Бактериальные препараты для аэробной очистки

Важнейшим направлением в создании инновационных биотехнологий является поиск новых композиций активных бактериальных культур.

Лабораторно-промышленные испытания детоксикации сточных вод производства сульфатной целлюлозы с помощью различных аэробных бактерий проведены в работах [194-199].

Снижение показателей БПК, ХПК и концентрации хлорированных фенолов до нормативного уровня при аэробной бактериальной очистке сточных водах сульфатного производства показано в [196, 197]. В работах [198, 199] установлена высокая лигнолитическая активность смешанной культуры из трех аэробных бактериальных штаммов: Pseudochrobactrum glaciale, Providencia rettgeri, Pantoea sp. Установлено, что их использование для бактериальной очистки сточных вод производства сульфатной целлюлозы, позволяет снизить содержание лигнина и хлорфенолов, достигающее соответственно 1 г/л и 90 мг/л, на 90%, уменьшить цветность на 96%, химическое потребление кислорода (ХПК) на 91%, биологическое потребление кислорода (БПК) на 93%.

Подобные исследования позволяют разработать технологии, основанные на внедрении в существующие сообщества микроорганизмов активного ила, специально выращенных и адаптированных к различным условиям жизнедеятельности устойчивых форм бактериальных культур или в их обогащении штаммами, синергически усиливающими расщепление и деградацию специфических для каждого предприятия загрязняющих веществ. Так, например, для обеззараживания стоков ЦБП компания NOVOZYMES BIOLOGICALS (Франция) создала препарат Bichem, нашедший широкое применение во многих странах Европы. Однако по мнению специалистов для его практического использования на предприятиях России необходимы дополнительные исследования, т.к. в большинстве своем эти предприятия отличаются многопрофильностью и наличием в сточных водах значительно более широкого спектра загрязнений по сравнению с предприятиями, на которых культуры Bichem испытаны и внедрены [200].

Известно около 100 видов бактерий, дрожжей и грибов, способных окислять углеводороды. Максимальная активность нефтеокисляющих микроорганизмов наблюдается при температуре воды 15—35° С. С понижением температуры интенсивность окисления резко уменьшается [201-203]

Отечественная разработка ООО «Микробные технологии» препарат "Деворойл" получен на основе сообщества микроорганизмов дрожжей и бактерий Rhodococcus sp., Rhodococcus maris, Rhodococcus erythropolis, Pseudomonas stutzeri, Candida sp., растущих на углеводородах различных классов и их производных, устойчивых к повышенной солености (до 150 г/л NaCl), к резким колебаниям температуры - от +5 до +40°С, с активностью в широком диапазоне pH (от 4,5 до 9,5 [204].

Биофильтры

Стандартная аэробная очистка способна достигнуть уровня БПК_п=10 мг О₂/л, для доочистки можно использовать биофильтры. [205]. Детоксикация стоков на биофильтрах является аналогом фильтрации с помощью песка, только в данном случае фильтрующим материалом является помещенный в резервуар крупнозернистый материал), на котором выращена "пленка" из микроорганизмов. В биофильтрах процесс доочистки происходит не в объеме, а на поверхности пленки путем естественной аэрации. Такой способ эффективен для малых объемов сточных вод. Непрерывная вентиляция атмосферного воздуха через загрузку фильтра возможно за счет разницы в температурах между сточными водами и воздухом. Именно так обеспечивается тот уровень концентрации кислорода, который необходим для жизнедеятельности микроорганизмов. Главное направление в совершенствовании биофильтров в настоящее время состоит в увеличении поверхности загрузки. Схема устройства биофильтра показана на рис. 2.11.

 

Рис. 2.11. Схема биологического фильтра с объемной загрузкой (с нисходящим потоком).

 

Биофильтры для очистки сточных вод можно разделить на:

1). Фильтры с объемной нагрузкой (с использованием щебня прочных горных пород, гальки, шлака и керамзита);

Материалом загрузки чаще всего выступают антрацит, песок, сланец, пемза, с диаметром частиц 4 мм, и высотой загрузки до 4 м (высоконагрузочные биофильтры) и до 18 м (башенные биофильтры), пористость 40-50%. По направлению потока сточной воды, которая подверглась обработке, биофильтры делятся на восходящие и нисходящие. Фильтрование сточных вод достигается за счет рециркуляции допустимой смеси, поступающей и циркулируемой сточной воды, которая подается в биофильтр. Главное отличие данного вида биофильтров состоит в повышенной окислительной мощности.

2).Фильтры с плоскостной нагрузкой (с использованием пластмасс и керамики, которые способны выдерживать температуру 6-30^оС, не теряя прочность).

Плоскостная загрузка обеспечивает пропускную способность биофильтров, пористость которой увеличивается до 70-90 %. Биофильтры с плоскостной загрузкой чаще всего устанавливают в помещении. Качество воды, очищенной с помощью биофильтра данного типа,, практически приравнивается к качеству очищенной сточной воды, достигнутой с помощью специальных установок, которые обеспечивают полное биологическое окисление с активным илом.

Высота слоя загрузочного материала 3—8 м, пористость 70—99%, удельная площадь поверхности 60— 250 м²/м³, плотность 10—250 кг/м³. Различные виды полимерной загрузки для биофильтров показаны на рис. 2.12.

 

Рис. 2.12. Различные виды полимерной загрузки для биофильтров.

Биофильтры можно также классифицировать как:

1). Двухступенчатые, обеспечивающие высокую степень очистки сточных труб в том случае, когда увеличить высоту устройства невозможно;

2). Биофильтры с капельным типом фильтрации. Они обладают относительно низкой производительностью, но могут обеспечить полную очистку вод.

Данный вид биофильтров характеризуется тем, что сточная вода подается в виде капель или струй. Для обеспечения вентиляции воздуха предусмотрены открытая крыша фильтра для очистки сточных вод и дренаж. Такой вид биофильтров характеризуется низкой нагрузкой по воде. Они обычно имеют крупность фракций загрузочного материала 20- 30 мм и высоту слоя загрузки 1 —2 м.

Принцип работы капельных биофильтров состоит в том, что после прохождения сточной воды через первичный отстойник, она осветляется и поступает в распределительное устройство, из которого периодически напускается на поверхность биофильтра. Вода, профильтрованная при помощи биофильтра, попадает в дренаж, откуда вытекает к специальным отводным лоткам, расположенным за пределами устройства. После этого вода попадает во вторичные отстойники, где происходит отделение выносимой пленки от уже очищенной воды.

Если сравнивать два метода очистки – с помощью биофильтра или аэротенка, то всё зависит от условий эксплуатации очистных сооружений. Если на участке нужна простая и энергонезависимая система очистки, стоит отдать предпочтение биофильтрам. Если важным является качество, стоит выбрать аэротенк, способный обеспечить наиболее высокий уровень очистки стоков, но требующий постоянного доступа к электропитанию и требующий поддержания определённого уровня влажности в системе.

С конца 1950-х годов число строящихся станций биофильтрации стало уменьшаться, вследствие таких причин как: неиндустриальность строительства, отсутствие загрузочного материала, малая пропускная способность установок, изменение состава поступающих сточных вод, ненадежность работы при перегрузках, особенно по органическим загрязнениям, и др. Это привело к тому, что из общего числа проектируемых и строящихся биологических окислителей на долю биофильтров приходится не более 10%. В то же время при наличии дешевых местных материалов и дефиците электроэнергии, а также в тяжелых грунтовых условиях и сейсмичных районах предпочтение отдается биофильтрам. Например, в Кыргызстане из 31 действующей станции биологической очистки — 28 с биофильтрами. Следует отметить, что в ряде отраслей промышленности (гидролизно-дрожжевая, пищевая и др.), где сточные воды обладают значительной пенообразующей способностью, целесообразно применять биофильтры[206].

Уже отмечалось, что биофильтры подходят для сточных вод небольшого объема с относительно низкой концентрацией загрязняющих веществ.

Биофильтры также успешно используются для обезвреживания содержащих органические ксенобиотики газовых выбросов и дезодорации воздуха.

Долгие годы методы биологической очистки воздуха были ограничены достаточно примитивными технологиями удаления запахов, в основном, сельскохозяйственных производств, с использованием малопроизводительных и громоздких почвенных фильтров. В начале восьмидесятых годов прошлого века, для детоксикации газовых выбросов стали активно применять микробиологические фильтры [207].

Существуют также различные биологические препараты - нейтрализаторы запахов. Такие препараты содержат  комплекс биологических экстрактов растительного происхождения, вступающих в биохимические реакции с летучими соединениями широкого спектра: ацетон, фенолы, сероводород, аммиак, меркаптаны, в результате реакции происходит микробиологический распад веществ, образующих неприятный запах, на углекислый газ и воду. Таким образом, биопрепарат не маскирует запах с помощью ароматизаторов или отдушек, но уничтожает запах путем естественной очистки воздуха от летучих соединений.

Анаэробная обработка

Анаэробная обработка осуществляется без доступа воздуха в условиях биодеградации органических загрязнителей путем метанового сбраживания. Такой метод является наиболее перспективным для детоксикации сточных вод с высокой концентрацией загрязняющих веществ, осадков а также загрязненных грунтов. Кроме того, анаэробные микроорганизмы более эффективны, чем аэробные для удаления хлорированных органических соединений. Преимущество перед аэробными методами состоит также в резком снижении эксплуатационных расходов (для анаэробных микроорганизмов не требуется дополнительной аэрации воды) и отсутствии проблем, связанных с утилизацией избыточной биомассы. Анаэробные реакторы обычно представляют собой железобетонные или металлические емкости, содержащие минимум, по сравнению с реакторами аэробной очистки, оборудования [185].

Существенный недостаток анаэробных систем заключается в том, что при наличии в сточных водах сульфатов одним из конечных продуктов метаболизма анаэробных бактерий является токсичный сероводород [208].Следует также учитывать, что процесс жизнедеятельности анаэробных бактерий связан с выделением метана, что зачастую требует организации специальной системы наблюдений за его концентрацией в воздухе. В литературе существует множество исследований, посвященных анаэробным методам биологической очистки промышленнных стоков [209-214].

Показано, что анаэробная обработка стоков ЦБК, загрязненных черным щелоком, позволяет снизить ХПК на 87-96% [212]. Стоки хлорного отбеливания не пригодны для анаэробной очистки из-за присутствия токсичных веществ, которые отрицательно влияют на метаногены [212]. С учетом этих обстоятельств, предложена новая технология анаэробной обработки черного щелока, включающая стадии очистки от сульфидов, удаления отходящих газов, адсорбции оксида серы. Процесс позволяет при рН 4 и низком соотношении жидкость-газ достичь 99% очистки [213].

Повысить устойчивость анаэробных бактерий в токсичных средах удается с помощью их иммобилизации на полимерных носителях [214]. Во многих случаях эффективной оказывается система, сочетающая аэробную и анаэробную обработку [215].

Для технического решения задачи анаэробной переработки промышленных отходов используются различные системы: анаэробный контактный реактор, анаэробный слой, анаэробный фильтр, и реактор с псевдо-жидким слоем [185].

UASB –технология

Наиболее используемыми являются UASB-реакторы (Upflow Anaerobic Sludge Blancer reactor — реактор с восходящим потоком через слой анаэробного ила). С помощью этих реакторов не только очищают сточные воды, но и получают биогаз.

В UASB-реакторах происходит внутреннее обогащение биомассы в виде образующегося ила, который агрегирует в гранулы размером 1-3 мм. Реакторы эксплуатируют в восходящем режиме, т.е. сточные воды протекают через реактор снизу вверх. Образующиеся в результате разложения органических загрязнений возникают газы, которые в виде газовых пузырьков пристают к гранулам. Вследствие этого гранулы поднимаются вверх, что приводит к перемешиванию в системе. В верхней части UASB-реактора предусмотрена сепараторная система, служащая для задержания гранул в реакторе [215]. Схема UASB-реактора приведена на рис. 2.13.

 

Рис. 2.13. Принцип UASB –технологии [215].

 

Предложены также модификации UASB-реактора, в которых помимо плавающих микроорганизмов в гранулах используются микроорганизмы, иммобилизованные в неподвижном слое на пористых элементах. Причем, в качестве иммобилизованных и плавающих используют различные виды микроорганизмов. Несущие элементы могут быть заселены микроорганизмами родов Sytrophobacter, Sytrophomas, Methanotrix, Methanosarcina и Methanococcus. Очищаемые сточные воды в комбинированном реакторе циркулируют вдоль несущих элементов частично за счет образования микроорганизмами газов [216].

В Европе UASB-реакторы получили большое распространение, в частности, в Нидерландах компаниями "Pâques"en.paques.nl и "Biotan" их сооружено свыше 350. Современное оборудование для аэробно-анаэробной очистки сточных вод предлагают и группы российских компаний [217].

Важным аспектом анаэробной переработки промышленных шламов является синтез биогаза (смеси метана – 60-70%, углекислого газа и небольшого количества азота), который может служить источником энергии (теплотворная способность 4000-6000 ккал/м³). Однако для утилизации лигнина такой метод не пригоден, поскольку лигнин не перерабатывается метановыми бактериями. Анаэробную обработку шлам-лигнина можно проводить только с целью обеззараживания осадка.

В целом, описанные биотехнологии экономически наиболее выгодны для удаления из сточных вод ЦБП низкомолекулярных органических веществ. Для биодеградации высокомолекулярных производных лигнина эффективны методы с использованием базидиальных грибов.