Биогенные элементы

Биогенные элементы

Наиболее важными биогенными элементами для физиологического развития активного ила являются: азот, фосфор, сера, железо, входящие в состав микроорганизмов.

При избытке серы и азота, а также в случаях недостатка азота и фосфора в сточных водах в активном иле развивается вспухание ила, при котором качество очистки сточных вод резко ухудшается из-за нарушения процесса разделения очищенной воды и активного ила.

Соединения азота:

Перед сооружениями биологической очистки ставится задача глубокого удаления всех форм азотосодержащих веществ.

Методами химического анализа определяются четыре формы азота: азот аммонийный, нитриты, нитраты, азот общий или азот по Кьельдалю, который включает азот органический и азот аммонийный (нитраты и нитриты отсутствуют в анализируемой пробе или улетучиваются в процессе пробоподготовки).

Аммонификация – процесс разложения микроорганизмами (аммонификаторами) азотсодержащих веществ с выделением газообразного аммиака NH3 или ионов аммония NH+4 (т.е. превращение органических соединений азота в неорганические формы) Аммонификация - один из важнейших этапов круговорота азота в природе.

Процессу аммонификации препятствуют: низкая температура (менее 10°С), кислая рН, недостаточное время нахождения сточных вод в системе канализации (при длине коллектора менее 10-20 км).

Результатом неудовлетворительной аммонификации в канализации является неэффективный процесс нитрификации в аэротенках.

Нитрификация – биологический процесс превращения аммонийного азота сначала в нитриты, а затем в нитраты в аэробных условиях (с кислородом).

Первая стадия нитрификации, окисление солей аммония в нитриты. Процесс нитрификации осуществляется в результате жизнедеятельности и функциональной активности нитрифицирующих бактерий (хемосинтезирующие автотрофы - аэробы), на которых пагубно влияет присутствие в среде органических соединений. Поэтому нитрификация аммонийного азота начинается в аэротенках только после практически полного окисления углеродосодержащих соединений, характеризуемых показателем БПК.

Нитрификация протекает удовлетворительно при температуре от + 15 до + 35 °С, при температуре + 6°С процесс прекращается полностью, при температуре более + 37°С скорость нитрификации снижается в связи с уменьшением содержания в воде растворенного кислорода. Наиболее благоприятна для нитрификации реакция среды в интервале рН 7,2-8,6.

Нитрификация – медленный процесс, который еще более замедляется и угнетается при недостатке растворенного кислорода в иловой смеси. Минимально необходимое содержание растворенного кислорода для обеспечения начальной стадии нитрификации должно превышать 1 мг/дм³. На превращение одного миллиграмма аммонийного азота в нитритный затрачивается 2,33 мг растворенного кислорода.

Нитриты – продукт неполного окисления аммонийного азота.

Вторая стадия нитрификации – образование нитратов начинается только при успешном завершении первой, поскольку избыток аммиака тормозит развитие возбудителей второй фазы нитрификации.

Вторая стадия нитрификации заключается в окислении образовавшихся в первой фазе солей азотистой кислоты в соли азотной кислоты. Бактерии второй стадии еще более чувствительны к неблагоприятным условиям среды: содержанию растворенного кислорода, рН.

В кислой среде эти бактерии не развиваются, т.к. недиссоциированная молекула азотной кислоты для них ядовита.

В щелочной среде на них отрицательно влияет недиссоциированный ион аммония.

По этой причине бактерии второй стадии нитрификации функционируют в узких пределах нейтральных значений рН 7,0-7,6.

Нитратпродуцирующие бактерии более требовательны к содержанию растворенного кислорода (при его содержании 3,5 мг/дм³ нитрификация на второй стадии достигает максимальных значений).

На окисление 1 мг нитритов до нитратов требуется 3,4 мг кислорода.

Для удовлетворительной нитрификации необходимы низкие нагрузки 100-150 мг БПК5 на 1 г активного ила и большой возраст ила - не менее 4-5 сут. (свыше 8-ми суток – восполняются потери нитрифицирующих бактерий, вымывающихся потоком сточных вод).

При нагрузке на ил 400-500 мг БПК5 на 1 г активного ила нитрификация не обеспечивается.

Нитрификационным потенциалом сточных вод принято считать соотношение значений БПК5 и общего азота в осветленных сточных водах после первичного отстаивания:

- хороший – 3;

- оптимальный – 5;

- удовлетворительный - свыше 6 (интенсивность нитрификации снижается);

- плохой – свыше 7 (необходимо предусмотреть повышенный период аэрации, большой возраст активного ила, эффективные конструкции первичных и вторичных отстойников и т.п.).

Описанные процессы превращения азота позволяют определить критические факторы для развития нитрификации на действующих сооружениях биологической очистки, к ним относятся:

- рН, температура очищаемых вод;

- содержание водорастворимой легкоокисляемой органики в очищаемых сточных водах и эффективность ее окисления;

- содержание аммонийного азота и белковых соединений в сточных водах;

- аэробность в аэротенках, вторичных отстойниках;

- состав сточных вод (относительное содержание промышленных сбросов, присутствие в них токсичных веществ);

- нитрификационный потенциал в осветленных сточных водах;

- величина нагрузки на активный ил, возраст ила и численность нитрифицирующих бактерий;

- период аэрации в аэротенках и процент регенерации активного ила.

Денитрификация – биологический процесс превращения аммонийного азота нитритов и нитратов в газообразные формы азота в анаэробных условиях (в отсутствии или при дефиците кислорода).

Денитрификация осуществляется многоступенчато.

Нитраты используются микроорганизмами – денитрификаторами как акцепторы электронов. Для их нормальной жизнедеятельности требуются бескислородные условия. Допустимая температура от + 5 до +50 °С, оптимальная от + 10 до + 35°С. Диапазон рН 6,0 – 9,0, наивысших значений эффективность денитрификации достигает при рН 7,0 – 7,5.

Процесс одновременной нитрификации-денитрификации постоянно присутствует на всех сооружениях, обеспечивающих глубокую нитрификацию, поскольку всегда имеются анаэробные зоны на разных участках биологической очистки. Кроме того, одновременная нитрификация-денитрификация развивается в крупных хлопьях ила.

Денитрификационным потенциалом сточных вод принято считать соотношение значений БПК5 и общего азота, и, чем больше величина отношения БПК5 к общему азоту, тем лучше:

- отличный – 7 и более;

- хороший – 6 и более;

- оптимальный – 5;

- удовлетворительный – 3 и ниже (интенсивность денитрификации снижается);

- плохой - 2 (процессы денитрификации прекращаются).

Достичь положительных результатов по удалению азота легче при относительной изоляции зон нитрификации и денитрификации, когда условия для них обеспечиваются в разных коридорах аэротенках-вытеснителей. В противном случае, в условиях отсутствия изоляции аэробных и анаэробных зон возможно развитие и накопление в активном иле нитчатых бактерий, которые в своем большинстве являются факультативными анаэробами и наиболее устойчивы к переходным (от аэробных к анаэробным) условиям. Следовательно, при использовании такой технологии очистки существует опасность вспухания ила.

На сооружениях биологической очистки сам по себе процесс денитрификации – положительный, поскольку позволяет освобождать воду от окисленных форм азота.

Сочетанием процессов нитрификации и денитрификации можно снижать содержание неорганического азота на 90%, и общего азота на 80-95%.

Соединения фосфора

В сточных водах фосфор может присутствовать в разных состояниях:

а) в растворенном (50-70%) и коллоидном - фосфаты и полифосфаты гидролизуются в результате биологической очистки в ортофосфаты, а органический фосфор частично переходит в ортофосфаты, частично усваивается активным илом, а частично остается в очищенных водах;

б) в нерастворенном взвешенном (до 15%) - фосфор в основном находится на взвешенных частицах в виде труднорастворимых фосфатов и белковых органических веществ, которые частично осаждаются в первичных отстойниках, а частично сорбируются на активном иле.

Минеральный фосфор в растворенном состоянии – это ортофосфорная кислота и ее анионы.

Органический фосфор в бытовых сточных водах – это в основном метаболиты человека; полифосфаты органические – это нуклеиновые кислоты; нуклеопротеиды – продукты жизнедеятельности гидробионтов и человека.

В аэробных условиях аэротенков полифосфаты и ортофосфаты усваиваются организмами активного ила, а растворенные формы органического фосфора минерализуются в ортофосфаты при помощи бактерий.

Определенные группы бактерий активного ила обладают способностью накапливать в своих клетках растворенные формы фосфора, т.е. откладывать в запас (депонировать) для последующего потребления в качестве энергетического резерва. За счет депонирования полифосфатов в клетках активного ила из сточных вод в аэробных условиях изымаются растворимые соединения фосфора.

Энергия деградации фосфатов расходуется бактериями на накопление и потребление легкоокисляемой органики, клеточный синтез и транспортный перенос в процессе дыхания в анаэробных условиях. Эти процессы сопровождаются отдачей накопленного клеткой фосфора в воду. Таким образом, в аэробных условиях аэротенков эти бактерии сначала накапливают фосфор, а потом в анаэробных условиях вторичных отстойников, в результате биохимического процесса - активно выделяют его обратно в воду.

Процессы нитрификации и дефосфотации как бы противоречат друг другу в обычных условиях биологической очистки - чем эффективнее нитрификация в аэротенках, тем больше накапливается фосфатов в клетках активного ила, и тем больше они его отдадут во вторичных отстойниках. Поэтому в обычных условиях в результате биологической очистки удаляется не более 50% фосфорных соединений (при условии умеренной нитрификации в аэротенках). При этом, достичь 50% удаления возможно только в случае понижения рН сточных вод, т.к. только в этом случае повышается растворимость фосфатов, и усиливаются оба процесса: изъятие и накопление в иле и осаждение на нем в результате биофлокуляции соединений фосфора.

Остальное количество нерастворимых соединений фосфора улавливается активным илом в результате биосорбции, накапливаясь в избыточном активном иле и с выносом взвешенных веществ из вторичных отстойников попадает в природный водоем, захораниваясь в донных осадках.

Таким образом, в процессе традиционной биологической очистки не удается достичь требуемого качества сточных вод по содержанию фосфора и всех форм азота.

Технология глубокого изъятия из сточных вод соединений фосфора основана на сочетании анаэробных, аноксидных и аэробных стадий биологической очистки, с разной обеспеченностью кислородом, на цикличности накопления и использования соединений фосфора в клетках бактерий.

Большое значение для эффективной дефосфотации имеет анаэробная стадия. Чем лучше будут выдержаны условия анаэробной стадии, тем более интенсивно бактериями будут потребляться и депонироваться в клетках фосфаты в последующей аэробной стадии. Результат успешно протекающей анаэробной стадии: накопление запаса органики в клетках и стимуляция у бактерий «жадного» (сверх нормального уровня) потребления фосфатов в последующей аэробной стадии. Это достигается за счет предварительного стрессирования бактерий-аэробов в жестких анаэробных условиях (при полном отсутствии кислорода, даже химически связанного). При попадании бактерий-аэробов в аэробную стадию (с кислородом) накопленный субстрат в виде полигидроксиалканатов начинает потребляться как источник углерода на питание и прирост биомассы бактерий, что сопровождается выделением углекислого газа и воды и повышенным потреблением из окружающей среды фосфатов, которые откладываются в клетках.

Следует учитывать, что содержание фосфатов, как и содержание аммонийного азота, в очищенных водах может возрастать за счет разрушения клеток активного ила при его уплотнении в сооружениях накопления осадка, а также при голодании и самоокислении активного ила, когда его клетки отдают накопленный фосфор в окружающую воду, например при длительном (более суток) прекращении поступления на сооружения органического питания в необходимых объемах вместе со стоками.

Увеличение количества фосфатов в очищенных водах может происходить также по причине повышенного выноса активного ила из вторичных отстойников или илоотделителей аэротенков.

Железо

Тяжелые металлы – наиболее распространенная группа токсичных, инертных к биохимическому окислению загрязняющих веществ, присутствующих в сточных водах. Металлы образуют с кислородом оксиды, а с неметаллами – соли. Те и другие образуют гидроксиды, которыми, в основном, металлы представлены в природных и сточных водах. Токсичность многих солей щелочных, щелочноземельных и тяжелых металлов снижается в жесткой воде, а присутствие СПАВ в сточных водах усиливает токсическое действие металлов (за счет способности СПАВ изменять поверхностное натяжение воды).

Токсическое действие на активный ил усиливается одновременным содержанием в сточных водах тяжелых металлов: меди и железа.

Наличие хлора в сточных водах усиливает токсическое действие металлов, за счет его стерилизующего действия.

Присутствие металлов и их солей (в нетоксичных концентрациях) в поступающих на очистку водах существенно улучшает работу сооружений механической очистки, поскольку металлы интенсифицируют процесс осаждения взвешенных частиц.

Однако в первичных отстойниках металлы (в виде оксидов и гидрокисдов) адсорбируются на коллоидных частицах, утяжеляют их и способствуют их эффективному осаждению, что может вызвать голодание активного ила, уменьшить его прирост и, в целом, ухудшить работу аэротенков. Большое значение при этом играет фактор рН, поскольку в диапазоне его значений от 6 до 7 процесс адсорбции коллоидов значительно интенсифицируется.

Если содержание металлов в очищаемых водах превышает сорбционную емкость активного ила, у него наблюдается токсический «металлический стресс». «Металлический стресс» у активного ила проявляется следующим образом: - на первом этапе исчезают чувствительные к токсикантам формы (инфузории, коловратки, хищники); - затем, нарастает численность устойчивых форм (нитчатые, зооглейные бактерии, планктонные раковинные амебы и т.п.); - после чего биоценоз ила полностью структурно перестраивается, процветают только наиболее устойчивые организмы – нитчатые формы бактерий, что завершается вспуханием активного ила.

Как правило, железо удаляется в первичных отстойниках (0-25%) и в аэротенках (75%). На крупных станциях аэрации в России в результате механической и полной биологической очистки степень удаления железа достигает 86 - 90%.

Степень удаления железа в процессе биологической очистки зависит от его начальной концентрации в неочищенных сточных водах, дозы ила, времени контакта сточных вод с илом и эффективности сорбции соединений металлов, в которой активно участвует биополимерный гель активного ила.