Микробиологическая очистка сточных вод

Существует несколько технологических схем очистки сточных вод. Самыми простыми способами является их отстаивание и фильтрация.

(рис. 17.8, а). Эти процессы происходят в системе неглубоких водоемов (прудов и каналов), где микроорганизмы находятся в осадке и во взвешенном состоянии. Естественная фильтрация происходит через песок и глину. Иногда используют природные низины, затопляемые сточными водами (поля орошения и искусственные болота). В очистных водоемах часто выращивают водные растения, в ризосфере которых формируется микробное сообщество, участвующее в биоремедиации.

Рис. 17.8. Технологические схемы очистки сточных вод:

а — пруд-отстойник с водными растениями;

6 — струйный биофильтр; в — дисковый биофильтр К простым очистным сооружениям относятся струйные и дисковые биофильтры. Струйные биофильтры — это емкости или наклонные каналы, заполненные пористым материалом (рис. 17.8, 6). На таком наполнителе формируется микробная биопленка. Ее основу составляют выделяющие слизь бактерии рода Zoogleae. Микробное сообщество, погруженное в слизистый матрикс, состоит из бактерий, грибов, простейших. Сточные воды медленно просачиваются через наполнитель (керамзит, щебень) и собираются внизу. Дисковые биофильтры представляют собой медленно вращающиеся диски, наполовину погруженные в протекающую воду (рис. 17.8, в). Поверхность диска покрыта биопленкой, в верхнем слое которой обитают аэробные и факультативно анаэробные, а в нижнем — анаэробные микроорганизмы. При медленном вращении части диска последовательно соприкасаются с кислородом воздуха и погружаются в сточную воду, что приводит к чередованию аэробных и анаэробных процессов.

При централизованной очистке сточных вод применяют принудительную аэрацию и поддерживают высокую плотность микробной популяции. Городские очистные сооружения представляют собой крупные промышленные предприятия, перерабатывающие туалетные, кухонные, ливневые воды и нетоксичные стоки промышленных предприятий. Процесс аэробной очистки сточных вод на основе активного ила состоит из 3—4 стадий (рис. 17.9).

I. Удаление твердых включений.

Рис. 17.9. Технологическая схема очистки воды на городских очистных.

сооружениях На первой стадии при проходе воды через решетку, песколовку и первичный отстойник удаляются твердые включения. Вторая стадия заключается в биологической очистке воды с помощью активного ила. Растворенные и суспендированные загрязнения окисляются сложным микробным сообществом в открытом бассейне (аэротенке) с принудительной подачей воздуха и интенсивным перемешиванием. Микроорганизмы активно растут и используют до 99% загрязнений. Обработанная вода и микробная биомасса разделяются во вторичном отстойнике. Из него активный ил возвращается обратно в аэротенк, а вода направляется на третью стадию химической и биологической доочистки от азота и фосфора. Азот присутствует в виде аммония, нитрата и нитрита. При интенсивной аэрации и низкой концентрации органических веществ нитрифицирующие бактерии превращают аммоний в нитрат. В условиях периодического ограничения доступа кислорода денитрификаторы проводят восстановление нитрата в молекулярный азот. Фосфаты накапливаются некоторыми грамположительными бактериями и акинетобактерами и могут быть удалены с осадком ила. Другим широко распространенным методом удаления фосфора является его химическое осаждение в виде фосфатов железа и алюминия. Четвертой стадией очистки может быть дезинфекция соединениями хлора или озоном. Концентрированные осадки сточных вод из всех отстойников подвергаются анаэробной переработке в метантенке. Уплотненный осадок метантенка и твердые включения направляют на полигоны захоронения твердых бытовых отходов или используют в качестве удобрения.

В микробное сообщество активного ила входят разнообразные микроорганизмы, многие из которых имеют слизистые капсулы (родов Zoogleae, Leucothrix, Thiothrix и др.). Ил содержит много микроорганизмов, нс поддающихся лабораторному культивированию и идентифицированных с помощью молекулярно-биологических методов. В сообщество ила входят представители родов Paracoccus, Caulobacter, Hyphomicrobium, Pseudomonas, Cytophaga, Flavobacterium, Flexibacter, Corynebacterium, Arthrobacter, Nocardia, Rhodococcus, Bacillus, Clostridium, Staphylococcus, Lactobacillus и др. Численность патогенных бактерий в активном иле обычно мала. Простейшие представлены инфузориями и амебами. Микроорганизмы активного ила образуют хлопьевидные агрегаты, способные к осаждению. При нарушении технологии процесса очистки может происходить вспухание ила, когда образуются гигантские пенообразные хлопья, выносимые с очищенной водой. Такой ил содержит большое количество нитчатых бактерий (родов Spherothilus, Beggiatoa, Thiothrix) и бацилл, а также мицелий актинобактерий и плесневых грибов.

Анаэробная обработка применяется в случае концентрированных сточных вод. Поскольку рост микробного сообщества в анаэробных условиях замедлен, то в реакторе необходимо удерживать максимальное количество биомассы. Для этого используют реакторы двух типов: анаэробный биофильтр с фиксированной загрузкой и с верхней или нижней подачей воды (рис. 17.10, а) и реактор с восходящим потоком воды через взвешенный слой ила (рис. 17.10, б), характеризующийся наиболее эффективным массои газообменом.

Рис. 17.10. Анаэробные реакторы:

а — биофильтр; б — анаэробный реактор с восходящим потоком воды через взвешенный слой ила В последнем случае анаэробное микробное сообщество представлено плотными гранулами, основой которых являются клетки метаногенных архей. Каркасом плотных гранул являются длинные палочковидные клетки (нити) (рис. 17.11, а) представителей родов Methanosaeta и Methanospirillum, между которыми расположены другие микроорганизмы. В сильно концентрированных стоках формируются мелкие рыхлые агрегаты, эдификагорами которых служат представители рода Methanosarcina, образующие псевдоткань (рис. 17.11, б), в межклеточное вещество которой погружены клетки других микроорганизмов-членов сообщества.

В обоих случаях образование метаногенных гранул путем самоиммобилизации микроорганизмов имеет целью обеспечение тесного физического контакта клеток для осуществления межвидового переноса интермедиатов в микробном сообществе.

б.

Рис. 17.11. Микроорганизмы-эдификаторы анаэробных гранул:

а — Methanosaeta sp.; 6 — Methanosarcina sp.

Полужидкие отходы, а также растительные и пищевые остатки перерабатываются обычно в биогаз в метантенках — закрытых резервуарах равного объема (рис. 17.12). Длительность процесса составляет от 2 до 5 недель при температуре 30—35 или 50—55°С. В больших метантенках содержимое перемешивают с помощью мешалок или путем продувки нагретого пара.

Непереработанные концентрированные осадки метантенков используют как качественное обеззараженное удобрение или вместе с твердыми включениями очистных сооружений закапывают на полигонах твердых бытовых отходов.