Биохимическая очистка сточных вод в локальном очистном сооружении БИОНИК

Биохимическая очистка накопленных сточных вод осуществляется за счет активного ила. В нем содержатся аэробные микроорганизмы, которые перерабатывают частично или полностью минерализованные загрязнения в обогащенной кислородом среде. После завершения реакции происходит разделение прореагировавшей смеси.

Весь процесс очистки условно разбивается на два основных периода.

• Биологическое созревание. В аэробных условиях происходит интенсивное увеличение объемов активного ила, полностью адаптированного под качество сточных вод, количество жидкости и режим работы очистительной установки.
• Биохимическое окисление. Подразумевает стационарный процесс функционирования очистной установки с аэрацией и сложными химико-органическими реакциями, среди которых интенсивное размножение ила, окисление различных веществ и другое. Биохимическая окислительная реакция, используемая для очистки сточных вод, отличается сложностью и многоэтапностью. Полный цикл переработки состоит из 4 важных фаз.

Первая фаза: биосорбция органических веществ активным илом

Этот период характеризуется заметным снижением концентрации в сточных водах органических веществ и интенсивным увеличением биомассы активного ила, что является результатом процесса биосорбции между двумя основными компонентами. Как правило, продолжительность этой фазы не превышает полчаса.

Вторая фаза: биохимическое окисление органических соединений

В этом периоде происходит дальнейшее увеличение биомассы активного ила и уменьшение концентрации органических загрязнений. Однако в данном случае процессы осуществляются за счет декарбонизации, а окислительные реакции продолжаются в течение часа.

Суть процесса. Известно, что биохимическая очистка осуществляется в большей степени за счет микробов. При отсутствии органов пищеварения необходимые для жизнедеятельности вещества они всасывают через микроскопические поры своей оболочки (мембраны). Поскольку поры очень малы, поглощаемые микробами вещества должны пройти предварительную подготовку, то есть размельчение на молекулярном уровне с частичным превращением в простейшие соединения. Подготовка осуществляется самими микроорганизмами, которые в процессе эволюции научились вырабатывать и выделять для этих целей следующие специальные ферменты.

• Эктоферменты. Известны еще как гидролитические экзоферменты. Выделяются во внешнюю среду и отвечают за подготовку сложных органических соединений для употребления микробной клеткой.
• Эндоферменты. Действуют внутри микроба и отвечают за усвоение поглощенных питательных веществ, перерабатывая их в клеточную протоплазму.

У каждого фермента своя задача, поэтому они работают с разными веществами: одни с белками, вторые с жирами, а третьи с углеводами. Сложность процессов, которые протекают внутри локального очистного сооружения во время биохимической очистки, очень высока. Но чтобы разобраться с их основным принципом, достаточно взглянуть на схему.

Как видно из рисунка, в аэробных условиях углеводы подвергаются изменениям, а моносахариды, небольшая часть которых используется микроорганизмами для синтеза гликогена, в процессе эндогенного дыхания клетки микроба сгорают (окисляются). Именно окисление углеродсодержащих компонентов в богатой кислородом среде и называется декарбонизацией сточных вод.

Третья фаза: активный синтез клеточного вещества

На этом этапе происходит синтез клеточного вещества микробов активного ила, которому способствует высвободившаяся во второй фазе энергия. Количество органического субстрата, превращающегося в новые клетки, достигает 65 %. Отличительной чертой данного периода биохимической очистки является стабильное количество активного ила. Общая продолжительность синтеза, происходящего в регенераторе и аэротенке, составляет около 20 часов, пока предварительно накопленные микроорганизмами органические вещества не будут полностью переработаны.

Одним из жизненно важных для любого микроорганизма веществ является азот. Учитывая этот факт, при биообработке сточных вод нужно особое внимание уделить процессу распада белков. Происходит он примерно так.

• Под влиянием ферментов белковые молекулы, которые выделяются микроорганизмами, расщепляются на простые органические соединения, превращаясь из пептонов и альбумозов в аминокислоты.
• Часть аминокислот расходуется микроорганизмами активного ила в качестве строительного и энергетического материала, необходимого для дальнейшего развития и осуществления биосинтеза их клетки. Вторая часть подвергается дезаминированию, в результате чего образуются аммиак, СО₂ и вода.
• Аммиак, получившийся при распаде белка, в аэробных условиях растворяется в воде и образует гидрат окиси аммония, который в дальнейшем взаимодействует с углекислотой, в результате чего появляется углекислый аммоний.

Четвертая фаза: окисление клеточного вещества (эндогенное дыхание)

Для этой фазы характерно уменьшение массы активного ила за счет эндогенного окисления органических веществ его клеток, в результате которого образуются NН₃ (аммиак), СО₂ и Н₂O. Переход в нее начинается спустя 20–24 часа аэрации биомассы и длится в течение 2–3 суток.

В этот период активно продолжают развиваться реакции, которые начались на третьем этапе биохимической очистки. Азот, частично использованный в качестве строительного материала клетками микроорганизмов, способствует активному образованию углекислого аммония. Наглядно процесс отображен на рисунке.

Особого внимания заслуживает переработка жиров, которые при биохимической очистке распадаются очень медленно и в небольших количествах. Однако сам процесс их разложения осуществляется именно в период фазы окисления клеточного вещества.

Последующая очистка сточных вод

Нитрификация. В сточную воду азотсодержащие вещества поступают в виде белка, а также различных продуктов обмена (например мочевины). При самоокислении и дезаминировании активного ила, выполнении гидролиза мочевины и других процессов образуется углекислый аммоний, который требует дальнейшей переработки. Она осуществляется с помощью биохимического окисления при активном участии различных аэробных бактерий. Данный процесс называется нитрификацией и имеет две основных фазы:

• первая. В процессе окисления аммонийные соли превращаются кокковыми бактериями рода B. Nitrosomonas в нитраты (особые азотистые соединения);
• вторая. Окислительная реакция продолжается при участии бактерий семейства B. Nitrobaster, которые перерабатывают аммонийные соли в нитраты.

Исходя из этого, получается, что конечным продуктом окисления белковых компонентов и процесса их обмена в организмах (растительных, животных) является азотная кислота, образующаяся в конце переработки в виде минеральных солей. Стоит отметить, что по ее количеству делают вывод об успешности и полноте осуществления биохимического окисления.

Нитрификация характеризуется выделением большого количества тепла, что имеет значение при использовании биологических очистных сооружений в зимний период. Кроме того, этот процесс сопровождается большим накоплением кислорода, который можно использовать для поддержания биохимического окисления, если растворенный в воде кислород был полностью израсходован.

Денитрификация. По завершении нитрификации начинается денитрификация, суть которой заключается в восстановлении солей азотной кислоты специальными микроорганизмами. При этом не имеет значения, что получится по его окончании: низшие окислы азота, свободный азот, аммиак или те же соли азотистой кислоты. Все зависит от условий, сопровождающих процесс. Например, в щелочной среде при наличии большого количества кислорода процесс восстановления заканчивается на уровне нитратов, тогда как в кислой среде с минимальным количеством кислорода он продолжается до образования аммиака.

В узком понимании, денитрификация подразумевает разложение азотистокислых и азотнокислых солей с активным высвобождением азота. При отсутствии или малом количестве кислорода денитрифицирующие бактерии получают его, расщепляя азотистые и азотные кислоты, и параллельно окисляют безазотные органические вещества, в результате чего получают энергию для поддержания и продолжения реакции. Внешне денитрификация сопровождается обильным выделением газов, в состав которых входят смеси углекислого газа и азота.

Полный цикл развития активного ила имеет те же фазы и стадии, что и у «чистых» бактерий. Однако сам процесс отличается рядом особенностей. Главной из них является низкая скорость отмирания клеток активного ила. Некоторые данные указывают, что она в 17 раз меньше, чем у процесса развития. И объясняется это прекрасной адаптацией используемых бактерий.