Гидробиологические аспекты процесса биологической очистки с нитрификацией и симультанной денитрификацией (БНЧСД)

В настоящее время происходит широкое внедрение справочника НДТ 10–2015. В нём предложены новые подходы, принципы и технологии в процессах очистки сточных вод. Предложено совершенствование технологических процессов, замена оборудования на более совершенное. Предполагается, что это позволит повысить качество воды в реках и озёрах, в которые проводится сброс очищенных стоков. Для выполнения поставленных задач потребуется время и немалые средства, и в условиях, когда деньги на воплощение в жизнь положений НДТ 10–2015 из федерального бюджета выделяются нерегулярно (по целевым программам), а в местных бюджетах их просто нет, реальное внедрение наилучших доступных технологий займёт не один десяток лет.

Чистота наших водоёмов в первую очередь зависит от прекращения сброса неконтролируемых неочищенных стоков и эффективности эксплуатации существующих очистных сооружений. Поэтому первоочередной задачей представляется достижение эффективной эксплуатации существующих сооружений, выполненных пусть и по устаревшим проектам.

Эффективная эксплуатация очистных напрямую зависит от процесса биологической очистки стоков. От благополучного состояния (с точки зрения биологии и микробиологии, в частности, а не инженерных наук) активного ила в биореакторах, от совершенства методов контроля за его состоянием (фото 1–11, рис. 1).

Важнейшим аспектом процесса очистки сточных вод в аэротенках является структура активного ила. Это связано с организацией бактерий за счёт своих ворсинок на своей поверхности во флокулы. Только флокуляция бактерий обеспечивает «кворум» и одновременно высокую активность аэробов, микрофилов и анаэробов в любой точке водного пространства аэротенка, независимо от насыщения воды кислородом. Наилучшим способом определения качества флокуляции или структуры активного ила является метод гидробиологического анализа с использованием микроскопирования активного ила в светлом поле, для проведения которого необходимы также изображения (фотографии) видов гидробионтов и изображения нарушений структуры ила для сравнения. Правомерно будет дать следующее определение аэробного активного ила.

Активный ил — это сообщество микроорганизмов, главным образом флокулированных органотрофных бактерий, которые образуются при интенсивном движении водной среды, загрязнённой органическими веществами. Флокулы активного ила — это целостный организм, «сверхбактерия», выполняющая в экосистеме наибольшее число функций, в то же время и «многоклеточный организм» с дифференциацией клеток по слоям, образованием участков для дефекации, для половых продуктов, информационных связей [3].

При микроскопировании флокул наблюдаем, что бактерии объединяются за счёт ворсинок — выростов бактериальной оболочки, покрытых гликокаликсом. Фото 1.

Ворсинки выходят далеко за пределы бактериальных клеток, ветвятся и, соприкасаясь, срастаются — образуют общий канал, по которому осуществляется обмен информацией и половыми продуктами. В стоячей воде бактерии объединяются временно, а в подвижной — постоянно. Перемешивание воды в аэротенке, в горной реке, у подножия водопада, в прибойной зоне моря стимулирует образование всё более совершенных флокул, эллипсоидных по форме. Ворсинки позволяют бактериям внутри флокул перемещаться и занимать наиболее комфортное положение: из первоначально беспорядочного конгломерата аэробы перемещаются к поверхности, анаэробы — к центру, а микроаэрофилы располагаются между ними. Чем интенсивнее движение водной среды, тем прочнее флокулы. Нарушение благоприятных условий для активного ила приводит к распаду флокул — дефлокуляции. Фрагменты зрелых флокул, распавшихся в результате дефлокуляции, не способны объединится или восстановить нормальную форму. Происходит их вымывание из системы [3].

Не располагая внутренними мембранами, бактерии (прокариоты) выходят из положения, ограничивая свои клетки малыми размерами, что обеспечивает высокое значение отношения поверхности клетки к объёму. Интенсивность жизненных процессов тем выше, чем больше это соотношение. Мельчайшие клетки бактерий могут удваивать свою массу за считанные минуты, а амёбы, у которых соотношение поверхности к объёму много меньше, — лишь за сутки. Бактериальные клетки могут образовывать флокулы в течение секунд и минут. Основными участниками процессов очистки и наиболее мобильными являются бактерии.

Флокулы ила — комплексы, конструкции из клеток бактерий (прокариот). В зрелом иле бактерии во флокулах делятся на группы, каждая из которых выполняет свою функцию [3]. Каждая флокула зрелого ила — это подобие эукариотной клетки, где функции получения энергии, транспорта веществ, связи с окружающей средой, выделения продуктов метаболизма и т. д. выполняет отдельная группа бактериальных клеток (прокариот). Только такая зрелая флокула является организмом, способным эффективно окислять органические соединения и очищать сточные воды.

Флокула выполняет функции эукариотной клетки. Флокулы, организованные плотнее, имеющие в пространстве между бактериями не полисахаридный гель, а нитчатые формы бактерий, образуют гранулы в активном иле. В зрелом иле их количество составляет 10–20% от общего количества, при концентрации ХПК более 300 мг/л их больше.

Чем больше возраст активного ила, тем больший относительный объём в его флокулах занимает анаэробная зона. Однако это не старение, а совершенствование флокул с точки зрения трансформации всё большего спектра веществ и обеспечения надёжности процесса очищения воды в целом [3]. Под возрастом ила обычно понимают величину, зависящую от количества удаляемого из аэротенка избыточного ила. Чем больше количество удаляемого ила, тем меньше возраст ила. Удаление ила ограничивает условия, при которых активный ил, как комплекс специфических самоорганизующихся микроорганизмов, будет находиться в «зрелом», «здоровом» состоянии, готовом к выполнению своей основной функции: окислению органических веществ и нитрификации-денитрификации [3, 5].

Существует шесть патологических нарушений структуры флокул активного ила, которые препятствуют его отстаиванию, а в конечном итоге приводят к потере до 80% его массы, нарушению биологической очистки в течение нескольких недель или месяцев. Это вспухание, всплывание, вспенивание, диспергирование, микрофлокуляция и дефлокуляция:

1. Вспухание — преобладание нитчатых форм бактерий над флокулированными или увеличение размеров флокул (ветвистость).

2. Всплывание — всплывание в виде крупы, частичек хлопков ила из отстойной зоны отстойника на поверхность.

3. Вспенивание — образование серой или коричневой пены при росте числа актиномицетов в биоценозе вследствие неблагоприятных условий.

4. Диспергирование — массовый рост бактерий, при котором размножающиеся бактерии утрачивают способность роста ворсинок, которыми соединяются во флокулы.

5. Микрофлокуляция — нарушение флокуляции, вызванное массовым развитием ювенильных (молодых) флокул, зрелые флокулы не образуются, под микроскопом флокулы прозрачные.

6. Дефлокуляция — распад флокул на не оседающие части (фрагменты), надиловая вода непрозрачна, фрагменты непрозрачны.

Перечисленные нарушения устранимы только при использовании в аэротенке зрелого ила.

В цехе нейтрализации и очистки промышленных сточных вод (НиОПСВ) АО «Минудобрения» (очистные сооружения города Воскресенске) в полной мере реализован процесс очистки биоценозом зрелого ила (илом большого возраста, с большой дозой ила). По классификации НДТ 10–2015 технологический процесс в аэротенке относится к биологической очистке с нитрификацией и частичной симультанной денитрификацией.

Активный ил имеет следующие характеристики:

• нагрузка по БПК — 40–100 мг на 1 г. сухого вещества БПК в сутки;
• нагрузка по ХПК — 100–300 мг на 1 г. сухого вещества ХПК в сутки;
• концентрация растворённого кислорода в аэротенке — 4–6 мг/л;
• период аэрации — 12–16 ч;
• коэффициент рециркуляции — 0,8–1,2;
• расход стоков — 60–80 тыс. м³/сут.;
• концентрация растворённого кислорода во вторичных отстойниках — 1,6–2,1 мг/л;
• удельный расход воздуха на аэрацию 4–5 м³/м³, при поступлении токсичных стоков — 6–8 м³/м³;
• удельный расход электроэнергии на аэрацию 0,12–0,18 кВт/м³.

Биологическая очистка сточных вод проводится после первичного отстаивания поступающих стоков, очистки от песка в горизонтальных песколовках с низкой скоростью протекания и задержания мусора и мелких загрязнений на грабельных решётках с прозорами между стержнями в 5 мм. Первичное отстаивание стоков, до концентрации по взвешенным веществам 50–70 мг/л и БПК 60–80 мг/л, необходимо для задержания максимального количества промышленных токсикантов из поступающих на очистку стоков в составе сырого осадка и снижения количества образующегося избыточного активного ила. Кроме этого, обезвоживание сырого осадка значительно дешевле обезвоживания и утилизации активного ила.

Очищенные стоки имеют следующую степень очистки:

• БПК — менее 3 мг/л;
• ХПК — менее 20–30 мг/л;
• азот аммонийный — менее 0,4 мг/л;
• азот нитритов — менее 0,01–0,02 мг/л;
• азот нитратный — менее 9,2 мг/л;
• нефтепродукты — 0,05 мг/л;
• медь — 0,002 мг/л;
• цинк — 0,003 мг/л;
• фосфор — 2,2–3,1 мг/л.

Эффективность очистки составила: по БПК — 97–98%, по ХПК — 85–87%, аммонийному азоту — 95–98%, нефтепродуктам — 95–98%, меди — 93–96%, цинку — 97–98%, фосфору — 10–12%.

Основной причиной сброса недоочищенных и не соответствующих нормам очистки стоков является вынос активного ила из вторичных отстойников в результате патологического нарушения структуры активного ила. По данным эксплуатации это 90% случаев. Одной причиной является неисправность оборудования, что легко устранимо. Другой причиной является способность незрелого активного ила к патологическим изменениям своей структуры из-за малейших изменений качественного состава поступающих на очистку стоков. В условиях невозможности оперативного контроля за предприятиями-абонентами необходимо использовать процессы, устойчивые к токсичным и ингибирующим очистку сбросам сточных вод. При возможности оперативного контроля сбросов с предприятий нарушения произойдут по причине инерции восстановления биоценоза активного ила в течение минимум двух недель после попадания токсикантов и ингибиторов в аэротенк. Процессом, устойчивым к таким сбросам, является биологическая очистка от органических веществ и аммонийного азота или продлённое окисление, продлённая аэрация (БНЧСД), с низкими нагрузками, большой дозой ила, большим возрастом ила (не менее 120 суток).

В течение многолетней эксплуатации технологического процесса отмечались случаи нитчатого вспухания активного ила при поступлении большой концентрации аммонийного азота (50–100 мг/л) и одновременно большой концентрации ХПК (500–800 мг/л). Большое количество кислорода идёт на окисление органических веществ, эффективность нитрификации снижается до 40–50%. Преимущество в развитии получают микроорганизмы с большой поверхностью для поглощения кислорода — нитчатые. Иловый индекс возрастает до 150–220 мл/г. При прекращении сброса биоценоз восстанавливается в течение 5–10 периодов аэрации (три-пять суток).

Гелевое вспухание ила при поступлении больших концентраций ХПК и тяжё- лых металлов. Возрастает иловый индекс до 150–200 мл/г в течение двух-трёх периодов аэрации. Биоценоз восстанавливается в течение 5–10 периодов аэрации после прекращении сброса.

Плёнка на поверхности вторичных отстойников возникает при развитии актиномицетов рода Microthrix, как следствие начала нитчатого вспухания, описанного выше. Наблюдается перед образованием пены на поверхности аэротенков. Нитчатое вспухание обусловлено развитием актиномицетов, которые при всплывании образуют серую пену при поступлении азота аммонийного концентрацией более 50 мг/л и ХПК более 400–500 мг/л. Проявляется через один-два периода аэрации. При прекращении поступления больших концентраций вспенивание и плёнка исчезают через период аэрации. При продолжительном поступлении больших концентраций этих веществ поверхность аэротенка не покрывается пеной более чем на 25–30% площади поверхности. При повышении концентрации растворённого кислорода в аэротенке более 5–6 мг/л вспенивание прекращается. Образовавшаяся пена разлагается в течение 5–10 периодов аэрации.

Микрофлокуляции и диспергирования за годы эксплуатации не наблюдалось. Редко наблюдались признаки дефлокуляции (распада хлопков) при поступлении большой концентрации ХПК и низкой концентрации растворённого кислорода в одном из аэротенков. После прекращения сброса или увеличения концентрации кислорода в неисправном аэротенке признаки микрофлокуляции исчезали через один-три периода аэрации.

В специальной литературе часто упоминается о применении различных химических реагентов в качестве метода борьбы с вспуханием ила. Применение, например, раствора гипохлорита натрия, как показал наш опыт, не позволяет восстановить нарушенную структуру ила. А использование перекиси водорода, ультразвука? Подобное недопустимо.

Активный ил — это живой саморегулирующийся биологический объект, над которым нельзя проводить различные инженерные эксперименты. Предложения некоторых авторов убирать всплывший ил вручную с поверхности аэротенка может вызвать лишь улыбку у серьёзных специалистов, занимающихся эксплуатацией очистных сооружений. Реальными для выполнения регулирования при нарушении процессов флокуляции ила являются следующие параметры:

• повышение концентрации растворённого кислорода в иловой смеси;
• увеличение объёма отстойной зоны (количества отстойников);
• увеличение количества отбираемого из отстойников ила.

В цехе НиОПСВ для предотвращения нарушений структуры ила при поступлении токсичных сбросов дополнительно предусмотрены:

• шоковая селекция микроорганизмов увеличением концентрации кислорода в возвратном иле при перекачивании его эрлифтом на высоту 11 м;
• селекция микроорганизмов возвратом иловой смеси из конца аэротенка в начало эрлифтом в количестве 50–60% от количества поступающих стоков.

В лаборатории цеха в течение нескольких десятилетий проводились гидробиологические исследования биоценоза активного ила по ПНД Ф СБ 14.1.77–96 «Методическое руководство по гидробиологическому и бактериологическому контролю процесса биологической очистки на сооружениях с аэротенками» и «Методическим рекомендациям по проведению гидробиологического контроля очистки сточных вод с активным илом», разработанным Г. В. Капитоновой на основании принципов биоэстимации (биологической оценки), с учётом метода биоиндикации, при различных нагрузках, различных концентрациях растворённого кислорода в иловой смеси, различном значении водородного показателя, различных залповых сбросах промышленных стоков.

На основании опыта наблюдения за биоценозом активного ила составлена табл. 1, где приведены признаки форм нарушений структуры, их причины и меры предотвращения. Приведённые в таблице меры полностью совпадают с мерами, предложенными в работе [7].

Составлен атлас с электронными фотографиями микроорганизмов, которые обнаружены в биоценозе активного ила, и фотографиями микроорганизмов после воздействия различных неблагоприятных факторов.