Использование вермифильтрации для очистки сточных вод: преимущества, недостатки и ограничения

В обзоре представлены научные данные об использовании технологии вермифильтрации для очистки сточных вод. Технология вермифильтрации может быть очень рентабельным, эффективным, экономным и удобным процессом без образования осадков сточных вод (ОСВ) и выделения неприятно пахнущих газов. Любые нетоксичные сточные воды от домашних хозяйств, коммерческих организаций или промышленных предприятий могут успешно перерабатываться с помощью дождевых червей, а сама технология может быть также отработана для переработки специфических видов сточных вод. Она может использоваться децентрализовано отдельными производствами для того, чтобы снизить нагрузку на очистные сооружения.

В настоящее время в Российской Федерации практически на всей территории страны имеет место недостаток водных ресурсов и загрязнение водных источников. Актуальнейшей проблемой XXI века является очистка сточных вод, решение которой имеет большое практическое значение для любой страны мира. Это диктует потребность в разработке недорогих, эффективных и экологически безопасных систем очистки сточных вод и возможности их дальнейшего повторного использования в сельскохозяйственном производстве.

Среди применяемых в настоящее время систем очистки сточных вод самое большое место занимают биологические методы. Основной проблемой общепринятых методов биологической очистки сточных вод является повышенная техногенная нагрузка на окружающую среду за счет образующихся больших объемов ОСВ. Это ведет к необходимости их переработки и хранения, строительства полигонов для захоронения осадков. Другой проблемой является выброс вредных веществ.

Новая технология, в частности, биологическая очистка сточных вод с помощью вермифильтрации с использованием дождевых червей лишена всех выше указанных недостатков. С помощью этой технологии возможно быстро, рентабельно и экологически безопасно осуществлять очистку бытовых, сельскохозяйственных и некоторых промышленных сточных вод без образования ОСВ, без выделения дурных запахов и парниковых газов при полной регенерации воды [1-4].

Технология вермифильтрации была разработана профессором Хосе Тоха (Jose Toha) в 1992 году в Чили. В последние годы она широко внедряется в практику очистки сточных вод в ряде стран: Чили, США, Индии, Китае, Мексике, Австралии, Бразилии и Венесуэле.

Вермифильтрация - основы технологии

Технология вермифильтрации является новым биологическим методом очистки сточных вод, в котором удачно сочетаются два процесса: биофильтрация и вермикомпостирование, то есть совместное использование аэробных микроорганизмов в составе биофильтра и дождевых червей в составе вермифильтра.

Известные типы технологии биофильтрации (капельные и дисковые биофильтры) являются энергетически затратными, дорогостоящими в установке и обслуживании. Основным недостатком технологии биофильтрации при очистке сточных вод является заиливание системы, в связи с этим уменьшается удельная площадь поверхности биофильтра и ухудшается, как правило, очистка сточных вод. Добавление в систему биофильтра верхнего фильтрующего слоя субстрата, содержащего популяцию дождевых червей (вермифильтр), устраняет этот недостаток.

Дождевые черви способны работать как «биофильтры», так как они поглощают органические и неорганические вещества из сточных вод, в том числе и илистую фракцию сточных вод, переваривают их и выделяют в виде своих экскрементов (копролитов) в верхний слой системы. Более того, выделенные в верхний слой вермифильтра копролиты дождевых червей представляют собой гранулы, обладающие водопрочностью, и поэтому верхний слой вермифильтрационной установки не заиливается, обладает хорошей фильтрующей способностью для жидкой фазы сточных вод и поэтому может работать продолжительное время. Затем жидкая фракция поступает в нижележащие фильтрующие слои биофильтра, которые обрастают биопленкой из аэробных микроорганизмов, которые и осуществляют окончательную очистку сточных вод.

При такой переработке сточных вод происходит более полная утилизация органических и неорганических веществ, находящихся в сточных водах, их дезинфекция и детоксикация. При этом технология вермифильтрации позволяет получать из сточных вод три хозяйственно полезных конечных продукта [5]: вермикомпост (органическое высокогумусированное удобрение); биомассу дождевых червей (сырье для кормовой и фармацевтической промышленности); очищенную воду, которая может повторно использоваться для ирригации и других технических целей.

Системы вермифильтрации

Система вермифильтрации для очистки сточных вод не требует сложного и дорогостоящего оборудования. Сама установка может представлять собой какую-нибудь емкость, в которой основной объем (до 90%) занимает биофильтр, над которым на сетке помещается слой садовой земли или вермикомпоста (до 10%), в котором обитают дождевые или компостные черви (вермифильтр). Для удаления твердой фракции сточные воды после прохождения через сито поступают в накопительную емкость, из которой поток сточных вод постепенно с определенной скоростью подается через форсунки на поверхность вермифильтра. Эта жидкость просачивается под действием силы тяжести через слой вермифильтра, затем через слои биофильтра и, наконец, очищенная вода собирается на дне устройства и удаляется из установки. 

Биофильтр содержит загрузочный материал, который покрывается биопленкой из живых микроорганизмов. Основой биофильтра могут быть различные материалы-носители: древесные стружки, опилки и измельченная кора деревьев, крупный песок, керамзит, щебень, гравий, кокс, а также пористые материалы (шлак, пемза), кольца Рашига или пластиковые элементы.

Sinha с сотрудниками при обработке муниципальных сточных вод Оксли (пригород Брисбейна, Австралия) вермифильтрацией показали, что эффективно удалялись органические и неорганические поллютанты: показатели БПК 5 снизились более чем на 90%, ХПК - на 80-90%, а содержание растворенных и взвешенных веществ - на 90-95% [6].

Механизмы действия дождевых червей

Технология вермифильтрации удачно сочетает в себе два аэробных процесса: вермикомпостирование и биофильтрацию, поэтому эту технологию можно назвать вермибиофильтрацией.

Вермикомпостирование органических примесей, находящихся в сточных водах, осуществляется в результате присутствия в системе популяции компостных червей. А биодеградация и окисление поллютантов, остающихся после прохождения сточных вод через слой вермифильтра, происходит в результате активности биопленки микробиоценоза, находящегося в составе биофильтра.

Таким образом, эти два биологических аэробных процесса дополняют и усиливают эффективность удаления различных поллютантов из сточных вод. В данном случае в зоне вермифильтра происходят те же самые природные процессы, которые имеют место в живом почвенном слое, обильно населенном дождевыми червями и аэробными почвенными микроорганизмами.

Дождевые черви, инокулированные в верхний слой вермифильтра, поглощают органические и неорганические поллютанты из окружающей его среды, переваривают в желудочно-кишечном тракте и выделяют копролиты. Дождевые черви, поглощая с кормом содержащиеся в нем различные группы микроорганизмов, способны проводить в своем желудочно-кишечном тракте как в биореакторе селекцию и активизацию аэробных микробов-деструкторов. Жизнедеятельность дождевых червей способствует поглощению из сточных вод илистой и глинистой фракций, выделяя их в составе гранулированных копролитов, что увеличивает «гидравлическую проводимость» всей системы. Полученная таким способом вода становится достаточно чистой, чтобы повторно использовать ее для ирригации.

Критические факторы, влияющие на процесс вермифильтрации

Ряд факторов, которые являются критическими при очистке сточных вод с помощью технологии вермифильтрации, влияют на производительность и эффективность работы системы вермифильтрации, рассматриваются и обсуждаются ниже.

Виды дождевых червей, подходящие для вермифильтрации. Виды, которые используются в установках по вермифильтрации, это дождевые черви-эпигеики, такие как Eisenia fetida, Eisenia andrei и Perionyx exca vatus. Хотя компостные черви вида E.fetida широко используются, но черви вида P. excavatus обладают более высокой скоростью размножения, обеспечивая более быструю стабилизацию органических отходов, и производят больше копролита [7].

Численность популяции дождевых червей. Поскольку дождевые черви играют критическую роль в очистке сточных вод в установке по вермифильтрации, то их численность и плотность популяции (биомасса) в слое вермифильтра, а также их активность являются важными факторами. Считается, что численность в 8-10 тыс. взрослых половозрелых особей на 1 м2 субстрата обитания, который является вермифильтром, является оптимальной для эффективного функционирования системы вермифильтрации [6].

Аэробность системы. Дождевые черви - аэробные организмы, которым требуется кислород в среде их обитания для выживания и процветания. Очень важно, чтобы в зоне вермифильтра не создавались анаэробные участки, так как в них черви будут погибать, и аэробные процессы переработки органики прекратятся.

Токсичность солей и pH сточных вод. Бытовые сточные воды содержат в себе различные группы поллютантов, в том числе моющие средства, пищевые отходы, нефтепродукты. Эти вещества могут повлиять отрицательно на активность и численность популяции дождевых червей из-за их токсичности. Токсичность сточных вод и значение pH среды влияют на процесс вермифильтрации. Дождевые черви могут быть устойчивыми в широком диапазоне значений pH среды от 4,5 до 9,0. Оптимальные значения рН для дождевых червей - около 7,0. При значении рН ниже 6,2 и выше 9,7 происходит нарушение выживание молоди дождевых червей [7]. Некоторые виды червей, например, E. fetida могут также быть устойчивыми к токсичным соединениям. Было установлено, что при одинаковых концентрациях хлористый натрий NaCl был более токсичным для дождевых червей вида E. fetida, чем сульфат натрия Na 2 SO 4 . Однако фактический риск от токсичности NaCl в процессе вермифильтрации был низким [8].

Выбор фильтрующих сред. Садовая почва в определенном количестве должна быть использована в качестве субстрата обитания дождевых червей в установке по вермифильтрации. Кроме того, она является наиболее подходящим субстратом для нитрифицирующих бактериальных сообществ (Nitrobacteraceae, Nitrosomonas, Nitrosococcus), которые окисляют аммиак, образующийся в процессе гниения органических веществ, до нитритов и нитратов [9].

Различные исследователи использовали разнообразные материалы для биофильтра в составе установки по вермифильтрации для понимания потенциального воздействия их физических характеристик на общую производительность вермифильтра. Было показано, что использование в биофильтре гравия размером 60 мм и 10 мм непосредственно влияет на активность микроорганизмов и скорость потока сточных вод через вермифильтр [10]. Кварцевый песок и керамзит как основа биофильтра были использованы для очистки бытовых сточных вод и показали положительное воздействие на производительность вермифильтра [11, 12]. Однако керамзит давал лучшие результаты по сравнению с кварцевым песком, что делает его более подходящей средой [13].

Гидравлическая нагрузка. Гидравлическая нагрузка Q на вермифильтр выражается в м3 потока сточных вод на м2 поверхности вермифильтра в час и определяется по уравнению:
HLR = Vw / (A* X * t)
где:
HLR - гидравлическая нагрузка (м3 /м2/день);
Vw - скорость потока сточных вод (м3);
A - площадь вермифильтра (м2);
t - время, необходимое для прохождения сточных вод через вермифильтр, час.

Гидравлическая нагрузка является важной характеристикой, чтобы поддерживать оптимальные уровни температуры, влажности и аэробные условия в системе вермифильтра.
Показано, что увеличение гидравлической нагрузки при вермифильтрации сточных вод приводило к снижению эффективности их очистки и уменьшению численности популяции взрослых особей дождевых червей в слое вермифильтра [12].

Время гидравлического удерживания. Время гидравлического удерживания или время гидравлического пребывания -это время прохождения сточных вод через слой вермифильтра, в котором обитают дождевые черви, то есть это то время, за которое вермифильтр перерабатывает сточные воды. Оно определяется по уравнению:
HRT = (ρ *X* Vs) / Qw
где:
HRT - время гидравлического удерживания (час);
Vs - объем вермифильтра (м3);
ρ - порозность слоя вермифильтра;
Qw - скорость потока сточных вод через слой вермифильтра (м3/час).

Таким образом, гидравлическое время удерживания прямо пропорционально объему слоя вермифильтра и обратно пропорционально скорости потока сточных вод через слой вермифильтра.Это очень важный параметр при очистке сточных с помощью вермифильтрации, который характеризуется определенным периодом пребывания растворенных веществ и суспендированных частиц потока стоков в слое вермифильтра, то есть время их контакта с популяцией вермикультуры и сообществом почвенных микроорганизмов.

Важные научные исследования по вермифильтрации сточных вод

Yang и сотрудники исследовали производительность установки по вермифильтрации сточных вод в зимний период. Было показано, что температура в области вермифильтра зимой была на 1-5°С выше, чем в окружающей среде. Способность дождевых червей к поглощению и перевариванию органических отходов сточных вод в зимний период составляла только около 1/3 от таковой в летний период при одинаковой гидравлической нагрузке. Рекомендуется утепление установки по вермифильтрации в зимний период для поддержания оптимальной производительности [14].

Li и сотрудники разработали и испытали пилотную установку вермифильтрации для очистки сточных вод, образующихся при гидросмыве свиного навоза на свиноферме. Было показано, что обработка сточных вод с помощью технологии вермифильтрации сокращала выброс аммиака на 50%. Авторы считают, что технология вермифильтрации может быть использована для рециклинга сточных вод на свинофермах [15].

Soto и Toha изучали вермифильтрацию муниципальных сточных вод на пилотной установке. Система состояла из слоя камней на дне установки, слоя древесных опилок выше ислоя гумуса в 20-30 см наверху, который заселялся 5000-10000 половозрелых особей дождевых червей вида E. andrei на м2 вермифильтра. Было показано, что показатели в вермифильтрованной воде снижались по ХПК на 81-86%, по БПК 5 - на 99%, содержание взвешенных частиц уменьшалось на 98%, азота N - на 89 %, а фосфора P - на 70%. Титр кишечной палочки E. coli был понижен 1000-кратно. Такая система вермифильтрации была способна перерабатывать до 1000 л сточных вод/м2 площади вермифильтра в день [16].

Yang и сотрудники изучали эколого-физиологическую адаптацию дождевых червей в слое вермифильтра при различных гидравлических нагрузках. Показано, что гидравлическая нагрузка от 2,4 до 6,0 м3 сточных вод на м2 в день слабо влияла на плотность и биомассу дождевых червей. Однако при гидравлической нагрузке до 6,7 м3/м2 в сутки численность дождевых червей уменьшалось на одну треть и у них нарушались дыхательные функции. Авторы считают, для того, чтобы поддерживать хорошие условия обитания в зоне вермифильтра для дождевых червей и обеспечивать их функционирование, гидравлическая нагрузка на вермифильтр не должна превышать 6,7 м /м2 /сутки [17].

Nie и сотрудники изучали новую систему башенного вермибиофильтра для очистки сточных вод в сельской местности. Была определена оптимальная плотность дождевых червей в слое вермифильтра 12,5 г/л почвы и толщина почвенного слоя вермифильтра не более 40 см. Для более эффективного удаления из сточных вод азота и фосфора при одностадийном процессе вермифильтрации добавляли блок анаэробной биофильтрации для преварительной очистки стоков, а также заменили гравий на керамзит в биофильтре и вермибиофильтре. Была построена пилотная двубашенная система вермибиофильтра в г. Исин в провинции Цзянсу, которая показала хорошую производительность при очистке стоков по ХПК, удалению аммонийного азота и фосфора. Сравнительная оценка башенной системы вермибиофильтрации с другими традиционными технологиями очистки сточных вод показала, что башенная система вермибиофильтрации представляет собой универсальную систему, которая может эффективно работать в различных природных и социально-экономических условиях сельской местности Китая [18].

Wanga и сотрудники исследовали очистку бытовых сточных вод в сельской местности с помощью вермифильтрации, содержащей биофильтр на основе конверторного шлака и угольной золы. Результаты показали, что при гидравлической нагрузке стоков 4 м3/м2 /день в среднем показатели ХПК, БПК 5 и содержание аммиачного азота и фосфора снижались на 78,0%, 98,4%, 90,3%, 62,4% соответственно. Вермифильтрация была эффективной для удаления нерастворимых органических веществ и взвешенных веществ, а фильтр с конвертерным шлаком и угольной золой играет важную роль в удалении фосфора [19].

Xing и сотрудники добились эффективной очистки бытовых сточных вод с помощью системы вермифильтрации, упакованной с кварцевым песком и керамзитом [20].

Tomar и Suthar продемонстрировали потенциал новой системы вермифильтрации с использованием дождевых червей вида Perionyx sansibaricus для очистки городских сточных вод, которая позволяла существенно снизить уровни содержания растворенных веществ на 88,6%, взвешенных веществ - на 99,8%, нитратного азота - на 92,7% и фосфора - на 98,3%, а показатель ХПК - на 90% [21].

Azuar и Ibrahim изучали, какой фильтрующий материал подходит для вермифильтрации сточных вод завода по производству пальмового масла. В качестве вермикультуры использовали дождевых червей африканского ночного выползка Eudrillus eugeniae. Было показано, что строительный песок в качестве фильтрующего материала превосходил пальмовое волокно [22].

Malek и сотрудники изучали производительность системы вермифильтрации с использованием дождевых червей вида Lumbricus rubellus для очистки сточных вод завода по производству пальмового масла. Показатели ХПК были снижены на 98%, а содержание взвешенных частиц уменьшалось на 97%. Значение рН сточных вод повышалось с рН 5,5 до рН 8,0. Таким образом, авторы считают, что технология вермифильтрации для очистки сточных вод маслобойни является более эффективной, чем биофильтрация [23].

Manyuchi и Phiri изучали в лабораторных условиях возможность очистки муниципальных сточных вод (г. Хараре, Зимбабве) с помощью вермифильтрации. Для этого были использованы компостные черви вида Eisenia fetida. Было экспериментально показано, что вермифильтрация сточных вод позволяла снизить в них показатели БПК 5 на 98%, ХПК - на 70%, содержание взвешенных частиц - на 95% и устранить мутность на 98%. Значение рН вермифильтрованной воды равнялось 7,0. Авторы рекомендуют данную технологию для очистки муниципальных сточных вод в развивающихся странах [24].

Sinha и сотрудники изучали очистку с помощью вермифильтрации сточных вод пивоваренного завода и молокозавода, которые имеют очень высокие показатели по БПК 5 при содержании взвешенных веществ 6780 мг/л и 682 мг/л для стоков из пивоваренного завода и 139200 и 36000 мг/л для молокозавода, соответственно. Показано, что дождевые черви в процессе вермифильтрации снижали показатели по БПК 5 на 99%, а содержание взвешенных веществ - более чем на 98% в обоих случаях. Время гидравлической задержки для сточных вод пивоваренного завода составляло 3-4 часа и 6-10 часов для стоков молокозавода [25].

Sinha и сотрудники осуществили исследования по очистке промышленных сточных вод предприятия по производству фруктовых соков. Вермифильтрация снижала показатели по БПК5 более чем на 99%, ХПК – на 95%, уменьшала общее содержание растворенных веществ на 97%, общее содержание взвешенных твердых веществ - на 91% и мутность – на 95%. Получаемая вермифильтрованная вода могла использоваться повторно для ирригации [26].

Титов и сотрудники использовали пилотную установку для вермифильтрации сточных муниципальных сточных вод г. Владимира. Показано, что по основным показателям качества воды БПК5 , ХПК и содержание взвешенных частиц происходило снижение их показателей на 96,16, 77,43 и 77,43% соответственно. Сточные воды после вермифильтрации не обладали фитотоксичностью для растений тритикале и содержали в себе ростостимулирующие вещества. Электроактивированная вода анолит АНК при добавлении в очищенную вермифильтрацией сточную воду в концентрации 5-10% полностью ее стерилизовала [27, 28].

Титов и Ириков запатентовали в России способ очистки сточных вод с помощью технологии вермифильтрации [29].

Титов и сотрудники запатентовали в Республике Казахстан способ очистки сточных вод с помощью технологии вермифильтрации [30].

Крупномасштабное использование технологии вермифильтрации

Многие развивающиеся страны не могут позволить себе создать и обслуживать дорогостоящие станции по очистке сточных вод.

Ghatnekar и сотрудники применили в Индии трехступенчатую технологию вермикомпостирования в сочетании с системой капельного биофильтра, в котором присутствовала популяция дождевых червей вида Lumbricus rubellus для очистки сточных вод, образующихся при производстве желатина. Показано, что в воде после вермифильтрации показатели БПК и ХПК были снижены на 89,2 и 90,1% соответственно. Эта очищенная вода использовалась для выращивания сине-зеленой водоросли спирулины, ирригации и повторного использования на предприятии в туалетах [31].

Bhawalkar считает, что в зависимости от степени загрязнения сточных вод и необходимого качества очищенной воды можно использовать одноступенчатую или многоступенчатую системы вермифильтра [32].

Soto запатентовал во Франции способ обработки бытовых и агропромышленных сточных вод с помощью технологии вермифильтрации, которая во Франции именуется как технология ломбрифильтрации [33]. На основе этого патента был осуществлен проект Recyclaqua (рециклирование воды), в котором производится очистка сточных вод от пригорода Монпелье с населением 2000 человек.

Duclos и сотрудники в 2013 году получили европейский патент EP 2617685 А1 на способ ломбрифильтрации и на устройство для дезинфекции сточных вод, которая рекомендуется для очистки бытовых сточных вод жилых домов и небольших поселений [34].

Преимущества, недостатки и ограничения технологии очистки сточных вод с помощью вермифильтрации

Биотехнология вермифильтрации является относительно новым инновационным недорогим устойчивым методом очистки муниципальных и некоторых промышленных сточных вод. Сотни установок по вермифильтрации различного масштаба в настоящее время успешно работают в Чили, США, Мексике, Венесуэле, Австралии, Индии и Китае.

В таблице 1 представлены сравнительные характеристики трех аэробных технологий очистки сточных вод. Из данных этой таблицы ясно видно, что технология вермифильтрации превосходит по всем показателям хорошо известные традиционные аэробные технологии очистки сточных вод.

Таблица 1. Сравнение некоторых систем очистки сточных вод [4]

Система вермифильтрации имеет явные преимущества перед всеми традиционными системами очистки сточных вод.

Преимуществами технологии вермифильтрации являются:
- низкая стоимость операций и обслуживания;
- требуется мало энергии;
- не образуются осадки сточных вод;
- не используются химикаты;
- образуются хозяйственно ценные побочные продукты утилизации сточных вод (высокогумусированно органическое удобрение вермикомпост и биомасса компостных червей);
- очищенная вода обогащена питательными веществами (азотом, фосфором и калием) и микроэлементами и может использоваться для ирригации фермерских земель;
- процесс очень гигиеничен при полном отсутствии каких-либо запахов и без эмиссии парниковых газов.

Очень важно еще и то, что система вермифильтрации может работать децентрализованно, то есть на месте образования сточных вод (частные дома, коттеджи, поселки, отели, перерабатывающие предприятия и т. д.).

Технология вермифильтрация способна обеспечить устойчивый способ очистки различных типов сточных вод. Однако необходимо проведение более детальных исследований, чтобы повысить эффективность вермифильтрующих систем и сделать их надежной и эффективной коммерческой технологией.

Изучение потенциально вредных микроорганизмов до и после переработки сточных вод также желательно, так как большая часть сточных вод содержит вредные патогены, и имеется необходимость анализировать их, прежде чем обработанная вода может быть повторно использована.

Несмотря на то, что система вермибиофильтрации является дешевым и экологически безопасным способом очистки сточных вод, при более тщательном рассмотрении и анализе каждого аспекта этой системы становится очевидным то, что этот способ является не таким уж и простым. Включение вермикультуры в состав биофильтра приводит к усложнению обеспечения и поддержания �