8 (812) 458-90-98 Санкт-Петербург

 

 

Экологические аспекты процесса

Основной на сегодняшний день и бесспорно самой эффективной из стадий процесса очистки хозяйственно-бытовых стоков можно назвать биологическую очистку в аэротенках. Но принципы этого процесса до сих пор разработаны не достаточно, если рассматривать его с общеэкологической точки зрения. Представленную информацию необходимо иметь в виду при планировании и обслуживании автономных локальных канализаций.

Целесообразно рассмотреть все наиболее интересные аспекты на примере биоценоза активного ила в аэротенке. Активный ил — это биоценоз, представленный в основном простейшими и бактериями.

Поскольку массообменные характеристики аэротенков нужно привести в соответствие с оптимальным возрастом ила, этот ил нужно отделить от очищенной воды и основное его количество вернуть в аэротенк.

Таким образом, удается сократить время аэрации жидкости — оно составляет всего несколько часов. Возраст ила при этом может достигать нескольких суток. Очищенную воду отделяют от ила методом отстаивания. Этим обусловлено формирование биоценоза из обладающих прекрасными седиментационными свойствами организмов.

В то же время, при подаче существенной части потока избыточного активного ила в первичные отстойники, механизм естественного отбора запускается в обратную сторону и седиментационные свойства активного ила ухудшаются.

Когда биоценоз активного ила в стадии гетеротрофной суксцессии, а количество трофических уровней равно в основном двум, нам известно, что при моделировании в лабораторных условиях экосистем, состоящей из двух трофических уровней, экосистем, представленных одним видом бактерий и простейших, на соответствующем уровне можно наблюдать десятикратные колебания популяций обоих видов. При этом поглощение глюкозы, служившей субстратом, составит не более 10 процентов.

Значит, можно высказать предположение: при очистке сточных вод хищник поедает популяцию жертв, простейшие поедают бактерий, призванных поглощать загрязнения стоков. И естественно, это может оказывать не процесс очистки самое неблагоприятное воздействие. [1]

В то же время нам известно, что столь существенные колебания, подразумевающие подавление популяции жертв, могут иметь место только в самых простых системах. В системах хищник-жертва. И происходит это только при непродолжительном контакте между популяциями. Постепенно такие колебания затухают. Значит, при условии синхронной эволюции в рамках стабильной системы, постепенно снижается отрицательное воздействие. [2]

Практика показывает: на высокое качество ила указывает высокий уровень содержания в нем простейших. [3]

Нужно отметить и тот факт, что термин возраста активного ила — это отнюдь не синоним термина возраста тех микроорганизмов, из которых этот ил состоит. Поскольку возраст каждого из видов микроорганизмов, входящих в состав биоценоза ила, зависит: от трофического уровня, на котором этот самый вид микроорганизмов находится; от удельной скорости потребления этого вида представителями последующего трофического уровня; от способности вида к седиментации.

Какое это все имеет значение для тех, кто ищет недорогие локальные очистные сооружения для дачи? Или для желающих обустроить автомномную канализацию своими руками? Дело в том, что именно утилизация активного ила представляет собой важнейший вопрос при организации биологической очистки сточных вод. Это имеет самое прямое отношение к ценам на аэротенки. Ведь затраты на утилизацию ила — это половина стоимости процесса биологической очистки. [4]

Уже установлено: в смешанных культурах, при условии совместного лимитированного роста, выживают те популяции микроорганизмов, которые отличаются наибольшей глубиной утилизации субстрата, а также самым высоким экономическим коэффициентом его потребления [5; 6; 7]. На этом основании можно сделать вывод: одно из направлений естественного отбора, происходящего в ассоциации микроорганизмов активного ила (при заданных параметрах) — это увеличение прироста биомассы за счет загрязнений поступающих с очищаемой сточной водой.

Известно, что переход на более высокие уровни пищевой цепи приводят к потере от 80 до 90 % органических веществ, а также энергии [2; 8]. Стабилизированные системы, в которых поддерживается максимум биомассы и симбиотических связей между организмами в расчете на единицу потока энергии — это кульминация сукцессии. [2]

Выход активного ила от утилизированных загрязнений, невзирая на наличие двух трофических уровней, сохраняется очень высокий. И учитывая трудности последующего обезвоживания, растут затраты на утилизацию. Но это не единственная проблема для тех, кого интересует устройство локальной канализации на даче.

Рассмотрим иную проблему, которая возникает в процессе очистки сточных вод. Установлено, что достаточный уровень элементов питания при биологической очистке сточных вод определяется таким соотношением: БПКполн : N : P = 100 : 5 : 1 [3].

Если говорить о хозяйственно-бытовых сточных водах, то данное соотношение, как правило, сдвинуто в сторону увеличения содержания фосфора и азота. В случае необходимости можно полностью их удалить или внести дополнительно в сточную воду углеродосодержащие вещества. Можно также создать такие технологические условия, которые обеспечат протекание процессов биологической нитрификации - денитрификации и дефосфотации внутри аэротенков.

С одной стороны мы сталкиваемся с высокими затратами на утилизацию избытков активного ила. С другой стороны — даже полная биологическая очистка сточных вод не обеспечивает полного удаления фосфора и азота. И значит, для глубокого биологического удаления фосфора и азота пока приходится обращаться к очень громоздким и энергоемким технологическим схемам, в которые входят нитрификация –денитрификация и дефосфотация.

Следовательно, более широкий взгляд на процесс биологической очистки сточных вод весьма перспективен. Следует регулировать прирост, а также состав активного ила. Необходимо регулировать глубину и пропорцию утилизации биогенных элементов. Нужно это делать при помощи видового состава биоценоза, который осуществляет биологическую очистку воды.

Нужно снизить прирост, а также изменить состав активного ила, увеличив в нем доли биомассы организмов второго трофического уровня, увеличив количество трофических уровней.

Этот аспект следует рассмотреть подробнее. На Северной станции аэрации в Санкт-Петербурге были проведены исследования, которые показали следующее: в осветленной воде после вторичных отстойников почти полностью отсутствуют простейшие. При этом в поступающей на вторичные отстойники иловой суспензии, а также в сгущенной суспензии после вторичных отстойников количество простейших в каждом миллилитре пробы составляет несколько десятков тысяч.

Не только прикрепленные, но и освободившиеся виды простейших при этом отделяются от очищенной воды вместе с хлопками ила. И это понятно, ведь те виды, которые не отделяются от жидкости в процессе отстаивания, растут столько же времени, сколько времени занимает аэрация жидкости — всего несколько часов.

При таких условиях совершенно естественно то, что биоценоз активного ила сформирован из видов бактерий с хорошими седиментационными свойствами. Для этих бактерий время роста или возраст может составлять и несколько суток. Такое время роста, а также специфические условия среды, приводит к тому, что число трофических уровней в активном иле почти никогда не превышает двух. Это в основном представители классов бактерий и простейших.

Так происходит потому, что представители более высокоорганизованных классов не приспособлены к имеющимся условиям. Однако за счет своей способности прикрепляться к твердому носителю, а также способности держаться против градиента течения, некоторые представители высокоорганизованных классов организмов вполне могли бы находиться в аэротенке сколь угодно долго. Они могли бы поддерживать то время роста, которое необходимо для их физиoлorичecкoгo развития.

Такое явление наблюдалось исследователями в биофильтрах, где биоценоз включает в себя представителей червей и насекомых помимо бактерий и простейших, благодаря наличию неподвижного носителя. И в этом случае биопленка аэрофильтров подвергается обезвоживанию гораздо легче, чем активный ил в аэротенках. [9; 10]

Также на Северной станции аэрации проводились исследования, призванные определить принципиальную возможность внедрения в биоценоз активного ила более высокоорганизованных классов организмов.

На первом этапе проверялась принципиальная возможность развития в биологически очищенной воде Северной станции аэрации высокоорганизованных классов организмов после осветления на вторичных отстойниках. Исследователи использовали находящаяся на открытом воздухе резервуары для воды, охлаждающей теплообменники воздуходувок, — это бетонные емкости, объем которых составлял 600 м3. В этих ёмкостях для охлаждения используют осветлённую на вторичных отстойниках биологически очищенную сточную воду, часовой поток рециркуляции которой составляет 100 м3/час. То есть, в среднем вода находится в резервуарах по 6 часов. Это показатель вполне сопоставимый с периодом аэрации жидкости в аэротенках.

Еще в конце мая в 1999 году в эти резервуары поместили представителей пресноводных рыб. Среди них:

  • гуппи;
  • гурами;
  • декоративные карпы – кои;
  • меченосцы;
  • золотые караси;
  • макроподы.

 

Также в резервуар «поселили» представителей высших водных растений: эихорнию, кувшинку "морская роза", пистию. Присутствовали в резервуарах и представители более низких форм жизни, которые развились спонтанно. Среди них зеленые нитчатые водоросли, улитки.

Летом температура воды в резервуаре в среднем составляла 24-28°С. Не проводилось никакого внесения кормов. То есть, по степени своей замкнутости биоценоз резервуара приблизился к природным водоемам. В таких условиях не только выжили, но и размножились такие виды рыб, как декоративные карпы, гуппи, макроподы. Хорошо чувствовали себя и растения. Акклиматизировавшиеся виды в большинстве своем хорошо перенесли зиму, хотя температура упала до 13-17°С, а освещение было весьма скудным.

Зимние месяцы не смогли перенести только гуппи, вымершие в самом начале декабря, когда температура упала до пятнадцати градусов. В это же время погибли и эйхорнии, их листья находились над поверхностью воды.

Внесение рыб и растений в биоценоз резервуара-охладителя принесло немалую практическую пользу: обрастание резервуара зелеными нитчатыми водорослями, а также моллюсками, удалось прекратить, благодаря пресноводным рыбам; летом высшие плавающие растения эффективно предохраняли поверхность воды от перегрева; сообщество рыб и растений служило также отличным индикатором качества очистки сточных вод.

Значит, есть все основания утверждать: качество биологически очищенной воды в процессе ее аэрации в аэротенке допускает развитие в аэротенках более высокоорганизованных классов организмов, чем микроорганизмы и простейшие.

На втором этапе исследований акклиматизировавшихся рыб и растений поместили непосредственно в аэротенк, где находилась иловая суспензия, уже успешно прошедшая полный цикл биологической очистки и ожидающая рециркуляцией в аноксидную зону денитрификации. Аэрацию суспензии не проводили, ее просто перемешивали механической мешалкой. Но, несмотря на перемешивание, примерно на глубине 5-10 сантиметров от поверхности можно было наблюдать, как расслаивается суспензия ила.

Рыбы и растения были помещены в аэротенк в июле 2000 года. Все они успешно акклиматизировались в новых для себя условиях. Гуппи держались только в слое воды над илом, но макроподы — представители лабиринтовых рыб, плавали и в слое иловой суспензии. Растения успешно прижились на поверхности.

Выводы

Проведенные исследования убедительно доказывают то, что существует принципиальная возможность введения активного ила и представителей более высокоорганизованных классов гетеротрофов в экосистемы, с увеличением количества трофических уровней в экосистеме и увеличением количества пищевых связей. Такое увеличение ведет к снижению прироста биомассы активного ила от утилизированных загрязнений. Возможно и улучшение качества ила, с точки зрения дальнейшего обезвоживания этого ила.

При введении автотрофов появляется возможность ассимилировать из жидкости избыточное количество таких веществ, как азот и фосфор. Решить эти вопросы можно двумя путями: изменяя конструкции уже существующих аэротенков; применяя методы генной инженерии.

Но мы, обсуждая данные вопросы, не стремились найти технологического их решения. Мы лишь определились с принципиальными путями решения.

​​