Иловая площадка после вывоза почвогрунта [1]

Выполнение требований норм технологического режима при эксплуатации очистных сооружений имеет определяющее значение. В наибольшей степени это относится к процессу биологической очистки в аэротенках. В них, вследствие сочетания сложнейших биологических процессов и современных инженерных решений, по-прежнему остаётся множество до конца не выявленных аспектов, даже при соблюдении всех требований норм технологического режима.

Сложность контроля процесса биологической очистки и его регулирования многократно возрастает по причине непостоянного состава поступающих на очистку сточных вод и разнообразия составляющих элементов. Контроль состава и качества поступающих загрязнителей всегда затруднён и требует существенных затрат. Влияние изменения состава или превышения значений концентраций многих загрязнителей приводит к серьёзным нарушениям процесса очистки.

Основные факторы, влияющие на процесс очистки: загрязнители, которые косвенно определяются показателями химического потребления кислорода (ХПК) и биологического потребления кислорода (БПК), и их соотношение, водородный показатель рН, биогенные элементы, тяжёлые металлы, трудно определяемые, токсичные для активного ила вещества.

Большей частью выводы о воздействии тяжёлых металлов на микроорганизмы активного ила делаются на основании данных о превышении предельно допустимых концентраций (ПДК) металлов в поступающих сточных водах. Величины данных ПДК в настоящее время определяются Постановлением Правительства РФ от 29 июля 2013 года №644 [2].

По результатам научных работ, выполненных в последние 20 лет и посвящённых исследованию влияния тяжёлых металлов на биологический процесс очистки, нельзя с уверенностью констатировать, что нарушение процесса явилось следствием воздействия тяжёлых металлов. Во всех случаях присутствовал фактор превышения величины ХПК над БПК, причём более чем в 2,5 раза. Превышение данного соотношения согласно действующему СП 32.13330.2018 [3] гарантировано приводит к нарушению структуры флоккул активного ила. Нашими исследованиями в течение 30 лет установлено, что нарушение процесса биологической очистки — биоценоза активного (зрелого) ила — наступает уже при превышении концентрации ХПК над БПК в 1,5 раза.

Проблеме влияния тяжёлых металлов на биологический процесс посвящено множество научных исследований, например [4–14]. Однако наиболее полно оно рассмотрено в трудах Н. С. Жмур. В работах [7, 12] приведён большой массив данных, полученных при проведении исследований по накоплению тяжёлых металлов в активном иле в пересчёте на сухое вещество. Проведено сравнение значений концентраций тяжёлых металлов в возвратном иле очистных сооружений многих городов России, Республики Беларусь, Европы и США. Сводные данные представлены в табл. 1.

Этот показатель представляется более информативным и реальным по сравнению с концентрацией в водном растворе. Этот значение по существу является наиболее постоянным во времени. Лучше характеризует процесс накопления тяжёлых металлов в иле сверх каких-то предельных значений. Однако предельно-допустимых концентраций для нашей страны Н. С. Жмур в своих работах не приводит. Ссылки в её статье на то, что в городах Беларуси начиналось нитчатое вспухание при превышении некоторых значений по цинку, меди, кобальту, вероятно, зависят от превышения удельных нагрузок и соотношения ХПК/БПК.

В работах [10, 14, 15], выполненных в университетах Республики Беларусь на сточных водах городов Бреста, Гродно и Минска, выводы о влиянии тяжёлых металлов также некорректны. Во всех случаях превышены удельная нагрузка и соотношение ХПК/БПК.

В данной статье предполагается установить влияние накопления тяжёлых металлов в активном иле и определить значения концентрации металлов, которые не приводят к нарушению структуры флоккул активного ила.

Основанием служит опыт эксплуатации крупных очистных сооружений г.о. Воскресенск в течение последних 40 лет и исследования, проведённые на реальных сточных водах за это время специалистами ОАО «НИИ КВОВ», Сельскохозяйственной академии имени К. А. Тимирязева (ТСХА), ООО «Бифар». Работы были посвящены глубокому исследованию процесса очистки в аэротенках и последующему обезвоживанию иловых осадков, их стабилизации и повторному использованию в полном объёме от образовавшегося количества.

В цехе нейтрализации и очистки промышленных сточных вод (НиОПСВ) предприятия АО «Минудобрения» (очистные сооружения г.о. Воскресенск) в полной мере реализован процесс очистки биоценозом зрелого ила (илом большого возраста, с большой дозой ила).


Фото1. Зрелый, хорошо флоккулированный ил

Активный ил имеет следующие характеристики:

  • нагрузка по БПК — 40–100 мг на грамм сухого вещества БПК в сутки;
  • нагрузка по ХПК — 100–300 мг на грамм сухого вещества ХПК в сутки;
  • весовая доля ила в иловой смеси — 4–8 г/л;
  • концентрация растворённого кислорода в аэротенке — 4–6 мг/л;
  • период аэрации — 10–16 часов;
  • 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 процесс аэрации — 5–7 м³/м³;
  • удельный расход электроэнергии на процесс аэрации — 0,12–0,18 кВт/м³.

Биоценоз активного ила представлен флоккулирующими формами бактерий. Простейшие представлены более 40 видами. Во множестве присутствуют микроорганизмы третьего трофического уровня (хищники, коловратки, тихоходки, сосущие инфузории). Высока эффективность удаления тяжёлых металлов: так, например, по меди — 97–98% (при значении на входе и выходе 0,5 и 0,002 мг/л, соответственно), по цинку — 97–98% (значения на входе и выходе 0,1 и 0,003 мг/л), по железу — 96–97% (значения на входе и выходе до 6,0 и 0,2 мг/л). На фото 1 показан зрелый, хорошо флоккулированный ил. На фото 2 представлен флоккулированный, минерализованный ил с кутикулой тихоходки. На фото 3 — водный гриб.


Фото 2. Флоккулированный, минерализованный ил с кутикулой тихоходки

Основной причиной сброса недостаточно очищенных и не соответствующих нормам очистки стоков является вынос активного ила из вторичных отстойников в результате патологического нарушения структуры активного ила. По данным службы эксплуатации, это имело место в 90% случаев. Также причиной может являться неисправность оборудования, однако это довольно легко устранимо. Другой причиной является способность незрелого активного ила к патологическим изменениям структуры ила от 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. Таким процессом является полная биологическая очистка от органических веществ с денитрификацией и симультанной денитрификацией (БНЧСД) — с низкими удельными нагрузками, большой дозой ила и большим возрастом ила.


Фото 3. Сосущая инфузория и ловчая петля хищного водного гриба вида Zooph. tentaculum

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

Вспухание — это преобладание нитчатых форм бактерий над флоккулированными или увеличение размеров флоккул (ветвистость). Под «всплыванием» подразумевается подъём частичек ила (в виде крупы) из отстойной зоны отстойника на поверхность. Вспенивание можно наблюдать как образование серой или коричневой пены при росте числа актиномицетов в биоценозе вследствие неблагоприятных условий. Диспергирование представляет собой массовый рост бактерий, при котором размножающиеся бактерии утрачивают способность роста ворсинок, которыми соединяются во флоккулы. Микрофлоккуляцией называется нарушение флоккуляции, вызванное массовым развитием ювенильных (молодых) флоккул (зрелые флоккулы не образуются, под микроскопом флоккулы прозрачные). Дефлоккуляция — это распад флоккул на не оседающие части (фрагменты), при этом надиловая вода непрозрачна, фрагменты также непрозрачны.

Перечисленные нарушения устранимы только при использовании в аэротенках зрелого, хорошо флоккулированного ила.

В течение многолетней эксплуатации технологического процесса БНЧСД 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, и по причине недостатка кислорода для процесса нитрификации её эффективность снижается до 40–50%. Преимущество в развитии получают микроорганизмы с большой поверхностью для поглощения кислорода, то есть 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 наблюдается при поступлении больших концентраций ХПК и тяжёлых металлов. Иловый индекс возрастает до 150–200 мл/г в течение двух-трёх периодов аэрации. Биоценоз восстанавливается в течении 5–10 периодов аэрации после прекращении сброса.

Всплывание крупы во вторичных отстойниках происходит при поступлении аммонийного азота концентрацией выше 80–100 мг/л при невозможности увеличения концентрации кислорода выше 4–6 мг/л в одном или двух из четырёх работающих аэротенков. И при поступлении стоков концентрацией аммонийного азота более 50 мг/л и ХПК более 300–500 мг/л. Нарушение устраняется после прекращения сброса в течение двух-четырёх периодов аэрации. Всплывание не происходит при поступлении большой концентрации аммонийного азота и возможности увеличить концентрацию растворённого кислорода во всех аэротенках более 6 мг/л.

Плёнка на поверхности вторичных отстойников возникает при развитии актиномицетов рода Microthrix, как следствие начала нитчатого вспухания, описанного выше. Она наблюдается одновременно с образованием пены на поверхности аэротенков. Нитчатое вспухание обусловлено развитием актиномицетов, которые при всплывании образуют серую пену при поступлении аммонийного азота концентрацией более 50 мг/л и ХПК — более 400–500 мг/л. Проявляется через один-два периода аэрации. При прекращении поступления больших концентраций и 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 аэротенков. При повышении концентрации растворённого кислорода в аэротенке более 5–6 мг/л вспенивание прекращается. Образовавшаяся пена разлагается в течение 5–10 периодов аэрации.

Микрофлоккуляции и диспергирования за годы эксплуатации не наблюдалось. Редко наблюдались признаки дефлоккуляции (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 микрофлоккуляции исчезали через один-три периода аэрации.

В течение указанного периода времени проводился ежедекадный контроль концентраций поступающих на очистные сооружения тяжёлых металлов.

В 1980-х годах регулярно проводился контроль состава и количества тяжёлых металлов в иловых осадках очистных сооружений с привлечением вышеперечисленных научно-исследовательских институтов. С начала 1990-х годов каждые три года проводится добровольная сертификация иловых осадков ООО «Бифар Экология» с участием Роспотребнадзора и лаборатории Центра лабораторного анализа и технических измерений по Центральному федеральному округу (ФГБУ «ЦЛАТИ по ЦФО»). Получен большой массив данных. Сопоставление результатов лабораторного контроля, гидробиологических наблюдений, процессов на очистных сооружениях и результатов определения концентраций накопленных в иловых осадках тяжёлых металлов позволяет судить о влиянии накопления тяжёлых металлов в иловых осадках на биологический процесс в аэротенках.

Концентрации тяжёлых металлов в иловых осадках очистных сооружений г.о. Воскресенск представлены на рис. 1 (рис. 3 из [1]).


Рис.1. Сравнение содержания тяжёлых металлов и мышьяка в иловых осадках очистных сооружений в процентах от требований ГОСТ Р 54534–2011 [16] (рис. 3 из [1])

Из приведённой диаграммы видно, что некоторое превышение нормы наблюдалось в 1990-е годы по мышьяку и хрому. В последующие годы нет превышений норм. В периоды превышения норм по мышьяку и хрому не наблюдалось нарушений структуры флоккул активного ила: вспухания (гелевого или нитчатого), всплывания или вспенивания. И тем более не наблюдалось серьёзных нарушений: микрофлоккуляции, дефлоккуляции, диспергирования. В последующие десятилетия концентрации тяжёлых металлов не превысила 50% от нормы.


Процесс буртования осадка на иловой площадке [1]

На основании данных по исследованию состава иловых осадков, состава поступающих на очистку сточных вод, данных по лабораторному контролю очищенных сточных вод, которые получены в течение 30–40 лет, составлена табл. 2.

Из приведённых в табл. 2 данных можно сделать следующие выводы:

1. Тяжёлые металлы, поступающие на биологическую очистку стоков, в концентрациях, не превышающих значений, указанных в Постановлении Правительства РФ №644 [2], не приводят к замещению флоккулирующих форм бактерий филаментными. Они также не приводят к патологическим нарушениям структуры флоккул активного ила. Следует отметить, что допустимые концентрации тяжёлых металлов в [2] по многим элементам в несколько раз менее жёсткие, чем в ныне действующих нормах.

2. Накопление тяжёлых металлов в иловых осадках, которое происходит при таких концентрациях тяжёлых металлов, в поступающих сточных водах также не приводит к замещению флоккулирующих форм бактерий ферментами.

3. Следовательно, норму содержания тяжёлых металлов в осадках сточных вод, используемых для технической рекультивации нарушенных земель, приведённую в ГОСТ Р 54534–2011 [16], можно считать допустимой нормой накопления тяжёлых металлов в активном иле, при которой тяжёлые металлы не оказывают токсического действия на биоценоз активного ила.

4. Нарушения биоценоза активного ила — структуры его флоккул, замещение зооглейных форм бактерий нитчатыми или водными грибами (фото 3), — начинается уже при превышении соотношения ХПК к БПК более чем в 1,5 раза. При превышении данного соотношения ХПК к БПК более чем в 2,5 раза процесс вспухания активного ила приводит к возрастанию илового индекса до 200–230 мг/л, а время для восстановления биоценоза может составить более двух-трёх недель после прекращения сброса, как это показано в работе [9].

5. Предложен простейший способ определения одной из причин вспухания активного ила и последующих нарушений структуры флоккул — определение весовой концентрации тяжёлых металлов, накопленных активным илом. Если значение концентрации накопления в активном иле тяжёлых металлов не превышает значений норм, приведённых в ГОСТ Р 54534–2011 [16], тогда причиной вспухания следует считать нарушения соотношения ХПК/БПК, но не поступление со стоками таких металлов в повышенных концентрациях.

6. Тяжёлые металлы могут оказывать влияние на биоценоз и нарушать его при накоплении в активном иле нескольких тяжёлых металлов в концентрациях более 3000–5000 мг/кг.