Нитчатое вспухание активного ила и его влияние на биологическую очистку сточных вод

Вспухание активного ила в процессе биологической очистки сточных вод является одной из самых распространенных проблем в работе очистных сооружений. Решение этой проблемы возможно с помощью применения мембранных биореакторов. Особенности работы МБР с активным илом высокого возраста позволяют изменяться биоценозу активного ила и закреплять долго растущие нитчатые формы бактерий, которые обладают высокой окислительной способностью по отношению к загрязнениям сточных вод. Отсутствие в технологии МБР вторичного отстаивания, которое заменено на ультрафильтрацию, не приводит к выносу активного ила из системы, сохраняет видовой состав активного ила и защищает водные объекты от сброса избыточного количества взвешенных веществ.

 Очистные сооружения канализации являются одной из наиболее важных систем жизнеобеспечения современного города. Стабильная и эффективная работа канализационных очистных сооружений в условиях растущей населенности территорий всегда была и остается залогом санитарной и экологической безопасности города.

Особое значение в работе очистных сооружений имеет стадия биологической очистки, которая осуществляется с помощью активного ила.

Активный ил - это смесь биомассы микроорганизмов и загрязняющих веществ, поступающих в аэротенк вместе со сточными водами. В результате жизнедеятельности микроорганизмов, содержащихся в активном иле, обеспечивается их постоянное увеличение (прирост), которое нарушает соотношение между массой микроорганизмов и количеством поступающих загрязнений.

Видовой состав активного ила, прежде всего, зависит от состава поступающих в аэротенк стоков, которые являются питательной средой для метаболизма микрофлоры ила. Видовой состав активного ила (биомассы) включает в себя бактерии, простейшие, микроскопические грибы (актиномицеты), амебы, инфузории, коловратки, черви (нематоды) и т. д. Простейшие микроорганизмы в процессе своей жизнедеятельности поедают бактерии, что способствует омоложению популяции и приросту активного ила.

При недостатке кислорода ил начинает «голодать», что приводит к ухудшению результата его деятельности и ухудшению очистки сточных вод. Поэтому в процессе эксплуатации требуется постоянно выводить из аэрационной системы излишки активного ила. Однако слишком большое снижение концентрации ила может вызвать перегрузку микроорганизмов, в результате чего снизится их активность, а, следовательно, ухудшится качество очистки воды [1].

Способность активного ила образовывать хорошо оседающие хлопья - важнейшее его свойство, т.к. эффективность очистки сточных вод в аэротенках в значительной степени зависит от последующего процесса отделения активного ила от очищенной воды. Способность активного ила к оседанию характеризуется значением илового индекса [2].

Под термином «иловый индекс» понимают объем (1 мл) активного ила после отстаивания в течение 30 мин., отнесенный к 1 грамму сухого вещества. Величина илового индекса зависит от нагрузки загрязнений по БПК20 на 1 грамм беззольного вещества ила. Оптимальной величиной нагрузки считают величину илового индекса, которая не превышает 100 см3/г. Зимой и в районах с суровым климатом для обеспечения необходимого качества очистки нагрузка должна быть ниже. Летом или в южных районах нагрузка на ил может повышаться. При иловом индексе более 100 см3/г активный ил занимает большой объем, становится легким, теряет хлопьевидную структуру, плохо оседает, не уплотняется и в большом количестве выносится из вторичных отстойников, ухудшая эффективность работы очистных сооружений [1].

В нормально работающем активном иле кроме хлопьев зооглейных скоплений бактерий имеется большое количество простейших организмов (инфузорий), а также встречаются коловратки и черви. При нарушении нормальных условий работы аэротенка в иле развиваются нитчатые бактерии (Sphaerotilus, Cladothrix), ветвистая зооглея (Zoogloea, ramigera), водные грибы и др. Эти формы вызывают вспухание активного ила (резко возрастает иловый индекс), он плохо оседает во вторичном отстойнике и выносится с очищенной водой.

Для работы аэротенков важно, чтобы в смеси воды и ила содержалось достаточное количество растворенного кислорода. Концентрация растворенного кислорода перед выходом смеси из аэротенка должна составлять не менее 4 мг/л.

При эксплуатации аэротенков большим недостатком, резко нарушающим весь процесс очистки, является «вспухание» активного ила (при этом иловый индекс имеет величину более 150 мл/г). При вспухании ил становится мелким, иловая вода мутной, а вода после отстаивания во вторичных отстойниках не имеет обычного «блестящего» оттенка [1]. Вспухание чаще всего связывают с развитием нитчатых бактерий и некоторых грибов. При вспухании структура хлопьев активного ила резко видоизменяется. Хлопья увеличиваются в размере, становятся рыхлыми [2].

Причинами вспухания ила могут быть:
- большие нагрузки на ил;
- недостаточное количество воздуха, подаваемого в аэротенк;
- высокая или низкая температура поступающей в аэротенк воды;
- поступление на очистку производственных сточных вод, имеющих повышенное содержание углеводов, которые способствуют интенсивному росту нитчатых бактерий и грибов в активном иле.

Вспухший активный ил, обладающий чрезвычайно развитой поверхностью, имеет повышенную окислительную способность. Он может интенсивно использовать углерод некоторых трудноокисляемых веществ, потребность в азоте и фосфоре у нитчатых бактерий существенно ниже, чем у обычных флокулирующих бактерий. Однако на практике использовать эти потенциальные преимущества вспухшего ила затруднительно. Пружинящие нити бактерий, пронизывая хлопья, препятствуют их осаждению. Вспухший активный ил выносится из вторичных отстойников, ухудшая качество очищенной воды [2].

При вспухании очень сложно поддерживать необходимую дозу активного ила в аэротенке, что также влияет на качество очистки. Вспухание активного ила наблюдается при избытке углеводов в очищаемой воде или недостатке биогенных элементов, при уменьшении концентрации растворенного кислорода или резком изменении нагрузки на активный ил.

Универсального способа борьбы со вспуханием активного ила не найдено вследствие многообразия причин, вызывающих это явление. В условиях городских очистных станций бороться с развившимся вспуханием довольно трудно. При незначительном количестве нитчатых организмов в иле целесообразно уменьшение нагрузки на него. В качестве одной из мер рекомендуется подщелачивание воды до рН 9-9,4.

Химический состав активного ила обусловлен составом клеточного вещества микроорганизмов. Сухое вещество активного ила состоит из органической (беззольной) части и золы и представляет собой примеси, присутствовавшие в исходной сточной воде и трансформированные в биомассу, а также вещества, адсорбированные хлопьями активного ила. Элементный состав беззольной части активного ила (как и состав клеточного вещества) определяется основными органогенами: углеродом, кислородом, водородом, азотом. Соотношение этих элементов в беззольном веществе активного ила зависит от состава обрабатываемых сточных вод, технологического режима очистки и может существенно изменяться. В среднем на долю углерода приходится 50-52%, кислорода – 29-33%, водорода – 6-8%, азота – 8-12%. Соотношение элементов в активном иле определено в 1952 году и представлено в виде «формулы» клеточного вещества C5P7NO2. Эта формула используется для всех расчетов, связанных с кинетикой биохимических процессов очистки воды и синтезом клеточного вещества, точность ее для практических целей оказывается достаточной [2].

Вспухание может быть вызвано разными организмами, поэтому всегда важно выявить организмы-инициаторы этого процесса. В настоящее время нитчатое вспухание ила является наиболее распространенной в мировой практике проблемой биологической очистки сточных вод [3].

Исследования [4], проведенные на лабораторной установке, позволили сделать оценку состояния активного ила городских очистных сооружений, выявить организмы-инициаторы вспухания и разработать методику регенерации вспухшего ила.

Проведенные испытания на городских сточных водах и идентификация организмов выявили присутствие в биоценозе активного ила восьми видов нитчатых бактерий: Thiothrix nivea, Eikelboom type 0961, type 1863, type 1701, type 021 N, Haliscomenobacter hydrossis, Sphaerotilus natans и Beggiatoa alba, которые являются обычными обитателями аэротенков и присутствуют в незначительных количествах, однако в подходящих для них условиях при массовом размножении могут вызвать вспухание активного ила.

Важным информативным показателем оценки качества активного ила служит иловый индекс. Значения илового индекса проб возвратного ила аэротенков лежали в пределах 745,5-846,2 см3/г, что более чем в 7 раз превышало показатели, принятые за норму. В то же время доза ила была невысокой - 1,10 г/дм3. Концентрация кислорода в аэротенках поддерживалась в пределах рекомендуемых технологических значений - 2,0-3,0 мг/дм3, однако этого оказалось недостаточно для улучшения состояния биоценоза активного ила в период вспухания.

Биоценоз активного ила имел низкое видовое разнообразие и оценивался как бедный. На начальных этапах исследования было обнаружено лишь семь-восемь видов гидробионтов, причем два вида относились к нитчатым бактериям, ухудшающим состояние активного ила, поскольку вытесняли других организмов в биоценозе [4].

Были проведены лабораторные эксперименты по поиску оптимальных условий жизнедеятельности гидробионтов активного ила при минимальных сроках регенерации и экономических затратах.

Авторами [4] было установлено, что на начальных этапах необходимо снижение нагрузки активного ила сточными водами; причем при работе с малыми объемами жидкостей предпочтительно первоначальное соотношение вспухшего активного
ила и сточных вод 3:1 (низкая удельная нагрузка), а для больших объемов - 2:1 (средняя). В этих условиях при повышении концентрации молекулярного кислорода в иловой смеси до 5,5-7,7 мг/дм3 регенерация активного ила и восстановление нормальной структуры иловых хлопьев произошли в течение 14-17 суток. Иловый индекс во всех опытных сосудах снизился в 7,1-16,2 раза и стал соответствовать технологическим критериям.

Кроме восстановления физико-химических параметров, в ходе проведения опыта была отмечена и регенерация биоценоза активного ила. Бактерии вида Eikelboom type 0961 и другие нитчатые бактерии, присутствовавшие в иле в меньшем количестве, в созданных условиях исчезли из биоценоза на 4-6 сутки культивирования. В то же время для удаления серобактерий Thiothrix nivea из активного ила аэротенков потребовался больший промежуток времени - до 10-14 суток.

По результатам проведенных экспериментальных работ были даны рекомендации по устранению вспухания и восстановлению основных свойств активного ила в промышленных условиях: на начальных этапах использовать соотношение активного ила и сточных вод 3:1, затем 2:1 при поддержании концентрации молекулярного кислорода в аэротенках от 5,0 до 8,0 мг/дм3. Спустя несколько дней необходимо постепенное снижение дозы кислорода до значений, рекомендуемых для работы аэротенков.

Предложенная методика впоследствии стала основой для проведения системы мероприятий по устранению вспухания на городских очистных сооружениях, которая дала положительные результаты. Моделирование разработанных условий функционирования активного ила в аэротенках привело к подавлению нитчатого вспухания и восстановлению рабочих качеств активного ила в течение месяца [5].

Однако для полной регенерации ила и достижения устойчивого состояния биоценоза аэротенков потребовался более значительный промежуток времени. Полное восстановление хлопьеобразной структуры и седиментационных свойств ила было отмечено спустя несколько месяцев. В исследуемых пробах и в аэротенках ил приобрел коричневую окраску, супернатант оставался прозрачным. Эти изменения сопровождались постепенным повышением биоразнообразия, увеличением численности микроорганизмов, наращиванием рабочей массы активного ила и значительным улучшением эффективности биологической очистки сточных вод, что подтверждалось химическими показателями. Наблюдение за состоянием ила и поддержанием условий, благоприятных для его жизнедеятельности продолжали в течение года. После этого констатировали полную регенерацию активного ила и стабилизацию его состояния.

Комплекс мероприятий, направленных на борьбу с вспуханием активного ила, должен разрабатываться только после точного установления причин, вызывающих вспухание, что обеспечивается правильной диагностикой родовой принадлежности вызывающих его нитчатых организмов при гидробиологическом анализе ила.

Повышение аэробности в аэротенках и регенераторах - обязательное условие в борьбе и профилактике нитчатого вспухания ила, какая бы причина его ни вызвала.

Идеальные условия массопереноса растворенного кислорода из жидкости в бактериальные клетки ила достигаются установкой системы пневматической аэрации с небольшим размером пузырька воздуха (500-800 мкм).

Мелкопузырчатая аэрация позволяет обеспечить высокопродуктивную работу аэротенков, т.к. аэробные условия образуются на всех участках биологической очистки, что способствует благоприятному режиму функционирования дыхательных пигментов флокулообразующей микрофлоры. В результате повышается стойкость гетеротрофных бактерий к высоким нагрузкам по органическим загрязняющим веществам, улучшаются седиментационные свойства активного ила. Мелкопузырчатая аэрация обязательно должна соединяться с крупнопузырчатой аэрацией, что улучшает как перемешивание, т.е. массообмен в хлопьях ила, так и степень насыщения кислородом иловой смеси. Применение только мелкопузырчатой аэрации не позволяет удовлетворительно перемешать иловую смесь и сопровождается нарушением массообмена в хлопьях ила [6].

Широко распространено применение для борьбы с нитчатым вспуханием убивающих микрофлору средств - хлорной извести, карболовой кислоты - не дает надежного позитивного эффекта, т.к. при этом невозможно выборочно уничтожить нитчатые бактерии, страдает весь биоценоз активного ила, что нарушает его окислительную мощность и подавляет весь процесс очистки на две-четыре недели. Кроме того, в результате хлорирования активного ила резко возрастает токсичность очищенной воды. Однако в данное время это наиболее распространенный способ борьбы с нитчатым вспуханием. Хлорирование не может дать эффективный результат, т.к. не устраняет основные причины, вызывающие вспухание ила. Под влиянием хлора нитчатые бактерии гибнут, но главная причина, которая вызывает вспухание, сохраняется или может периодически возобновлять свое действие, вспухание регулярно повторяется или постоянно присутствует на биологических очистных сооружениях. Таким образом, борьба с последствиями, а не с причинами, которые вызывают вспухание, не может принести позитивных результатов.

Наиболее трудно ликвидировать хроническое вспухание, т.к. необходима или техническая реконструкция очистных сооружений, или предварительная очистка сточных вод до их поступления на сооружения биологической очистки, или двухступенчатая очистка с регенерацией не менее 50% ила.

В настоящее время на рынке представлены установки очистки сточных вод, в основу работы которых заложены многоступенчатые схемы [7, 8]. Это связано с тем, что классические биологические методы без дополнительных блоков доочистки не обеспечивают требуемого качества очистки сточных вод. Так, по нормативным требованиям для сброса очищенных стоков в рыбохозяйственные водоемы значение БПКполн должно быть не более 3,0 мг/л, а биологическими методами очистки можно добиться значений БПКполн всего 10-15 мг/л.

Предел качества очистки по биологической технологии связан с неизбежным выносом активного ила вместе с очищенной водой. Вынос активного ила приводит к вторичному загрязнению очищенной сточной воды и требует применения специальных методов ее доочистки. Доочистка в классической технологии производится на механических и сорбционных фильтрах с применением различных реагентов (коагулянтов, флокулянтов, щелочи, дезинфектантов, биогенных добавок, биопрепаратов и т.д.).

Термин «многоступенчатая доочистка», преподносимый поставщиками как синоним эффективности, по сути, означает обратное - технологическое несовершенство установок, их сложность, ненадежность и в конечном итоге неспособность устойчиво обеспечивать качество очистки сточных вод в соответствии с нормативными требованиями [7].

Последние тенденции в развитии технологий и методов очистки сточных вод свидетельствуют о том, что нитчатое вспухание активного ила не всегда имеет негативный характер в процессе очистки сточных вод. Альтернативой технологии биологической очистки с многоступенчатой доочисткой и постоянным вводом реагентов является современная мембранно-биологическая технология с использованием мембранного биореактора (MБР).

В основу действия МБР положен синтез биотехнологии и технологии разделения водных суспензий на ультрафильтрационных полимерных мембранах [8]. Система МБР состоит из аэротенка и мембранного модуля, оборудованного половолоконными ультрафильтрационными мембранами. Обрабатываемые сточные воды поступают в аэротенк (рис. 1).

Находящаяся в аэротенке иловая смесь циркулирует через мембранный модуль. Ультрафильтрационные мембраны служат для повышения концентрации активного ила в аэротенке и глубокой очистки обрабатываемых сточных вод. Аэротенк в системе МБР работает с высокой концентрацией активного ила, поэтому его размеры в два-три раза меньше размеров классического проточного аэротенка. Эффективность работы мембранных биореакторов по снижению ХПК и удалению азота показана на рис. 2-3.

Основными преимуществами внедрения технологии мембранных биореакторов являются: повышение эффективности и надежности очистных сооружений; повышение производительности очистных сооружений за счет увеличения концентрации активного ила в аэротенках; создание компактных очистных сооружений за счет замены вторичного отстаивания и фильтрации на фильтрах различного типа на мембранную доочистку; снижение объема избыточного активного ила.

Исследования [7-9] подтвердили перспективность технологии с применением МБР для биологической очистки сточных вод (рис. 4). В процессе очистки на МБР в лабораторных условиях имела место нитрификация, которая осуществлялась за счет накопления в МБР биомассы активного ила и, соответственно, нитрификаторов.

Применяемое в системах MБР касательное фильтрование иловой смеси предотвращает ее забивание, т.е. накопление на ней отложений (бактерий). Реализация режима касательного фильтрования имеет положительные последствия в отношении биологии всей системы. Постоянное омывание мембран диспергирует очищающие бактерии, поэтому соотношение активных бактерий и окисляемых загрязнений оказывается большим в системе MBР, чем это обычно встречается в классической системе с активным илом.

Микроорганизмы активного ила не выносятся из системы MBР, поэтому биореактор работает в условиях высокой концентрации биомассы значительного возраста. Кроме этого, постоянная циркуляция приводит к механическому воздействию на оболочки бактерий. Именно поэтому основная потребляемая бактериями энергия используется не для размножения (как это происходит в классических биотехнологиях), а расходуется для поддержания жизнедеятельности, что приводит к снижению прироста избыточной активной биомассы [9].

Работа всей системы с активным илом высокого возраста позволяет изменяться биоценозу активного ила и закреплять долго растущие нитчатые формы бактерий, которые обладают высокой окислительной способностью по отношению к загрязнениям сточных вод. Нитчатые формы бактерий более устойчивы к действию различных токсикантов, СПАВ, залповым сбросам загрязнений. Поэтому в системах с МБР процессы нитчатого вспухания имеют позитивный характер и позволяют проводить глубокую биологическую очистку сточных вод. Отсутствие вторичного отстаивания, которое заменено на ультрафильтрацию, не приводит к выносу активного ила из системы, сохраняет видовой состав активного ила и защищает водные объекты от сброса избыточного количества взвешенных веществ.

Таким образом, система MБР производит меньшее количество (на 20-50%) избыточного активного ила по сравнению с классическим способом аэробной обработки. А это, в свою очередь, позволяет существенно снизить общие эксплуатационные затраты, так как расходы на утилизацию избыточного ила составляет 30-40% от общих эксплуатационных затрат очистных сооружений [10].

Совмещение мембранной микрофильтрации с биологическим окислением обеспечивает:
- увеличение глубины очистки и достижение качества очищенной воды до нормативов на сброс в водоем рыбохозяйственного назначения;
- повышение окислительной мощности аэрационных сооружений по удалению органических загрязнений и соединений азота в 3-4 раза за счет накопления до оптимальной величины дозы ила в системе;
- практически полное задержание взвешенных веществ; стабильную эффективность очистки при наличии активных илов с высоким иловым индексом (до 250 мл/г и выше);
- устойчивость процесса биологического окисления органических соединений и соединений азота;
- удаление органических загрязнений сточной воды в МБР и традиционных аэротенках описывается идентичными зависимостями.

Литература:
1. Активный ил. Биологическая очистка сточных вод. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.ecoenergo.com.ua/articles- 17.html
2. Активный ил. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://engineeringsystems.ru/a/activniy-il.php
3. Nemeth-Katona, J. The Environmental Significance of Bioindicators in Sewage Treatment / J. Nemeth-Katona // Acta Polytechnica Hungarica, 2008. - Vol. 5. - № 3. - Р. 117-124.
4. Усачева К.В. Устранение нитчатого вспухания активного ила в условиях эксперимента // К.В. Усачева, Ю.К. Верес // БГУ (BY). - с. 65-69. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://elib.bsu.by/bit- stream/123456789/49849/1/65-69.pdf
5. Пат. BY 6829 U 2010.12.30, МКИ C 02 F 3/00. Установка для восстановления вспухшего активного ила и очистки сточных вод / К.В. Усачева; заявитель и патентообладатель БГУ (BY). - № u 20100335, заявл. 05.04.10, опубл. 30.12.10. - Бюл. № 6. - С. 183. - 1 с. : ил.
6. Жмур Н.С. Технологические и биохимические процессы очистки сточных вод на сооружениях с аэротенками / Н.С.Жмур. - М.: АКВАРОС. - 2003 г. - 512 с.
7. Повеквечнов А. С. Мембранные технологии в очистке сточных вод / А. С. Повеквечнов // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук: Научно-информационный издательский центр и редакция журнала «Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук». - 2010. - С. 51-52.
8. Брык М. Т. Мембранные технологии в промышленности / М. Т. Брык, Е. А. Цапюк. - К., 1990. - 247 с.
9. Francesco Fatone, David Bolzonella, Paolo Battistoni, Franco Cecchi. Removal of nutrients and micropollutants treating low loaded wastewaters in a membrane bioreactor operating the automatic alternate-cycles process // Desalination. - 2005. - No.183. - Р. 395-405.
10. Судиловский П.С., Завадский А.В. (компания «ДжиИ Рус»). Статьи / Очистка сточных вод / Сравнение очистки сточных вод в мембранном биореакторе с традиционной очисткой. - 2009. - 14 марта [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.twp.ru/index.phpdn=article&re=pr int&id=4

Журнал «Вода Magazine», №2 (90), 2015 г.