климата — не менее одного месяца.

Методы аэробной биологической очистки сточных вод непрерывно совершенствуются. В последние годы стали внедряться более эффективные системы биоочистки, например шахтные реакторы, с использованием для аэрирования кислорода. Такие биореакторы называют окситенками. Концентрация растворенного в них кислорода достигает 10—12 мг/л, что в несколько раз превосходит уровень аэрации в аэротенках. В результате повышенной аэрации стоков концентрация активного ила в них возрастает до 15 г/л и их окислительная мощность в четыре-пять раз превосходит аэротенки.

Шахтные биореакторы позволяют реализовать процесс очистки стоков аналогично протеканию его в окислительном канале, но расположенном вертикально. Такие реакторы занимают небольшие площади и большей частью заглублены в грунт. Высота шахтных аппаратов достигает 50—150 м при диаметре 0,5—10,0 м. Внутри аппарата вмонтирован полый стержень или специальное устройство, обеспечивающее образование зон восходящего и нисходящего потоков для циркуляции очищаемой воды.

Однако при эксплуатации окситенков возникает проблема отделения твердых частиц от иловой смеси: микропузырьки воздуха прилипают к твердым частицам и ухудшают осаждение. Для улучшения осаждения применяют вакуумную дегазацию, флотацию, отдувку воздуха. По завершении стадии дегазации иловая смесь направляется в аэротенк, где после удаления микропузырьков происходит доокисление оставшейся органики. Далее стоки поступают по обычной схеме в отстойник.

Анаэробные процессы очистки стоков. Анаэробные процессы очистки сточных вод не получили достаточно широкого развития. Они существенно уступают аэробным процессам в скорости очистки, хотя имеют ряд преимуществ:

• — масса образуемого в них активного ила практически на порядок ниже (0,1—0,2), по сравнению с аэробными процессами (1,0—1,5 кг/кг удаленного ВПК);
• — существенно ниже энергозатраты на перемешивание;
• — дополнительно образуется энергоноситель в виде биогаза.

Вместе с тем анаэробные процессы очистки мало изучены, и для них требуются дорогостоящие очистные сооружения больших объемов.

Анаэробные процессы для очистки стоков применяются в Европе около 100 лет. Используемые для этих целей биореакторы — септиктенки и метантенки — представляют собой отстойники, в которых осадок ила подвергается анаэробной деградации.

Например, в первичном отстойнике остался избыточный осадок ила, содержащий недоокисленные вещества. Этот осадок плохо сохнет, содержит много болезнетворных микробов, имеет неприятный запах, привлекает мух. Его направляют на сбраживание в бескислородных условиях в специальные резервуары — метантенки, где развиваются анаэробные микроорганизмы, функционирующие при температуре от 23 до 55 °C.

В процессах метанового сбраживания с образованием газа метана участвуют микроорганизмы родов Methanococcus и Methanobacterium. Разные виды клостридий (Clostridium) разлагают целлюлозу, пектины, жиры. Очищение осадка в метантенках может длиться от 6 до 15 суток. За это время погибают яйца гельминтов (например, болезнетворные микроорганизмы), остаются единичные особи кишечной палочки Escherichia coli, а общее количество бактерий составляет не более 100 клеток в 1 мл. Высушенный осадок недоокисленных примесей содержит до 20 микроэлементов и служит неплохим удобрением.

Анаэробные проточные сбраживатели такого типа применяют для анаэробной биоочистки промышленных и сельскохозяйственных стоков.

Особенно эффективно применение сравнительно недорогих анаэробных систем для сильно загрязненных стоков пищевой промышленности и отходов интенсивного животноводства, которые имеют высокие уровни нагрузки по ВПК и ХПК (химическая потребность в кислороде), а навозные стоки — также и высокое содержание нерастворимых компонентов, не поддающихся биодеградации. Для их очистки применяют сбраживатели полного смешения. Стоки евинои птицекомплексов освобождаются в ходе анаэробной биоочистки только на 50% ХПК, а стоки ферм крупного рогатого скота — на 30%. Высокие концентрации органики и аммонийного азота (до 4000 мг/л) способны ингибировать процесс деградации.

В целом же анаэробные процессы очистки стоков, обладая рядом несомненных достоинств, не находят пока такого широкого применения, как аэробные системы биоочистки. Однако в последние годы, вследствие более строгих требований к предварительной очистке промышленных стоков перед сбросом их в канализацию, интерес к анаэробным процессам возрастает.

Физико-химический этап очистки стоков. Главная цель водоочистки — производство бактериально безопасной воды. Для улучшения параметров очистки применяют различные химические методы, например дополнительное осаждение фосфора солями Fe и А1, хлорирование, озонирование.

Наиболее распространенным способом дезинфекции воды является ввод в нее хлора — сильного окислителя, который добавляется к воде в виде газа или концентрированного водного раствора. Эффективность обработки хлором зависит от ряда факторов, в том числе от pH, времени обработки, температуры и наличия взаимодействующих с хлором органических веществ. Небольшое количество свободного хлора оставляют в воде на случай попадания загрязнений в потребительскую водопроводную сеть. Поскольку при бытовом использовании воды в водосток сбрасывается много колиформных бактерий, их обнаружение служит показателем бытового загрязнения (коли-индекс).