Для начала необходимо разобраться с тем, что представляет собой биологический фильтр. Итак, биофильтр – это специальных резервуар, который обеспечивает фильтрацию сточных вод посредством специального загрузочного материала, покрытого биологической пленкой, состоящей из колоний различных микроорганизмов.

Следует отметить, что 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.

Какие бывают биофильтры?

Одной из важнейших составных частей биофильтра можно считать загрузочный материал. По его типу все биофильтры для очистки сточных вод можно разделить на:

1. Фильтры с объемной нагрузкой (для них характерно широкое использование щебня прочных горных пород, гальки, шлака и керамзита);

2. Фильтры с плоскостной нагрузкой (в данном случае необходимо применения пластмасс, которые способны выдерживать температуру 6-30 градусов по Цельсию, и при этом не потерять свою прочность).

Также биофильтры можно классифицировать на:

1. Двухступенчатые, которые могут обеспечить высокую степень очистки сточных труб в том случае, когда увеличить высоту устройства невозможно;

2. Биофильтры с капельным типом фильтрации. Хоть они и обладают низкой производительностью, но именно данный вид может обеспечить полную очистку вод.

Для всех биофильтров, независимо от их конструкции, характерно наличие следующих составных частей:

1. Фильтрующая нагрузка, которая также является телом фильтра. Она состоит из щебня, керамзита, гравия, шлака и пластика. Обычно она помещается в специальном резервуаре, стенки которого как водопроницаемы, так и водонепроницаемы;

2. Водораспределительное устройство, которое обеспечивает равномерность орошения сточными водами поверхности загрузки биологического фильтра;

3. Дренажное устройство, с помощью которого происходит удаление сточной воды;

4. Воздухораспределительное устройство, которое обеспечивает бесперебойное попадание в систему биофильтра потоков воздуха, с участием которого происходит окислительный процесс.

Также несколько слов необходимо сказать и о биопленке, которая способствует разложению органических веществ для их дальнейшего использования в качестве дополнительного источника энергии м питания. Омертвевшая биопленка в процессе дальнейшей эксплуатации биофильтра отслаивается, смывает протекающей сточной водой и в дальнейшем выносится из оборудования для очистки сточных вод. Для того, чтобы обеспечить загрузку биофильтра, к использованию рекомендуются материалы, характеризующиеся высокой пористостью, малой плотностью и высокой удельной поверхностью. К ним, в первую очередь, относятся щебень, шлак, керамзит, гравий, металл и различные пластиковые сетки, которые обычно скручивают в специальные рулоны. Также следует отметить, что функции биопленки идентичны функциям активного ила: она успешно адсорбирует и перерабатывает биологические вещества, находящиеся в сточных водах.

Механизм действия биофильтра

После того, как сточные вода прошли свою первичную механическую очистку в отстойнике, где удаляются тяжелые фракции загрязняющих веществ, они попадают в секцию биологической очистки. Она осуществляется следующим образом: загрязненная вода при прохождении через фильтрующую нагрузку оставляет на ней все примеси, которые не смогли образовать осадок на уровне первичного отстойника. Также на ней остаются различные коллоидные и растворенные органические вещества, которые сорбируются биологической пленкой.

Далее колонии микроорганизмов, которые питались веществами органического происхождения, получают новый источник энергии для продолжения своей жизнедеятельности. Часть органических веществ будут использованы микроорганизмами как материал для увеличения их численности. Так обеспечивается одновременно и очистка сточных вод, и рост численности микроорганизмов в колонии. Кислород, без которого невозможен данный биохимический процесс, поступает в загрузку путем естественной и искусственной вентиляции фильтра.

На эффективность очистки сточных вод с помощью биофильтра оказывают влияние следующие факторы:

• Биологическая потребность в кислороде (БПК) сточной воды, которая проходит процесс очищения;
• Природа загрязнения веществ;
• Скорость окислительных реакций;
• Интенсивность дыхания микроорганизмов;
• Толщина используемой биопленки;
• Состав веществ, обитающих в биопленке;
• Температура сточных вод, которые проходят через биофильтр.

Капельные биофильтры

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.

Принцип работы капельных биофильтров следующий: после прохождения сточной воды через первичный отстойник, она осветляется и поступает в распределительное устройство, из которого она 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.

Следует отметить, что если сделать нагрузку на поверхность биофильтра выше допустимой, то поверхность биофильтров данного вида быстро заиливается, что приводит к ухудшению их работы. Также капельные биофильтры чаще всего проектируются круглой или прямоугольной формы, со сплошными стенками и двойным дном. Верхнее дно изготавливается в виде колосниковой решетки, а нижнее является сплошным. Расстояние между доньями равно 0,6 метров, что дает возможность специалистам периодически проводить осмотр устройства.

Высоконагружаемые биофильтры (аэрофильтры)

Главное отличие данного вида биофильтров от капельных в первую очередь состоит в повышенной окислительной мощности. Она в первую очередь обусловлена лучшим обменом воздуха и неспособностью загрузки заиливаться. Это достигается с помощью использования специального загрузочного материала с показателем крупности, равным 40-70 мм, а также увеличением высоты работы нагрузки и ее гидравлики.

Материалом загрузки чаще всего выступают антрацит, песок, сланец, пемза, обычных диаметр частиц которых колеблется от 4 до 8 миллиметров. 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.

Для чего используется плоскостная загрузка в биофильтрах?

В первую очередь, она обеспечивает пропускную способность биофильтров, пористость которой увеличивается до 70-90 %. Следует отметить, что биофильтр с плоскостной загрузкой чаще всего устанавливают в помещении. Также многие специалисты уже давно установили, что качество очищенной воды с помощью биофильтра данного типа практически приравнивается к качеству очищенной сточной воды, которая была достигнута с помощью специальных установок, которые обеспечивают полное биологическое окисление с активным илом.

У данного метода есть один недостаток: фильтрация сточных вод происходит по причине необходимости 20-кратной рециркуляции. Это объясняется тем, что снабжение кислородом осуществляется по причине насыщения ем жидкости в период орошения загрузки биофильтра. Следует отметить, что биофильтры с плоскостной нагрузкой обладают большой производительностью и эффективностью, чем другие виды биофильтров.

→ Очистка сточных вод

Классификация биофильтров

Классификация биофильтров

Биофильтры могут работать на полную и неполную биологическую очистку и классифицируются по различным признакам, основными из которых являются конструктивные особенности и вид загрузочного материала.

По виду загрузочного материала биофильтры делятся на: биофильтры с объемной загрузкой (гравий, шлак, керамзит, щебень и др.) и биофильтры с плоскостной загрузкой (пластмассы, асбестоцемент, керамика, металл, ткани и др.).

Биофильтры с объемной загрузкой подразделяются на следующие виды: – капельные, имеющие крупность фракций загрузочного материала 20-30 мм и высоту слоя загрузки 1-2 м; – высоконагружаемые, имеющие крупность загрузочного материала 40-60 мм и высоту слоя загрузки 2-4м; – биофильтры большой высоты (башенные), имеющие крупность загрузочного материала 60-80 мм и высоту слоя загрузки 8-16 м.

Объемный загрузочный материал имеет плотность 500-1500 кг/м3 и пористость 40-50%.

Биофильтры с плоскостной загрузкой подразделяются на следующие виды: – с жесткой засыпной загрузкой. В качестве загрузки могут использоваться керамические, пластмассовые и металлические засыпные элементы. В зависимости от материала загрузки плотность ее составляет 100-600 кг/м3, пористость 70-90%, высота слоя загрузки 1-6 м; – с жесткой блочной загрузкой. Блочные загрузки могут выполняться из различных видов пластмассы (гофрированные и плоские листы или пространственные элементы), а также из’ асбестоце-ментных листов. Плотность пластмассовой загрузки 40-100 кг/м3, пористость 90-97%), высота слоя загрузки 2-16 м; – с мягкой или рулонной загрузкой, выполненной из металлических сеток, пластмассовых пленок, синтетических тканей (нейлон, капрон), которые крепятся на каркасах или укладываются в виде рулонов. Плотность такой загрузки 5-60 кг/м3, пористость 94-99%, высота слоя загрузки 3-8 м.

Пропускная способность биофильтров зависит от конструктивных особенностей того или иного типа сооружения и объясняется содержанием активной биомассы на единицу объема биофильтра.

Биофильтры с объёмной загрузкой (капельные биофильтры). В капельном биофильтре сточная вода подается в виде капель или струй. Естественная вентиляция воздуха осуществляется через открытую поверхность биофильтра и дренаж. Такие биофильтры имеют низкую нагрузку по воде – обычно 0,5-2 м3 на 1 м3 объема загрузочного материала в сутки. Капельные биофильтры впервые появились в Салфорде (Великобритания) в 1893 г., их рекомендуется применять при расходе сточных вод не более 1000 м3/сут. Они предназначаются для полной биологической очистки сточных вод.

Схема работы капельных биофильтров следующая. Сточная вода, осветленная в первичных отстойниках, самотеком (или под напором) поступает в распределительные устройства, из которых периодически напускается на поверхность биофильтра. Вода, профильтровавшаяся через толщу загрузки, проходит через дренажную систему, а далее по непроницаемому днищу стекает к отводным лоткам, расположенным за пределами биофильтра. Затем вода поступает во вторичные отстойники, в которых отмершая биоплёнка отделяется от очищенной воды. При нагрузке по органическим загрязнениям больше допустимой, загрузочный материал быстро заиливается, и работа капельных биофильтров резко ухудшается.

Высоко нагружаемые биофильтры. В начале XX столетия появились биофильтры, которые у нас в стране получили название – аэрофильтры, а за рубежом – биофильтры высокой нагрузки.

Отличительной особенностью этих сооружений является более высокая, по сравнению с капельными биофильтрами, окислительная мощность, что обусловлено меньшей заиляемостью таких фильтров и лучшим обменом воздуха в них. Достигается это благодаря крупным фракциям загрузочного материала и повышенной в несколько раз нагрузке по воде. Высокая скорость движения сточной воды в биофильтре обеспечивает постоянный вынос задержанных трудноокисляемых нерастворенных примесей и отмирающей биопленки. Поступающий в тело биофильтра кислород воздуха расходуется в основном на биологическое окисление части загрязнений, не вынесенных из тела биофильтра. Конструкции аэрофильтров были предложены Н.А. Базякиной и С.Н. Строгановым и в 1929 г. построены на Кожуховской биологической станции. Они предназначаются для неполной и полной биологической очистки сточных вод.

Башенные биофильтры. Эти биофильтры имеют высоту 8-16 м и применяются для очистных станций пропускной способностью до 50 тыс.м3/сут при благоприятном рельефе местности и при БПК очищенных сточных вод 20-25 мг/л. В отечественной практике они распространения не получили.

Биофильтры с плоскостной загрузкой. Появление в 50-х годах XX века плоскостных – блочных, мягких и засыпных загрузочных материалов позволило значительно повысить производительность биологических фильтров (рис. 12.3).

Рис. 12.3. Биофильтр с плоскостной (пластмассовой) загрузкой:
1 – корпус из облегчённых листов по металлическому каркасу; 2 – пластмассовая загрузка; 3 – решетка; 4 – бетонные столбовые опоры; 5 – подводящий трубопровод; б – реактивный ороситель; 7 – отводящие лотки

Как видно из таблицы, плотность плоскостных загрузочных материалов (12,2-140 кг/м3) значительно меньше, чем традиционных из гравия или щебня (1350-1500 кг/м3), что позволяет упростить и облегчить фундамент и ограждающие конструкции биофильтров. Пористость плоскостных загрузочных материалов (87-99%) более чем вдвое выше, чем у объемных загрузок (40-50%), что позволяет отказаться от принудительной вентиляции и сэкономить значительное количество электроэнергии. Удельная поверхность плоскостных загрузочных материалов 80-450 м /м, против 50-80 м /м3 у объемных. Однако, даже при одинаковой удельной поверхности активная поверхность плоскостных загрузочных материалов значительно больше за счет отсутствия мертвых зон, образующихся при соприкосновении фракций засыпного загрузочного материала.

Установлено, что на производительность биофильтра большое влияние оказывает конфигурация загрузочного материала. В загрузочных материалах, где жидкость движется строго вертикально по гладкой поверхности, гидравлический режим ламинарный (идеальный вытеснитель), а в загрузочном материале со сложной формой поверхности, где поток отклоняется по вертикали (Флокор, Пласдек и др.), режим движения жидкости турбулентный. По данным зарубежных ученых, производительность сложных загрузочных материалов, по сравнению с гладкими (при одинаковой площади удельной поверхности и в одинаковых условиях работы), на 67% выше.

Биофильтры насчитывают столетнюю историю использования их в качестве биологических окислителей. Но с конца 50-х годов XX столетия число строящихся станций биофильтрации в нашей стране по субъективным и объективным причинам стало уменьшаться. Среди этих причин можно выделить следующие: неиндустриальность строительства; отсутствие загрузочного материала; малая пропускная способность; изменение состава поступающих на очистку сточных вод; ненадежность работы при перегрузках (особенно по органическим загрязнениям) и ряд других. Из общего числа проектируемых и строящихся биологических окислителей на долю биофильтров приходится не более 10%.

Вместе с тем при наличии дешевых местных материалов и дефиците электроэнергии, а также в тяжелых грунтовых условиях и сейсмичных районах предпочтение отдается биофильтрам. Например, в Киргизии 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 пе-нообразующей способностью, целесообразно применять биофильтры.

В настоящее время сотни построенных станций биофильтрации работают в режиме, превышающем их расчетную пропускную способность, как по расходу сточных вод, так и нагрузкам по органическим загрязнениям. Весьма актуальной стала проблема модернизации таких станций биофильтрации, что явилось стимулом для разработки новых высокопроизводительных загрузочных материалов. Следствием этого и стало появление новых биофильтров с плоскостной загрузкой. Они имеют высокую индуст-иальность строительства, включая заводское изготовление блочного загрузочного материала или комплекса сооружений небольшой пропускной способности. Им свойственна высокая пропускная способность, как по расходу сточных вод, так и по снижению органических загрязнений, превышающая соответствующие показатели биофильтров с объемной загрузкой в 3-8 раз.

Биологический фильтр - сооружение, в котором сточная вода фильтруется через загрузочный материал, покрытый биологической пленкой, образованной колониями микроорганизмов. Биофильтр состоит из следующих основных частей:

• а)фильтрующей загрузки (тело фильтра) из шлака, гравия, керамзита, щебня, пластмасс, асбестоцемента, помещенной обычно в резервуаре с водопроницаемыми или водонепроницаемыми стенками;
• б)водораспределительного устройства, обеспечивающего равномерное с небольшими интервалами орошение сточной водой поверхности загрузки биофильтра;
• в) дренажного устройства для удаления отфильтровавшейся воды;
• г)воздухораспределительного устройства, с помощью которого поступает необходимый для окислительного процесса воздух.

Биофильтры - резервуары, в которых размещена инертная пористая загрузка, через которую сверху вниз просачивается сточная вода. Поверхность загрузочного материала обрастает биопленкой. Исходная вода равномерно распределяется по поверхности загрузки, а очищенная собирается в поддоне под загрузкой и отводится во вторичный отстойник для отделения от постоянно смывающейся с загрузочного материала биопленки.

Для задержания избыточной биопленки после биофильтров устанавливаются вторичные отстойники, в основном вертикального типа. Избыточная пленка из вторичных отстойников должна регулярно удаляться на обработку или иловые площадки, в противном случае загнивающий осадок ухудшает качество очищенной воды. В зависимости от режима работы биофильтра (капельный или высоконагружаемый) образуется разное количество избыточной биопленки: для капельных биофильтров - 8 г/(чел.сутки), для высоконагружаемых - 28 г/(чел.сутки). Влажность осадка, выгружаемого из вторичного отстойника, около 96%.

Биофильтры представляют собой железобетонные или кирпичные резервуары, заполненные фильтрующим материалом, который укладывается на дырчатое днище и орошается сточными водами. Для загрузки биофильтров применяют шлак, щебень, пластмассу и др. Очистка сточных вод в биофильтрах происходит под воздействием микроорганизмов, заселяющих поверхность загрузки и образующих биологическую пленку. При контакте сточной жидкости с этой пленкой микроорганизмы извлекают из воды органические вещества, в результате чего сточная вода очищается.

Процессы окисления, происходящие в биофильтре, аналогичны процессам, происходящим в других сооружениях биологической очистки, и в первую очередь на полях орошения и полях фильтрации. Однако в биофильтре эти процессы протекают значительно интенсивнее.

Проходя через загрузку биофильтра, загрязненная вода оставляет в ней не растворенные примеси, не осевшие в первичных отстойниках, а также коллоидные и растворенные органические вещества, абсорбируемые биологической пленкой. Густо заселяющие биопленку микроорганизмы окисляют органические вещества и отсюда черпают энергию, необходимую для своей жизнедеятельности. Часть органических веществ микроорганизмы используют как пластический материал для увеличения своей массы. Таким образом, из сточной воды удаляются органические вещества и в то же время увеличивается масса активной биологической пленки в теле биофильтра. Отработанная и омертвевшая пленка смывается протекающей сточной водой и выносится из тела биофильтра. Необходимый для биохимического процесса кислород воздуха поступает в толщу загрузки путем естественной и искусственной вентиляции фильтра.

Классификация биофильтров.

Биофильтры классифицируются по различным признакам.

По степени очистки -на биофильтры, работающие на полную и неполную биологическую очистку. Высокопроизводительные биофильтры могут работать на полную или неполную очистку в зависимости от необходимой степени очистки. Малопроизводительные биофильтры работают только на полную очистку.

По способу подачи воздуха - на биофильтры с естественной и искусственной подачей воздуха. Во втором случае они часто носят название аэрофильтров. Наибольшее применение в настоящее время имеют биофильтры с искусственной подачей воздуха.

По режиму работы - на биофильтры, работающие с рециркуляцией и без нее. Если концентрация загрязнений в поступающих на биофильтр сточных водах невысока и они могут быть поданы на биофильтр в таком объеме, который достаточен для самопроизвольной его промывки, то рециркуляция стока не обязательна. При очистке концентрированных сточных вод рециркуляция желательна, а в некоторых случаях обязательна. Рециркуляция позволяет понизить концентрацию сточных вод до необходимой величины, так же как и предварительная их обработка в аэротенках - на неполную очистку.

По технологической схеме - на биофильтры одноступенчатые и двухступенчатые. Двухступенчатые биофильтры применяются при неблагоприятных климатических условиях, при отсутствии возможности увеличивать высоту биофильтров и при необходимости более высокой степени очистки.

Иногда предусматривается переключение фильтров, т. е. периодическая эксплуатация каждого из них в качестве фильтра первой и второй ступени.

По пропускной способности - на биофильтры малой пропускной способности (капельные) и большой пропускной способности (высоко-нагружаемые).

По конструктивным особенностям загрузочного материала - на биофильтры с объемной загрузкой и с плоскостной загрузкой.

Биофильтры с объемной загрузкой можно подразделить на: капельные биофильтры (малой пропускной способности), имеющие крупность фракций загрузочного материала 20-30 мм и высоту слоя загрузки 1-2 м;

высоко нагружаемые биофильтры, имеющие крупность загрузочного материала 40-60 мм и высоту слоя загрузки 2-4 м;биофильтры большой высоты (башенные), имеющие крупность загрузочного материала 60-80 мм и высоту слоя загрузки 8-16 м. Биофильтры с плоскостной загрузкой подразделяются на: биофильтры с жесткой загрузкой в виде колец, обрезков труб и других элементов. В качестве загрузки могут быть использованы керамические, пластмассовые и металлические засыпные элементы. В зависимости от материала загрузки плотность ее составляет 100-600 кг/м8, пористость 70-90%, высота слоя загрузки 1-6 м;биофильтры с жесткой загрузкой в виде решеток или блоков, собранных из чередующихся плоских и гофрированных листов. Блочные загрузки могут выполняться из различных видов пластмассы (поливинилхлорид, полиэтилен, полипропилен, полистирол и др.), а также из асбестоцементных листов. Плотность пластмассовой загрузки 40- 100 кг/м3, пористость 90-97%, высота слоя загрузки 2-16 м. Плотность асбестоцементной загрузки 200-250 кг/м3, пористость 80-90%, высота слоя загрузки 2-6 м;биофильтры с мягкой или рулонной загрузкой, выполненной из металлических сеток, пластмассовых пленок, синтетических тканей (нейлон, капрон), которые крепятся на каркасах или укладываются в виде рулонов. Плотность такой загрузки 5-60 кг/м3, пористость 94-99%, высота слоя загрузки 3-8 м.

К биофильтрам с плоскостной загрузкой следует отнести и погружные биофильтры, представляющие собой резервуары, заполненные сточной водой и имеющие днище вогнутой формы. Вдоль резервуара несколько выше уровня сточной воды устанавливается вал с насаженными пластмассовыми, асбестоцементными или металлическими дисками диаметром 0,6-3 м. Расстояние между дисками 10-20 мм, частота вращения вала с дисками 1-40 мин-1.

Плоскостные биофильтры с засыпной и мягкой загрузкой рекомендуется применять при расходах до 10 тыс. м3/сутки, с блочной загрузкой- до 50 тыс. м3/сутки, погружные биофильтры - для малых расходов до 500 м3/сутки.

Преимущества биологического метода очистки - возможность удалять из сточных вод разнообразные органические соединения, в том числе токсичные, простота конструкции аппаратуры, относительно невысокая эксплуатационная стоимость. К недостаткам следует отнести высокие капитальные затраты, необходимость строгого соблюдения технологического режима очистки, токсичное действие на микроорганизмы некоторых органических соединений и необходимость разбавления сточных вод в случае высокой концентрации примесей.

Микробиологические основы процессов очистки серосодержащих сточных вод.

Принцип биологической очистки серосодержащих сточных вод основан на протекании биохимических окислительно-восстановительных процессов, осуществляемых микроорганизмами в процессе их жизнедеятельности с превращением разнообразных неорганических и органических соединений серы в безвредные малотоксичные продукты окисления.

Преимуществом биологического метода очистки является возможность удалять из сточных вод разнообразные органические соединения, в том числе токсичные. Так же преимуществом является простота конструкции аппаратуры, относительно невысокая эксплуатационная стоимость, экологичность. Очистка происходит по принципу дублирование одного из этапов биологического круговорота серы в природе.

Считается, что основную роль в биологическом круговороте серы играет 2 группы микроорганизмов:

• -продуцирующие сероводород (к ним относится гнилостные, сульфатредуцирующие серо восстанавливающие бактерии)
• -окисляющие сероводород и неорганические соединения серы

Сера является биогенным элементам с активным окислительно-восстановительным циклом и представлены разными по химической природе соединениями со степенью окисления от -2 до плюс +6. Поэтому существуют различные группы микроорганизмов, способных изъять все соединения серы из сточных вод. Подразделяется они в зависимости от используемого источника энергии, углерода и субстрата на соответствующие группы.

Способность к биологическому окислению или восстановленнию соединений серы присущи представителям всех систематических групп микроорганизмов, при этом бактерии легче других организмов адаптируются к использованию новых органических субстратов.

Среди микроорганизмов, активно окисляющих восстановленные неорганические соединения серы в природных и искусственных экосистемах, можно выделить следующие группы

• - Тионовые бактерии видов в составе родов Thiobacillus, Themothrix, Thiomicrospira, Thiosphaera
• - Серобактерии, представленные одноклеточными и многоклеточными формами, относящимся к родам Achromatium, Thiobacterium, Beggiota, Thiotrix, Thioploca
• - Фотосинтезирующие пурпурный и зеленые серные бактерии, а также некоторые цианобактерии

Хемоорганогетеротрофные организмы: бактерии родов Bacillius, Pseudomoas, актиномицеты и гриббы

Серобактерии в природе широко распространенны и составляет гетерогенную группу, в которой они объединены по одному общему признаку - способности окислять восстановленный или частично окисленные неорганические соединения серы. Использование этого свойства привело к соединению в одной группе многих таксономически невзаимосвязанных родов. Различные группы серокисляющих бактерий отличаются друг от друга типом питания, физиологическими свойствами, и экологическими особенностями.

Среди бесцветных серобактерии встречаются фактически все известные формы клеток и типы подвижности. Рост представителей этой группы можно обнаружить при значении, рН почти во всем диапазоне от 1 до 10,5. Основные признаки, объединяющие бесцветных серобактерий следующие: все они грамотрицательные, аэробные формы, причем некоторое из них способны к денитрификации, являются хемолитотрофами. Бесцветные серобактерии могут быть обнаружены практически везде, где присутствует восстановленные соединения серы.

Тионовые бактерии в морфологическом отношении представляет весьма однородную группу, относительная коды Тhiobacillus.

Клетки палочковидные с закругленными концами, обладающие полярным жгутиком, нейтрофилы, могут расти при рН от 6 до 8, но не растут при значениях ниже рН 3. Могут использовать кислород или в анаэробных условиях нитрат или нитрид как терминальный акцептор электронов.

Некоторые виды в чистой культуры не могут вырасти в анаэробных условиях, участвуя в осуществлении процесса денитрификации, так как способны восстанавливать нитрат только до нитрита, который при накоплении токсичен. Тионовые бактерии, однако, будут активно расти в смешанной культуре с нитритвосстанавливающими микроорганизмами.

Большинство тионовых бактерий - это типичные автотрофы, которые осуществляют хемосинтез, то есть способность ассимилировать CO2 за счёт энергии, получаемой при окислении восстановленных соединений серы, то есть они не нуждаются в органическом источнике углерода, однако для развития некоторых видов одновременно с неорганическим донором электронов требуется органические соединения.

Вторая группа серобактерии обладает отличительным свойством откладывать капли сера внутрь клеток или непосредственно на их поверхности. Одноклеточные бесцветные серобактерии - крупные неподвижные (Acheromatium) и подвижные формы, передвигающиеся с помощью многочисленных перитрихальных (p. Thiovulum) или одного полярного жгутика (p. Macromonas). Нитчатые организмы представлены неподвижными или способными к скользящему движению (pp. Beggiatoa, Thioploca) формами, встречающимися, главным образом, в грязевых водоемах.

Серобактерии доминирует в местообитаниях с относительно низким содержанием сульфида и богатых органическим веществом, например, в микробных сообществах систем очистки бытовых сточных вод, приливно-отливные зонах морей и океанов.

Таким образом, тионовые или несерные и серные бактерии окисляют одни и те же соединения, при отсутствии сероводорода в окружающей среде окисляют серу до тиосульфатов и, далее, до сульфатов. Разница заключается в том, что тионовые бактерии откладывают образующуюся серу вне своих клеток, а истинные серобактерии накапливают внутри клеток.

Фотосинтезирующие пурпурные зеленые серные бактерии способны окисляет сероводород, сера, гипосульфит, сульфит и другие не вполне окисленные соединения серы, используя для этого энергию солнечных лучей. В составе их имеется пигмент бактериохлорофилл, аналогично хлорофиллу растений. У фотосинтезирующих бактерий донором водорода служит сероводород, а в свободном состоянии выделяется сера.

Данные бактерии могут строить свои клетки, используя в качестве единственного источника углерода углекислоту, которая не фиксирует через цикл Кальвина, обитают главным образом в водной среде. Но наружных биологической очистки эти бактерии обычно не встречаются, так как в этих условиях отсутствует один из двух необходимых им факторов: или свет, или анаэробные условия.

Также известны типичные хемоорганогетеротрофные микроорганизмы, участвующие в окислении сероводорода, молекулярной серы и тиосульфата. К их ислу относятся представители родов Bacillius, Pseudomonas, Achromobacter, а также актиномицетов, плесневых грибов, дрожжей. Некоторые из них, в частности, нитчатая многоклеточная бактерия Sphaerotilus natans. В присутствии сероводорода откладывает в клетку серу. Другие способны окислять тиосульфат до тетратионата (Na2S4O6). Отмечено также образование политионатов и сульфата при воздействии смешанных культур гетеротрофных микроорганизмов на элементарную серу. Хемоорганогетеротрофные организмы окисляют серу в присутствии органических веществ. Такое превращение представляется для них побочным процессом в главном направлении метаболизма. Окисление серы хемоорганогетеротрофными микроорганизмами идет довольно медленно и менее активно, при этом в качестве промежуточных продуктов образуется сероводород, метилмеркаптан, диметилсульфид, элементная сера.

При полном окислении соединения серы бактериями должны образовываться сульфаты. Однако в среде, где протекает окислительный процесс, постоянно обнаруживаются промежуточные продукты окисления. Схематически полный путь окисления сульфидов до сульфатов в нейтральной и слабощелочной среде может быть представлен следующим образом

S2- >S0 (S2-n) >S2O32->SmO62->SO32->SO42-

Где n=2-5, m=2-6

При полном окислении соединений серы бактериями должны образовываться сульфаты. Однако способности отдельных видов не вполне одинаковы. Следует учитывать, что не всегда легко установить, какие именно соединения сера окисляется биологическим путем, так как многие из них не устойчива при низком значении pH и могут также окисляться кислородом воздуха. Нередко окисление идет не до конца, и среде могут обнаруживаться различные не полностью окисленные продукты. Так при окислении сероводорода иногда образуются молекулярная сера, а также тиосульфата политионаты. Окисление тиосульфата также часто сопровождается образованием политионатов элементарной серы. Не все эти соединения являются результатом ферментативных процессов я не относится к промежуточным продуктам окисления бактериями исходного субстрата. Многие из них могут образоваться химическим путем или в результате побочных биологических реакций окисления микроорганизмами соединений серы до конца не изучены

Механизм окислительных процессов, вызываемых SR окисляющие бактериями, может быть представлен следующим реакциями

H2S + 1/2O2 >S + H2O2

H2S + 2O2 > H2SO4

• 2S + 3O2 + 2H2O> H2SO4
• 5Na2S2O3 + 2O2 + H2O > Na2SO4 + H2SO4 + 4S
• 2 Na2S2O3 + 1/2O2 + H2O2 > Na2S4O6 + 2 NaOH

Не исключено, что одного и того же организма могут функционировать различные пути окисления соединения серы, и значение того или иного зависит от условий среды и других факторов.

Энергия, выделяющаяся при окислении сульфидов и промежуточных восстановленных соединений серы до сульфата, аккумулируются в микроэргической связи АТФ. Это реакция расходуется на восстановление пиридиннуклеотида, который необходим для фиксации углекислого газа, а также на другие жизненные функции бесцветная бактерий. Ацидофильные нейтральные серые бактерии окисляют соединения серы различными путями. У некоторых ацидофильных видов промежуточным продуктом окисления серы является тетратионат, когда у некоторых нейтрофилов это может быть тиосульфата, которые далее гидролизуется до молекул серы и сульфита. Таким образом, превращения тиосульфата могут быть связаны с расщеплением до элементарной серы, а также окислением до тетратионата и превращением в тритионат и сульфит.

Рисунок Условная схема окисления соединения серы у нетрофильных бактерий Th. thioparus 1 - сульфидоксидоредуктаза; 2 - тиосульфатдегидрогиназа; 3 - серадиоксигиназа; 4 - сульфитоксидоредуктаза; 5-аденозинфосфоульфатредуктаза; 6 - АДФ-сульфурилаза

Окисление тиосульфата (S-SO3)2- и полисульфанов (S)n2- осуществляется с помощью S-оксигеназы, и превращается в сульфит через стадию образования промежуточного продукта эквивалентного элементарной серы. Тиосульфат стабилен преимущество при нейтральном и щелочных значениях рH.

Из политионатов наибольший биологический интерес представляет тритионат (S3O62-) и тетритионат (S4O62-) устойчивые в кислых условиях. При окислении тритионата тритионат-дегидрогеназой в числе прочих продуктов образуется тиосульфат.

2S3O62-+ H2O>S2O32- + [S] + SO42- + 2 H+

После чего он окисляется до тетратионатa с помощью тиосульфат дегидрогеназы. Ключевой промежуточный метаболит, тетратионат, расщепляется тетратионатгидролазой, в результате чего регенерируются тиосульфат и образуется элементарная сера

S4O62-+ H2O>S2O32- + [S] + SO42- + 2 H+

Таким образом, механизм окисления восстановленных соединений серы до сульфатов является достаточно сложным и в настоящее время до конца не изученным. Химические и бактериальные пути являются многоступенчатыми, и расшифровка природы промежуточных продуктов окисления восстановленных соединений серы представляется достаточно сложным в силу двойственной природы процессов окисления и невозможности исключить многие побочные реакции, учитывая, что соединение серы не устойчива при низком значении паше могут также окисляется кислородом воздуха.

Следует отметить, что популяция бактерий, окисляющие восстановительной соединение серы, из-за особенности их конструктивного обмена и низкой скорости разложения медленной регенерируется и поэтому является наиболее уязвимым звеном сообщества микроорганизмов биологических очистных сооружений.

Процессор окисления путем иммобилизации микроорганизмов

Анализ по экологии тионовых бактерий в сооружениях водоотведения и особенностей интенсификации биологической очистки сточных вод в биосорбционных установках позволяет предположить, что одним из условий стабильности и активности процессов биоокисления может служить иммобилизация микроорганизмов. Иммобилизация значительно повышает устойчивость сероокисляющих бактерий к стрессовым воздействиям за счет более высокой плотности популяции, а также интенсифицирует биоокисление токсичных примесей в составе сточных вод, что улучшает качество очистки.

На практике наиболее распространённым очистным сооружением с иммобилизованной биомассой является биологический фильтр. Процессы окисления, происходящие в биофильтрах аналогичных процессам, происходящих в других сооружениях биологической очистки, и в первую очередь на полях орошения и полях фильтрации. Однако в биофильтры эти процессы протекают значительно интенсивнее.

Иммобилизованные клетки приобретает свойства, не характерные для них в свободном состоянии. и сохраняют стабильную, активность и жизнеспособность в течении длительного времени, не подвергаются химической модификации. Использование нативной биомассы микроорганизмов характеризуется достаточно коротким сроком хранения. При длительном хранении в суспензии неизбежно происходит снижение численности микроорганизмов, при этом отмечено снижение титра клеток окисляющей активности микроорганизмов.

Разработка способов очистки сточных вод требует решения двух задач: освобождение воды от загрязняющих веществ, а также от суспендированных микроорганизмов. Обе задачи эффективно решаются при использовании иммобилизованной микрофлорой и фауны.

Что такое биологический фильтр? Он имеет резервуар специальной формы, в котором очищаются сточные воды с применением биологических материалов — оболочка из разных микроорганизмов.

Во время очистительных работ происходит постоянная циркуляция воздуха благодаря температурной разнице атмосферы и очищаемой воды. Вентиляция является обязательным условием поддержания жизни – обеспечение микроорганизмов кислородом.

Классификация биофильтров

В биологических фильтрах предусмотрены разные материалы для загрузки. Выделяют:

• Биофильтры с объемной нагрузкой. Они содержат горный щебень, керамзит, гальку и т.д.
• Фильтры плоской нагрузки. Используются прочные пластмассы, работающие в температурном диапазоне от 6 до 30 градусов.

По используемой технологической схемы выделяют:

• Фильтры с двумя ступенями очистки, которые выдают высокоочищенную воду. Их применяют при ограничении высоты устройства или при неблагоприятном климате.
• Биофильтры с одной ступенью очистки.

По степени очистки биофильтры бывают:

• с полной очисткой;
• с неполной очисткой.

В зависимости от способа подачи воздуха биофильтры делятся:

• с естественной циркуляцией воздуха;
• с искусственной воздушной подачей.

Различают два режима работы биологических фильтров:

• рециркуляционны — высококонцентрированная вода подается небольшими порциями для более эффективной очистки;
• без рециркуляции – при низком загрязнении воды.

В зависимости от пропускной способности классифицируются на:

• капельные — с малой пропускной способностью;
• высоконагружаемые.

Биофильтры с объемной нагрузкой

Их принято разделять на:

1. Капельные, которые характеризуются малой производительностью. Зернистость тела загрузки будет 20-30 миллиметров при двухметровой высоте слоя.
2. Высоконагружаемые с размером загрузочного материала 40-60 миллиметров и четырехметровый слой.
3. Башенные биофильтры имеют большую высоту – 16 метров, а зернистостью 40-60 миллиметров.

Биофильтры с плоской загрузкой

1. Жесткая нагрузка обеспечивается кольцами, частями труб и подобными элементами. В бак засыпают крошку из металла, керамики или пластмассы. Их плотность доходить до 600 кг/м 3 , пористость материалов от 70%. Очищающий слой доходит до шести метров.
2. Жесткая нагрузка с блочной или решетчатой нагрузкой. Блоки изготавливают из асбестовых листов (плотность до 250 кг/м 3 , пористость от 80%, шесть метров загрузки) или некоторых разновидностей пластмасс (плотность от 40 до 100 кг/м 3 , пористость от 90%, фильтрующий слой до 16 метров).
3. Рулонная или мягкая нагрузка создается сеткой из металла, синтетическими тканями, пленкой из пластмассы. Загрузку выкладывают рулонами или закрепляют на каркас. Плотность до 60 кг/м3, пористость от 95% при высоте загрузки до 8 метров.
4. Биофильтры для погружения – резервуары с вогнутым днищем. Диски из пластмассы, металла или асбеста монтируются выше уровня очищаемых вод. Диски расположены 10-20 миллиметров друг от друга, их диаметр – 06-3 метра. Вал вращается с частотой до 40 мин -1 .

Засыпная и мягкая нагрузка используется при максимальном расходе 10 000 м 3 /сутки, блочная нагрузка – 50 000 м 3 /сутки. Погружные биофильтры эффективны при низких нагрузках.

Схема работы фильтра

Подача водной массы осуществляется капельным или струйным методом. Воздух проходит через дренаж фильтра или забирается с поверхности. Предварительно очищенная сточная вода с невысокой концентрацией загрязнений сама течет в распределитель, который порциями подает ее на поверхность загрузочной массы. Далее вода идет в систему дренажа, а оттуда на водные лотки за границами биологического фильтра. Во втором отстойнике удаляется биопленка.

Капельные биофильтры характеризуются низкой органической нагрузкой. Что бы вовремя очистить тело фильтра от мертвой биопленки, используют гидравлическую нагрузку.

Должно быть обеспечено равномерное орошение всей загрузки биофильтра. Это необходимо для исключения возникновения повышенной или пониженной гидравлической нагрузки.

Капельные фильтры почти невозможно регулировать под изменения внешних условий. При эксплуатации следят за показателями загрязненности и состоянием биофильтров. Очистка загрузки имеет высокую стоимость – используют полную ее замену. В биофильтр должна поступать сточная вода с количеством взвешенных частиц менее 100 мг/л.

При эксплуатации важным является аэрация фильтра. Концентрация кислорода не должна снижаться за 2 мг/л. Необходимо обеспечить периодическую очистку полости под дренажем и над днищем.

Капельный биологические фильтры плохо переносит зимой ветер. Для эффективной работы предусматривают противоветровую защиту. Неоднородная нагрузка приводит к заболачиванию фильтра, которая ликвидируется заменой загрузки. Работу нарушают и посторонние предметы в загрузочной массе и дозирующих баках.

Высоконагружаемые биофильтры

Этот тип фильтров имеет повышенный воздухообмен и, соответственно, окислительную способность. Обеспечивается повышенный обмен воздуха крупной фракцией загрузки и повышенной водонагрузки.

Очищаемые воды двигаются с большой скоростью и выносят трудноокисляемые вещества и отработанную биопленку. Кислород расходуется на оставшиеся загрязнения.

Высоконагружаемые биофильтры имеют высокий загрузочный слой, повышенную зернистость дренажа и днище особой формы для обеспечения искусственной циркуляции воздуха.

Промывка фильтра будет происходить только условиях постоянного беспрерывного и высокой подаче воды.

Высота массы загрузки прямо пропорциональна эффективности биофильтра.

В состав биологических фильтров могут входить:

• тело фильтра – фильтрующая загрузка, которая расположена в резервуаре, доступном для проникновения воды. Наполнители (пластмасса, шлак, щебень, керамзит и т.д.) должны иметь низкую плотность и повышенную поверхностную площадь;
• устройство для распределения воды, позволяющее равномерно орошать фильтрующую загрузку грязной водой;
• дренаж;
• устройство распределения воздуха – подает кислород для окислительных реакций.

Окислительные процессы в биофильтрах схожи с орошением полей или как в сооружениях биологической очистки, но интенсивнее.

Схема работы биофильтра

Загрузочная масса очищает воду от нерастворенных примесей, которые остались после пройденных отстойников. Биопленка сорбирует растворенную органику. Микроорганизмы в биопленки живут за счет окисления органических веществ. Так же часть органики идет на увеличении биомассы. Происходит два эффективных действия: уничтожение ненужной органики из воды и увеличения биологической пленки. Поток сточной воды уносит с собой омертвевшую часть пленки. Кислород подается естественным и искусственным путем с помощью вентиляции.

Расчет биофильтров

Расчет производится для поиска эффективной толщины загрузочной массы и характеристик водораспределительного устройства, фракции дренажа и диаметра лотков, отводящих воду.

Эффективный размер загрузочной массы рассчитывают по окислительной мощности – ОМ. ОМ – это масса необходимого кислорода в сутки. На нее влияет температура воды и окружающей среды, материала загрузочной массы, типа загрязнения, способа воздухообмена и т.д. Если за год средняя температура менее 3 градусов, то биофильтр переносят в более теплое помещение с возможностью обогрева и пятикратной подачей свежего.

Часто используют следующий алгоритм:

1. Определяют коэффициент К как произведение БПК20 входящей и выходящей воды.
2. Из таблиц определить высоту фильтра и допустимую гидравлическую нагрузку, зависящая от среднезимней температуры окружающей среды и К.
3. Общая площадь определяется делением расхода входящей воды на гидравлическую нагрузку.

Высоконагружаемые биофильтры

Для них существует точная методика расчета:

1. Определяется допустимая концентрация загрязнения входящей воды: табличный коэффициент К умножается на БПК вышедшей воды.
2. Рассчитывается коэффициент рециркуляции по специальной формуле. Он равен частному двух разностей: БПК поступающей сточной воды минус ее допустимая концентрация и допустимая концентрация минус БПК очищенной воды.
3. Для определения площади фильтра берется произведение объема среднесуточной подачи воды, увеличенное на 1 отношение рециркуляционного расхода к расходу сточной воды и коэффициента с пункта 2. Все нежно разделить на допустимую нагрузку и температуру.

Существуют дополнительные методы расчета биологических фильтров, которые используют сложные формулы и дают более точные результаты.

Схема вентиляции биофильтра

Как уже упоминалось выше, биофильтры имеют два способа подачи кислорода: искусственный и естественны. Вид вентиляции зависит от климатических условий и типа фильтра.

Для высоконагруженных биофильтров используют вентиляторы с низким давлением — ЭВР, ЦЧ. Аэрофильтры нуждаются в искусственной вентиляции. При монтаже биофильтра в закрытом пространстве, так же предусматривают принудительную подачу воздуха в него.

Обеспечивают постоянную циркуляцию воздуха, так как перерывы могут поднять температуру до 60 градусов и вызвать плохие запах от разложения отработанной биопленки.

Биофильтр эффективно работает при температуре выше 6 градусов. Если вода будет меньшей температуры, то следует предусмотреть подогрев подаваемой воды.

Что бы в зимнее время фильтр не переохлаждался, устанавливают противоветровую защиту в виде купольного сооружения и снижают коэффициент неравномерности подачи сточных вод. Так же вводят ограничение по подаче холодного воздуха: на квадратный метр за час должно подаваться только 20 кубических метров. В вентиляционные решетки вставляют жалюзи, экраны из тканевых материалов.

Толщина биопленки оказывает влияние на равновесие в фильтре. Большая толщина может привести к прекращению потребления кислорода и начнется гниение. Наиболее распространено в капельных фильтрах.

Ранее считалось, что естественная подача кислорода происходит только благодаря разности температур. Сегодня доказано, что на естественную вентиляцию влияют диффузные процессы во время окислительно-восстановительных реакций.