Глава 3

Основные биологические процессы

Могенс Хенце (Mogens Henze)

«Тут дело, должно быть, в неудовлетворительном научном объяснении».

Лейф Пандуро (вольный перевод с датского М. Хенце)

В этой главе мы обсудим наиболее важные биологические процессы, которыми пользуются при биологической очистке воды. Сложность биологических процессов такова, что «научные объяснения» могут показаться неудовлетворительными. Для того чтобы посмотреть на процессы с инженерной точки зрения, весь излагаемый мате­ риал несколько упрощен, но принципиальные моменты изложены достаточно детально. Мы рассмотрим только процессы конверсии и, чтобы, как было указано выше, упростить изложение, все скорости процессов будут считаться положительными. В последу­ ющих главах при привлечении уравнений массового баланса всем выражениям будет задано направление (математически: приписан знак плюс или минус).

3.1. Б и ол оги я в би ол оги ческой очи стке

сточ н ы х в од

В осуществлении биологической очистки сточных вод участвуют самые разнообразные группы организмов. Можно составить только очень приблизительный список отдельных видов, входящих в био­ логический консорциум, развивающийся в очистном сооружении, так как его состав очень сильно зависит от внешних условий. Мы поговорим об этом при обсуждении методов селекции.

3.1.1. Организмы

Все организмы, обитающие в очистном сооружении, попадают в него из какого-либо внешнего источника: вместе со сточной водой, из воздуха и почвы вместе с рядом добавок, или же заносятся муха­ ми, крысами, чайками и т. д. Существенная часть таких организмов

может размножаться непосредственно в очистном сооружении, и это указывает на значимость процессов селекции микроорганизмов, которые описаны в следующем разделе.

При рассмотрении биологических способов очистки воды нельзя не упомянуть о важном гигиеническом аспекте этой проблемы — о наличии патогенных организмов. В этой книге мы не будем больше об этом говорить, но важно помнить, что большое количество патогенных организмов всегда присутствует на любой стадии биологической очистки, за исключением тех стадий, на которых применяется мощная дезинфицирующая обработка. Распространи­ телями опасных патогенных организмов могут быть животные, обитающие вблизи очистных станций. Так что опасность заражения существует даже в отсутствие непосредственного контакта со сточной водой.

Организмы, обитающие в очистных сооружениях, можно разде­ лить на следующие группы [1]:

-бактерии,

-грибы,

-водоросли,

-простейшие,

-многоклеточные.

Вдвух основных типах реакторов (сооружений) биологической очистки сточных вод — биофильтрах и установках с активным илом1 — создаются разные условия для жизнедеятельности, и это сказывается на составе обитающих в них организмов. Наибольшее число видов организмов обнаружено в биофильтрах. Из-за разли­ чий в конструкции и операционных характеристиках биофильтры отличаются сильно изменяющимися условиями среды, и хорошо приспосабливаться к обитанию в них могут самые различные организмы. В установках с активным илом их меньше и они не так разнообразны по видовому составу.

Бактерии. Многочисленны в реакторах обоих типов, но в реакто­

рах с активным илом их относительно больше. Основная задача

1Это упрощенное разделение, которое, в целом, справедливо для реакторов, используемых для аэробной биологической обработки стоков. Классификация же анаэробных реакторов несколько другая. Дополнительную информацию см. Калю ж ны й С. В ., Д анилович Д . А ., Н ож евникова А . #., Анаэробная биологическая очистка сточных вод. —М.: ВИНИТИ, Итоги науки и техники, сер. Биотехнология, 29, 1991. —187 с. — П рим . ред.

бактерий — первичная трансформация и разложение растворен­ ных органических веществ. Они также участвуют в разложении взвешенных органических веществ посредством синтеза внекле­ точных ферментов. Обычное содержание бактерий в активном иле составляет 101О-1 0 12 на литр [3].

Грибы . Конкурируют с бактериями за источники питания и, поскольку преимущество обычно бывает на стороне бактерий, в реакторах грибы не так многочисленны, как бактерии. Однако именно их развитию способствуют низкие значения pH в реакторе. Грибы лучше представлены в биофильтрах, чем в активном иле.

В одоросли. Обнаруживаются на поверхности биофильтров, где условия благоприятны для их развития (свет и питание), а также в биопрудах, используемых на конечных стадиях очистки стока.

П ростейш ие. Обычные обитатели биофильтров. В сооружениях с активным илом их численность зависит от нагрузки на это сооружение: чем ниже нагрузка, тем больше простейших. Простейшие паразитируют на бактериях, поедают грибы и водоросли, взвешенные органические вещества и выполняют важную функцию во вторичном осаждении сточных вод.

М ногоклеточны е. Ареал распространения тот же, что и у про­ стейших, т. е. они предпочитают биофильтры и активный ил при низкой нагрузке. В реакторах можно обнаружить коловраток, ракообразных, различного вида насекомых и т. д.

В табл. 3.1 перечислены организмы, часто встречающиеся в реакторах, предназначенных для биологической обработки стоков.

Опыт работы на очистных сооружениях показывает, что непо­ средственный контакт с водой опасен, поскольку бактерии, ви­ русы и особенно патогенные микроорганизмы могут проникать в организм человека через кожу, при употреблении такой воды в качестве питьевой или вдыхании ее паров [37]. Однако причиной инфекционных болезней, передаваемых воздушно-капельным пу­ тем, очистные станции становятся редко. Раньше на церемонии открытия новых станций очистки было принято, чтобы мэр пил воду, прошедшую очистку. Теперь этого уже не делают, так как даже на выходе из очистной станции вода может содержать патогенные микроорганизмы.

Achrom obacter — Бактерии, часто встречающиеся как в биофильтрах, так и в реакторах с активным илом

Acinetobacter — Один из родов бактерий, ответственных за биологиче­ ское удаление фосфора [16]

Alcaligenes — Бактерии, часто встречающиеся как в биофильтрах, так и в реакторах с активным илом, а также в метантенках Красные черви — Очень подвижные личинки красного цвета, длиной 1-

2 см. Встречаются в реакторах с активным илом и в биофильтрах, а также

вочень загрязненных стоках [4] Chironomidae — Мотыль (личинки комаров)

Crustacea — Ракообразные, обитающие в реакторах с активным илом при очень низкой нагрузке, а также в прудах

Дафнии — Ракообразные, обитающие в реакторах с активным илом при очень низкой нагрузке, а также в прудах

Desulfovibrio — Сульфат-восстанавливающие бактерии, обычно обитают

вметантенках. Вырабатывают токсичный обладающий неприятным запахом сероводород [2]

Фильтровые мош ки — Двукрылые насекомые, 2-5 мм длиной, могут быть весьма многочисленными в биофильтрах при низкой нагрузке. Они не играют особой роли в работе реактора, но могут создавать довольно неприятный фон

Flavobacterium — Бактерии, часто встречающиеся в реакторах с актив­ ным илом, биофильтрах, а также в метантенках ГАО — Гликоген-аккумулйрующие организмы, не накапливают фосфат

Geotrichum — Род грибов, обитающих в реакторах с активным илом и биофильтрах

Gordonia — Бактерии, вызывающие образование пены в реакторах с активным илом (ранее назывались Nocardia)

M icrococcus — Бактерии, часто встречающиеся как в биофильтрах, так и в реакторах с активным илом

M icrotrix — Бактерии, вызывающие вспухание ила (высокий иловый индекс) в реакторах с активным илом. Предпочитают длинноцепочечные жирные кислоты

Nitrobacter — Бактерии, окисляющие нитрит до нитрата. Развиваются в реакторах с низкой нагрузкой

Nitrosomonas — Бактерии, окисляющие аммоний до нитрита. Развивают­ ся в реакторах с низкой нагрузкой ФАО — Фосфат-аккумулирующие организмы

Pseudomonas — Бактерии, обитающие в реакторах с активным илом, биофильтрах, в метантенках и в денитрифицирующих реакторах Psychodidae — Фильтровые мошки

Rotifera — Коловратки, живут в реакторах с активным илом при низкой нагрузке. Являются индикатором очень хорошей биологической очистки Sphaerotilus natans — Нитчатые бактерии, могут препятствовать про­ цессу осаждения активного ила, вызывая так называемое вспухание ила. Эти бактерии встречаются также в очень загрязненных стоках [5] Tubifex — Малощетинковые красные черви длиной 3-4 см. Встречаются в биофильтрах и в очень загрязненных стоках [4]

Vorticella — Сувойки, колоколообразные прикрепленные инфузории. Являются индикатором хорошей очистки. Свободно плавающие инфу­ зории поедают свободно плавающих бактерий, очищая тем самым воду. Если в воде доминируют прикрепленные формы, это означает, что в растворе питания для них (т. е. бактерий) немного и, следовательно, вода чистая [2]

Zoogloea ramigera —Бактерии, обитающие в реакторах с активным илом и в биофильтрах. Выделяют желатиноподобную слизь, приводящую к флокуляции активного ила

мы можем не слишком задумываться о том, в какие условия попадают там микроорганизмы, а можем быть уверенными, что биологическая очистка воды будет происходить. Качество очистки, конечно, зависит от созданных условий, но в любом случае произойдет определенная биологическая обработка воды. Вопрос только в том, насколько изобретательны и профессиональны мы в технологической реализации процесса.

Два основных метода биологической очистки довольно сильно различаются по механизму селекции. Наиболее жесткий отбор происходит в активном иле. Вероятно, именно поэтому на первых этапах освоения технологий с активным илом в систему добавляли чистые культуры организмов в надежде на то, что только эти культуры выживут в реакторе. В то время еще не вполне понимали, насколько велико разнообразие микроорганизмов в необработанных стоках.

Селекция на биофильтрах

Существуют два основных механизма селекции микроорганизмов на биофильтрах: либо он основан на адгезии, либо определяется скоростью роста (зависит от субстрата, температуры, pH, содержа­ ния кислорода и т. д.)

Селекция, определяемая скоростями роста, эффективна не все­ гда, так как и субстрат, и температура среды все время меняются. Субстраты могут меняться весьма значительно, если городские сто­ ки содержат сточные воды производств, работающих не круглосу­ точно или не полную неделю. Температура меняется в зависимости от времени года. Изменения температуры особенно важны, посколь­ ку приводят к сезонной селекции микроорганизмов в реакторе.

Селекция в реакторах с активным илом

Селекцию в реакторах с активным илом можно подразделить на несколько рассмотренных ниже типов.

1. Акцепторы электронов. Поскольку в работе реактора с активным илом принципиальным является то обстоятельство, что через смесь ила и воды продувают воздух, то анаэробные бактерии вряд ли способны выживать в нем длительное время. Анаэробные условия могли бы сохраняться внутри флокул ила, но флокулы часто разрушаются и формируются заново. Факультативные анаэробные организмы, впрочем, способны выживать в таких изменяющихся (но все-таки преимущественно аэробных) условиях.

В реакторах денитрификации в определенные периоды акцеп­ тором электронов может служить нитрат. В такой ситуации пре­ имущество получают те бактерии, которые способны использовать

вкачестве акцепторов электронов как кислород, так и нитрат.

2.Субстрат. Микроорганизмы должны быть способны исполь­

зовать как первичные, так и вторичные субстраты. Например, в процессе биологического удалении фосфора происходит отбор фосфат-аккумулирующих организмов (ФАО), поскольку они спо­ собны использовать относительно небольшие органические молеку­ лы (уксусную кислоту, спирты и т. д.) при анаэробных условиях. Другие бактерии, обычно содержащиеся в активном иле, такой способностью не обладают [6].

3.Седиментационные и флокуляционные характеристики. Седиментационные (осаждающиеся) формы составляют основную часть активного ила. Если организмы обладают достаточно большими размерами и массой, они осаждаются самопроизвольно и, следова­ тельно, удерживаются в реакторе. Маленькие и легкие организмы должны образовывать агрегаты или флокулы с другими такими же клетками, чтобы вернуться в реактор.

4.Температура. Если температура в реакторе ниже той, при которой организм способен расти, он в конечном итоге погибнет.

5.Скорость роста. Для поддержания постоянных условий в реакторе с активным илом из него выводят избыточный ил. Это один из способов удаления организмов из процесса очистки.-Кроме того, происходит поедание ила многоклеточными организмами и вынос их вместе со взвешенными веществами в обработанном стоке. Для того чтобы организмы оставались в реакторе, скорость их воспроизведения должна быть больше скорости их удаления. Следовательно, скорость роста микроорганизмов очень важна для их выживания в реакторе. Организмы, разлагающие сложные органические вещества, например различные токсичные продукты, часто характеризуются невысокими скоростями роста, так как они «выполняют тяжелую работу», не дающую большого выигры­ ша энергии. То же самое касается нитрифицирующих бактерий, вызывающих конверсию аммония. Для эффективного удаления специфических загрязнений в реакторах с активным илом особое значение имеет та минимальная скорость роста, при которой соответствующие микроорганизмы могут выживать в реакторе.

6.Суспендированные (неприкрепленные) формы. Микроорга­ низмы, растущие только на поверхностях, не могут выживать в реакторах с активным илом при долговременной эксплуатации.

Рис. 3.2. Селекция в реакторе с активным илом.

На рис. 3.2 представлена схема механизмов селекции в системах

сактивным илом.

Вреакторах с активным илом, как и в биофильтрах, механизмы селекции по субстрату и температуре не являются постоянно действующими. Два других механизма (концентрация кислорода и скорость роста) в какой-то степени зависят от условий работы реактора. Содержание кислорода изменяется в зависимости от содержания органических веществ и(или) интенсивности аэрации. Необходимая минимальная скорость роста организмов зависит от возраста ила в реакторе.

3.2. П роц ессы кон версии на станциях би ол оги ческой

очи стки стоков

Для биореакторов принципиально важными являются несколько типов биологических превращений: биологический рост, гидролиз, распад.