6.3 Биохимические методы очистки воды

Биохимические процессы используются на завершающей стадии технологической схемы очистки сточных вод. Они позволяют произве- сти деструкцию органических загрязнителей воды с помощью биоло- гической системы. Особая роль в этом процессе отводится микроорга- низмам, малый размер которых обуславливает высокую поверхность контакта их с окружающей средой, поэтому обменные процессы про- текают очень активно.

6.3.1 Микробная ассоциация и технологические условия ме-

тодов биохимической очистки воды

Способность микроорганизмов (вирусов, фагов, бактерий, водо-

рослей, грибов, простейших) использовать в процессе своей жизнедея-

76

тельности в качестве питания различные органические и минеральные вещества сточных вод является основой процессов биологической очи- стки. Микроорганизмы имеют очень разнообразные физиологические возможности в отношении питательных веществ и условий окру- жающей среды, что позволяет удалять из сточных вод практически лю- бые органические соединения.

В процессах биологической очистки наибольшая роль отводится бактериям. Все необходимые питательные вещества бактерии получа- ют из сточной воды, поэтому ее качественный и количественный со- став, а также условия проведения очистки - концентрация растворенно- го кислорода, рН, температура, наличие токсических примесей - имеют большое значение для получения высоких и устойчивых показателей качества очищенной воды.

Бактериальное разложение органических веществ может происхо- дить в анаэробных и в аэробных условиях (то есть в бескислородной среде и в присутствии кислорода).

Аэробы разлагают органические вещества, окисляя их кислоро-

дом, который потребляют из воздуха или из химических соединений. Некоторые виды бактерий растут и размножаются в отсутствии сво- бодного кислорода, получая энергию при анаэробном разложении ор- ганических веществ и накапливая частично окисленные промежуточ- ные продукты.

Процессы биохимической деструкции веществ в сточных водах реализуются в естественных условиях: на полях фильтрации, ороше- ния; биологических прудах, а также в искусственных условиях: в аэро-

тенках и биофильтрах (аэробные методы) и в метантенках (анаэроб-

ные методы).

Потребное для полного окисления количество кислорода биохи- мическая потребность в кислороде (БПК) является мерой количества органического вещества, способного окисляться бактериями в аэроб- ных условиях. При оценке степени разложения органического веще- ства в анаэробных условиях и определении эффективности работы ана- эробных сооружений, где кислород не потребляется, показатель БПК применяться не должен.

При очистке сточных вод, содержащих разнообразные органиче- ские и минеральные вещества, используют сообщество микроорганиз- мов, которое обладает широким спектром физиологических возможно- стей и устойчивостью к воздействию внешних факторов. При этом не- которые бактерии участвуют в нескольких этапах разложения веще- ства: например, могут использовать белки, а затем углеводы, окислять

77

спирты, а затем альдегиды, элементарный, а затем связанный азот и т.д. Как известно, большинство бактерий могут потреблять только оп- ределенные вещества, не используя другие. Одни виды бактерий могут вести окисление органического вещества до конца - до образования уг- лекислого газа и воды, то есть реализовать полное окисление, другие - до промежуточных продуктов, которые в свою очередь могут являться субстратом для других видов бактерий.

Активный ил и биопленка представляют собой сообщество орга- низмов, основную часть которого составляют бактерии, в незначитель- ном количестве присутствуют различные виды простейших, коловрат- ки, некоторые виды червей.

Активный ил – это свободно перемещающиеся в очищаемой во-

де микроорганизмы. Активный ил применяется в аэротенках.

Биопленка – сообщество прикрепленных (иммобилизованных) на специальной загрузке микроорганизмов. Биопленка развивается в био- фильтрах.

Простейшие, присутствующие в активном иле и в биопленке, не-

посредственного участия в окислении органического вещества не при- нимают. Они питаются бактериями и мельчайшими взвешенными ве- ществами, находящимися в воде. Это обуславливает их специфиче- скую регулирующую роль в очистке сточной воды: поедая клетки бак- терий, простейшие способствуют омоложению активного ила, присут- ствие простейших стимулирует рост бактерий, простейшие снижают общее количество единичных бактериальных клеток в очищенной во- де, в том числе и патогенных. На разных этапах очистки, при разных условиях ее проведения преобладают разные группы простейших, что позволяет с большой степенью достоверности использовать их в каче- стве индикаторных организмов и судить о полноте очистки. Например,

в условиях работы аэротенков в режиме полного окисления с ин- тенсивным процессом аэрации в активном иле в массовом количестве присутствуют такие простейшие как, кругло- и брюхоресничные инфу-

зории, а также – коловратки и малощетинковые черви. При орга-

нической перегрузке, недостатке кислорода и др. появляются другие простейшие - бесцветные жгутиковые, равноресничные инфузории, переносящие повышенную концентрацию органических веществ и де- фицит кислорода в воде.

Условная химическая формула активного ила, которая варьирует

в зависимости от условий процесса очистки, имеет вид C₅ОH₇О₂N.

Основными химическими соединениями органического вещества ак-

78

тивного ила являются белки - 56-58%, жиры - 21-22%, углеводы - 4-5%

от общего органического вещества активного ила.

Отрицательное воздействие на физиологическое состояние актив- ного ила оказывает недостаток биогенных элементов: азота, фосфора, калия, магния, кальция, серы и др. Как правило, в хозяйственно-быто-

вых сточных водах недостатка этих элементов не бывает. Более того,

эти элементы, особенно азот и фосфор присутствуют в избытке, и ос-

новная задача состоит в том, чтобы удалить их из очищаемой воды.

Эффективность очистки сточных вод активным илом в значитель- ной степени зависит от температуры воды. Считается, что оптималь- ный диапазон температур 20°С - 25°С. Повышение температуры, осо-

бенно резкое, до 28°С и выше ведет к изменениям в структуре актив-

ного ила и ухудшению его седиментационных свойств, что нарушает работу, следующих за аэротенком , вторичных отстойников. Темпера- тура выше критической, которая может привести к гибели бактериаль- ных клеток, практически не встречается при очистке хозяйственно- бытовых сточных вод. Значительно чаще на очистные сооружения по- ступает вода с пониженной температурой. По существующим норма- тивам на биологическую очистку не следует подавать сточную воду с температурой ниже 6 °С. При низкой температуре, замедляется ско- рость окисления органического вещества, скорость адаптации микро- организмов к новым загрязняющим веществам, поступающим на очи- стку. Особенно сильное воздействие пониженная температура оказы- вает на скорость процессов нитрификации и денитрификации (эти процессы будут рассмотрены ниже). При низкой температуре ухудша- ются седиментационные свойства активного ила.

На физиологическую активность микроорганизмов активного ила оказывает влияние величина рН. При рН среды менее 6 и более 9 эф- фективность очистки сточных вод резко снижается, что объясняется влиянием активной реакции среды на скорость ферментативных про- цессов. В условиях резко щелочной или кислой среды может произой- ти необратимая денатурация белков бактериальных клеток. Величина рН, поступающей на очистку сточной воды, обычно около 7. За счет процессов, происходящих в аэротенке, особенно нитрификации и де- нитрификации, активная реакция среды изменяется - при высокой эф- фективности очистки достигает 8 - 8,5. Это зависит также от буферно- сти системы, в частности от величины щелочности сточной воды.

Отрицательное действие на процесс биологической очистки ока- зывают различные токсические вещества органического и неорганиче- ского происхождения: соли тяжелых металлов (медь, ртуть, свинец,

79

хром и др.), четыреххлористый углерод, амиловый спирт, гидрохинон, хлорбензол, хлорвинил и др. Степень влияния токсических веществ зависит от адаптированности активного ила, его дозы, температуры, рН, количества и вида других загрязнений. Токсические органические вещества в концентрациях ниже предельно допустимых могут исполь- зоваться бактериями активного ила в качестве питательного субстрата

и таким образом удаляться из сточной воды. Поэтому так важно уст- ройство на промышленных предприятиях локальных очистных соору- жений и соблюдение требований, предъявляемых к производственным сточным водам при приеме их на городские очистные сооружения.

Механизм действия токсических веществ различен. Например, малые концентрации синильной кислоты или ее солей инактивируют один из дыхательных ферментов - цитохромоксидазу; ПАВ снижают поверхностное натяжение, что создает неблагоприятные условия для микроорганизмов.