Основные методы биологической очистки
Сточные воды, загрязненные в результате деятельности человека, необходимо подвергать очистке перед выпуском в природные водоемы. Биотехнологические методы очистки доказали свою экологическую и экономическую эффективность для очистки сточных вод различного типа и разной степени загрязнения.
Несмотря на обилие хорошо освоенных методов физической и физико-химической очистки загрязненной воды, методы биологической очистки являются динамично развивающейся отраслью прикладной экологии и в перспективе способны решить актуальные задачи водоотведения.
Биологические процессы, протекающие в живых организмах, сопровождаются превращением химических соединений и выделением энергии. Определенные виды микроорганизмов реализуют не только всем известный цикл биогенной трансформации азота, но и циклы превращения других биогенных элементов — серы, марганца, хрома, железа и большинства элементов, участвующих в окислительно-восстановительных реакциях. Важно и то, что процессы с участием живых организмов предполагают несколько альтернативных возможностей для биотрансформации элементов, поэтому для промышленной реализации почти всегда можно выбрать наиболее удобный путь.
Биологические реакции нитрификации и денитрификации в процессах водоочистки — давно признанные и активно используемые человеком процессы. В конце ХХ века был открыт еще один важный биологический процесс, получивший название анаммокс-реакции или аноксидного окисления аммония.
Сущность анаммокс-процесса заключается в микробиологическом окислении аммония в анаэробных условиях. В результате реакции выделяется атмосферный азот:
Формула:
По сравнению с реакцией денитрификации, анаммокс-реакция не требует поддержания аэробных условий и не требует присутствия веществ -доноров электронов (органики). Реализация этой реакции на практике позволит сократить стадию денитрификации и сократить этап нитрификации. Анаммокс-процесс перспективно использовать для очистки стоков, сильно загрязненных аммонийными ионами, но с низким содержанием органических веществ.
В прикладной экологии биологические технологии используют свойства микроорганизмов и некоторых бактерий накапливать на своей поверхности или внутри клетки важные для жизнедеятельности химические соединения. Примером внутриклеточной аккумуляции может служить реакция биологического связывания фосфора.
Фосфат-аккумулирующие бактерии являются гетеротрофами, поэтому за счет хемосинтеза приобретают конкурентное преимущество перед другими видами микроорганизмов. Они потребляют из загрязненной воды фосфат-ионы и, при поглощении энергии окисления органического субстрата, накапливают полифосфаты внутри клетки.
При недостатке субстрата-окислителя микроорганизмы способны расходовать полифосфаты в качестве питательного субстрата. Такая способность позволяет микроорганизмам потреблять любой доступный субстрат и выживать даже в условиях недостатка элементов-окислителей.
Способность микроорганизмов к биологической аккумуляции фосфора служит основой для биотехнологии очистки воды. Биологический ил (субстрат для бактерий) подготавливается таким образом, чтобы создать условия для преимущественного размножения определенного вида бактерий. Оптимальная скорость роста этих бактерий обуславливается сочетанием факторов кинетической селекции — температуры, возраста ила и т.п.
Способность микроорганизмов закрепляться на поверхностях твердых тел используется для повышения интенсивности биологических процессов. На этом основан принцип действия биофильтров. Прикрепленные к твердой поверхности бактерии получают больше возможностей для поглощения субстрата за счет того, что поток воды постоянно омывает их тела. Плавающие в потоке воды бактерии находятся в худших по сравнению с ними условиях.
Недостатки конструкций имеющихся типов биофильтров:
- трудности с удалением избыточной биопленки;
- заиливание биофильтра, развитие гнилостных процессов и, как следствие, ухудшение массообмена;
- возможность вторичного загрязнения воды.
Биофильтры с плавающей загрузки способны устранить указанные недостатки при сохранении принципа иммобилизации микроорганизмов на твердом носителе. Современные виды пластиков способны стать подходящими видами загрузки, обеспечить необходимый режим биологической очистки и предотвратить механическое отслаивание биопленки.
