Микробиологическая трансформация отходов агропромышленного комплекса

Аэробная микробиологическая очистка сточных вод

При рассмотрении экологических проблем необходимо учитывать, что важной составной частью современной микробиологии и биотехнологии является очистка воды от загрязнений и утилизация всевозможных отходов агропромышленного комплекса. Несмотря на постоянное совершенствование химической очистки сточных вод, микробиологическая очистка сельскохозяйственных стоков перед их сливом в водоем является совершенно необходимой. Методы такой очистки основаны на использовании специфических биологических сообществ — активного ила, для глубокой утилизации как органических, так и неорганических загрязнений, оставшихся в воде после осушествления всех других возможных вариантов ее очистки.

Необходимо подчеркнуть, что применение живого консорциума — активного ила — для удаления примесей из воды основано на уникальной способности микроорганизмов утилизировать не только те субстраты, которые для них оптимальны и таким образом привычны, но и огромное количество других веществ, в том числе (что особенно важно) синтетических, созданных человеком искусственно и поэтому отсутствовавших ранее в природе. Понятно, что из-за часто меняющегося состава сточных вод необходимо использовать для их очистки сложные сообщества микроорганизмов, включающие бактерии, водоросли, простейшие, которые путем согласованного метаболизма с большей или меньшей скоростью поглощают примеси из воды. Следствием этого, в частности, является и необходимость их адаптации к составу воды и даже к микрофлоре окружающей среды. Поэтому в каждом конкретном очистном сооружении эксплуатируется активный ил определенного индивидуального состава.

Общие показатели загрязненности сточных вод. Под качеством воды понимают совокупность ее характеристик и свойств, обусловленных природой и концентрацией содержащихся в ней веществ.

В связи с невозможностью индивидуального аналитического определения всех присутствующих в сточной воде соединений прибегают к суммарной оценке их содержания. К общим показателям загрязненности сточных вод следует отнести те, которые характеризуют общие свойства воды: органолептические; физико-химические; содержание нерастворимых примесей (взвешенных веществ) или зольность; концентрацию растворенных веществ (общее содержание органических и неорганических примесей); органический углерод; перманганатную и дихромную (бихромагную) окисляемость (химическое потребление кислорода — ХПК). Совокупность этих показателей позволяет оценить общее состояние сточных вод и предложить наиболее эффективный способ их очистки.

Следует, однако, отметить, что часто в сточных водах могут присутствовать химические соединения, которые даже в незначительных количествах сильно влияют как на свойства воды, так и на возможность очистки данного вида стоков. В подобных случаях необходим более детальный анализ состава сточной воды с выяснением не только концентраций тех или иных соединений, но и более полным определением качественного и количественною состава загрязнений.

Определение таких показателей, как органолептические (цвет, вид, запах, прозрачность, мутность), оптическая плотность, цветность. pH, температура и т. д., не вызывает каких-либо трудностей экспериментального или методического характера. Значительно сложнее определить общее содержание органических веществ в сточной воде, которое необходимо знать для контроля работы очистных сооружений, повторного использования сточных вод в технологических процессах, выбора методов очистки и доочистки, определения окончания процесса очистки, а также для оценки возможности сброса воды в водоемы.

Из большого числа способов, применяемых для определения содержания органических веществ, приведем два, наиболее широко используемых при проведении процессов биологической очистки сточных вод: химическое потребление кислорода (ХПК)1 и биологическое потребление кислорода (ВПК)2.

  • 1 Химическое потребление кислорода (ХПК). Методика основана на окислении веществ, присутствующих в сточных водах, 0,25%-ным раствором дихромата калия при кипячении пробы в течение 2 ч в 50%-ном (по объему) растворе серной кислоты. Для полноты окисления органических веществ применяется катализатор — сульфат серебра. Многочисленные исследования показали, что большинство органических соединений в таких условиях окисляются до Н2 и СО,, однако ряд соединений (пиридин, бензол и его гомологи, нафталин) в этом режиме окисляются нс полностью. Тем не менее дихромный метол имеет широкое применение.
  • 2 Биохимическое потребление кислорода (ВПК). Измеряется количеством кислорода, которое расходуется микроорганизмами при аэробном биологическом разложении веществ, содержащихся в сточных водах, при стандартных условиях за определенный интервал времени.

Измерения ВПК выполняют следующим образом: в герметический сосуд (ферментер) помещают определенное количество исследуемой сточной воды, которую засевают микроорганизмами. В процессе культивирования регистрируется изменение количества кислорода, использованного на окисление соединений, присутствующих в сточных водах. В зависимости от длительности культивирования различают биохимическое потребление кислорода за 5, 20 суток и полное окисление; эти показатели условно обозначаются как БПК5; ВПК20; БПКп.

Измерение ВПК5 целесообразно проводить для стоков, содержащих легкоусвояемые загрязнения — углеводы, низшие спирты. Для стоков химических производств, включающих большой спектр органических загрязнений, лучше определять БПКП.

Особое значение при измерении ВПК имеют количество и состав микроорганизмов. Оптимальным вариантом при этом является использование микрофлоры из уже работающих биологических систем, адаптированной именно к данному спектру загрязнений. Количество вносимой микрофлоры должно соответствовать се концентрации в работающих очистных сооружениях.

Цель очистки производственных сточных вод — удаление из них взвешенных и растворимых органических и неорганических соединений до концентраций, которые не превышают заранее регламентированные (ПДК). В зависимости от характера загрязнений и их концентраций возможно применение различных способов очистки сточных вод. Наиболее распространены: механические (отстаивание, фильтрование); механофизические (коагуляция, нейтрализация с последующим отстаиванием); физико-химические (ионный обмен, сорбция); термические; биохимические.

Каждый из перечисленных способов имеет преимущества и недостатки, свою область применения, поэтому чаще всего пользуются несколькими способами очистки, что позволяет более полно извлекать загрязнители.

Аэробные процессы биохимической очистки сточных вод.

Существуют две большие группы аэробных процессов биоочистки: экстенсивные и интенсивные. К экстенсивным относятся методы, непосредственно не связанные с управляемым культивированием микроорганизмов: поля орошения, поля фильтрации; биопруды. Микроорганизмы, находящиеся в верхних слоях почвы полей орошения и фильтрации или в воде биопрудов, образуют ценозы, за счет деятельности которых и происходит очистка воды.

В основе интенсивных способов лежит деятельность активного ила или биопленки, т. е. естественно возникающего биоценоза, формирующегося на каждом конкретном производстве в зависимости от состава сточных вод и выбранного режима очистки. Формирование биоценоза — процесс достаточно длительный и идущий постоянно в ходе очистки сточной воды в промышленных аппаратах: аэротенках, биофильтрах.

Активный ил представляет собой темно-коричневые хлопья размером до нескольких сотен микрометров; микроскопия показала, что он состоит на 70% из живых организмов и около 30% составляют твердые частицы неорганической природы.

Живые организмы вместе с твердым носителем, к которому они прикреплены, образуют зооглей — симбиоз популяций организмов, покрытый обшей слизистой оболочкой. Причины возникновения хлопьев активного ила не совсем понятны, зооглей может формироваться за счет флокуляции или адгезии клеток на поверхности носителя. Взаимодействие микроорганизмов в пределах одного зооглея достаточно сложно, и основой его служат, по всей видимости, симбиотические связи организмов разных популяций.

Соотношение капсульных и бсскапсульных форм клеток в иле называется коэффициентом зооглейности К2.

Микроорганизмы, выделенные из активного ила, относятся к различным родам: Actinomyces, Arthrobacter, Bacillus, Corynebacterium, Desulfotomaculum, Micrococcus, Pseudomonas, Sarcina и др. Наиболее многочисленны бактерии рода Pseudomonas. Они окисляют спирты, жирные кислоты, парафины, ароматические углеводороды, углеводы и др. Широко представлены в активном иле и бактерии родов Flavobacterium, Achromobacter, Mycobacterium (выделено 30 видов), которые осуществляют деградацию нефти, парафинов, нафтенов, фенолов, альдегидов и жирных кислот. Алифатические углеводороды окисляются представителями рода Bacillus. Окислительная способность перечисленных микроорганизмов для различных органических соединений различна, и лишь для бактерий рода Pseudomonas она практически одинакова для разных видов загрязнений.

В зависимости от внешней среды, которой в данном случае является сточная вода, та или иная группа бактерий может оказаться преобладающей, а остальные становятся спутниками основной группы.

При изменении состава сточной воды может увеличиться численность одного из видов микроорганизмов, однако другие культуры, проигрывающие в конкурентной борьбе за субстрат, все равно остаются в составе биоценоза. На взаимоотношения микроорганизмов ила влияют и продукты биосинтеза различных групп: возможен не только симбиоз или антагонизм микроорганизмов, но также и взаимодействие их но принципу аменсализма, комменсализма или нейтрализма. На формирование ценозов активного ила могут оказывать влияние сезонные колебания температуры (ведущие к преобладанию психрофильных форм микроорганизмов в зимний период), обеспеченность кислородом и присутствие в сточных водах минеральных компонентов.

Роль всех этих параметров при формировании активного ила делает процесс достаточно сложным и практически не воспроизводимым: даже для стоков, имеющих одинаковый состав, но возникающих в разных регионах, невозможно получить одинаковые биоценозы активного ила. Существенная роль в создании и функционировании консорциума клеток принадлежит простейшим.

Функции простейших достаточно многообразны: сами они не принимают непосредственного участия в потреблении органических веществ, но регулируют видовой и возрастной состав микроорганизмов в активном иле, поддерживая его на оптимальном уровне. Поглощая большое количество бактерий, простейшие способствуют выходу значительного количества бактериальных экзоферментов, которые могут концентрироваться в слизистой оболочке и принимать участие в деструкции загрязнений. В активных илах встречаются разнообразные простейшие: саркодовые (Sarcodina); жгутиковые (Mastigophora); ресничные инфузории (Ciliata); сосущие инфузории (Sue tori а).

Простейшие выбирают из смешанной культуры бактерий лишь те виды, которые они усваивают. Одна инфузория пропускает через свой организм от 20 до 40 тыс. бактерий за сутки.

Поедание старых ослабленных форм облетает размножение оставшихся и приводит к появлению большого количества молодых, биологически активных форм. При хорошей работе очистных сооружений представители класса саркодовых (амебы рода Amoeba) развиваются в активных илах в незначительных количествах.

В активных илах высокого качества на 1 млн клеток бактерий должно быть 10—25 клеток Protozoa. Это соотношение называется коэффициентом протозойности Кр. Скорость биохимического окисления растет с увеличением значения К, и Кр. Следует отметить, что простейшие очень чувствительны к присутствию в сточных водах небольших концентраций определенных органических веществ: так, фенол и формальдегид уже в незначительных концентрациях угнетают их развитие.

В активном иле идентифицированы бактерии множества различных видов, но, как правило, их определение до вида не представляет большого интереса. Следует выделить три основные группы: флокулообразующие бактерии; органотрофные нитчатые бактерии; бактсрии-нитрификаторы.

Флокулообразовател и необходимы не только для деградации органических веществ (определяемых как биохимическая потребность в 02 — ВПК), но и для образования стабильных флокул, которые способны быстро осаждаться с образованием плотного ила в отстойнике.

Н итрифи каторы превращают аммонийный азот в нитраты. Эти бактерии необходимы, если процесс направлен на получение выходных стоков с низкой концентрацией аммонийного азота.

Нитчатые бактерии представляют собой до некоторой степени аномалию. С одной стороны, известно, что они образуют скелет, вокруг которого формируются флокулы, с другой — являются источником двух проблем — плохого осаждения и образования устойчивой пены.

Простейшие потребляют бактерии и обеспечивают низкую мутность выходных стоков. Всего было идентифицировано около 200 видов простейших, но именно инфузории, в частности круглоресничные (прикрепленные к субстрату), такие как сувойки (Vorti- cella) и Opercularia, имеют наибольшее значение. Применительно к илу термин «акти вн ы й» означает, что биомасса:

  • • представляет собой микрофлору, содержащую все ферментативные системы, необходимые для деградации загрязнений, которые следует удалить;
  • • имеет поверхность с сильной адсорбционной способностью;
  • • способна образовывать стабильные флокулы, которые легко осаждаются при отстаивании.

Несколько иную картину представляет биоценоз, возникающий на биофильтрах. На поверхности загрузочного материала биофильтра происходит образование биологической пленки: микроорганизмы прикрепляются к носителю и заполняют его поверхность. В отличие от биоценоза активного ила, количественный и видовой состав которого практически одинаков во всей системе очистки, на разных уровнях биофильтра создаются свои ценозы микроорганизмов, которые порой резко отличаются не только качественным, но и количественным составом. Это вызвано тем, что по мере прохождения сточной воды через биофильтр за счет жизнедеятельности предыдущего ценоза меняется характеристика органических загрязнений воды, попадающей на следующий уровень. При этом сначала потребляются более легкоусвояемые загрязнения и преимущественно развивается микрофлора, усваивающая эти соединения с большей скоростью.

В свою очередь, сточная вода обогащается продуктами жизнедеятельности этого ценоза. По мерс дальнейшего продвижения воды происходит потребление все более трудноусвояемых компонентов смеси и, следовательно, развиваются другие организмы, которые функционируют за счет потребления части биопленки, оторвавшейся с поверхности носителя. Созданный таким образом биоценоз способен практически полностью извлечь из сточной воды все органические примеси.

Эффективного управления процессом биологической очистки можно достичь лишь при правильном подборе параметров процесса, обеспечивающих необходимую полноту извлечения загрязнений. Основные параметры, влияющие на биологическую очистку, таковы: температура; pH; количество растворенного кислорода; уровень перемешивания; концентрация и возраст циркулирующего в очистных системах активного ила; наличие в воде токсичных соединений.

Техника аэробных способов очистки. Аэробный способ очистки сточной воды основан на использовании системы аэротенков (вторичных отстойников). Аэротенк — открытое железобетонное сооружение, через которое пропускается сточная вода, содержащая органические загрязнения и активный ил.

Суспензия ила в сточной воде на протяжении всего времени нахождения в аэротенке подвергается аэрации воздухом. В зависимости от способа смешения суспензии активного ила с очищаемой водой и гидродинамического режима движения суспензии активного ила аэротенки делятся на: аэротенк-вытеснитель; аэротенк-смеситель; аэротенк сложного типа.

В аэротенке-вытеснителе свежая порция активного ила и очищаемая вода одновременно подаются в аппарат и далее происходит движение суспензии активного ила по аппарату в режиме, приближающемся к идеальному вытеснению.

В аэротенке-смесителе активный ил и очищаемая сточная вода поступают по всей длине аппарата одновременно и в аппарате создастся режим, близкий к полному смешению, одновременно из аппарата отводится суспензия активного ила. В аппаратах сложного типа на разных этапах очистки одновременно реализуется и режим смешения, и режим вытеснения.

Различия в гидродинамических режимах аэротенков в первую очередь влияют на физиологическое состояние популяции микроорганизмов и, следовательно, на скорость и глубину потребления субстрата, которым являются загрязнения из сточной воды. Развитие популяции микроорганизмов в аэротенке-вытеснителе происходит по законам турбулентной культуры. Развитие микроорганизмов определяется законами периодического роста. Поступивший из вторичного отстойника активный ил имеет определенный исходный состав популяции: вначале, после контакта с очищаемой водой, развиваются те микроорганизмы, которые потребляют наиболее легкоусвояемые компоненты загрязнения. В результате концентрация загрязнений в сточной воде по мере ее продвижения по аппарату снижается и одновременно в активном иле увеличивается концентрация соответствующих клеток. При достижении концентраций легкоусвояемого компонента, лимитирующих рост, начинают потребляться другие типы субстратов и преимущество в развитии получают другие группы микроорганизмов. При снижении концентраций всех компонентов сточной воды до минимальных процесс развития популяиии останавливается: видовой и количественный состав активного ила возвращается к начальному состоянию. Такой процесс при его достаточной длительности позволяет практически полностью извлечь все загрязнения из сточной воды.

В аэротенке-смесителе сточная вода, попадая в аэротенк, практически мгновенно распределяется по объему, при этом концентрация загрязнений снижается до стационарных значений. Развитие популяции микроорганизмов в аэротенке-смесителе происходит по тем же законам, что и развитие микробов в хемостате.

В аэротенках сложного типа сочетаются оба способа проведения процесса.

Как правило, схема аэробной биологической очистки включает в себя следующие стадии: усреднение и осветление сточных вод от механических примесей (усреднители, песколовки, отстойники); аэробная биологическая очистка осветленных сточных вод (аэротенки, генераторы активного ила, вторичные отстойники); доочистка сточных вод (биологические пруды, фильтровальные станции); обработка осадков (иловые площадки, сушилки, печи и т. д.).

На практике применяются одноступенчатые и многоступенчатые системы биологической очистки. Сточные воды поступают в усреднитель, где происходит интенсивное перемешивание стоков с различным качественным и количественным составом. Перемешивание осуществляется за счет барботажа воздуха. При очистке фекальных стоков и отходов нефтепереработки необходимым элементом очистных сооружений является система механической очистки — песколовки и первичные отстойники.

К системе биологической очистки относятся не только аэротенк и вторичный отстойник, но и регенератор активного ила, который представляет собой часть аэротенка, куда подается только суспензия возвратного активного ила и не подается вода.

Очищенная вода и активный ил из аэротенка подаются во вторичный отстойник, где происходит отделение активного ила от воды. Часть активного ила вновь возвращается в систему очистки, а избыточный активный ил, образовавшийся в результате роста микробов, поступает на иловые площадки с последующим вывозом его после обезвоживания на поля.

Система более полной биологической доочистки может состоять из множества элементов, которые определяются дальнейшим назначением сточной воды. Возможно применение биологических прудов, где биологически очищенная вода проходит дальнейшее осветление и насыщается кислородом. Часто вода осветляется с помощью различных механических систем, например песчано-гравийных фильтров, иногда воду хлорируют или озонируют.

Интенсификацию процессов биологической очистки можно проводить путем аэрации суспензии активного ила чистым 02. Для этого были разработаны аппараты закрытого типа — окситенки с принудительной аэрацией сточной воды. В целом схема очистки стоков в окситенках практически не отличается от рассмотренной общей схемы аэробной очистки сточной воды.

Очистка сточной воды с использованием биофильтров. В отличие от аэротенков в биофильтрах клетки микроорганизмов находятся в неподвижном состоянии, так как прикреплены к поверхности пористого носителя. Образовавшуюся таким образом биопленку можно рассматривать как иммобилизованные клетки, хотя в этом случае иммобилизована нс монокультура, а целый консорциум. Очищаемая вода контактирует с неподвижным носителем, на котором иммобилизованы клетки, и за счет их жизнедеятельности происходит снижение концентрации загрязнителя.

Преимущество применения биофильтров состоит в том, что формирование конкретного биоценоза приводит к практически полному удалению всех органических примесей. В качестве загружаемого твердого материала можно использовать керамику, щебень, гравий, керамзит, металлические и полимерные материалы с высокой пористостью. Существенным признаком конструкции является и режим аэрации воды, по которому все биофильтры можно разделить на: аппараты с принудительной циркуляцией и аппараты с естественной циркуляцией.

Технологические схемы с использованием биофильтров мало отличаются от схем очистки с применением аэротенков. Принцип вытеснения жидкости с одновременной фиксацией клеток микроорганизмов в иммобилизованном состоянии положен и в основу работы аэротенков-вытеснителей с применением стеклоершей. Стекло- ерши погружают в аэрированную сточную воду, и на их поверхности происходит накопление биоценоза активного ила. Последний при этом так же, как и при работе с биофильтрами, развивается на каждом участке ершей неодинаково и изменяется в объеме как количественно, так и по качественному составу. Предполагается, что такая система найдет широкое применение в очистке локальных стоков, под которыми понимают стоки производств с узким спектром загрязнений.

Экстенсивные способы очистки сточных вод. Несмотря на очевидную необходимость создания интенсивных методов биологической очистки водных выбросов, до сих пор широко применяются и экстенсивные способы: биологические пруды, поля орошения, поля фильтрации.

Пруды с искусственной или естественной аэрацией также относятся к сооружениям биологической очистки, в которых под воздействием биоценоза активного ида происходит окисление органических примесей. Помимо водорослей и бактерий, в прудах представлена микро- и макрофауна: простейшие, черви, коловратки, насекомые и др. Особую роль играют биопруды в процессах окончательной очистки стоков после очистных сооружений, когда остающиеся примеси осложняют процесс дальнейшей утилизации вод. Применение биопрудов позволяет практически полностью удалить остаточные количества многих соединений.

Поля фильтрации и поля орошения также используются для очистки сточных вод, при этом первые служат только для целей очистки, на них подается максимально возможное количество жидкости. Поля орошения предназначены для выращивания сельскохозяйственных растений, и вода на них подается по мере необходимости. Процесс самоочищения воды осуществляется в этих случаях за счет жизнедеятельности различных групп почвенных организмов — бактерий, микромицетов, водорослей, простейших, червей и членистоногих: на поверхности почвенных комочков образуется био- пленка.

Решающим фактором, влияющим на формирование почвенного биоценоза, является структура почвы.

Существенную роль в процессах очистки сточных вод на полях фильтрации и орошения играют тарификаторы. В летний период на 1 га образуется до 70 кг нитратов, которые с током жидкости поступают в нижние горизонты, где существуют анаэробные условия. Восстановление нитратов денитрификаторами делает возможным окисление сохранившихся в воде органических веществ. Хотя дефицит площадей не позволяет в настоящем и будущем широко использовать поля орошения и фильтрации, этот экстенсивный способ очистки сточных вод еще находит применение из-за своей простоты.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >