Основы биологической очистки промстоков ЦБП (стр. 2 )

где l0, l – БПК5 исходной и очищенной сточной воды, мг/м3;  S – тоже по ХПК, кг/м3; г0, А – параметры состава промстоков: для сточных вод сульфатно-целлюлозного производства  – г0 = 3, А = 2; сульфитно-целлюлозного – г0 = 5 – 6, А = 5 – 10; общего стока ЦБК, выпускающего сульфатную и сульфитную целлюлозы, г0 = 4, А = 5.

На рис. 1.1. показано изменение отношения БПК5:ХПК с увеличением эффекта очистки промстоков по БПК5. При эффекте очистки около 98% в сточной воде остаются наиболее трудноокисляемые вещества, для которых отношение БПК5:ХПК близко к 0,01, т. е.  соответствует этой величине для щелочного лигнина и лигносульфонатов.

  0  20  40 60 80  Е,%

Рис. 1.1. Зависимость отношения БПК5:ХПК от  эффекта очистки по БПК5 промстоков целлюлозно-бумажного комбината 

Очистка промстоков от таких трудноокисляемых соединений, как щелочной лигнин и лигносульфонаты, биологическим методом нецелесообразна в силу крайне низких скоростей процесса, как в очистных сооружениях, так и в водоемах при поступлении в них очищенных промстоков. По этой причине эффективность очистки промстоков в ЦБП на уровне 98 − 98,5% по БПК5 считается макси­мальной и в большинстве случаев достаточной для биологичес­ких способов.

1.2. ФОРМИРОВАНИЕ, СОСТАВ И СВОЙСТВА АКТИВНОГО ИЛА

В нестерильных условиях аэротенка на многокомпонентном органическом комплексе промстоков (полисубстрате) происходит естественный отбор определенных форм микроорганизмов, которые образуют характер­ные для данного режима очистки биоценозы. Формой существования биоценозов микроорганизмов очистных сооружений является активный ил, подобный илу рек и озер, но содержащий значительно больше живых микроорганизмов.

       В состав биоценоза активного ила входят различные виды бакте­рий (преимущественно гетеротрофных, т. е. способных окислять различ­ные компоненты). Они играют основную роль в биоокислении органичес­ких загрязнений. Простейшие грибы, беспозвоночные и другие более высокие формы организмов используют в биоценозе для питания самих бактерий. Около половины всех бактерий относятся к роду Pseudomonas,
15−20% − к представителям рода Bacterium, а 20−30% − к родам Corynebaсterium,        Bacillus, Micrococcus и другим. Наличие в стоках ЦБП широкого спектра легко− и  трудноокисляемых компонентов и искусственная рециркуляция биомассы приводят к развитию в биоце­нозе микроорганизмов, резко различающихся по скоростям роста. Ди­апазон удельных скоростей роста отдельных бактерий активного ила составляет 0,05 − 1,0 ч−1.

Большинство простейших использует в качестве пищи дисперсные бактерии, что способствует осветлению сточных вод. С другой сторо­ны этот процесс ведет к более быстрому поступлению в среду биогенных элементов (азота, фосфора, магния и др.), чем при разрушении (автолизе) бактерий или с продуктами их метаболизма. В результате такого малого круговорота биогенов в системе «хищник-жертва» увеличивается скорость утилизации бактериями органического субст­рата. Известно также, что в процессе жизнедеятельности простейшие выделяют биополимеры, способствующие слипанию бактерий, то есть образованию хлопков активного ила.

Формирование хлопьев активного ила является проявлением од­ной из важнейших особенностей живых клеток − способности к агрегации и к развитию от более простых к более сложным уровням органи­зации. Эта способность играет важную роль в технологии биологичес­кой очистки, позволяя производить отделение активного ила от сточ­ной воды путем отстаивания.

Хлопьеобразование − процесс сложный. Его механизм окончательно не установлен. Общепризнано, что для слипания клеток в хлопья необходимы экзополимеры, нейтрализующие отрицательный заряд клеточ­ной поверхности. К основным полимерам, входящим в состав слизистых бактериальных капсул, относятся полисахариды, поли-в-оксимасляная кислота, белки, ДНК, РНК. Экзополимеры занимают свыше 50% объема хлопка активного ила. С физиологических позиций капсулы служат матриксом для размещения экзоферментов, необходимых для предвари­тельного расщепления высокомолекулярных соединений; одновременно, капсульные полимеры являются резервным субстратом и частично потребляются клетками в условиях голодания.

Наиболее распространенная точка зрения сводится к тому, что образование бактериальных капсул и формирование хлопьев активного ила происходит в конце логарифмической и стационарной фазах роста микроорганизмов при исчерпании в среде доступного субстрата.

Однако имеются данные, согласно которым процесс хлопьеобразования может происходить и при избытке субстрата, но обязательным условием является интенсивное перемешивание (аэрация) среды. Так Ломова и др., изучая влияние концентрации загрязнений в сточных водах ЦБП на флокуляцию бактерий, установили, что образование хлопков активного ила в перемешиваемой среде происходит в широком диапазоне БПК5 промстоков (0,1 − 8,0 кг/м3). Лишь при концентрации загрязнений 10 − 12 кг/м3 по БПК5 не наблюдалось образования капсульных веществ и формирования хлопьев.

Из микробиологии известно, что возникающие при перемешивании культуральной среды динамические межклеточные взаимодействия играют важную роль в регуляции роста микроорганизмов. При увеличении концентрации клеток происходит резкое возрастание интенсивности динамических межклеточных контактов, вызывающих даже при избытке субстрата кооперативную структурную перестройку клеточных мембран и утрату клетками способности к размножению. Эффект концентрацион­ного ингибирования размножения клеток в перемешиваемой среде дос­таточно специфичен. Динамические контакты клеток не друг с другом, а с другими объектами и даже с мертвыми клетками, не инактивируют рост. Критическая концентрация клеток, сверх которой рост пере­мешиваемой культуры прекращается, составляет около 1∙109/мл. Замена динамических контактов на статические при отключении пере­мешивания приводит к снятию концентрированного ингибирования и возобновлению роста микроорганизмов вплоть до концентраций, близ­ких к плотности максимальной упаковки клеток, составляющей для бактерий около 1∙1011 /мл.

Критическая концентрация дисперсных клеток перемешиваемой культуры микроорганизмов (1∙109 /мл или около 0,4 − 0,5 кг/м3 по сухой массе) хорошо согласуется с  концентрацией микроорганизмов (0,2 − 0,5кг/м3), с которой обычно начинается образование хлопьев активного ила. Это позволяет заключить, что важной "движущей силой" хлопьеобразования является стремление микроорганизмов к росту, к размножению: слипание бактерий в хлопья позволяет им размножаться при значительно большей концентрации в среде за счет замены динамических контактов (соударений дисперсных клеток) на статические внутри хлопьев активного ила. Иными сло­вами, формирование хлопьев активного ила можно рассматривать как кооперативную перестройку, позволяющую бактериям размножаться в перемешиваемой среде при высоких концентрациях клеток, характерных для систем биологической очистки.

С термодинамических позиций, сформулированных Одумом для развития экологических систем, объединение структурных единиц биомассы в достаточно крупные блоки вызывает снижение затрат энергии на поддержание жизнедеятельности относительно энергии, заклю­ченной в биомассе, в расчете на структурную единицу. Следовательно,  объединение микроорганизмов в макроколонии − хлопья активного ила − отражает стремление экосистем довести до минимума отноше­ние энергетических затрат на поддержание биоструктуры и заключен­ной в ней энергии, т. е. повысить термодинамическую упорядоченность.

Таким образом, формирование хлопьев активного ила в услови­ях аэротенков можно рассматривать как адаптационную перестройку бактериального ценоза, направленную на снижение уровня концент­рации ингибирования роста (замена динамических контактов на статические) и повышение эффективности использования потока внеш­ней энергии (снижение удельных затрат энергии на поддержание жизнедеятельности биоструктуры).

Схематически процесс образования хлопьев активного ила показан на рис.1.2.

 

Рис. 1.2. Схема образования хлопьев активного ила:

1 – дисперсные клетки; 2 – дисперсные клетки, покрытые зооглейной капсулой; 3 − микрохлопок, образовавшийся в  результате слипания нескольких столкнувшихся клеток; 4 −  хлопок активного ила.

Хлопья активного ила − это динамические структуры. Микромасштабные  турбулентные пульсации, возникающие при перемешивании жид­кости в аэротенках, разрушают их на более мелкие частицы, которые при столкновении вновь слипаются и т. д. Время жизни одного хлопка составляет секунды и доли секунды. С возрастанием интенсивности перемешивания (уменьшением масштаба микротурбулентных пульсаций жидкости) среднестатистический размер хлопьев падает.

Таким образом, с одной стороны, перемешивание жидкостной сре­ды является необходимым условием хлопьеобразования, а с другой стороны, увеличение его интенсивности разрушает частицы ила вплоть до эрозии с поверхности хлопьев дисперсных клеток. В результате, зависимость доли дисперсных бактерий от интенсивности перемешива­ния носит экстремальный характер (рис. 1.3).

Рис.1.3. Влияние интенсивно­сти перемешивания на соотношение дис­персных частиц и хлопьев активного ила:

1 − Хd + Х = 1кг/м3;  2 − Хd + Х = 3 кг/м3 (Хd, Х − соответственно, концентрация по сухой массе дисперсных частиц и хлопьев активного ила, кг/м3; G − градиент скорости в потоке, с−1).

Значения градиента скорости G, обеспечивающие наиболее эффективную флокуляцию (минимум отношения  Хd/Х), составляют 20 − 60с−1, в то время как в аэротенках G = 100 −  400с−1. Концентрация дисперсных частиц при дозе активного ила 1 − 3 кг/м3 может быть оценена по уравнению: