ЖС ( сульфат
лактат SO42-→H2S
орг.к-та ) Me+S2-→MeS (Біомаса+мул сульфіду металу)
Очисні споруди біоставкового типу розміщують на слабо фільтруючих водонепроникних грунтах (глина, асфальт, бітум, бетон, плівкові покриття) на майданчиках з санітарно захисною зоною 300м, з розрахованим рівнем води (найактивніші процеси проходять на глибині 0,6 - 0,9м) з протилежним наповненям та спорожнення не довшим за 1 добу (допустиме одночасно в 2 – 3-х ставах) з можливою автоматизацією та засадженням столонами (паростками кореневищ) з ростовими бруньками.
Д
Резервуар осадження
Me+S2-→MeS
٭٭٭٭٭٭
 воступенева схема:
    стоки
 
неперервно
діюча культура
S-red, перемішування
культиватор
 Поступлення ЖС
  Злив мул вода
4.1.3.3. Механізм очищення стічних вод у біоставках
В біоставах в основному домінують п’ять основних механізмів самоочищення:
осадження мінеральних та органічних твердих речовин;
протікання хімічних та фізико-хімічних процесів (кислотно-основні реакції, окислювання, абсобція, адсорбція, коагуляція, осадження, сонячна УФ радіація);
протікання біохімічних процесів (мікробний катаболізм органічних та неорганічних сполук, інактивація та загибель завдяки розвитку бактеріофагів паразитичних організмів, вірусів та паратрофних бактерій, збудників черевного тифу, паратифу, дизентерії, а також стійких в навколишньому середовищі збудників туберкульозу, сибірської виразки, гепатиту, поліомеліту тощо);
виділення летких речовин в атмосферу (О2, СО2, NO2);
хімічне та біохімічне окисненя осаду.
Завдяки погодженій дії біологічних факторів очищена фаза стічних вод відповідає показникам води бета-мезасапрофітоної зони рік та водойм.
4.1.3.4. Біоочищення ставків водяними рослинами
Найбільш ефктивними в доочищенні та безреагентному знезараженні стічних вод є використання біоставів, засаджених вищими водяними рослинами. Такими є, зокрема, в Україні у водоймах дніпровського каскаду – очерет звичайний, комиш озерний, рогоза, лепеха болотяна, сусак парасольковий, бишник подорожній тощо, які під час вегетативного періоду виділяють біологічно активні речовини (БАР), зокрема амінокислоти, акрилову, гліколеву, абсцизоу, п-кумаринову, уронові кислоти, нарингеніни, каратиноїди, кінетин, зеатин, пандоридин, 6-бензиламінопурин, дигідрофлустаміни, діоксифеніламін, флустаміни (А,В,С), антибіотики, хлорелін, стероїди, ефірні олії тощо. В дослідженнях українських вчених (Якименко А, Гирин В, Широбоков В) найвищу віруліцидну активність проявили екстракти лепехи болотяної (вірус поліомієліту інактивується на 96% за 30 хв, а через 90 хв настає повна інактивація вірусу). Мінеральні сполуки (нітирити, аміак, сірководень) та органічні сполуки в біоставах використовуюься як компоненти живильного середовища біоцинозу мікроорганізмів, забезпечуючи тим самим вищі водні рослини мікроелементами. Водяні рослини активно адсобують також пестициди, солі важких металів, радіоактивні елементи, феноли, СПАР, нафтопродукти, демінералізують воду, сорбуючи іони Na, Ca, Mg, Cl (альтернативно електродіалізу).
Біостави (ширина:довжина 1:2), засаджені вищими водяними рослинами - на вході очеретом звичайним (Phragmitis communis Trin), а на виході лепехою болотяною (Acorus calamus L.), протягом року адсорбують з води на площі 1 га понад 200 г N, 30 кг P, 130 кг K, 150 кг Cl, 60 кг Ca, 40 кг Mg. Термін перебування стічних вод в біостві з водяними рослинами при навантажені 35-45 рослин /м2 очерету та комишу, 25 -30 рослин /м2 рогози, 17-20 рослин /м2 лепехи при оптимальному занурені 0,5 – 1, 0 м складає 5-7 діб при температурі не менше 5-8 ˚С.
Доочищені стічні води повертаються в систему зворотнього водопостачання на підприємство, або відводяться до поверхневих водойм чи підземного горизонту після проведення відповідних аналізів.
4.2. Система краплинного фільтрування
В даний час близько 70 % очисних споруд Європи і Америки є краплинними біофільтрами.
Краплинний біофільтр - найбільш поширений тип біореактора з нерухомою біоплівкою, що використовується для очищення стоків. По суті, це реактор з нерухомим шаром і протитечією повітря та рідини. Особливістю насадки або шару, що фільтрує, є висока питома поверхня для розвитку мікроорганізмів і велика пористість. Останнє додає необхідні газодинамічні властивості шару і сприяє проходженню повітря і рідини через нього.
Термін служби таких біофільтруючих реакторів до 50-ти років. Основний недолік конструкції - надмірне зростання мікробної біомаси, що приводить до засмічення біофільтра і викликає збої в системі очищення.
Система рециркуляції модифікує установку подвійним почерговим фільтруванням, дозволяє виключити негативні моменти, характерні для біофільтрів.
4.2.1. Процес очищення стічних вод біофільтруванням
Експлуатація біофільтрів - достатньо нескладний процес. Важливою умовою для ефективної роботи біофільтрів є ретельне попереднє очищення стоків від завислих частинок, здатних засмітити розподільний пристрій.
Високоефективний біологічний метод біофільтрування полягає у виведенні стічних вод на шар піску, завтовшки до 1,5 метра на час до 6 годин. Потім протягом 18 годин здійснюється продувка киснем або повітрям, що створює сприятливі умови для роботи мікроорганізмів, які знешкоджують органічну речовину таких стоків. Як модифікація цього методу може застосовуватися розбризкування на шар щебеню, при цьому вода розбризкується і стікає цівками по шару каменів величиною з кулак, товщина якого 2-3 м. Як і в природних струмках, в цих умовах функціонує складна екосистема, що включає бактерії, простих коловерток, різних дрібних черв'яків і інших прикріплених до каменів детрітофагів. Вони буквально виїдають з протікаючої води всю органічну речовину, включаючи патогенів. Несприятливим моментом в експлуатації біофільтрів є вірогідність заливки, розмноження мух на поверхні, поганий запах, як наслідок надмірного утворення мікробної біомаси.
Організми, випадково змиті з біофільтрів, пізніше усуваються з води, коли вона потрапляє у вторинні відстійники-ємкості, аналогічні первинним відстійникам. Відмерла біоплівка змивається струменем води, що очищається, і виноситься з біофільтра. Очищена вода поступає у відстійник, в якому звільняється від частинок біоплівки, і довше скидається у водоймище. Процес окислення органічних речовин супроводжується виділенням тепла, тому біофільтри обігріваються за рахунок власного тепла.
Пройшовши первинне очищення і краплинні біофільтри, стічні води втрачають 85-90% органічних речовин.
4.2.3. Біологічний склад біоплівки
Власне біомаса росте на поверхні насадки краплинного біофільтра у вигляді плівки. Cкладна біологічна система, що формується на поверхні шару біофільтра, є біоплівкою.
Біоплівка - слизисте обростання матеріалу фільтрувального шару очисних споруд живими мікроорганізмами, завтовшки 1-3 мм.
У біофільтрі відбувається безперервний приріст і відмирання біоплівки:
бактерії і гриби утворюють нижній трофічний рівень, і разом з мікроорганізмами - окислювачами вуглецю, вони розвиваються у верхній частині біофільтра;
нітрифікатори знаходяться в нижній зоні шару, що фільтрує, де процеси конкуренції за живильний субстрат і кисень менш виражені;
прості, коловертки і нематоди, що харчуються бактерійною компонентою екосистеми біоплівки, служать їжею вищим видам (личинкам комах).
4.3. Система активного мулу
Достатнього поширення набув метод вторинного очищення стоків - система активного мулу, що застосовується з 1914 року. Для його реалізації створюється система неглибоких біологічних ставків, в котрих йде змішування стічних вод з мулом, що утворився при попередньому окисленні стічних вод. В активному мулі багато мікроорганізмів, які завершують знешкодження ставків. В цьому випадку вода після первинного очищення поступає в резервуар, де могли б розміститися декілька припаркованих один за одним трейлерів. Суміш детрітофагів, так званий активний мул, додається у воду, коли та поступає в резервуар. У міру руху по ньому вона інтенсивно аерується, тобто створюється багате киснем середовище, ідеальне для розвитку цих організмів. В ході їх живлення кількість органічної речовини, включаючи патогенні мікроорганізми, зменшується. Покидаючи аераційний резервуар, вода містить безліч детрітофагів, тому її направляють у вторинні відстійники.
Оскільки організми зазвичай збираються в шматочках детриту, відстояти їх відносно нескладно; осадом є той самий активний мул, який знову закачують в аераційний резервуар. Таким чином, детрітофаги рециклізуются, а вода очищається від органічної речовини на 90-95%. Надлишки активного мулу, що накопичуються в процесі розмноження організмів, зазвичай об'єднують з мулом-сирцем і надалі обробляють їх разом.
4.3.1. Процес біоочищення стічних вод активним мулом
Очищення активним мулом в аеробних умовах здійснюють, в основному, в ставках або аеротенках. В практиці комунального господарства використовують одноступеневі аеротенки, багатокамерні аеротенки та окситенки. Концентрація аеробного активного мулу в аеробних системах – 1,5-10 г/л середовища (біомаса у вільному стані, біомаса у вигляді флокул з носіями завислих частинок d=0,3-0,9 мм або біомаса у вигляді іммобілізованої плівки на носіях).
З погляду екологічної біотехнології найбільш важливі аеробні процеси очищення і стабілізації стічних вод з використанням різних конструкцій реакторів, які загалом розділяються на два основні типи: гомогенні реактори та біофільтрувальні реактори, в яких нерухома біоплівка нанесена на інертний субстрат. Деякі з цих реакторів можуть бути взаємозамінні (наприклад, станції аерації і краплинні біофільтри), тоді як інші придатні тільки в спеціальних випадках. Проте, всі ці реактори повинні працювати в умовах, коли гідравлічне навантаження і навантаження по субстрату безперервно змінюються протягом доби і повсякчас. Навантаження по субстрату, окрім того, залежить від специфіки стоків, що переробляються, але гідравлічні навантаження можуть коливатися від 0,5 стоку при сухій погоді (ССП) до 3,6 ССП і навіть 8 ССП, тобто реактори працюють за вельми мінливих умов, в кращому разі в квазістаціонарному режимі.
4.3.2. Принципи аеробного очищення стічних вод в аеротенку
Процес очищення стічних вод активним мулом в аеротенках є найбільш звичайним варіантом процесів аеробного очищення стічних вод - безперервною ферментацією за допомогою біомаси мулу з подачею твердої сировини.
В порівнянні з біоплівкою, що функціонує в біофільтрах, біомаса активного мулу аеротенків має меншу екологічну різноманітність видів.
В аеротенках принцип очищення близький до природних способів, але інтенсифікований шляхом додаткового внесення кисню та повторним внесенням мулу.
Стоки забруднені органічними живильними речовинами в присутності кисню швидко інфікуються аеробною мікрофлорою, в основному бактеріальною, на 50 % перетворюючись в біомасу, решта – перегазовується.
Механізми біодеградації забруднень аеробним розкладом.
Фізико-хімічне перетворення в процесі аеробного очищення стічних вод складається з двох основних етапів: адсорбції та осадження, а хімічні перетворення на етапі адсорбції мають дві основних стадій: мінералізації та нітрифікації.
Стадії фізико-хімічного перетворення:
адсорбція – масопередача органічних речовин і кисню з рідини до клітинної поверхні біомаси;
дифузія – масопередача речовин і кисню всередину клітин через мембрану;
осадження - відділення очищеної рідини від частинок активного мулу.
Біохімічне окислення органічних речовин стоків в аеротенку реалізується в дві стадії.
Стадії біохімічного аеробної біоодеградації:
гліколіз біополімерів – ферментативний розклад біополімерів стоку;
неповне зброджування;
окисна мінералізація - окислення вуглецьвмісної органіки флокуло утворюючими бактеріями;
окисна нітрифікація - біомаса мулу окисляє забруднюючі речовини білкового та мінерального азоту нітрифікаторами;
метаболізм - відбувається біосинтез клітинних компонентів і приріст мікробної біомаси (утворення активного мулу) та відновлення своєї біоокислювальної здатності з виділенням енергії і виділення газу вуглекислоти.
Характеристика етапів аеробного біоочищення
Формування біосистеми. У процесах біологічного очищення бере участь складна біологічна асоціація, яка формується у вигляді активного мулу або біоплівки, проте, основною діючою скаладовою окислення забруднень стоків є мікроорганізми.
Адсорбція забруднень і кисню. Взаємодія стоків, які відстоялися, з повітрям і частинками активного мулу в аеротенку протягом певного часу (від 4 до 24 год і більше), залежно від вигляду стічних вод, необхідної глибини очищення, типу процесу. Мікроорганізми активного мулу адсорбують забруднюючі речовини стоків, що відстоялися, у кількості близько 150-200 мг/л завислих частинок і до 200-300 мг/л органічних речовин.
Мінералізація вуглецьвмісних органічних речовин.У аеробних процесах очищення частина окислюваних мікроорганізмами органічних речовин використовується в процесах біосинтезу, інша - перетворюється на нешкідливі продукти - Н2 О, СО2, NО2 і ін.
Нітрифікація азотовмісних речовин. Коли в стічних водах, що очищаються, практично не залишається вуглецьвмісних органічних речовин, настає другий етап очищення - нітрифікація (азотвмісні речовини стоків окислюються до нітритів і далі - до нітратів). Поява в стоках, що очищаються, нітратів і нітритів свідчить про глибокий ступінь очищення.
Метаболізм. Приріст біомаси та біологічних комплонентів, що створюють активний мул в процесі біоочищення, залежить від концентрації забруднюючих речовин у вхідному потоці, яка не повинна перевищувати гранично допустиму. Концентрація забруднюючих речовин знижується поступово, у міру проходження стоків системою коридорів аеротенка.
Осадження. У вторинному відстійнику відбувається відділення великої частини вільної від твердих частинок надмулової рідини, повернення активного мулу в аеротенк. Приріст біомаси активного мулу в ході очищення призводить до його «старіння» і зниження біокаталітичної активності. Тому велика частина активного мулу після вторинного відстійника виводиться з системи, і лише частина мулу повертається в реактор.
4.3.3. Групи бактерійної компоненти активного мулу аеротенків
Активний мул - буро-жовті пластівці розміром 3-150 мкм, завислі у воді,і утворені колоніями мікроорганізмів, зокрема бактеріями, які утворюють слизисті капсули – зооглеї. Активний мул є сукупністю біомаси мікроорганізмів і найпростіших з набором ферментів, що придатна до здійснення деградації і видалення забруднень із стоків, яка також має поверхню з сильною адсорбційною здатністю і утворює стабільні флокули, що легко осідають при відстоюванні. Частинки активного мулу, що часто позначаються як завислі (зважені) частинки суміші (ЧАМС) мулу, є флокульованою сумішшю бактерій та найпростіших організмів, що у вигляді стабільних флокул здатні швидко осідати з утворенням щільного мулу у відстійнику.
Концентрація активного мулу ЧАМС в аеротенку залежно від рівня забруднень стоків, від віку мулу і його продуктивності зазвичай складає 1.5-5.0 г/л.
Склад активного мулу аеробної утилізації:
флокулятивні бактерії, що окисляють вуглець органічні компоненти і формують стабільні флокули, що швидко осідають у відстійнику (4-5 добовий мул);
нитчасті бактерії, що окисляють вуглець, утворюють флокули, але призводять до спінювання та повільного осідання колоїдів;
бактерії-нітрифікатори (Nitrosomonas і Nitrobacter), що окислюють амонійний азот до нітратів (12 добовий мул);
найпростіші, нематоди (Vorticella, Opercularia), які поїдають бактерії, знижують мутність.
Нітрифікатори (Nitrosomonas и Nitrobacter) перетворюють відновлені форми азоту в окислені:
NH3 + O2 Nitrosomonas→NO2–,
NO2– + O2 Nitrobacter→NO3–.
Активний мул має також поверхню з сильною адсорбціною здатністю, залежить від рівня забруднень стоків, віку мулу та його продуктивності.
Вік мулу вираховують:
T = MV/(my + Gсвих),
де: М – концентрація завислих частин мулової суміші, кг/м3;
V – об′єм аеротенка,м3;
my – кількіст мулу, що видаляється, кг/доб.; G – розхід води, м3/доб.; свих.– концентрація мулу у вихідному стоку, кг/м3.
Наприклад, для досягнення нітрифікації за участі повільно зростаючих нітрифікаторів використовують старший мул (12 діб), а для окислення органіки вік мулу суттєво менший.
Робоча концентрація розчиненого кисню вираховується на основі розрахункової потреби установки. Для повної нітрифікації становить не менше 2 мг/л; для окислення вуглецю та денітрифікації – менше 1 мг/л.
|