Материал: Гончарук учебник

РАЗДЕЛ И. САНИТАРНАЯ ОХРАНА ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ

Источником энергии для денитрифицирующих бактерий могут служить углеводы, спирты, органические кислоты, пептон, аспарагин, мочевина, дру­ гие органические соединения. Обобщенное уравнение, по которому происхо­ дит окисление, например глюкозы, благодаря восстановлению калия нитрата (селитры), примет вид (по Корсаковой):

5С6 Н1 2 06 + 24KN03 = 12К2С03 + 18С02 + 12N2 + 30Н2О.

Процесс денитрификации сопровождается бурным выделением газов — смеси азота и углекислоты, иногда с примесями азота закиси.

Таким образом, при биохимической очистке сточной воды одновременно с окислительными протекают и восстановительные процессы денитрифика­ ции. Микроорганизмы потребляют кислород образуемых при этом азотистых соединений. Этот процесс очень важен в начальной стадии очистки сточной воды на всех без исключения сооружениях биохимической очистки в пусковой период (биологического созревания) и для тех участков биологических фильт­ ров и аэротенков, где нарушено поступление кислорода. Процессом денитри­ фикации обусловливается отрицательный баланс азота в процессах биохи­ мической очистки, так как значительная часть азота в молекулярном виде вы­ деляется в атмосферу. Обычно этим объясняется низкий уровень нитритов и нитратов в очищенной активным илом сточной воде.

Часть нитратов, образовавшихся при биохимическом окислении органи­ ческих веществ сточной воды, усваивается растениями (если сточные воды по­ ступают в почву), а часть — денитрифицируется. Азот нитратов может быть использован также для биосинтеза активного ила аэротенков или биологичес­ кой пленки биофильтров. Схематически это можно изобразить так:

Аэробные процессы биохимической очистки протекают в строгой после­ довательности. Так, органические вещества, которые содержат углерод и име­ ют низкую степень окисления, окисляются в первую очередь, а уже затем нит­ рифицируются. В природных условиях процессы биохимического окисления, являющиеся ведущими в самоочищении поверхностных водоемов, протекают сравнительно медленно, в течение нескольких суток. Установлено, что 10 мг азота окисляется до нитритов за 15 сут, а 10 мг нитритов превращаются в нит­ раты за 40 сут. Понятно, что в искусственных канализационных сооружениях биологической очистки сточных вод указанные процессы нужно определенным образом интенсифицировать, чтобы предотвратить накопление сточной воды и приблизить скорость ее очистки к скорости образования.

276

ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД

При благоприятных условиях процессы биологической очистки сточных вод могут протекать нормально. Для этого необходимы три участника биохи­ мического процесса: органическое вещество сточных вод, аэробные микроор­ ганизмы и кислород воздуха. Задание технологического процесса на сооруже­ ниях биологической очистки сводится к столкновению названных элементов в оптимальных соотношениях. Этим обусловливается то, что, во-первых, био­ логическая очистка возможна при поступлении хозяйственно-бытовых или близких к ним по составу промышленных (например, предприятий пищевой промышленности) сточных вод, содержащих значительное количество органи­ ческих веществ. Во-вторых, обязательным условием эффективной биологиче­ ской очистки на искусственно созданных сооружениях, моделирующих про­ цессы самоочищения в водоемах, является аэрация сточных вод. В-третьих, биологическая очистка происходит в указанных сооружениях благодаря фор­ мированию специализированного микробиоценоза, который в сооружениях, мо­ делирующих самоочищение в водоемах, называется активным илом, а в соору­ жениях, моделирующих самоочищение в почве, — биологической пленкой.

Под активным илом подразумевают биоценоз (или культуру) микроорга­ низмов-минерализаторов, которые связаны между собой синтезированным ими органическим веществом в виде хлопьев, способных сорбировать на поверх­ ности органические вещества и окислять их в присутствии кислорода воздуха, растворенного в воде. В состав активного ила входят сапрофитные водные ба­ ктерии, простейшие (например, свободноплавающие и прикрепленные инфу­ зории, коловратки и т.д.), грибы, нитчатые водоросли, нематоды (при условии нехватки кислорода).

Активный ил формируется и накапливается в зоне аэрации сооружений, моделирующих процессы самоочищения в водоемах. Такими искусственными сооружениями являются аэротенки, компактные канализационные установки заводского изготовления и их прототипы, аэротенки-осветлители колонного и коридорного типов, симбиотенки и др.

В природных водоемах в состав биоценоза, обеспечивающего процессы са­ моочищения, в том числе и при поступлении недостаточно очищенных сточных вод, кроме микроорганизмов, входят фито- и зоопланктон и рыбы различных видов. Следует подчеркнуть, что ни из каких (экологических, гигиенических, экономических и др.) соображений не может быть оправданным использова­ ние рек и других поверхностных водоемов в качестве очистных сооружений. Хотя, безусловно, за счет процессов самоочищения в реках происходит доочист­ ка сточных вод, прошедших биологическую очистку на искусственно создан­ ных канализационных сооружениях.

Под биологической пленкой, которая формируется в сооружениях, модели­ рующих самоочищение в почве (биологические фильтры — капельные, аэро­ фильтры, башенные биофильтры и др., песчано-гравийные фильтры) подразу­ мевается биоценоз (или культура) микроорганизмов-минерализаторов, которые прикреплены к поверхности фильтрующего загрузочного материала и способ­ ны сорбировать на поверхности органические вещества и окислять их в присут­ ствии кислорода воздуха.

277

РАЗДЕЛ П. САНИТАРНАЯ ОХРАНА ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ

Процесс биологической очистки сточной воды на всех искусственных ка­ нализационных сооружениях делится на два этапа: 1) биологического созре­ вания активного ила или рабочей биологической пленки (пусковой период); 2) стационарного процесса (эксплуатационный период).

Период биологического созревания в аэрационных сооружениях с актив­ ным илом — это период, в течение которого развивается оптимальное количе­ ство активного ила, адаптированного относительно конкретного режима рабо­ ты сооружения, объема и качества сточной воды. В этот период поверхность загрузочного материала биологических фильтров, песчано-гравийных фильт­ ров, дисков симбиотенков покрывается биологической пленкой. Процесс в наи­ лучших условиях (в летнее время года) длится 3—4 нед в аэрационных соору­ жениях с активным илом при их работе в замкнутом режиме и 1—2 мес — в биологических фильтрах. В другие сезоны года период биологического со­ зревания может длиться до 6 мес. Это следует учитывать при строительстве очистных сооружений и стремиться завершить пусконаладочные работы на очистных канализационных станциях в теплое время года. Благодаря интенси­ фикации, за счет внесения в зону аэрации очистных сооружений активного ила действующих сооружений в количестве 5—30% объема зоны аэрации или сухо­ го активного ила, период биологического созревания аэрационных сооружений может завершиться в течение 1—2 нед. Это имеет очень важное природоох­ ранное значение, так как в период биологического созревания в очистных со­ оружениях недостаточно очищенные (после отстойника) или совсем неочи­ щенные сточные воды от объекта канализования сбрасывают в поверхностные водоемы, загрязняя их.

В период стационарного процесса работы аэрационных установок разли­ чают пять фаз работы активного ила. Подобная фазность стационарного про­ цесса характерна и для "работы" биологической пленки в сооружениях, кото­ рые воспроизводят процессы самоочищения в почве. Первая фаза — биосорбции органического вещества хлопьями активного ила (биологической пленки) —

длится не более 30 мин. За это время органические вещества сточной воды, ко­ торые находятся в растворенном состоянии (в виде молекулярных и коллоид­ ных растворов) и мелких суспензий, сорбируются на поверхности микроорга­ низмов активного ила или биологической пленки. Во второй фазе — фазе де­ карбонизации, длящейся от 1 до 4 ч, происходит биохимическое окисление легко окисляемых углеродсодержащих органических веществ сточной воды, микроорганизмами активного ила (биологической пленки) до углекислого газа и воды. Процесс окисления сопровождается выделением энергии, которую мик­ роорганизмы активного ила (биологической пленки) используют для синтеза вещества собственной биомассы. Третья фаза — фаза синтеза клеточного вещес­ тва активного ила (биологической пленки) из остатков органических веществ сточной воды за счет энергии, освободившейся во второй фазе. Количество ор­ ганического субстрата, переходящего в новые клетки, составляет почти 65%. Суммарная продолжительность этой фазы в зоне аэрации комбинированных аэрационных сооружений или аэротенках и регенераторах составляет почти 20 ч в стационарном процессе очистки сточной воды. При беспрерывной аэра-

278

Рис. 45. Фазы стационарного процесса работы аэрационных сооружений с активным илом: 1 — кривая роста чистой бактериальной культуры (млн/мл); 2 — концентрация активного ила; 3 — БПК5 (мг Ог/л); I—V — соответственно лаг-фаза, фаза логарифмическая, стационарная, отми­ рания и конечного заката

ции сточной воды свыше 20—24 ч происходит четвертая фаза стационарного процесса — фаза эндогенного дыхания, или окисления органического вещест­ ва клеток активного ила. Завершается она через 2—3 сут аэрации активного ила. При более продолжительной аэрации (свыше 2—3 сут) наступает пятая фаза — фаза нитрификации и денитрификации, которая чаще и полнее проте­ кает в сооружениях, воспроизводящих процессы самоочищения в почве.

В указанные фазы стационарного процесса происходят определенные из­ менения массы активного ила. При этом также выделяют 5 фаз (рис. 45). Пер­ вой фазе — биосорбции стационарного процесса отвечают лаг- и логарифми­ ческая фазы интенсивного прироста массы активного ила и резкого снижения в сточной воде концентрации органических веществ за счет их биосорбции. Вторая фаза — фаза замедленного роста — отвечает фазе декарбонизации ста­ ционарного процесса. Третья фаза — фаза стационарной, или относительно постоянной, массы активного ила, отвечает третьей фазе биохимического про­ цесса очистки сточной воды, то есть синтезу активного ила. Она длится до тех пор, пока не исчерпается все органическое вещество, накопленное клетками микроорганизмов активного ила. Четвертая фаза — фаза отмирания или по­ степенного уменьшения массы активного ила — отвечает фазе эндогенного ды­ хания, или самоокисления активного ила. Органическое вещество клеток био­ массы активного ила окисляется до конечных продуктов — NH3, C02 и Н2 0. Это способствует уменьшению общей массы активного ила в аэрационном со­ оружении. Пятая фаза получила название фазы конечного заката и отвечает процессам нитрификации и денитрификации. Она наблюдается во время ста­ ционарного процесса работы аэрационных сооружений при их беспрерывной аэрации свыше 24 ч. В эту фазу минерализуется активный ил. Чаще всего это бывает в стационарном процессе работы очистных канализационных сооруже­ ний, которые моделируют процессы самоочищения в почве.

279

РАЗДЕЛ П. САНИТАРНАЯ ОХРАНА ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ

Знание фазности стационарного процесса биологической очистки сточ­ ных вод имеет важное значение не только для инженерно-технической служ­ бы, но и для практической деятельности врача-профилактика. Деление стацио­ нарного процесса на фазы имеет условный характер, так как в I фазу могут протекать процессы II и даже III. Точно так же во II фазу возможны превраще­ ния, свойственные другим фазам. Но, несмотря на условность, знание этих фаз, их научно обоснованное выделение в стационарном процессе биохимиче­ ской очистки дало возможность предложить ряд аэрационных канализацион­ ных сооружений с активным илом, в которых преобладают те или другие фазы процесса. Так, на основании использования лишь I фазы процесса биохимиче­ ской очистки с целью удаления органических веществ из сточной воды пред­ ложены аэротенки с контактно-стабилизированным процессом. В таких аэротенках биохимическая очистка сточных вод происходит в течение 20—30 мин. После этого биомасса отделяется от биологически очищенной сточной жидкос­ ти во вторичных (чаще всего радиальных) отстойниках и направляется в ста­ билизаторы активного ила. Там происходят II, III и, иногда частично, IV фазы процесса, которые совпадают с соответствующими фазами изменений актив­ ного ила. Такой активный ил вновь способен к сорбции органического вещества сточных вод. Поэтому та его часть, которую называют возвратным активным илом, возвращается в аэротенки с контактно-стабилизационным процессом, а избыточный активный ил из стабилизаторов направляется для обезврежива­ ния в метантенки.

Две первые фазы процесса использованы на очистных канализационных станциях аэротенков, которые предусматривают неполную очистку или с "продленной аэрацией". У них биологическая очистка сточной воды длится почти 4 ч. За это время происходят фазы биосорбции и декарбонизации, после чего сточная вода поступает во вторичные отстойники, где освобождается от активного ила. Возвратный активный ил направляется в регенераторы, где происходят III и, иногда, частично, IV фаза процесса, которые совпадают с со­ ответствующими фазами изменений активного ила. После этого ил возвраща­ ют в аэротенки. Избыточный активный ил из вторичных отстойников направ­ ляют на обезвреживание в метантенки (рис. 46).

Первые три фазы стационарного процесса биологической очистки про­ исходят в аэротенках на полную очистку, в которых аэрация сточной воды

Рис. 46. Технологическая схема работы одноступенчатого аэротенка на неполную биологическую очистку:

1 — первичный отстойник; 2 — аэротенк; 3 — вторичный отстойник; 4 — насосная станция; 5 — избыточный активный ил; 6 — циркулирующий активный ил; 7 — регенератор

280