2.8 Біологічне очищення. Фізіологія біологічного очищення
Біохімічні методи застосовують до очищення господарсько-побутових і промислових стічних вод від багатьох розчинених органічних та деяких неорганічних (сірководню, сульфідів, аміаку, нітритів) речовин. Процес очищення ґрунтується на здатності мікроорганізмів використовувати ці речовини для живлення в процесі життєдіяльності, оскільки органічні речовини для мікроорганізмів є джерелом вуглецю.
Стічні води, що пройшли механічне і фізико-хімічне очищення, містять ще досить велику кількість розчинених та тонкодиспергованих нафтопродуктів, а також інших органічних забруднень і не можуть бути випущені у водойму без подальшого очищення. Найбільш універсальний для очищення стічних вод від органічних забруднень біологічний метод. Він оснований на здатності мікроорганізмів використовувати різноманітні речовини, що містяться в стічних водах, як джерела живлення в процесі їх життєдіяльності. Завданням біологічного очищення є перетворення органічних забруднень на нешкідливі продукти окислення – H2O, CO2, NO3-, SO42- й ін. Процес біохімічного руйнування органічних забруднень в очисних спорудах відбувається під впливом комплексу бактерій і найпростіших мікроорганізмів, що розвиваються в певній споруді. Для правильного використання мікроорганізмів при біологічному очищенні необхідно знати фізіологію мікроорганізмів, тобто фізіологію процесу харчування, дихання, росту та їх розвитку.
Кожен живий організм відрізняється від неживого наявністю обміну речовин, у процесі якого відбувається засвоєння поживних речовин і виділення продуктів життєдіяльності. Основними процесами обміну речовин є живлення й дихання. При харчуванні у клітку з навколишнього середовища надходять та засвоюються поживні речовини й наявна в них потенційна хімічна енергія. Харчування є процесом асиміляції, тому що тут спостерігається утворення нових речовин. При диханні відбувається окислення або розкладання складних органічних речовин, що супроводжується виділенням енергії, необхідної для процесів життєдіяльності. Складні біохімічні процеси розділяються на два види: процеси, пов'язані із засвоєнням клітиною поживних речовин із зовнішнього середовища (асиміляція), і процеси розпаду сполук в організмі (дисиміляція). У тілі мікроорганізмів міститься більше ніж 70 елементів, з яких основними є вуглець, водень, азот, сірка, фосфор, калій, кальцій, магній і залізо. З них перші чотири елементи називаються органогенними, оскільки вони утворюють органічні речовини й при згоранні виділяються у вигляді газоподібних речовин, а інші елементи називаються мінеральними, або зольними, тому що при спалюванні вони утворюють золу. До органічних речовин відносять білки, нуклеїнові кислоти, вуглеводи та ліпіди. Вуглеводи відіграють роль живильного, дихального матеріалу і відкладаються в клітині у вигляді запасних поживних речовин. Живильні речовини потрапляють у клітину завдяки поверхневому поглинанню (адсорбції). Клітина здатна притягувати частинки та іони завдяки наявності заряду, який залежить від pH розчину. Залежно від способу засвоєння вуглецю мікроорганізми діляться на автотрофні і гетеротрофні.
Перша група мікроорганізмів може синтезувати органічні речовини, використовуючи вуглекислий газ, воду і мінеральні солі. Ці мікроорганізми діляться на фото-та хемоавтотрофи залежно від методу використання енергії для синтезу. Фотоавтотрофи використовують енергію Сонця. До цієї групи відносять мікроорганізми, що мають пігменти, що діють подібно хлорофілу в рослин. Хемоавтотрофи харчуються так само, як фотоавтотрофи, тільки для синтезу вони використовують хімічну енергію, котра звільняється при реакції окислення різних неорганічних речовин. Гетеротрофні мікроорганізми харчуються готовими органічними речовинами. До них належать бактерії, цвілі й дріжджі (живляться мертвою їжею) і паразити (живляться живою їжею), такі, як патогенні бактерії, віруси й бактеріофаги. Крім вуглецевого живлення, мікроорганізми засвоюють азотисті сполуки, зольні елементи та вітаміни.
Так само як усе живе, мікроорганізми дихають. При диханні відбувається процес окислення складних органічних сполук, що супроводжується виділенням енергії, яка йде на підтримку життєдіяльності клітини.
Мікроорганізми, які для дихання використовують кисень, називаються аеробними. Мікроорганізми, які не споживають кисень для дихання, називаються анаеробними. Кількість енергії, що виділяється, залежить від дихального матеріалу і ступеня його окислення. Якщо процес окислення йде до кінцевої стадії, то енергії виділяється більше, ніж при неповному окисненні. Як дихальний матеріал можуть бути використані вуглеводні, спирти, органічні кислоти та ін. Енергія, що звільняється при диханні мікроорганізмів, використовується ними лише на 10–25%. Інша частина енергії виділяється в навколишнє середовище у вигляді тепла, світла чи електрики. Цим пояснюється самонагрівання бродильних середовищ і гниючих матеріалів (використання гною у парниках як біологічного джерела тепла). Ферменти – це складні органічні речовини, що виробляються живими організмами. Вони відіграють роль каталізаторів біохімічних процесів, і присутність їх у живих організмах зумовлює складні хімічні процеси синтезу й розпаду. Ферменти, як каталізатори, прискорюють реакцію, але не входять до складу кінцевого продукту. Дія ферментів полягає в тому, що, вступаючи у взаємодію зі субстратом, вони утворюють нестійкий комплекс «субстрат–фермент», у результаті чого молекула субстрату деформується. Це призводить до ослаблення внутрішньомолекулярних зв'язків та полегшує розщеплення молекули. На відміну від каталізатора ферменти каталізують ферментативну реакцію й дуже нестійкі до різких змін зовнішнього середовища (температури, pH і хімічних реагентів). Оптимальна температура для більшості ферментативних реакцій – 30…40°С, максимальна – 55…60°С. При температурі 80°С ферменти інактивуються. При дуже малій концентрації ферменту й великій концентрації субстрату або при великій концентрації ферменту і малій концентрації субстрату швидкість ферментативної реакції сповільнюється. При оптимальній концентрації субстрату швидкість реакції прямо пропорційна концентрації ферменту.
Таблиця 2.12
Допустимі максимальні концентрації шкідливих речовин у стічних водах, для яких можливе біологічне їх окислення
Речовина |
Допустима концентрація шкідливих речовин в стічних водах, мг/л |
Ступінь видалення в процесі повної біологічної очистки, % |
Нафта і нафтопродукти |
25 |
85 - 90 |
Біологічно м’які (що окисляються на спорудах біологічного очищення) аніонні |
20 |
80 |
Те ж, неіоногенні |
50 |
90 |
Проміжні аніонні |
20 |
60 |
Те ж, неіоногенні |
20 |
75 |
Формальдегід |
25 |
80 |
Сульфіди |
1 |
99,5 |
Мідь |
0,5 |
80 |
Нікель |
0,5 |
50 |
Кадмій |
0,1 |
60 |
Хром (трьохвалентний) |
2,5 |
80 |
Цинк |
1 |
70 |
Сірчані фарбники |
25 |
90 |
Миш'як |
0,1 |
50 |
Ціаніди[4] |
1,5 |
- |
Ртуть |
0,005 |
- |
Свинець |
0,1 |
50 |
Кобальт |
1 |
50 |
Уміст мікроорганізмів у воді залежить від її забрудненості органічними речовинами. Глибинні води (артезіанські, ключові) містять мало мікроорганізмів, а поверхневі багато. В основу очищення поверхневих вод закладений процес самоочищення. Він оснований на використанні мікроорганізмами як їжі речовин, що знаходяться у воді. Мікроорганізми розкладають ці речовини і, позбавляючи себе їжі, гинуть. Але кількість забруднень, при якому ще живуть і працюють мікроорганізми, не повинна бути й дуже високою. Існують допустимі максимальні концентрації шкідливих речовин, при яких мікроорганізми ще можуть існувати. Таким чином, існує залежність між кількістю мікроорганізмів та концентрацією забруднень. Інтенсивність і ефективність біологічного очищення стічних вод залежать від швидкості розмноження бактерій. У процесі очищення стічних вод зазвичай трапляється багатокомпонентний субстрат, тобто води, забруднені багатьма органічнимий неорганічними речовинами. Мікроорганізми харчуються різними забрудненнями. Тому залежно від живильного середовища одні мікроорганізми розвиваються, а інші гинуть. Змінюючи приплив і концентрацію стічних речовин, можна регулювати процес фізіологічної активності мікроорганізмів і тим самим змінювати ступінь очищення стічних вод. З одного боку, в споруди подаються активний мул і живильне середовище, які ідеально перемішуються й рухаються в поршневому режимі вздовж споруди. За такої схеми роботи в аеротенках на початку спорудження кількість мікроорганізмів незначна, а в кінці споруди досягає максимуму. Розподіл поживних речовин відбувається в зворотному порядку. Активний мул являє собою дрібні пластівці від світлого до темно-коричневого кольору, які складаються з великого числа багатошарово розташованих або флокульованих клітин. Активний мул - це аморфний колоїд. Біоплівка являє собою слизові нарости товщиною 1-2 мм і більше того ж кольору, що й активний мул. Активний мул – це складний комплекс мікроорганізмів різних груп, таких, як бактерії та гриби. Між цими видами мікроорганізмів існує певний зв'язок. Вони можуть складатися як симбіотичні або як антагоністичні. Часто продукти життєдіяльності одних мікроорганізмів служать харчуванням інших (метабіоз).
Для кожного виду мікроорганізмів існують свої мінімальні, оптимальні та максимальні температури. Залежно від ставлення до температури мікроорганізми можна підрозділити на термофільні, мезофільні й психрофільні.
Температура стічних вод на нафтобазах протягом року коливається від 0 до 35 ° С. Такий великий діапазон температур викликає різку зміну в поведінці мікроорганізмів. Різкі перепади температур несприятливо впливають на життєдіяльність мікроорганізмів. При низьких температурах процес життєдіяльності мікроорганізмів і процес біологічного очищення сповільнюються, а також погіршується глибина очищення та процес флокуляції. Погіршення процесу флокуляції призводить до винесення окремих мікроорганізмів із вторинних відстійників. Чим вища температура, тим менше кисню, розчиненого у воді. У зимовий період розчиненого у воді кисню більше, однак активність мікроорганізмів нижче й, отже, кількість споживаного ними кисню менша. Тому для підтримання високої активності мікроорганізмів у літній період необхідно посилити аерацію. Для збільшення ефективності очищення стічних вод у зимовий період слід збільшити кількість мікроорганізмів в очисних установках. Якість очищення стічних вод залежить від наявності кисню у воді.
Споруди для біологічного очищення. Переваги біологічного методу очищення – можливість видаляти зі стічних вод різноманітні органічні сполуки, в тому числі токсичні, простота конструкції апаратури, відносно невисока експлуатаційна вартість. До недоліків слід віднести високі капітальні витрати, необхідність суворого дотримання технологічного режиму очищення, токсичну дію на мікроорганізми деяких органічних сполук і необхідність розведення стічних вод у випадку високої концентрації домішок. Очисні споруди діляться на аеробні та анаеробні. Аеробні методи очищення набули більшого поширення в порівнянні з анаеробними. При аеробному методі життєдіяльність мікроорганізмів підтримується за допомогою вільного кисню у воді. Ці методи широко застосовують при очищенні побутових стічних вод. Основою процесу біологічного очищення є постійне відтворення мікроорганізмів. Процес добре простежується на схемі. Стічна вода подається в аеротенк аеробного біологічного очищення. Сюди також подаються активний мул і повітря. Всі ці три компоненти перемішуються. Мікроорганізми знищують забруднення й повітря, що знаходиться у воді. Цей процес супроводжується збільшенням біомаси. Суміш очищеної води та активного мулу надходить у вторинний відстійник, де відбувається розділення суміші на воду (очищену) й активний мул. Очищена вода випускається у водойму. Частина активного мулу з відстійника подається в аеротенк, а інша частина виходить у накопичувач мулу. В біофільтрі очищення стічних вод проводиться мікроорганізмами біоплівки, що знаходиться на поверхні наповнювача. Біологічне очищення стічних вод можна проводити в природних і штучних спорудах.
Як природні споруди біологічного очищення застосовують поля фільтрації, зрошення та біологічні ставки. Для очищення деяких видів стічних вод, наприклад побутових, ці споруди використовують і в наш час. Промислові стічні води, особливо з умістом нафти, повільно очищаються в природних спорудах, тому їх біологічне очищення проводять у штучних спорудах. До таких споруд найчастіше відносять біофільтри, аэротенки та біологічні ставки. Біофільтри являють собою залізобетонні або цегляні резервуари, заповнені фільтруючим матеріалом, який укладається на дірчасте днище і зрошується стічними водами. Для завантаження біофільтрів застосовують шлак, щебінь, пластмасу та ін. Очищення стічних вод у біофільтрах відбувається під впливом мікроорганізмів, що заселяють поверхню завантаження й утворюють біологічну плівку. При контакті стічної рідини з цією плівкою мікроорганізми видаляють з води органічні речовини, внаслідок чого стічна вода очищається.
Аэротенки являють собою залізобетонні резервуари довжиною 30–100 м і більше, шириною 3–10 м і глибиною 3–5 м (рис. 2.43).
Рис. 2.43 Коридор аеротенка Зона активації в аеротенку
Очищення стічних вод в аеротенках відбувається під впливом скупчень мікроорганізмів (активного мулу). Для нормальної їх життєдіяльності в аеротенках подають повітря й поживні речовини. Ефективність процесу очищення в аеротенках, якісний стан і окислювальна здатність активного мулу визначаються умовами, до яких відносять: склад і властивості стічних вод, гідродинамічні умови перемішування, співвідношення кількості поданих забруднень та життєздатної мулу, кисневий режим споруди, температура, активна реакція середовища, наявність елементів харчування, наявність активаторів або інгібіторів процесу й ін. Диспергування повітря у воді проводять за допомогою механічних і пневматичних аераторів. Пневматичні аератори підрозділяються залежно від розміру аерованої бульбашок: дрібно пузирчасті, середньопузирчасті та крупнопузирчасті. При механічній і пневматичній системах аерації відбувається перемішування мула суміші й повітря за допомогою механічних пристроїв. Механічні аератори підрозділяються на аератори малого й глибокого занурення. Аератори малого занурення насичують повітрям поверхневий шар води і потім насичену киснем воду перемішують за рахунок своєї енергетичної потужності. Аератори глибокого занурення перемішують придонні шари води з повітрям. Подальше перемішування всього обсягу води відбувається без енергії аератора. Переваги механічних аераторів – висока ефективність та економічність, а також відсутність необхідності в будівництві повітродувних станцій і комунікацій.
Для біологічного очищення невеликих кількостей суміші стічних вод, у якій переважають побутові стічні води, можуть застосовуватися аэротенки-відстійники, конструктивно забезпечують об'єднання двох технологічних процесів очищення. Поряд з розглянутими і поширеними методами очищення виробничих стічних вод, рідше дістають застосування також й інші фізико-хімічні методи.