Аэробные процессы

Очистку сточной воды в аэробных условиях осуществляют в сооружениях двух основных модификаций: в аэротенках с активной биомассой (активный ил), взвешенной в воде, или в биофильтрах, где активная биомасса (биопленка) прикреплена к зернам инертной загрузки.

Состав микрофлоры и микрофауны илов и биопленки формируется в зависимости от экологических условий, основными из которых являются состав обрабатываемых сточных вод, уровень растворенного кислорода, температура, рН, соотношение количества пищи и микроорганизмов, наличие токсичных веществ и т.д.

Бионаселение активного ила и биопленки образует сложный биоценоз, представленный бактериями, простейшими, грибами, водорослями и некоторыми многоклеточными организмами, такими, как коловратки, черви, личинки насекомых.

Основную роль в процессах окисления органических и некоторых неорганических примесей сточных вод играют бактерии. Общее количество их в активном иле достигает 108—1014 клеток на 1 г сухого вещества. К числу самых распространенных видов бактерий относятся псевдомонады. Кроме них в илах городских очистных сооружений обнаруживают бактерии родов Bacillus, Bacterrium, Achromobacters Zoogloea и др., а также семейства энтеробактерий. В активном иле практически всегда присутствуют актиномицеты.

Из животного населения ила наиболее многочисленны простейшие, представленные двумя типами: саркомастигофорами и инфузориями. Роль простейших многопланова. Они питаются бактериями, поддерживая в иле бактериальное равновесие. Поедая наряду с молодыми старые клетки, простейшие обусловливают омоложение ила и развитие новых жизнеспособных клеток. Кроме того, высвобождается в воду дополнительное количество экзоферментов. Простейшие питаются также частицами исходных загрязнений, благодаря чему происходит дополнительное осветление воды. По численности простейших и их состоянию, определяемому по внешнему виду, можно судить об условиях работы очистного сооружения и намечать меры оперативного управления процессом.

В иле хорошо работающего аэротенка обычно находят 10—15 видов простейших, достаточно равномерно представленных либо с незначительным преобладанием одно-двух видов. В таком иле редко обнаруживаются мелкие амебы и жгутиковые, в основном развиваются разнообразные инфузории с преобладанием брюхоресничных и круго- ресничных.

Любое нарушение в работе аэротенка приводит к снижению числа видов простейших, преобладанию одного или двух видов, к изменению размера и подвижности организмов. Так, при недостатке в сооружении кислорода преимущественное развитие получают простейшие, способные существовать в условиях кислородного дефицита. Это в основном жгутиковые, из инфузорий развивается инфузория-туфелька. Вортицеллы отрываются от стебелька и раздуваются. У кругоресничных инфузорий ресничный диск замкнут. Некоторые индикаторные простейшие активного ила показаны на рисунке.

Некоторые индикаторные простейшие активного ила

Организмы — показатели хорошей работы аэротенка: 1 — Arcella discoides; 2 — Aspidisca turrida; 3 — Opercularia glomerata; 4 — Epistylis plicatilis;
5 — Oxytricha pellionella; 6 — Tokophrya lemnarum. Организмы — показатели плохой работы аэротенка: 7 — Litonotus lamella; 8 — Colpoda steini;
9 — Podophrya collini; 10 — Bodo edax

Кроме простейших фауна активного ила представлена коловратками, выполняющими те же функции, что и простейшие. Реже в иле появляются черви.

Видовой состав бактерий биопленки практически не отличается от активною ила, при условии обработки сточных вод одного и того же состава.

Существенные различия между активным илом и биопленкой наблюдается в составе фауны. В биопленке в большом количестве развиваются черви, потребляющие в качестве питания избыточную биомассу. Минерализуя биопленку, они способствуют ее выносу из загрузки, а прорывая ходы в биопленке, черви облегчают доступ кислорода к глубоким ее слоям.

Фауна биофильтров подвержена сезонным изменениям. В определенные периоды года в биофильтре развивается множество очень прожорливых личинок и куколок насекомых. Поедая биопленку, они, как и черви, минерализуют ее.

Закономерности биохимического окисления органических веществ в аэробных условиях. Активный ил имеет вид хлопьевидной массы со средним размером хлопьев 1—4 мм. Он имеет очень развитую поверхность, составляющую около 100 м2 на 1 г сухого вещества, что обусловливает его большую адсорбционную способность. Благодаря столь значительной поверхности активного ила уже через несколько минут контакта его со сточной водой основная масса загрязнений оказывается сорбированной хлопьями ила. Активный ил обладает высокой гидролизной активностью, гидролитические экзоферменты располагаются на поверхности бактериальных клеток, что исключает потери продуктов гидролиза в окружающую среду. Благодаря действию экзоферментов на поверхности клеток образуется сложный комплекс исходных веществ, ферментов и продуктов ферментативного гидролиза. Последние переносятся внутрь клетки, где и происходит их окисление. Процессы окисления часто протекают значительно медленней, чем изъятие веществ из сточной воды хлопьями ила. В этом случае можно после небольшого периода аэрации отделить ил от воды и продувать его воздухом без подачи питательных веществ (сточной воды). Такой процесс называют регенерацией активного ила, в ходе которой ил восстанавливает свою биохимическую активность. В процессе регенерации окисляются коагулированные илом коллоидные и нерастворимые примеси и продолжается развитие бактериальной культуры, что приводит к увеличению числа жизнеспособных клеток.

Для гетеротрофных бактерий активного ила загрязнения сточных вод одновременно служат источниками и энергии, и основных биогенов для синтеза клеточного вещества.

Часть загрязнений, потребляемая в энергетическом обмене, окисляется бактериями полностью в процессе аэробного дыхания.

Если сумму органических загрязнений сточных вод обозначить через CxHyOzN, то процесс очистки от этих загрязнений можно представить следующими условными реакциями:

Процесс символизирует окисление загрязнений сточных вод с целью получения энергии, которая необходима для синтеза клеточного вещества C5H7NO2 в процессе. Условная формула C5H7NO2 показывает соотношение элементов в биомассе активного ила.

Когда основная часть питательных веществ сточной воды использована, начинается самокисление активного ила:

C5H7NO2 + O2 → 5CO2 + NH3 + 2Н2О + энергия.

К этому моменту в среде создаются благоприятные условия для развития автотрофных бактерий — нитрификаторов, окисляющих аммонийный азот по реакциям.

Вновь синтезированная биомасса или прирост ила удаляется из системы для последующей обработки. Эта часть активного ила называется избыточным илом.

Для нормальной жизнедеятельность активного ила необходимо достаточное количество биогенных элементов — азота и фосфора. Потребности клеток в фосфоре относительное невелики, поэтому в условных реакциях фосфор не фигурирует. Считается, то при очистке городских сточных вод на каждые 100 частей загрязнений, описываемых величиной БПК, в среде должно быть 5 частей азота и 1 часть фосфора. Иными словами должно соблюдаться соотношение БПК:N:Р - 100:5:1.

Количество кислорода рассчитывается как сумма расхода кислорода на реакции на частичное окисление ила и в системах с нитрификацией на окисление аммонийного азота. Примечательно, что затраты кислорода в процессах энергетического обмена и синтеза клеточного вещества составляют БПКполн очищаемой воды.

www.ovode.net 2011