Биологическая очистка сточных вод

Представьте себе, что технологии наконец шагнули так далеко вперед, что в жизнь воплотилась одна из самых амбициозных идей научных фантастов — нанороботы. Механизмы настолько крошечные, что могут свободно перемещаться даже по самым мелким каналам, и настолько продвинутые, что могут выполнять все те же операции, что и их более крупные собратья: поиск, анализ и манипуляция различными объектами. Запустив таких роботов в кровеносную систему организма, мы получили бы идеальный механизм очистки: прощайте, холестериновые бляшки, прощайте, тромбы!

Вот только загвоздка с этой идеей в том, что наномасштаб на то и нано-, чтобы вмещать всего несколько сотен или тысяч атомов, из которых на сегодняшний день попросту невозможно собрать хоть сколько-то внушительного робота — созданы лишь прототипы. К счастью, эту амбициозную идею можно легко перенести на несколько другую задачу: необходимо очистить определенную жидкость от загрязнений, причем не упираясь в «нано». Можно ли в этом случае создать систему из многих миллиардов крошечных «роботов», которые бы сами искали и нейтрализовали многочисленные и разнообразные загрязнения? Наверняка вы уже поняли, к чему мы ведем, ведь такие системы давно созданы — в очистке сточных вод их начали применять более ста лет назад. Разумеется, речь идет о биологических методах очистки.

Вдумайтесь: каждый отдельно взятый микроорганизм, будь то бактерия, грибок или простейшее, — это идеальный робот, как нельзя лучше подходящий для нашей задачи очистки. Любое одноклеточное умеет находить себе пищу, добывать ее и переваривать. И так удачно сложилось, что пищей для подобных организмов служат многие вещества, которые мы привыкли считать загрязнениями; и наоборот: зачастую продукты жизнедеятельности микроорганизмов — это углекислый газ, вода и некоторые другие простейшие соединения, уже в изобилии присутствующие в окружающей среде.

Чтобы вам не казалось все слишком радужным — у микроорганизмов, конечно, есть и ряд недостатков. В отличие от бездушных механических и физико-химических методов, о которых мы уже писали, биологические системы более чувствительны к резким изменениям окружающей среды, присутствию токсичных веществ (например, многих металлов) и ряду других показателей. Из-за этого нельзя использовать биологическую очистку повсеместно, как бы того ни хотелось. Однако при правильном подборе условий очистки биологические системы становятся мощнейшим инструментом. Давайте разбираться, как это работает.

Любые микроорганизмы — это живые существа, а значит, они как минимум: 1) питаются, 2) дышат, 3) размножаются, 4) выделяют отходы жизнедеятельности. Все это так или иначе затрагивает процесс очистки сточных вод. Именно питание становится ключевым процессом: на этом этапе микроорганизмы захватывают сложные органические вещества из воды и перерабатывают их в более простые. При этом часть поглощенной массы и выделившейся энергии идет на поддержание жизнедеятельности и размножение, а часть выделяется обратно в среду. «Переваривание» органических веществ происходит за счет специальных белков — ферментов, каждый из которых нацелен на переработку определенного класса соединений. Ферменты — это сложные и очень эффективные биологические катализаторы, однако они сравнительно легко выходят из строя в жестких условиях (неподходящие pH или температура) и если в среде присутствуют вещества-ингибиторы. К последним относятся, например, ионы многих металлов.

Отдельный аспект жизнедеятельности любого микроорганизма — дыхание. Но это вопрос настолько обширный, что ему можно посвятить не один десяток статей. Поскольку мы не ставим себе задачи рассказать обо всем в подробностях, остановимся только на очень грубой классификации. Выделяют аэробное и анаэробное типы дыхания: в первом случае задействован кислород, окисление питательных веществ происходит максимально полно, а организм получает максимум энергии. В случае анаэробного дыхания, когда кислорода недостаточно, живые существа вынуждены использовать другие пути получения энергии, пусть они и не столь эффективны по сравнению с аэробным дыханием. Проблема в том, что большинство организмов приспособлены только к одному из типов дыхания, а значит при недостатке (или наоборот, избытке) кислорода просто погибают, именно поэтому создание необходимых условий для формирования того или иного биоценоза оказывается столь важным.

Примеры аэробного и анаэробного дыхания часто встречаются в жизни даже вдалеке от производств и промышленности. Например, после интенсивных занятий спортом мышцы нетренированного человека начинают болеть. Причина этого — недостаточный приток к мышцам кислорода, которого не хватает на расщепление питательных веществ (в основном, глюкозы) аэробным способом. В результате в мышцах накапливается молочная кислота — продукт анаэробного расщепления глюкозы, — которая и вызывает неприятное жжение. Как только кислородная задолженность восстановится, молочная кислота доокислится и боль пропадет. Многие микроорганизмы действуют точно так же. Например, дрожжи в ходе аэробного дыхания так же, как и люди, выделяют углекислый газ, однако в тот момент когда кислорода перестает хватать, переключаются на анаэробное дыхание, продуктом которого будет уже этиловый спирт. Поэтому в процессе пивоварения, например, вначале сусло подвергается интенсивной аэрации, чтобы вызвать активный прирост дрожжевой массы в результате энергоэффективного аэробного дыхания, и лишь после того, как растворенный кислород будет поглощен, дрожжи начинают сбраживать сахара в сусле и насыщать его спиртом.

Но вернемся к очистке. Поскольку не все микроорганизмы способны переключаться между несколькими режимами дыхания, для разных процессов удобно использовать разные типы микробов. Выбранная схема очистных сооружений и будет определять то, какие микроорганизмы будут приживаться и размножаться — аэробные или анаэробные, и в зависимости от этого в системе может потребоваться дополнительная аэрация (обогащение кислородом) или наоборот — максимальная изоляция от кислорода.

Что касается видового разнообразия организмов, используемых в биологических системах очистки, среди них преобладают бактерии, но с ними соседствуют целые джунгли с собственной флорой (в основном водоросли) и фауной (в том числе хищной). Полное сообщество всех организмов называется биоценозом. Его представители объединены сложными пищевыми и энергетическими связями и функционируют как сбалансированная саморегулирующаяся система. Кстати, в редких случаях для биологической очистки также используют животных, например дождевых червей, но такие методы — это своего рода экзотика, поэтому на них мы останавливаться не будем.

Как и у любого другого метода очистки сточных вод, у биологических систем есть одна «простая» задача — снизить значения концентраций определенных загрязнений до требуемого уровня. Что это за уровень, зависит от конкретных условий, например, это может быть предельно допустимая концентрация (ПДК) по данному веществу. Тем не менее, часто биологическую очистку комбинируют с другими методами, поэтому не всегда на этапе биологии требуется сразу очищать воды до уровней, соответствующих ПДК.

Для решения такой задачи необходимо соблюсти сразу несколько условий:

• Состав загрязнений должен соответствовать рациону микроорганизмов, в частности — содержать достаточное количество органических примесей. Проще всего эту роль отвести примесям биологического происхождения, именно поэтому подобные методы часто применяются для очистки стоков предприятий пищевой промышленности, хозяйственно-бытовых стоков населенных пунктов и так далее. Однако за счет способности адаптироваться к новым источникам питательных веществ сообщества микроорганизмов могут применяться и для очистки техногенных производств, например химической промышленности. Бывают, конечно, и случаи, когда стоки слишком токсичны для нормальной жизнедеятельности биоценоза. К таким объектам относятся, например, металлургические производства.
• Соответствие параметров среды (или хотя бы принципиальная возможность такого соответствия) тем условиям, в которых живут микроорганизмы. Концентрации ингибиторов и прочих опасных для микроорганизмов веществ должны быть не слишком велики. Часто для этого приходится подвергать воды предварительной очистке при помощи механических и физико-химических методов.
• Сам процесс очистки вод зависит от деятельности живых организмов, поэтому не происходит мгновенно. Чтобы удаление примесей проходило наиболее полно, биоценоз должен, во-первых, иметь достаточные численность, возраст и состав, во-вторых, провести определенное время в контакте с загрязненной водой и, наконец, не находиться в шоковом состоянии из-за резких изменений условий среды. В худшем случае последний фактор может приводить к тому, что при неравномерном поступлении загрязненных стоков биологической системе может потребоваться до нескольких дней, чтобы адаптироваться к новым условиям. Тем не менее, таких ситуаций можно избежать при грамотном проектировании очистных сооружений.

Биологические очистные сооружения можно условно разделить по происхождению на естественные и искусственные. Одним из примеров естественных сооружений служат поля орошения — большие участки земли, на которых происходит фильтрация и биологическое окисление сточных вод. Механизм очистки в этом случае обусловлен естественной структурой почвы, удерживающей взвешенные и коллоидные вещества, а также присутствием естественной микрофлоры.

Другой пример естественных сооружений — биологические пруды. В них, как и в любом другом водоеме активно происходит самоочистка, обусловленная сочетанием химических и биологических процессов. Такие пруды обычно делают мелкими, глубиной не более метра, чтобы обеспечить максимальную площадь поверхности для ускорения газообмена с воздухом и прогрев естественным освещением. Для большей эффективности пруды часто объединяют в каскады — таким образом обеспечивается очистка в несколько стадий, — а в случае недостатка кислорода аэрируют искусственно. Явным минусом прудов, как и других естественных открытых систем, является сезонность: такие сооружения работают только в теплое время года, хотя на энергоизбыточных предприятиях пруды часто оборудуют подогревом.

Часто, однако, биологические очистные сооружения проектируют на базе искусственных резервуаров. Одна из самых популярных схем биологической очистки в этом случае — последовательная нитрификация и денитрификация. Оба этих процесса связаны с превращениями азота и отличаются друг от друга направлением этих превращений, а также тем, что их осуществляют разные микроорганизмы. Так, в ходе нитрификации биоценоз активного ила окисляет соединения азота до нитритов и нитратов, активно используя кислород, которым воды насыщаются в ходе аэрации. Другой процесс — денитрификация — происходит в обратном направлении: микроорганизмы используют кислород, входящий в состав нитритов и нитратов, для окисления органических загрязнений, при этом образуется также свободный азот, который выделяется в атмосферу. Для денитрификации необходимы анаэробные условия, так как отбор кислорода у окисленных соединений азота идет только в том случае, если в системе нет свободного кислорода, необходимого для дыхания.

Классическая схема очистки обычно предполагает использование отдельных резервуаров для нитрификации и денитрификации: аэротенков и денитрификаторов соответственно. Так называют искусственные бассейны, которые заселяются активным илом — собственно, сложным биоценозом микроорганизмов. В некоторых случаях активный ил присутствует не во взвешенном состоянии, а в виде пленки микроорганизмов, закрепленной на неподвижной загрузке — керамзите, гравии, скрученных сетках и других материалах. Такой биоценоз часто оказывается устойчивее к параметрам среды. Ключевой особенностью аэротенков является постоянная подача воздуха (а иногда и чистого кислорода) — аэрация, — благодаря которой создаются условия, комфортные для жизнедеятельности и размножения аэробного биоценоза, а также происходит химическое окисление загрязнений.

Отдельной задачей при биологической очистки является поддержание оптимального количества активного ила для того, чтобы сохранять необходимые характеристики биоценоза (возраст, численность и другие). Чтобы решить эту задачу, необходимо отделять ил от очищенной воды (при помощи флотации или других методов) и возвращать его обратно в систему. Часто в этом случае используют специальные резервуары — отстойники, в которых отделяется ил, покидающий основную емкость вместе со сточными водами. В отстойниках избыточный ил удаляется из системы (для последующей утилизации или применения в виде удобрения), а основная масса подается обратно в систему очистки.

Аэротенки и денитрификаторы часто используют в сочетании с еще одним типом искусственных биологических очистных сооружений — биофильтрами. В этих системах биоценоз всегда закреплен на загрузке, а стоки очищаются в процессе фильтрации через нее. Прикрепленный биоценоз в фильтрах оказывается устойчивее к внешним воздействиям, чем взвешенный активный ил, поэтому меньше реагирует на колебания концентрации загрязнений. Комбинация биофильтров с другими типами очистных сооружений существенно повышает общую эффективность биологической очистки.

Схема «нитрификация-денитрификация» активно реализуется в виде так называемых SBR-реакторов — это те самые автоматические септик-танки, которые все чаще используются в загородных домах в качестве сравнительно недорогой, но эффективной системы канализации для одного или нескольких домов. В реакторах такого типа предусмотрено несколько емкостей, где последовательно реализуются все основные этапы нитрификации-денитрификации с автоматическим отведением лишнего осадка и очищенных вод.

Наконец, стоит упомянуть и искусственные очистные сооружения совсем другого типа, чем аэротенки и денитрификаторы — метантенки. Они так называются потому, что в процессе работы в этих резервуарах производится большое количество газов, в первую очередь метан. Биоценоз метантенков составляют различные анаэробные организмы, поэтому в этих сооружениях не предусмотрена аэрация, и часто в метантенк поступают не сами воды, а осадок, образовавшийся на предыдущих этапах очистки. В ходе процессов брожения, происходящих в метантенке, сложные органические соединения, такие как белки, жиры, полисахариды, последовательно расщепляются до более простых и в конечном счете превращаются в смесь продуктов, газообразную часть которых называют биогазом. Ключевое преимущество метантенков состоит в том, что биогаз в дальнейшем можно собрать и использовать в качестве экологически чистого топлива. Кроме того, анаэробный биоценоз лучше переносит высокие концентрации органических загрязнений.

На сегодняшний хоть и можно представить себе представить очистку стоков исключительно физико-химическими и механическими методами, но в этом не просто нет необходимости, это еще и иррационально. Ведь в отличие от порой дорогостоящих химических реагентов, в биологических методах потребляется только воздух, а он пока бесплатный. И несмотря на то что этим методам пока еще далеко до полноценной мечты о нанороботах и загадочной «серой слизи», здесь есть существенное преимущество: такие способы существуют и работают в реальной жизни, занимая заслуженное место в арсенале методов очистки.