Биологические методы очистки стоков

V = 180 P + 2000.

Половина объема в 180 л на душу населения отводится для жидкости, половина служит для накопления ила. Объем тенка распределяется между двумя камерами, при этом первая занимает 2/3 объема и имеет наклонное днище для удержания ила (рис. 4). Ил периодически (примерно раз в год) удаляется, а небольшая его часть остается в биореакторе.

Рис. 4. Двухкамерный септиктенк (по К. Форстеру, 1990).

1 – регулятор, 2 – отражатель, 3 – напорный трубопровод, 4 – уклон 1:4.

 

Септиктенки применяют в системе городских очистных сооружений. В них перерабатывают осадки, удаляемые из первичных отстойников. При этом сброженный ил ликвидируют или закапывают. При сбраживании уменьшается объем ила, снижается содержание в нем патогенных микроорганизмов и дурной запах. Пути биодеградации загрязняющих веществ, протекающие в септиктенках на основе сложной микробной ассоциации, включают гидролитические процессы с участием ацидогенных, гетероацетогенных бактерий и процесс метаногенерации с участием метаногенов. Анаэробные проточные сбраживатели такого типа применяют для анаэробной биоочистки промышленных и сельскохозяйственных стоков.

Особенно эффективно применение сравнительно недорогих анаэробных систем для сильно загрязненных стоков пищевой промышленности и отходов интенсивного животноводства. Данные стоки имеют высокие уровни нагрузки по БПК и ХПК (химическая потребность в кислороде), а навозные стоки – также высокое содержание нерастворимых компонентов, не поддающихся биодеградации. Для их очистки применяют сбраживатели полного смешения. Стоки свино- и птицекомплексов освобождаются в ходе анаэробной биоочистки только на 50 % ХПК, а стоки ферм крупного рогатого скота – на 30 %. Высокие концентрации органики и аммонийного азота (до 4000 мг/л) способны ингибировать процесс деградации. Время удержания таких стоков в биореакторе объемом до 600–700 м3 удлиняется до 15–20 суток при норме суточной загрузки 20–30 м3. Биогаз, образуемый при этом, содержит до 70 % метана. Биореактор сравнительно небольшого объема очищает стоки средних ферм с содержание 1200–1500 голов свиней.

Для очистки загрязненных стоков пищевой промышленности применяют специально разработанные контактные анаэробные процессы (рис. 5).

Рис. 5. Типы установок для очистки сточных вод пищевой промышленности.

А – анаэробный биофильтр, Б – установка с винтовым насосом для перемешивания,  
В – высокоскоростной реактор Коулзерда (по Дж. Бесту и др., 1988).

 

В таких процессах в первичном тенке, входящем в состав установки, поступающие стоки полностью перемешиваются за счет рециркуляции биогаза, ила или механического перемешивания. Помимо перемешивания, фактором интенсификации процесса является изменение температуры в биореакторе. Сброженные стоки направляются в осветлитель, где происходит процесс осаждения ила и дополнительное образование биогаза.

Уплотнившийся ил возвращают в сбраживатель, куда поступают новые порции стоков. Если величина концентрации биомассы в сбраживателе составляет 5–10 г/л, возможно достаточно эффективная очистка стоков с содержанием ХПК до 20 кг/м3. При увеличении концентрации биомассы до 20–30 г/л возможно использование неразбавленных стоков с ХПК до 80 кг/м3. Реакторы с неподвижной биопленкой (анаэробные биофильтры) также находят применение для анаэробной очистки стоков. Используемые для этих целей биореакторы в отличие от аэробных капельных биофильтров имеют более крупную насадку для избежания процесса заиливания. Применяемая для этих целей щебеночная насадка диаметром 25–65 мм имеет до 50 % свободного объема. Скорость очищаемого потока стоков обычно низка, и биомасса удерживается в свободном пространстве насадки. Предельная нагрузка по ХПК для таких систем составляет до 10 кг/м3×сут., с умеренным количеством органики она обычно близка к 5 кг/м3. Эффективность очистки составляет около 70 %. Эти сооружения, однако, не нашли пока широкого применения вследствие достаточно высокой стоимости насадки и необходимости периодической промывки материала фильтрующего слоя.

 

III. Утилизация твердых отходов.

 

В области переработки и ликвидации твердых отходов биотехнологические методы наиболее широко применяются для утилизации коммунальных отходов и ила из систем биоочистки стоков.

Традиционно твердые отходы складируются на городских свалках. Все возрастающие объемы отходов на душу населения приводят к возникновению огромного количества свалок, увеличению их площадей, а также к неуправляемому попаданию отходов в окружающую среду из-за рассыпания их при транспортировке. После того, как стало ясно, что при анаэробной переработке отходов в больших количествах образуется ценный энергетический носитель – биогаз, основные усилия стали направляться на соответствующую организацию свалок и получение на месте их переработки метана.

На городских свалках в последние годы четко просматривается тенденция увеличения объема бумаги и пластмасс на фоне снижения доли органических и растительных материалов, что удлиняет время стабилизации отходов.

Поведение отходов на свалке носит чрезвычайно сложный характер, так как постоянно происходит наслаивание нового материала через различные временные промежутки. В результате этого процесс подвержен действию градиентов температуры, рН, потоков жидкости, ферментативной активности и пр. В общей массе материала свалок присутствует сложная ассоциация микроорганизмов, которые развиваются на поверхности твердых частиц, являющихся для них источником биогенных элементов. Внутри ассоциации складываются разнообразные взаимосвязи и взаимодействия. В целом состояние и биокаталитический потенциал микробного сообщества зависит от спектра химических веществ материала свалок, степени доступности этих веществ, наличия градиентов концентраций различных субстратов, в особенности градиентов концентраций доноров и акцепторов электронов и водорода.

На начальной стадии биодеградации твердых отходов доминируют аэробные процессы, в ходе которых под воздействием микроорганизмов (грибов, бактерий, актиномицетов) и также беспозвоночночных (клещей, нематод и др.) окисляются наиболее деградируемые компоненты. Затем деструкции подвергаются трудно и медленно окисляемые субстраты – лигнин, лигноцеллюлозы, меланины, танины. Существуют различные методы оценки степени биодеградации твердых отходов. Наиболее информативным принято считать метод оценки, основанный на различиях в скоростях разложения целлюлозы и лигнина. В непереработанных отходах отношение содержания целлюлозы к лигнину составляет около 4,0; в активно перерабатываемых – 0,9–1,2 и в полностью стабилизированных отходах – 0,2. В течение аэробной стадии температура среды может повышаться до 80°С, что вызывает инактивацию и гибель патогенной микрофлоры, вирусов, личинок насекомых. Температура может служить показателем состояния свалки. Увеличение температуры повышает скорость протекание процессов деструкции органических веществ, но при этом снижается растворимость кислорода, что является лимитирующим фактором. Исчерпание молекулярного кислорода приводит к снижению тепловыделения и накоплению углекислоты. Это, в свою очередь, стимулирует развитие в микробной ассоциации сначала факультативных, а затем облигатных анаэробов. При анаэробной минерализации в отличие от аэробного процесса участвуют разнообразные, взаимодействующие между собой микроорганизмы. При этом виды, способные использовать более окисленные акцепторы электронов, получают термодинамические и кинетические преимущества. Происходит последовательно процесс гидролиза полимеров типа полисахаридов, липидов, белков; образованные при этом мономеры далее расщепляются с образованием водорода, диоксида углерода, а также спиртов и органических кислот. Далее при участии метаногенов происходит процесс образования метана (рис.6).

Рис. 6. Взаимодействие микроорганизмов в анаэробных условиях  
заключительной стадии катаболизма (по К. Форстеру и Е. Сениору, 1990).

Бактерии, потребляющие: I – нитраты, II – сульфаты; бактерии, образующие: III – пропионат,  
IV – ацетат, V – метан; бактерии, катаболирующие: VI – аминокислоты,  
VII – метилированные металлоорганические комплексы.

 

В результате комплекса процессов, происходящих при биодеградации содержимого свалок, образуются два типа продуктов – фильтрующиеся в почву воды и газы. Фильтрующиеся воды, помимо микроорганизмов, содержат комплекс разнообразных веществ, включая аммонийный азот, летучие жирные кислоты, алифатические, ароматические и ациклические соединения, терпены, минеральные макро- и микроэлементы, металлы. Поэтому важным моментом при выборе и организации мест свалок является защита поверхности земли и грунтовых вод от загрязнений. Для борьбы с фильтрацией вод применяют малопроницаемые засыпки или создают непроницаемые оболочки вокруг свалки или специальные заграждения. Возможно, что наиболее эффективным способом может стать организация сбора фильтрующихся вод свалок и управляемая анаэробная переработка с применением капельных биофильтров, аэротенков или аэрационных прудов. В системе аэрационных прудов в течение нескольких месяцев можно удалить из вод до 70 % БПК; в капельных биофильтрах или системах с активным илом – до 92 % БПК с одновременным извлечением в результате биосорбции свыше 90 % металлов (железа, марганца, цинка). Анаэробная биоочистка позволяет удалить 80–90 % ХПК в течение 40–50 дней при 25°С ( при 10°С величина удаления ХПК снижается до 50 %).

Биогаз, образуемый при биодеградации материала свалок, является ценным энергоносителем, но также может вызывать негативные явления в окружающей среде (дурной запах, закисление грунтовых вод, снижение урожайности сельскохозяйственных культур), поэтому следует ограничивать утечки газа. Это возможно при помощи специальных приспособлений (преграды, траншеи, наполненные гравием, системы экстракции газа), позволяющих управлять перемещением газа, а также созданием над массивом свалок оболочек, препятствующих его утечке.

Теоретический выход метана может составлять 0,266 м3/кг сухих твердых отходов. Реальные экспериментальные выходы биогаза, полученные на различных лабораторных, пилотных установках и контролируемых свалках, дают существенный разброс данных, от десятков до сотен л/кг в год. Огромное влияние на процесс метаногенеза оказывают многие факторы, – температура и рН среды, влажность, уровень аэрации, химический состав отходов, наличие в них токсических компонентов и др. Газ, образуемый на свалке, извлекается с помощью вертикальных или горизонтальных перфорированных труб из полиэтилена. Применение воздуходувок и насосов может повысить степень извлечения газа. Газ используют для обогрева теплиц, получения пара, а после дополнительной очистки его можно перекачивать по трубам к местам потребления.

Таким образом, помимо экологической, проблема носит экономический характер, так как использование образуемого на свалках биогаза, снижает материальные затраты на борьбу с загрязнениями, опасными и дурнопахнущими отходами.

 

IV. Биоочистка газовоздушных выбросов.

 

Проблема борьбы с загрязнением воздушного бассейна в условиях возрастающей технологической деятельности приобретает все большую остроту. При этом концентрация многих токсикантов превышает допустимые уровни. В воздушных бассейнах больших промышленных городов присутствуют десятки различных соединений, в том числе дурнопахнущие, способные даже в незначительных концентрациях представлять угрозу для здоровья, а также вызывать у людей чувство дискомфорта.

Для очистки воздуха применяют различные методы – физические, химические и биологические, однако уровень и масштабы их применения в настоящее время чрезвычайно далеки от требуемых. Биологические методы очистки газовоздушных выбросов начали применять сравнительно недавно, и пока в ограниченных масштабах.

Биологические методы очистки воздуха базируются на способности микроорганизмов разрушать в аэробных условиях широкий спектр веществ и соединений до конечных продуктов, СО2 и Н2О. Широко известна способность микроорганизмов метаболизировать алифатические, ароматические, гетероциклические, ациклические и различные С1-соединения. Микроорганизмы утилизируют аммиак, окисляют сернистый газ, сероводород и диметилсульфоксид. Образуемые сульфаты утилизируются другими микробными видами. Есть данные об эффективном окислении аэробными карбоксидобактериями моноокиси углерода, являющейся одним из наиболее опасных воздушных загрязнителей. Представители рода Nocardia эффективно разрушают стерины и ксилол; Hyphomicrobium – дихлорэтан; Xanthobacterium – этан и дихлорэтан; Mycobacterium – винилхлорид.

Наиболее широким спектром катаболических путей характеризуются почвенные микроорганизмы. Так, только представители рода Pseudomonas способны использовать в качестве единственного источника углерода, серы или азота свыше 100 соединений – загрязнителей биосферы. Большие возможности для повышения биосинтетического потенциала микрорганизмов-деструкторов токсичных веществ имеются на вооружении у микробиологов и генетиков, включая методы традиционной селекции и отбора, а также новейшие достижения клеточной и генетической инженерии. Подавляющее число токсических загрязнителей атмосферы может быть разрушено монокультурами микроорганизмов, но более эффективно применение смешанных культур, имеющих больший каталитический потенциал и, следовательно, деструктурирующую способность. Для разрушения трудно утилизируемых соединений в ряде случаев микроорганизмы целесообразно адаптировать к таким субстратам и только после этого вводить их в рабочее тело действующих установок.

Для биологической очистки воздуха применяют три типа установок: биофильтры, биоскрубберы и биореакторы с омываемым слоем (табл. 3).

Принципиальная схема для биологической очистки воздуха была предложена в 1940 г. Прюссом. Первый биофильтр в Европе был построен в ФРГ в 1980 г. Спустя три года, в 1984 г. только в ФРГ функционировало и находилось в стадии запуска около 240 установок. Основным элементом биофильтра для очистки воздуха, как и водоочистного биофильтра, является фильтрующий слой, который сорбирует токсические вещества из воздуха. Далее эти вещества в растворенном виде диффундируют к микробным клеткам, включаются в них и подвергаются деструкции.

Таблица 3.

Классификация установок биологической очистки воздуха  
(по И. Б. Уткину и др., 1989).

Тип установки	Рабочее тело	Водный   режим	Основная  стадия удаления примесей из  воздуха	Источник   минеральных солей
Биофильтр	Фильтрующий слой – иммобилизованные на природных носителях микробные клетки	Циркуляция воды отсутствует	1. Десорбция   материалом   фильтрующего слоя. 2. Деструкция   микробными   клетками.	Материал фильтрующего слоя
Биоскруббер	Вода, активный ил	Циркуляция воды	1. Абсорбция  в   абсорбере водой. 2. Деструкция   в аэротенке   активным илом.	Минеральные соли вносят в воду
Биореактор с омываемым слоем	Иммобилизованные на искусственных носителях микробные клетки	Циркуляция воды	1. Диффузия  через водную пленку к микроорганизмам. 2. Деструкция в   биологическом слое.	Минеральные соли вносят в воду