Біологічне очищення стічних вод
БІОЛОГІЧНА ОЧИЩЕННЯ СТІЧНИХ ВОД. О.В. Мосін
У стічних водах міститься складна суміш твердих і розчинених речовин, які присутні в дуже малих концентраціях. На очисних станціях концентрації всіх цих речовин знижують до прийнятного рівня або хімічно трансформують шкідливі речовини в безпечні сполуки. Схема очисної станції залежить від ступеня забрудненості і кількості оброблюваних стоків, а також від економічних і екологічних міркувань. Велика частина водоочисних станцій, має багато спільного. Так в операціях первинної обробки видаляють найбільш легко відділяються забруднення, наприклад великі, легкоосаждающіеся частки, масляні плівки та інші «легкі» компоненти. Суспендовані тверді частинки і розчинні компоненти відокремлюють в процесі вторинної обробки. У багатьох випадках забруднюючі речовини мають органічну природу; в таких випадках зазвичай використовують біологічне окислення. Мета третинної обробки полягає в повному або частковому відділенні всіх, хто лишився домішок. На цій стадії використовуються такі фізико-хімічні методи, як електродіаліз, зворотний осмос, фільтрування через товстий шар і адсорбція.
У процесі первинної обробки відокремлюють вологі концентровані тверді речовини, які називаються мулом; при вторинній обробці утворюється активний клітинний мул. У цьому процесі існує взаємозв'язок між утилізацією субстрату і утворенням біомаси. Хоча процеси вторинної біологічної обробки за участю багатьох видів мікроорганізмів дуже ефективні при деградації розбавлених сумішей органічних відходів, при розрахунках слід враховувати, що при цьому утворюється, і біомаса. Таким шляхом дуже дрібні нерозчинні частинки і розчинені компоненти рідких відходів частково перетворюються в мул, який легше піддається відділенню, ніж вихідні забруднюючі речовини. Установки для переробки мулу є важливою складовою частиною станцій з очищення стічних вод. Для зменшення обсягу мулу, що утворюється при очищенні води, широко застосовується операція анаеробної переробки, при якій органічні речовини піддаються біологічному деградації в анаеробних умовах.
Але на практиці всі три рівні очистки стічних вод і переробки мулу використовуються не завжди. Іноді стічні води спускають у природні водойми (струмки, річки, ставки, озера і океан) без обробки. В інших випадках застосовують тільки первинну обробку. Наприклад, для більшості міських систем водоочистки в США та чи інша форма вторинної обробки є обов'язковою, а третинна обробка в даний час застосовується лише зрідка.
Основні характеристики стічних вод
Природа і концентрація забруднюючих речовин у стічних водах залежать від їх джерела. Існують два основних види стічних вод - промислові та побутові. Останні забруднені головним чином вуличним сміттям, миючими засобами та екскрементами.
Побутові стічні води зазвичай містять більше 99% води, близько 300 млн -1 (мг / л) суспендованих твердих речовин, а також близько 500 мг / л летючих речовин. Велика частина суспендованих твердих речовин має целюлозний природу, а інші забруднюючі органічні речовини включають жирні кислоти, вуглеводи і білки. Неприємний запах побутових стічних вод обумовлений розкладанням білків в анаеробних умовах.
Якщо врахувати походження побутових стічних вод, то не дивно, що в них містяться різні види ґрунтових і кишкових мікроорганізмів, у тому числі аеробні організми, облігатні і факультативні анаероби, бактерії, дріжджі, цвілі і гриби. Оскільки в побутових стічних водах часто присутні також патогенні організми і різні віруси, надзвичайно важлива повна ізоляція джерел і трубопроводів для подачі питної води від забруднення стічними водами. Популяції мікроорганізмів у стічних водах служать постійним змішаним посівним матеріалом для процесів біологічної очистки та, крім того, джерелом метаболічної активності в стандартних методах визначення ступеня забруднення стічних вод.
Найбільш поширеним критерієм концентрації забруднюючих речовин в побутових стічних водах є показник біохімічної потреби в кисні (ВПК), що дорівнює кількості розчиненого кисню, що поглинається одиницею об'єму стічних вод за певний час при 20 ° С. Тривалість періоду інкубації зазвичай вказують у вигляді підрядкового індексу; так, якщо ВПК визначають за результатами інкубування протягом 5 діб (один з прийнятих періодів), то відповідний показник позначають символом БПК 5.
Кількість розчиненого кисню, що поглинається в ході інкубації аж до повного припинення біологічного окислення органічних речовин, називають граничною (або повної) ВПК (БПКп), Цей тест, розроблений ще в 1898 р Британської Королівської комісією з ліквідації відходів, повинен був моделювати умови в водних потоках і забезпечувати щодо пряме визначення одного з найбільш шкідливих і небезпечних наслідків скидання стічних вод - виснаження розчиненого кисню у водних басейнах, куди скидаються відходи. Зниження концентрації розчиненого кисню швидко призводить до загибелі безлічі аеробних організмів, а також тварин; кінцевим результатом виснаження розчиненого кисню буде брудна, неприємно пахне річка, заражена патогенними мікроорганізмами.
Іншим критерієм потенційного зниження загальної концентрації розчиненого кисню у водоймах, в які надходять стічні води, служить хімічна потреба в кисні (ХПК), що дорівнює числу міліграмів кисню, що поглинається 1 літром проби (стічних вод) з гарячого підкисленого розчину біхромату калію. У загальному випадку хімічному окисленню піддається більше речовин, ніж біологічної деградації, і, отже, величина ГПК повинна бути більше величини БПК для одного і того ж зразка. Вимірювання ГПК пов'язане з можливим ступенем забруднення природних водойм стічними водами не настільки безпосередньо, як визначення БПК; з іншого боку, ГПК можна визначити за допомогою доступної простий апаратури за 2 год, а за допомогою складних приладів - за кілька хвилин. БПК і ХПК є загальними і найгрубішими індикаторами складу стічних вод. Проте вони дають корисну інформацію про ступінь небезпеки, яку представляють стічні води для навколишнього середовища. Іншою перевагою показників БПК і ХПК є можливість їх визначення з мінімальною кількістю нескладної апаратури, причому виконання відповідних аналізів вимагає лише короткочасного навчання персоналу.
Щоб охарактеризувати якість води, часто застосовують і інші параметри, в тому числі концентрації фосфоровмісних речовин (загального фосфору), азотовмісних речовин (загального азоту) і суспендованих нерозчинних речовин. У таблиці 1 наведено характерні параметри потоків, що надходять на станцію очистки побутових стічних вод, і очищеної води. У цій таблиці не вказані деякі важливі забруднюючі речовини, в першу чергу солі важких металів і токсичні органічні речовини, наприклад пестициди, які часто присутні в дуже малих, але здатних завдати чималої шкоди концентраціях.
Таблиця 1. Деякі параметри, що характеризують якість води (вміст азоту і фосфору у воді після очищення перевіряється не завжди)
Вимоги до води
Параметр Стічні води після очищення
ВПК, мг / л
100-250
5-15
ГПК, мг / л
200-700
15-75
Загальний фосфор, мг / л
6-10
02-06
Азот, мг / л
20-30
2-5
суспендовані нерозчинні
100-400
10-25
речовини, мг / л
Склад промислових стічних вод визначається їх походженням (таблиця 2). Стоки промислових підприємств часто забруднені в набагато більшому ступені, ніж побутові стічні води. У стоках промислових підприємств, пов'язаних з переробкою матеріалів вуглеводної природи, часто містяться і отруйні речовини, наприклад формальдегід, аміак або ціаніди. Тут виникають дві взаємопов'язані проблеми: по-перше, ці стоки надзвичайно небезпечні для живих організмів в водоймах, куди вони скидаються, по-друге, вони можуть вбивати мікроорганізми, які беруть участь в аеробних і анаеробних процесах переробки відходів. Ефективні і досить економічні методи знешкодження подібних токсичних речовин поки ще не розроблені.
Таблиця 2. (праворуч) Вищий ступінь забрудненості стоків промислових підприємств *
* За даними, наведеними в роботі: Abson IV, Todhunter К. Н. In Biochemical and Biological Engineering Science, Blakebrough N. (ed.), Vol. 1, pp. 318-319, Academic Press, London, 1967.
Процеси за участю активного мулу
У процесах за участю активного мулу основним типом обладнання є проточний аерований біологічний реактор. Як показано на рис. 1, цей аеробний реактор (аеротенк) пов'язаний з відстійником, в якому вода освітлюється. Частина мулу, що збирається в відстійнику, зазвичай знову надходить в біологічний реактор, в результаті чого забезпечується постійна інокуляція мулом. Рециркуляція збільшує середній час перебування мулу в системі, даючи можливість присутнім в ньому мікроорганізмів адаптуватися до наявних поживних речовин. Іл повинен залишатися в аеробному біореакторі досить довго і для того, щоб окислились все адсорбовані органічні речовини.
Мал. 1 Схема очищення води за участю активного мулу.
Щоб зрозуміти основні механізми утилізації субстрату в цьому біореакторі, необхідно спочатку вивчити природу і морфологію змішаної культури мікроорганізмів, що живуть в аеріруемие реакторі. Одним з найбільш типових для активного мулу організмів є бактерія Zoogloea ramigera. Можливо, найбільш важливою характеристикою як цього організму, так і багатьох інших видів, що існують в активному мулі, є здатність синтезувати і секретувати в середу полісахаридних гель. Саме наявність гелю обумовлює агрегацію мікроорганізмів і утворення хлопьевідний скупчень (флокул), званих активним мулом (рис. 2).
Мал. 2. Мікрофотографія деяких мікроорганізмів активного мулу. (З роботи Unz RP, Dondero N. С., Water Research, 4, 575 (1970).)
Активний мул характеризується високою спорідненістю до суспендованих твердих речовин, включаючи колоїдальні частки. Саме ця обставина є причиною того, що першою стадією руйнування суспендованих твердих частинок в стічних водах є їх приєднання до флокули. Потім, здатні до біодеградації компоненти адсорбованих частинок зазнають окислення організмами флокули (рис. 3). 
Рис.3 Передбачається, що першою швидкої стадією руйнування органічних речовин в аеріруемие реакторі періодичної дії з активним мулом є фізичний процес - адсорбція органічних речовин флокули мулу, потім слід більш повільна стадія біологічного окислення.
Для того щоб вигідніше використовувати високу адсорбційну здатність активного мулу, розроблений варіант звичайного процесу, званий контактної стабілізацією. Як показано на схемі (рис. 4), в цьому процесі рециркулюючий обложений мул піддається повторної аерації перш, ніж він вступить в контакт з відходами, які надходять в аерований резервуар. В останньому органічні речовини зв'язуються з флокули практично виключно за рахунок фізичних сил. Біологічна утилізація пов'язаних органічних речовин відбувається в основному в процесі повторної аерації рециркулюючого мулу; одночасно відновлюється адсорбційна здатність флокул мулу.
Інші модифікації процесу за участю активного мулу відрізняються від базового варіанту головним чином способом здійснення контакту стічних вод, мулу і повітря в аерованих реакторі. Як показано на наведеній схемі, в процесі зі ступінчастою подачею стоків надходить потік після поділу вводять в аерований резервуар в різних точках. Ефект поділу потоку можна оцінити, скориставшись розглянутими раніше методами аналізу реакторів.
Звичайний аеротенк з активним мулом є вузький довгий канал (коридор), який за своїми характеристиками наближається до трубчастого реактора з незначною дисперсією. Розподіл надходить потоку подлине реактора змінює характеристики системи таким чином, що коридорний реактор за своєю поведінкою наближається до ємкісному реактору з повним перемішуванням.
Ще ближче до реактора з повним перемішуванням басейн круглої форми, вміст якого інтенсивно аерується з метою забезпечення масопереносу і перемішування. У такій системі градієнти концентрацій розчиненого кисню і поживних речовин мінімальні, а розвивається популяція організмів активного мулу часто краще переносить флуктуації навантаження або різкі підвищення концентрацій токсичних речовин.
Мал. 4. Схеми двох процесів біологічного окислення.
Системи аерації можуть бути самими різними. Крім барботажа з перемішуванням, який зазвичай використовується в мікробіологічних процесах, тут можливо барботирование повітря через дифузори, розташовані на дні або в стінках резервуара. В іншому варіанті на поверхні басейну обертається мішалка з лопатями, що створює турбулентні течії і сприяє поглинанню газу. Третій варіант передбачає перемішування і аерацію за допомогою конуса, який забирає рідину з дна басейну і розбризкує її на стінки резервуара. У всіх випадках основним завданням системи аерації і перемішування є постачання киснем мікроорганізмів, суспендування і перемішування мулу та інших нерозчинних компонентів системи, а також видалення летких продуктів метаболізму організмів мулу, наприклад діоксиду вуглецю.
Крім високої адсорбційної і метаболічної активності хороший мул повинен також швидко осідати. Наприклад, в циліндрі через 30 хв обсяг осів активного мулу повинен бути приблизно в 40 разів більше обсягу суспендованих твердих компонентів. Якщо цей показник набагато вищий і обсяг осів мулу перевищує обсяг суспендованих твердих частинок, наприклад, в 200 разів, то такий мул не задовольняє пропонованим до нього вимогам, оскільки він буде витікати з відстійника разом з очищеними стічними водами. Такий стан називають об'ємною перевантаженням; в цьому випадку оброблені стічні води не відповідатимуть відповідним стандартам.
Хоча причини, що викликають об'ємне перевантаження і механізм цього явища поки що не з'ясовані, вивчення мулу часто показує, що в ньому містяться филаментозному бактерії і жгутикові найпростіші. Навпаки, хороший мул зазвичай не містить скільки-небудь численні популяції филаментозному організмів, а з найпростіших в ньому присутні головним чином стебельчатие війчасті види. В процесі очищення води ці найпростіші виконують корисну функцію, захоплюючи вільні, т. Е. Не включені в флокули, бактерії і таким чином висвітлюючи оброблені стічні води.
У нормальних умовах експлуатації очисних станцій филаментозному бактерії і гриби не можуть конкурувати з гетеротрофних бактеріями, присутніми в хорошому мулі. Різкі зміни концентрацій забруднюючих речовин в стічних водах або грубе порушення режиму експлуатації системи водоочищення можуть привести до умов, несприятливих для зростання корисних популяцій, що в свою чергу дозволить іншим видам мікроорганізмів зайняти домінуюче становище в системі. Звідси випливає, що результати як об'ємної перевантаження, так і нормального режиму роботи системи водоочищення є прояви принципів конкуренції видів в змішаних популяціях.
література:
Hattori Т., Microbial Life in the Soil: An Introduction, Marcel Dekker, Inc., New York, 1973.
Mitchell R., Introduction to Environmental Microbiology, Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, NJ, 1974
Rich LG, Environmental Systems Engineering, McGraw-Hill Book Company, New York, 1973.
Abson JW, Todhunter К. Н., Effluent Disposal, in Biochemical and Biolgical Engineering Science, Blakebrough N. (ed.), Vol. 1, chap. 9, Acaemic Press, London, 1967.
Andrews JF, Review Paper: Dynamic Models and Control Strategies for Wastewater Treatment Processes, Water Res., 8, 261-289 (1974)