6.3.7. Біологічні методи очищення води

Забруднювачі природного походження, які потрапляють у воду, поступово руйнуються, перетворюються і видаляються з водойми. Значну роль у цьому відіграє розкладання органічних та неорганічних речовин під впливом бактерій та вищих організмів тваринного та рослинного походження, які заселяють водойму. Саме ці процеси покладені в основу біологічного очищення води від ксенобіотиків. Методи біологічного очищення застосовують для знешкодження невеликих кількостей сторонніх речовин у водах. У процесі очищення відбувається окиснення за участю аеробних мікроорганізмів, розклад за участю анаеробних бактерій; споживання сторонніх речовин мікроорганізмами, для яких ці речовини є джерелом живлення. Біологічними методами очищення можна видалити з води нітрати, амоній, сульфіди, сполуки важких металів, розкласти більшість органічних речовин, видалити хвороботворні бактерії та віруси. Як результат, одержують воду, що по якості відповідає природній воді. Ці методи значно дешевші, ніж інші, екологічно безпечніші та за перебігом процесів відповідають природним. Відбуваються як виключно біологічні, так і біохімічні процеси. Використовують аеробні організми при 20-40С в активному мулі або біоплівці, та анаеробні. Аеробні процеси проходять у штучних та природних умовах – поля зрошення і фільтрації, біологічні стави (3-5 ступеневий каскад ставів). Штучне очищення відбувається в аеротенках – залізобетонних резервуарах, які добре аеруються.

Історично першим методом очищення води була її обробка на відкритому ґрунті. Воду відстоювали на шарі ґрунту. Для цього використовували великі заглиблені території, які заповнювали водою. Вода частково відстоювалася і з неї осідали важкі зависі, частково профільтровувалася. Крім того при контакті з киснем повітря відбувалося окиснення та гниття речовин, випаровування летких речовин, а в холодну пору року – і виморожування. Тобто відбувається очищення, аналогічне до самоочищення води у природних умовах. Зараз використовують зорані поля зрошення, поля наземного фільтрування, для кращого окиснення воду періодично аерують. Однак недоліком ґрунтового методу очищення води є втрата великих територій орних земель. Таким методом не можна очищувати стоки, які містять токсичні речовини, бо ці речовини майже не піддаються руйнуванню, а потрапляють через ґрунтові води у поверхневі води, чим завдають шкоди довкіллю. Якщо токсичні речовини леткі, то забруднюють атмосферу. Ґрунтові методи можна застосовувати лише для доочищення води після застосування інших методів. Ними добре видаляються біогенні речовини та ті, які є елементами живлення рослин, наприклад фосфат.

Зараз застосовують штучні біологічні методи очищення води із використанням таких основних біоценозів, як біоплівки, активний мул, анаеробні мікроорганізми, спеціально селекціоновані мікроорганізми (специфічні до деяких речовин) та сукупність гідробіоценозів. У технічному відношенні існує багато апаратів для очищення з різноманітними фільтрами та матеріалами для засипки.

Біологічне очищення води в аеробних умовах

Один із способів очищення – активним мулом. Активний мул – це бактерії, грибки різних видів, найпростіші, та супутні організми: ракоподібні і безхребетні, що знаходяться на твердому субстраті. Склад мулу змінюється залежно від складу стічної води, на початку очисної споруди він один, а в кінці після очищення води – інший.

Очищення води активним мулом проводять у довгих залізобетонних каналах – аеротенках (до 150 м довжиною, а висота і ширина до 5 та 11 м). У каналі міститься активний мул. Вода подається в канал зверху у декількох місцях, при цьому перемішується з повітрям і з мулом. Додатково з дна аеротенка піддувають повітря. Процедура очищення води триває від 4 до 48 год. Очищена і просвітлена вода стікає у відстійник, де відділяється від залишків мулу і при потребі подається на подальше очищення іншими методами. Активний мул утворює досить великі конгломерати, які легко відділяються з води. У процесі очищення біомаса мулу зростає, тому частина його направляється на повторне використання. Якщо цю використану біомасу з знову подають на початок очисного каналу в забруднену воду, то частина бактерій отруюється токсичними речовинами, що є недоліком методу з точки зору біологічних процесів. Частину утвореної біомаси після просушування використовують як добриво або як паливо для одержання біогазу.

Є величезна кількість конструкцій аеротенків різних розмірів, з різним способом аерації, утилізації залишків мулу, способом подання потоку. Є одно-, а є багатоступеневі відстійники. Однак метод очищення не є досконалим. Біомаса, яка залишається після очищення води в кінці аеротенка, за біологічним складом та функціями відрізняється від тої, яка є на початку аеротенка.

Очищення біоплівками полягає у пропусканні води через біофільтр або біоконтактор. Біоплівка наростає на біофільтрі і має вигляд слизу товщиною 1-3 мм, містить грибки, бактерії, дріжджі. Склад біоплівки більш різноманітний, ніж активного мулу, містить водорості, черви, личинки мух. За способом нанесення біоплівки розрізняють біофільтрування та використання біоконтакторів.

Перевага методу очищення з фіксованою мікрофлорою полягає в тому, що закріплені на барабанах мікроорганізми не видаляються зі споруд, забруднення легко видалити. Для досягнення ефективного очищення води бактерії іммобілізують на носії з великою поверхнею і малим гідравлічним опором до потоку рідини – на піноуретані, керамзиті, виробах зі скла, а також природних щебені або гравії.

Апарат для біофільтрування (рис.6.17) складається з великої залізобетонної ємності, заповненої твердим сипким матеріалом, на якому розвиваються гідробіонти, а під ємністю розташований піддон для зливу очищеної води. Стічну воду розбризкують зверху насипу, а під час проходження через насип відбувається біологічне очищення води. Для покращення умов для аеробних мікроорганізмів внизу розміщені вентиляційні вікна, через які поступає повітря, а в холодну пору року повітря нагрівають. Для повного очищення вода повинна декілька разів проходити через біофільтр. Однак це не дуже добре, бо ті самі гідробіонти мусять очищати як забруднену, так і частково очищену воду. Наповнювач біофільтра може бути плоским, виконаним з шиферу, тканин, волокон, а може бути з сипкого матеріалу – гравію, шлаків, спеціальних пристроїв. Високою є ефективність очищення води від органічних речовин через біоплівку, нанесену на пісок.

Невеликі апарати біофільтрації можуть бути біля кожного будинку, тоді їх вкопують у землю і оснащують зверху вентиляторами для доступу повітря і видалення газів.

Рис.6.17. Біофільтрація води; 1 – розприскувачі води, 2 – вентиляційні вікна, 3 – біофільтр

У біоконтакторах в ємності для очищення містяться обертові диски з металу або пластичних мас, на які нанесено біоплівку, причому ці диски наполовину занурені у воду. Диски повільно обертаються, цим досягається постійне перемішування води і додаткове насичення біоплівки киснем, що сприяє кращій мінералізації органічних речовин. Біоконтактори використовують на малопотужних очисних станціях.

Мочари – різновид методу біофільтрування. Викопують землю на глибину 1 м, вкривають гідроізоляційною синтетичною плівкою, у яму засипають гравій. На гравій наносять біоплівку, засаджують водні рослини (аїр та інші). В одній частині засипки через перфоровану трубу подають воду, яка поширюється по всій засипці. Водні рослини вбирають з води фосфат, нітрат, біогенні елементи, а аеробні мікроорганізми піддають деградації органічні речовин. Очищена вода збирається з протилежного кінця засипки трубою і після цього її можна спускати у водойму. Очищення мочарами не вимагає затрат електроенергії на циркулювання води та активного мулу, не вимагає спеціально споруджених будівель і є екологічно чистою.

Біологічне очищення води в анаеробних умовах. Анаеробний мул містить такі основні групи бактерій: гідролітичні, які можуть розщеплювати природні полімери (білки, вуглеводи, нуклеїнові кислоти, жири); бактерії, здатні утворювати кислоту, які перетворюють спирти, вищі карбонові кислоти та деякі ароматичні сполуки в ацетатну кислоту; метаногенні, завдяки яким утворена ацетатна кислота перетворюється у метан і таким чином процес розкладу органічних речовин завершується:

СН₃–СООН СН₄ + СО₂.

Процеси відновлення за участю анаеробних бактерій складні, різноманітність бактерій велика і досить важко одержати певні культури цих бактерій у чистому вигляді. Анаеробний мул досить легко руйнується токсичними речовинами у стоках, тому на його нарощування потрібно більше часу, ніж аеробного мулу. На очисні станції анаеробний мул спеціально завозять у вигляді гранульованого матеріалу.

У відстійниках, в яких з води осідають важкі завислі частинки, відбувається одночасно і анаеробне бродіння. Бродіння є спиртове та метанове, під час якого під впливом бактерій руйнуються органічні та неорганічні речовини.

Метанове бродіння використовують для знезараження осаду у воді, при цьому дотримуються сталої температури і рН=6,5-8,5. Щоб при бродінні у воду не потрапляв кисень, відстоювання проводять у герметично закритих залізобетонних спорудах, які називають метатенками. У метатенках поряд з досить великою кількістю CH₄ нагромаджуються СО₂, H₂, NH₃, H₂S. Метатенки використовують також для розкладу залишків використаного активного мулу, тоді процес триває довго, до одного місяця. Процеси бродіння у метатенках проходять при температурах 30-35С або при 50-55С.

Перевагою анаеробного бродіння над аеробним є те, що коли при аеробному процесі наростає біомаса, яку потім треба утилізувати або піддавати анаеробному бродінню, то при анаеробному відбувається повний розклад органічних речовин до газоподібних продуктів, які можна використовувати як біопаливо. Анаеробним бродінням очищають стічні води харчової промисловості, птахофабрик, ферм.

Оскільки при бродінні виділяються гази, то вони піднімаються вверх і захоплюють зависи з води на поверхню, де вони ущільнюються. Таким чином відбувається ще один процес очищення води – біологічна флотація, дуже важлива для ущільнення осаду після очищення на первинних відстійниках. Для кращого ущільнення осад витримують при температурі 35-55С протягом декількох діб.

Недоліком методу очищення води анаеробним мулом є те, що в анаеробних умовах не досягається такого очищення води, щоб її можна було зливати у природну водойму. Воду доводиться додатково очищувати дією аеробних бактерій та іншими методами. Життєдіяльність анаеробних бактерій супроводжується виділенням продуктів розкладу, які є дуже токсичними (наприклад, сульфуровмісні) з різким неприємним запахом. Виділені метан, сульфур діоксид, водень утворюють з повітрям вибухові суміші. Це також є суттєвим недоліком методу. Тому робота на очисних станціях вимагає обережності і високої кваліфікації.

Очищення води специфічними мікроорганізмами. Більшість речовин можна розкладати певними бактеріями. Найчастіше застосовують бактерії, за участю яких відбувається нітрифікація органічних речовин. Одна група аеробних бактерій окиснює амоній до нітриту, друга – нітрит до нітрату. Одночасно анаеробні бактерії віднов-люють нітрат поступово до аміаку. Використовуючи такі групи аеробних та анаеробних бактерій, очищають воду від нітратів, амонію, нітритів.

Деякі бактерії здатні очищати воду від важких металів. За участю анаеробних бактерій відновлюються сульфати до сульфіду, а останні зв’язують важкі метали у важкорозчинні осади MeS і таким чином видаляться з води. Певні бактерії сприяють біологічному відновленню хроматів та біхроматів у сполуки Cr(ІІІ), які утворюють осад Cr(OH)₃.

Вважається, що не піддаються біодеградації хлорпохідні вуглеводнів, гетероциклічні сполуки, полімерні матеріали. Однак виявлено мікроорганізми, здатні розкладати хлорорганічні пестициди, діоксини. Принципово можна підібрати мікроорганізми, здатні до розкладу будь-якої органічної речовини, хоча на практиці вони ще не знайшли свого застосування.

Складність методу очищення води мікроорганізмами полягає в тому, що треба використати лише певний тип бактерій для очищення від певної речовини і не допустити, щоб бактерії вимивалися водяним потоком.

Очищення води у трофічному ланцюгу гідробіонтів. Суть методу полягає в тому, щоб відбувся в очисному апараті весь процес перетворень (трофічний ланцюг) гідробіонтів, як у природному середовищі. По-перше, процес очищення води повинен відбуватися за участю різних мікроорганізмів, які змінюють одні одних в очисній споруді. Відповідний біоценоз міцно іммобілізований на стійкій насадці з розвиненою поверхнею. По-друге, мікроорганізми, які очистили воду, повинні бути знищені організмами вищого порядку.

Для очищення застосовують прямотечійну багатоступінчасту схему. На першому етапі діє група спеціальних бактерій, які розкладають найбільш токсичні речовини. У процесі приймають участь також анаеробні бактерії, що розкладають багато органічних речовин повністю. На другому етапі застосовують бактерії, які розкладають інші органічні речовини, та бактерії, які знищують слідові кількості органічних речовин. На останніх стадіях ці бактерії знищуються вищими організмами, потім ракоподібними та слимаками.

Очищення води у трофічному ланцюгу гідробіонтів більш повне, ніж іншими біологічними методами. Завдяки дії різноманітних мікроорганізмів цим методом можна очищати води з різними забруднювачами як у великих, так і малих концентраціях, а завдяки трофічному ланцюгу знищується зайва кількість утвореної в процесі очищення біомаси.

Індивідуальне очищення води. В останні роки з’явилось багато пристроїв різної конструкції для очищення води окремими споживачами, закладами харчування, лікарнями, школами. В багатьох із них застосовується адсорбція забруднювачів активованим вугіллям та іншими сорбентами, використовують озонатори і пристрої з очисними мембранами. Окрім користі, вони можуть мати і шкідливу дію. Фільтри з іонообмінними матеріалами вбирають з води солі, серед яких життєво важливі сполуки кальцію, магнію та інших металів, фторид. У випадку застосування сорбційних матеріалів у воді має місце ріст різних мікроорганізмів. І на кінець, у багатьох конструкціях можливе явище десорбції у воду забруднень, навіть тих, які були раніше поглинуті з води. Якщо користуватись фільтрами іноземних фірм, то слід врахувати, що вони розраховані на води, хімічний склад яких притаманний європейським рікам. Таким чином, застосування індивідуальних пристроїв очищення води може бути тимчасовим.

Іноді як альтернативне водозабезпечення, використовують бутильовану воду. Однак і в цьому випадку виникає низка проблем. Найважливішим є забезпечення допустимих мікробіологічних показників, які залежать від температури, термінів зберігання, виду тари та хімічного складу упакованої води. Полімерні матеріали з упакування можуть бути джерелом надходження до води органічних речовин, зокрема ацетону, дибутилфталату, діоктилфталату, метанолу, стиролу, фенолу, формальдегіду. Продукти деструкції полімерних матеріалів можуть стати живильним субстратом для мікроорганізмів, особливо за умови підвищеної температури (до 30С). Тому перед одержанням бутильованих вод слід звертати особливу увагу на попереднє очищення води від мікроорганізмів та органічних речовин. З метою надання тарі бактерицидних властивостей запропоновано її обробляти розчином похідної полігексаметиленгуанідину. Однак тут виникає питання відносно дії можливих продуктів деструкції самого реактиву. Інший спосіб знезараження – збагачення киснем. Проте при недотриманні технологічного режиму у воді можуть утворюватися токсичні продукти окиснення органічних домішок, іти процес „старіння” полімерної тари.

Окрім очищення питних вод, проблемою загальнодержавного значення є очищення стічних вод звалищ побутових відходів.

Автором В.О.Василечком проводились дослідження якості вод поблизу Львівського міського сміттєзвалища в районі с. Грибовичі, куди звозять як побутові відходи, так і промислові IV класу токсичності. Проведені аналізи вод прилеглих територій показали, що з загальних показників нормам відповідають лише рН, вміст SO₄^2- та Cl^-. Суттєво перевищувало норму значення ХСК, тобто вміст органічних речовин, ароматичних вуглеводнів та фенолів (у 10-80 разів), хлороформу (у 460 разів). Це зумовлено потраплянням нафтопродуктів та залишків від виробництва дерево-стружкових плит. Серед неорганічних речовин значно перевищеним є вміст сполук мангану, нітратів, кадмію, порушений баланс між вмістом натрію та калію. Тому сміттєзвалища повинні бути обладнані системою профільтраційних екранів, які б захистили ґрунтові та підземні води.

Типова схема очищення води показана на рис. 6.18. Весь процес очищення води, забрудненої промисловими або побутовими стоками, складається з трьох основних стадій. На першій стадії воду очищають механічно, тоді подають в апарат біологічного очищення, а на кінець доочищують фізико-хімічними методами, при потребі дезінфікують.

Перша стадія полягає у механічному очищенні води від зависів. Для цього воду поміщають у відстійник, пропускають через фільтр, решітку, пісковловлювач. На цій стадії вже відбуваються біохімічні процеси за участю мікроорганізмів. Утворений осад подають у метатенки на зброджування, а легкі часточки, які сплили на поверхню, і часточки, які сплили завдяки біофлотації, згрібають і теж подають у метатенки. На другій стадії вода піддають біологічному очищенню: фільтруванню через біоплівки або в аеротенк з активним мулом, іноді додають спеціально селекціоновані мікроорганізми. Надлишок біомаси відділяють у спеціальні відстійники, руйнують в метатенках. Третя стадія – знезараження води: хлоруванням, озонуванням, дією ультрафіолетового випромінювання. Краще доочищувати воду фізико-хімічними методами – фільтруванням через пісок і активоване вугілля, коагуляцією і флокуляцією, а потім відцентрифуговуванням утворених осадів. Одержані залишки складуються на спеціальних звалищах.

Рис. 6.18 Типова схема очищення побутових стічних вод