Биологическая очистка природных вод

 

 

Вода поверхностных и подземных источников подвержена загрязнениям антропогенного характера, в состав которых входят органические вещества.

Содержащиеся в воде органические соединения могут стимулировать бактериальный рост на очистных сооружениях и в водопроводной сети. Аммонийные соединения, фосфор, марганец, железо являются субстратом (питанием) для некоторых бактерий.

Различают биоразлагаемые и биорезистентные органические вещества. К последним относится синтетическая органика и галогенированные соединения, попадающие в источники при сбросе недостаточно очищенных промстоков, а также в процессе обработки воды хлором.

Показателем уровня загрязнения источников органическими веществами в настоящее время является углерод:

ООУ – общий органический углерод;

РОУ – растворенный органический углерод;

АОУ – ассимилируемый органический углерод, это количественная оценка биоразлагаемых веществ (не включает гумусовые вещества). Количество АОУ является показателем потенциального роста микроорганизмов. Чем ниже АОУ, тем выше биологическая стабильность воды.

Биологическая очистка природных вод известна давно – медленная фильтрация. Возможность применения биологических методов очистки связана со способностью органических веществ к биоразложению. Однако, широкого применения в водообработке эти методы получили только во второй половине ХХ века. Опыт стран Западной Европы (фирма «Дегремон») показывает, что биологические процессы могут сочетаться с технологическими схемами физико-химической очистки.

Биологическими методами могут быть удалены:

- органические вещества: фенолы, нефтепродукты;

- аммонийные соединения;

- железо, марганец;

- привкусы и запахи;

- увеличен срок работы сорбентов.

 

Известны следующие процессы биологической очистки.

Окисление в биопленке. Биопленка образуется на поверхности твердого материала – носителя. Бактерии прикрепляются к поверхности носителя, используя клейкие вещества или за счет сорбции. Закрепленные бактерии становятся более устойчивыми к внешним воздействиям. АОУ, имеющийся в природных водах, способен поддерживать рост биопленки.

Носителем могут служить волокна, песок, гравий, клиноптилолит, активированный уголь. На рост колоний влияют гранулометрия, пористость, поверхностная активность материала носителя.

Биореакторы с закрепленной микрофлорой. Фильтры с загрузкой определенного гранулометрического состава, промывкой с малой интенсивностью либо без промывки (чтобы не вымывалась биопленка).

ГАУ является очень хорошей средой для развития микрофлоры. При этом биоразлагаемые вещества удаляются микрофлорой и тем самым увеличиваются адсорбционные места для сорбции биорезистентных органический соединений, т.е. увеличивается срок службы ГАУ.

Химическое окисление и биопленка. Предварительное озонирование – повышается концентрация растворенного кислорода. Поскольку процессы биологической очистки аэробны, то органические вещества окисляются до состояния, в котором они легко ассимилируются микроорганизмами.

Однако дозы окислителя и время контакта необходимо определять в процессе пилотных исследований на обрабатываемой воде.

Технологические схемы

Двухступенное фильтрование: вода поступает на скорый песчаный фильтр, а затем на сорбционный фильтр с ГАУ. Первая ступень является биологическим фильтром. Конструктивно это стандартный открытый или напорный скорый фильтр. Скорость фильтрования невысокая, ниже, чем для осветления, т.е. увеличивается время контакта воды с загрузкой. Предварительное хлорирование не производится. Промывка загрузки осуществляется с малой интенсивностью, возможно применение водовоздушной промывки. Таким образом, создаются условия для аккумулирования биопленки. В качестве первой ступени может использоваться угольный фильтр без промывки либо с частичной 70-80% регенерацией для сохранения биопленки.

Напорные фильтры с нисходящим или восходящим фильтрованием. Вначале вода фильтруется через инертный материал, служащий носителем биопленки, где задерживаются биоразлагаемые органические вещества, а затем поступает на сорбционную загрузку, где удаляются биорезистентные вещества.

Рис. 5.39 Напорный одно- и двухкамерный биофильтр.

 

Традиционная двухступенная безреагентная схема дополняется сорбционным фильтром.

 

 

Рис.5.40 Схема двухступенного фильтрования с медленным фильтром

 

Вместо префильтра можно использовать устройство верхнего слоя медленного фильтра из клиноптилолита, матов из волокна.

ВОДГЕО /ВиСТ, 1998,№5/ разработан биотехнологический метод очистки природных и сточных вод – биосорбция: совмещение в пространстве и времени процессов сорбции загрязнений с их биологическим окислением.

Процесс протекает через стадии:

- адсорбция загрязнений из воды в микропористой структуре сорбента;

- биохимическая модификация адсорбированных трудноокисляемых веществ в биоразлагаемую форму экзоферментами, иммобилизованными в микропористой структуре активированного угля;

- десорбция биоразлагаемых продуктов к поверхности частиц сорбента;

- биологическое окисление этих продуктов микроорганизмами биопленки на поверхности частиц сорбента.

Это обеспечивает постоянное биологическое восстановление сорбента и исключает необходимость его термической регенерации или замены.

Принципиальное отличие биосорберов от традиционных сорбционных фильтров с ГАУ заключается в том, что сорбционная загрузка постоянно поддерживается в псевдоожиженном состоянии, что обеспечивает интенсивный массообмен между частицами сорбента и обрабатываемой водой, повышает эффективность адсорбции загрязнений и создает благоприятные условия для развития бактериальной пленки на зернах сорбента. Таким образом, сорбционная очистка дополняется биологической, в результате чего происходит непрерывное биологическое окисление адсорбированных загрязнений (биорегенерация сорбента).

Оптимальная степень расширения составляет 40-42%. Недостаточное или неравномерное взвешивание слоя приводит к ухудшению массобмена, возникновению застойных зон, в которых происходит накопление загрязнений, вызывающее вторичное загрязнение воды.

Биосорбционный метод рекомендуется в качестве предварительной очистки при водоподготовке, позволяет отказаться от озонирования и сорбции. Качество очищенной воды по органическим загрязнениям соответствует ГОСТ на питьевую воду. Сочетание биосорбции с традиционными методами обработки воды на последующих стадиях повышает барьерную функцию очистных сооружений, позволяет при экономии реагентов улучшить качество очищенной воды по всем основным регламентируемым показателям, снизить риск образования хлорорганичеких соединений в процессе обработки.

Биосорбер – колонна Д=1200 мм, снабженная распределительной и сборной системами.

Аэрационная колонна диаметром 370 мм. Время пребывания воды в биосорберах 15-20 мин.

Рис.5.41 Биотехнология ВОДГЕО

 

Технология «Биокарбон» (Франция): в скорых фильтрах, загруженных ГАУ, в среднем слое загрузки размещены воздуховоды для насыщения нисходящего потока фильтруемой воды кислородом воздуха. Это способствует росту и жизнедеятельности аэробных бактерий, развивающихся на зернах загрузки и окисляющих органические вещества, сорбируемые в порах загрузки. Нижняя часть угольной загрузки служит для задержания взвешенных веществ, включая частицы бактериальной массы, выносимые потоком воды из верхних слоев.

Биореактор с волокнистыми носителями прикрепленных микроорганизмов /ВОДГЕО/. Биореактор представляет собой колонну переменного сечения, заполненную высокопористым полимерным материалом, удерживаемом в плавающем состоянии решеткой. В нижней части реактора размещен осадкоприемник, соединенный с дренажем КФПЗ (контактный фильтр с плавающей загрузкой). Биореактор оборудован распределительной системой для сжатого воздуха, трубопроводами подачи исходной, промывной воды, а также сброса промывной воды.

В процессе обработки исходная воды предварительно насыщается кислородом и поступает в толщу волокнистой загрузки, на поверхности которой развивается естественный биоценоз, поглощающий из обрабатываемой воды часть растворенных органических загрязнений. Периодически отрывающиеся хлопья биопленки оасждаются в осадкоприемнике. Выполнение элементов волокнистого слоя с уменьшающейся по ходу потока плотностью упаковки способствует беспрепятственному осаждению оторвавшейся биопленки. После биореактора вода поступает на КФПЗ, перед которым вводится реагент. При возрастании суммарных потерь напора заряжается сифон и идет промывка установки. Область применения: М до 250 мг/л, Ц до 200, водоросли до 15 тыс. кл./мл.

Вывод. Биологические процессы хорошо вписываются в традиционные технологические схемы физико-химической очистки и, в ряде случаев, оправданы технико-экономически.

Однако, может снизиться санитарная надежность. Агрегаты бактерий, попадающие в воду при биологической очистке, и бактерии, закрепленные на носителе, более устойчивы к обеззараживанию, чем отдельные клетки.

Большая часть из них непатогенны, но исключить возможность патогенных микроорганизмов нельзя. Бактерии Коли не могут служить индикатором, более надежным является ОМЧ. В фильтрате ГАУ при отсутствии бактерий Коли обнаруживают большие количества бактерий других групп.

Особое внимание следует уделять санитарно-гигиеническому контролю. После биологической очистки проводят хлорирование с повышенными дозами остаточного хлора, что может привести к необходимости последующего дехлорирования.