Аеробне очищення стічних вод

Біологічна переробка відходів спирається на ряд дисциплін: біохімію, генетику, хімію, мікробіологію, обчислювальну техніку. Зусилля цих дисциплін концентруються на трьох основних напрямках:

– деградація органічних і неорганічних токсичних відходів;

– поновлення ресурсів для повернення в кругообіг речовин: вуглецю, азоту, фосфору, азоту й сірки;

– одержання необхідних видів органічного палива.

При очищенні стічних вод виконують чотири основні операції:

1. При первинній переробці відбувається розмелювання й осадження стічних вод від механічних домішок (розмелювачі, уловлювачі піску, ґрати, відстійники).

2. На другому етапі відбувається руйнування розчинених органічних речовин за участю аеробних мікроорганізмів. Мул, який утворюється, складається головним чином з мікробних клітин, або видаляється, або перекачується в реактор. При технології, яка використовує активний мул, частина його повертається в аераційний тенк.

3. На третьому (необов'язковому) етапі здійснюється хімічне осадження азоту й фосфору.

4. Для переробки мулу, який утворюється на першому й другому етапах, використовується процес анаеробного розкладання. При цьому зменшується обсяг осаду й кількість патогенів, усувається запах й утворюється органічне паливо – метан.

На практиці застосовуються одноступінчасті й багатоступінчасті системи очищення. Стічні води надходять в подрібнювач, де відбувається інтенсивне перемішування стоків з різним якісним і кількісним складом. Перемішування здійснюється за рахунок подачі повітря. Якщо є потреба в подрібнювач додають також біогенні елементи в необхідній кількості й аміачну воду для створення певного значення рН. Час перебування в подрібнювачі складає кілька годин. При очищенні фекальних стоків і відходів нафтопереробки необхідним елементом очисних споруджень є система механічного очищення – уловлювачі піску й первинні відстійники. У них відбувається відділення води, від грубих суспензій і нафтопродуктів, що утворюють на її поверхні плівку.

Біологічне очищення води відбувається в аеротенках. Аеротенк являє собою відкрите залізобетонне спорудження, через яке проходить стічна вода, що містить органічні забруднення й активний мул. Суспензія мулу в стічній воді протягом усього часу знаходження в аеротенкові піддається аерації повітрям. Інтенсивна аерація суспензії активного мулу киснем призводить до відновлення його здатності сорбувати органічні домішки.

В основі біологічного очищення води лежить діяльність активного мулу (АМ) або біоплівки, природно виниклого біоценозу, який формується на кожному конкретному виробництві залежно від складу стічних вод й обраного режиму очищення. Активний мул являє собою темно-коричневі пластівці, розміром до декількох сотень мікрометрів. На 70% він складається з живих організмів і на 30% – із твердих часток неорганічної природи. Живі організми разом із твердим носієм утворюють зоомул – симбіоз популяцій мікроорганізмів, вкритий загальною слизовою оболонкою. Мікрооганізми, які виділені з активного мулу відносяться до різних родів: Actynomyces, Azotobacter, Bacillus, Bacterium, Corynebacterium, Desulfomonas, Pseudomonas, Sarcina й ін. Найбільш численні бактерії роду Pseudomonas, про всеїдність яких згадувалося раніше. Залежно від зовнішнього середовища, яким у цьому випадку є стічна вода, та або інша група бактерій може виявитися переважною, а інші стають супутниками основної групи.

Суттєва роль у створенні й функціонуванні активного мулу належить найпростішим. Функції найпростіших досить різноманітні; вони самі не приймають особистої участі в споживанні органічних речовин, але регулюють віковий і видовий склад мікроорганізмів в активному мулі, підтримуючи його на певному рівні. Поглинаючи велику кількість бактерій, найпростіші сприяють виходу бактеріальних екзоферментів, які концентруються в слизовій оболонці й тим самим беруть участь у деструкції забруднень. В активному мулі зустрічаються представники чотирьох класів найпростіших: саркодові (Sarcodina), джгутикові інфузорії (Mastigophora), війчасті інфузорії (Ciliata), всмоктуючі інфузорії (Suctoria).

Показником якості активного мулу є коефіцієнт протозойності, який відбиває співвідношення кількості клітин найпростіших мікроорганізмів до кількості бактеріальних клітин. У високоякісному мулі на 1 мільйон бактеріальних клітин повинно доводитися 10 – 15 клітин найпростіших. При зміні складу стічної води може збільшиться чисельність одного з видів мікроорганізмів, але інші культури однаково залишаються в складі біоценозу.

На формування ценозів активного мулу можуть впливати й сезонні коливання температури, забезпеченість киснем, присутність мінеральних компонентів. Все це робить його склад складним і практично невідтворюваним. Ефективність роботи очисних споруджень залежить також від концентрації мікроорганізмів у стічних водах і віку активного мулу. У звичайних аеротенках поточна концентрація активного мулу не перевищує 2 – 4 г/л.

Збільшення концентрації мулу в стічній воді призводить до росту швидкості очищення, але вимагає посилення аерації, для підтримки концентрації кисню на необхідному рівні. Таким чином, аеробна переробка стоків містить у собі наступні стадії:

1) адсорбція субстрату на клітинній поверхні;

2) розщеплення адсорбованого субстрату позаклітинними ферментами;

3) поглинання розчинених речовин клітинами;

4) ріст й ендогенне дихання;

5) вивільнення продуктів екстракції;

6) "поїдання" первинної популяції організмів вторинними споживачами.

В ідеалі це повинно призводити до повної мінералізації відходів до простих солей, газів і води. На практиці очищена вода й активний мул з аеротенка подаються у вторинний відстійник, де відбувається відділення активного мулу від води. Частина активного мулу повертається в систему очищення, а надлишок активного мулу, що утворився в результаті росту мікроорганізмів, надходить на мулові площадки, де збезводнюється й вивозиться на поля. Надлишок активного мулу можна також переробляти анаеробним шляхом. Перероблений активний мул може служити і як добрива, і як корм для риб, худоби.

Система повного доочищення може складатися з безлічі елементів, які визначаються подальшим призначенням стічної води. Можливе застосування біологічних ставків, де біологічно очищена вода проходить висвітлення й насичується киснем. Ставки також відносяться до системи біологічного очищення, у якій під впливом біоценозу активного мулу відбувається окислення органічних домішок. Склад біоценозів біологічних ставків визначається глибиною знаходження даної групи мікроорганізмів. У верхніх шарах розвиваються аеробні культури, у придонних – факультативні аероби й анаероби, які здатні здійснювати процеси метанового бродіння або відновлення сульфатів. Насичення води киснем відбувається за рахунок процесів фотосинтезу, який здійснюється водоростями, з яких особливо широко представлені Clorella, Scenedesmus, зустрічаються евгленові, вольвоксові й т.д. У ставках також тією чи іншою мірою представлена мікро- і макрофауна: найпростіші, хробаки, коловертки, комахи й ін. У біоставках з води добре видаляються нафтопродукти, феноли й інші органічні сполуки. У деяких випадках воду після біологічного очищення піддають реагентній обробці – хлоруванню або озонуванню.

Інтенсифікувати процеси біологічного очищення можна шляхом аерації суспензії активного мулу чистим киснем. Цей процес можна здійснювати в модифікованих аеротенках закритого типу – окситенках, із примусовою аерацією стічної води. На відміну від аеротенків у біофільтрах (або перколяційних фільтрах) клітини мікроорганізмів перебувають у нерухомому стані, тому що прикріплені до поверхні пористого носія. Біоплівку, яка утворюється у такий спосіб можна віднести до іммобілізованих клітин. У цьому випадку іммобілізована не монокультура, а цілий консорціум, неповторний за якісним й кількісним складом й розрізняється в залежності від його місцезнаходження на поверхні носія. Вода, яка очищається, контактує з нерухомим носієм, на якому іммобілізовані клітини й за рахунок їхньої життєдіяльності відбувається зниження концентрації забруднювача.

Перевага застосування біофільтрів полягає в тому, що формування конкретного ценозу призводить до практично повного видалення всіх органічних домішок. Недоліками цього методу можна вважати:

– нереальність використання стоків з високим вмістом органічних домішок;

– необхідність рівномірного зрошення поверхні біофільтра стічними водами, що подаються з постійною швидкістю;

– стічні води перед подачею повинні бути звільнені від зважених часток щоб уникнути замулювання.

Як носії можна використати кераміку, щебінь, гравій, керамзит, металевий або полімерний матеріал з високою пористістю. Для біофільтрів характерна наявність протитоку води, який надходить зверху й повітря, що подається знизу. Частки мікробної плівки, які відірвалися, після відділення їх у вторинному відстійнику не повертаються назад у біофільтр, а йдуть на мулові площадки або на анаеробну переробку.

Існують також системи, які поєднують у собі як систему біофільтрів, так й активного мулу в аеротенках. Це так звані аеротенки-витискувачі. В стічну воду, яка піддається аерації поміщають або склойоржики, або створюють систему сіток усередині тенка, у які вкладаються прокладки з пористого поліефіру. У порожнечах цих прокладок і на поверхні склойоржиків відбувається нагромадження біоценозу активного мулу. Носій періодично видаляється з тенка, біомаса знімається, після чого носій повертається в реактор.

Система з іммобілізованими на мобільному носії клітинами відрізняється від біофільтрів своєю економічністю, тому що використовуються високі концентрації мікроорганізмів і немає необхідності осаджувати кінцеві продукти. Така система може знайти застосування в очищенні локальних стоків, з вузьким спектром забруднень. Їх доцільно очищати в самостійних біологічних системах, не змішуючи зі стоками інших виробництв. Це дозволяє одержати біоценози мікроорганізмів, адаптованих до даного вузького спектра забруднень, при цьому швидкість й ефективність очищення різко зростають.