Издательский Центр Аква-Терм

Очистка воды с помощью биопленок

Опубликовано: 27 февраля 2017 г.

1928

Биопленки – конгломерат микроорганизмов и выделяемых ими полисахаридов, покрывающих тонким слоем какие-либо поверхности, – явление, которое может иметь не только нежелательные для человека последствия, но и использоваться им в различных сферах во благо, в том числе и при водоочистке.

Одним из наиболее старых традиционных способов очистки воды от примесей является ее фильтрация через слой песка. Впервые этот способ был использован в Англии в XIX в. после эпидемии холеры в Лондоне. Вскоре был издан королевский указ, который предписывал для очистки воды использовать песчаные фильтры. Посредством такой фильтрации английские инженеры рассчитывали очистить воду от механических примесей. Однако вскоре было замечено, что этот способ одновременно с удалением твердых и взвешенных загрязнений приводит и к ее обеззараживанию. Причиной стало образование на поверхности песчаной фильтрационной среды биологической пленки, способствующей дезинфекции воды.

Зооглейные биопленки

Такую биологическую пленку обычно называют зооглейной. Она чаще всего представляет собой студенистую клейкую биомассу, которая покрывает поверхность твердого материала, постоянно омываемого потоком воды. Поэтому она часто встречается на внутренней поверхности оборудования и внутри трубопроводов. В большинстве случаев зооглейная пленка содержит бактерии рода Zoogloea, одноклеточные – инфузории, различные виды нитчатых грибов.

Стадии развития биопленки

Рис. 1. Стадии развития биопленки: 1 – адгезия бактерий на поверхности; 2 – формирование микроколоний; 3 – начало получения и выделения внеклеточных полисахаридов; 4 – созревание биопленки; 5 – выделение бактерий с поверхности биопленки с последующим расселением

Слизистый слой, который является основной частью биопленок, называют  зооглеями. Эта слизь вырабатывается бактериями в результате их жизнедеятельности. Скорость накапливания слизи зависит в значительной степени от состава воды. Благоприятный режим для образования зооглей создается при аэрации, оптимальной концентрации примесей и отсутствии ПАВ. Зооглейные бактерии хорошо развиваются при температурах 17–25 °С. В клейкой массе биопленок в основном присутствуют внеклеточные полимеры, которые преимущественно содержат полисахариды, белки и полиуретановые кислоты. Эти компоненты в большинстве случаев составляют от 50  до 80 %  величины массы биопленки. По своим физическим и механическим свойствам клейкая составляющая  часть биопленки близка к пористым полимерным гелям.

В клейкую массу  могут попадать и частицы минеральных примесей.

Биопленка на поверхности фильтрационной среды или технологического оборудования имеет толщину от 1  до 3 мм. Окраска биопленки зависит от состава омываемой воды и может меняться от серовато-желтого до темно-коричневого цвета. Кроме минеральных примесей, в биопленке могут присутствовать разнообразные представители коловраток, простейших и червей. Вызвано это тем, что сама биопленка является источником пищи для червей, личинок клещей, комаров и мух. Поедание ими биопленки приводит к рыхлению плотной массы, что способствует более полному контакту ее с воздухом и водой.

Биообрастание на мембранах для обратного осмоса1Биообрастание на мембранах для обратного осмоса2

Рис. 2. Биообрастание на мембранах для обратного осмоса

Присутствие в зооглейных пленках живых организмов, способных к поеданию ее биомассы, делают биопленку похожей на сообщества активного ила. Однако между зооглейной биопленкой и суспендированными частицами активного ила имеется существенное различие, которое заключается в том, что концентрация микрорганизмов в пленках значительно выше, чем в частицах активного ила. Для сравнения используется такой параметр, как беззольное вещество биомассы, обозначаемое как БВБ с размерностью кг/м3.  Так, в активном иле БВБ обычно составляет от 2 до 5 кг/м3, для биопленок – от 10 до 60 кг/м 3.

Еще одной особенностью биопленки является то, что с очищаемой жидкостью контактирует только ее поверхностный слой, а разрушение примесей происходит внутри биомассы. Из-за этого активность биопленки будет определяться скоростью диффузии, которая выражается коэффициентом диффузии. К сожалению, методы его определения для биопленок в настоящее время не достаточно надежны. Поэтому для оценки эффективности очистки воды с помощью биопленок обычно в качестве коэффициента диффузии принимают значение, равное ее молекулярному коэффициенту или чуть меньшую величину. Однако реальный коэффициент диффузии биопленки будет зависеть от многих факторов, в частности, от структуры биомассы.

Структура слизистой массы биопленок довольно сложна. В них встречаются пустоты, каналы, каверны, поры, а также клетки микроорганизмов, агрегированные в специфические слои. Кроме того, структура биопленки имеет несколько слоев с различными свойствами. Выделяют три основных слоя: поверхностный, серединный и нижний. Самым активным по способности к разложению органических загрязнений воды является поверхностный слой толщиной от 0,5 до 1,0 мм. В нем в основном содержатся зооглейные бактерии, которым для своего размножения необходимо относительно высокое содержание в воде растворимого кислорода. В поверхностном слое происходит преимущественно окисление органических кислот и биологическая деградация органических веществ сложного строения.

Остальные слои биопленки обладают значительно меньшей активностью по отношению к разрушению примесей органической природы. Зависит это в основном от исчерпания субстрата – твердых отмерших остатков и дефицита кислорода. Поэтому во внутренних слоях имеют жизнедеятельность только анаэробные и аноксигенные микроорганизмы. В результате  в серединном слое происходит преимущественно разложение спиртов и формальдегида, а в нижнем слое – нитрификация и денитрификация. В этих слоях преобладают нитчатые грибы, поскольку для их нормальной жизнедеятельности достаточно низкого содержания растворимого кислорода.

Интересно, что в процессе своей жизнедеятельности бактерии биопленки синтезируют ценное соединение – витамин В 12. Образование его происходит в значительном количестве при биологической очистке вод, сильно загрязненных примесями углеводородов.

Процесс расщепления примесей органической природы биопленками протекает под действием биологических катализаторов – ферментов, которые могут находиться как внутри клеток, так и за их оболочкой. Ферменты, находящиеся вне клеток, называются адаптивными. Они синтезируются клетками в ответ на изменения внешней среды. Эти ферменты и играют главную роль при очистке воды.

Основным процессом, который протекает при очистке воды от примесей органической природы, является окисление. Для его осуществления необходимы ферменты, называемые редуктазами, и доступ к ним кислорода из воздуха. В упрощенном это выражается так:

(органические примеси) + О 2  + ферменты → СО 2 + Н 2 О.

Биологические затраты кислорода на этот химический процесс в основном составляют полное биологическое потребление кислорода (БПКполн.). По своей способности к биологическому окислению все возможные примеси воды  делятся на легкоокисляемые и трудноокисляемые. К веществам, которые легко окисляются, в большинстве своем относятся органические кислоты, первичные и вторичные спирты, сложные эфиры. Плохо окисляются нитросоединения и ПАВ. Поэтому присутствие в воде нитрат-иона до очистки и после проведения обработки может являться одним из показателей эффективности ее очистки. При этом понижение содержания в воде азотосодержащих примесей ниже определенного значения приводит к замедлению процесса биологического окисления биопленками загрязнений примесей воды.

Присутствие же в воде нитрат-иона и других видов азотосодержащих примесей может быть вызвано как техногенными причинами – промышленные стоки или сливы с полей, пересыщенных удобрениями, – так и жизнедеятельностью различных видов микроорганизмов.

Накопление азотосодержащих видов примесей, по всей вероятности, вызвано сложностью и длительностью биологического процесса естественного разложения. В большинстве случаев процесс разрушения азотосодержащих примесей состоит из двух этапов. Сначала нитрифицирующие бактерии превращают азот аммонийных соединений в нитриты, а потом в нитраты:

NH3(NH4)+ → (NO2)- → (NO3) -.    

Затем начинается процесс денитрификации, который заключается в обратном превращении этих соединений до молекулярного азота:

(NO3)- → (NO2)- → NH3(NH4) + → N2.

Необходимо отметить, что основными факторами, влияющими на скорость биохимических реакций, является содержание растворенного кислорода в воде, температура и рН воды, а также присутствие примесей биогенной природы, минеральных солей и загрязнений из числа примесей тяжелых металлов. Так, повышение температуры очищаемой воды действительно приводит к возрастанию скорости биохимических реакций, приводящих к ее очищению, но только если это изменение находится в пределах от 20 до 30 0С. Дальнейшее увеличение температуры воды вызывает понижение концентрации растворимого кислорода и необходимость проведения аэрации.

В случае, если в воде присутствуют в значительном количестве примеси тяжелых металлов, они сорбируются наружными слоями биопленки, что приводит к вспучиванию биомассы, которое сопровождается изменением состава биопленки с преобладанием нитчатых грибов.

Вода высокой жесткости приводит к накоплению в массе зооглейных бактерий углекислого кальция, что влечет к увеличению активности очищающей способности биопленки в 120 раз.

Нежелательное биологическое обрастание

Зооглейные пленки, наряду со своей способностью разлагать загрязнения воды, могут сами вызывать ее  загрязнение суспендированными частицами биомассы. В результате этого часть биомассы оседает на поверхности оборудования и трубопроводов, образуя  так называемое биологическое зарастание, которое не только загрязняет воду, но и затрудняет эксплуатацию систем водоснабжения и водоочистки.

Биофильтр (биореакор) а)Биофильтр (биореакор) б)

Рис. 3. Биофильтр (биореакор): а – емкость биореактора; б – биореактор с загрузкой под биопленку

Биологическое обрастание чаще всего начинается с образования биологической пленки. Сначала на поверхности появляются студенистые массы зооглейных бактерий, в которых затем могут поселяться нитчатые грибы, а вслед за ними развиваются инфузории одноклеточные и колониальные, а на открытых поверхностях – водоросли. Впоследствии появляются черви и другие микроскопические животные, которые питаются уже образовавшимся органическим веществом. Одновременно с этим происходит отмирание части организмов, прошедших фазу активного размножения. При исследовании биологического обрастания специалистами были обнаружены последовательные слои серобактерий, зооглейных бактерий и грибов.

Биологическое обрастание может происходить на различных стадиях водоподготовки и теплоснабжения. Вызвано это тем, что такие системы пропускают значительный объем воды, содержащий кислород и примеси. Все это и способствует биологическому зарастанию, которое осложняет работу систем водоочистки и охлаждения за счет сокращения пропускной способности трубопроводов и уменьшения теплопередачи. Особенно быстро процесс биообрастания протекает в воде, где отсутствуют дезинфицирующие реагенты. Так, активный рост микроорганизмов наблюдается, если концентрация остаточного активного хлора ниже 0,5–1,0 мг/л.

Довольно часто биологическое обрастание наблюдается в системах охлаждения воды, особенно в конденсаторах, где отдельные частицы биомассы закрепляются на металлических поверхностях и начинают быстро размножаться. Их развитию благоприятствуют умеренная температура, непрерывное поступление питательных веществ и кислорода, растворенных в охлаждающей воде.

Кроме того, биологическое обрастание оказывает негативное влияние на системы фильтрации воды на различных стадиях водоподготовки. В том случае образующаяся биопленка вызывает закупоривание фильтрующего слоя, замедляя как сам процесс фильтрации, так и процесс регенерации фильтрационного материала.  Например, фильтры механической очистки со своей большой площадью фильтрации являются очень благоприятной средой для развития микроорганизмов.

Образование слоя биомассы довольно часто наблюдается на фильтрах умягчения воды. Это вызвано тем, что растворы хлорида натрия, которые часто используются для регенерации катионообменной смолы, являются чрезвычайно благоприятной средой для активного развития микроорганизмов.

На фильтрах абсорбционной очистки, в которых в качестве фильтрационной среды используется активированный уголь, примеси сначала поглощаются наружными поверхностями, а после их заполнения загрязнения попадают в более глубинные слои. Для защиты от биологического обрастания активированный уголь сначала обрабатывают раствором гидроокиси натрия в статическом режиме, а затем производят обработку острым паром или выполняют отмывку угля горячей водой с температурой 85 0С. При такой обработке  активированного угля дезинфицирующие средства в первую очередь взаимодействуют лишь с внешними слоями фильтрационного материала. В то же время внутренние слои, являющиеся прекрасной средой для развития микроорганизмов, часто остаются незатронутыми дезинфицирующими агентами.

Чтобы с большей уверенностью избежать биообрастания абсорбционной фильтрационной среды, часть воды после абсорбционной очистки направляют в режиме рецикла на УФ-обработку. Таким образом, стараются понизить концентрацию микроорганизмов в воде, чтобы вероятность отложения зооглейной пленки понизилась.

Довольно много хлопот доставляет биологическое зарастание при использовании для очистки воды систем, работающих по принципу обратного осмоса. В этом случае биопленка, образующаяся на мембранах, снижает ее пропускную способность, замедляет скорость потока пермеата, вызывая снижение производительности установки. Все это уменьшает интервал между плановыми чистками мембраны.

Сложность ее очистки выражается в том, что при этом нельзя использовать такие традиционные дезинфицирующие средства, как озон и хлор, поскольку они губят целостность тонких слоев мембраны. Другие дезинфицирующие средства, например, формальдегид или глутаральдегид, трудно смываются и являются достаточно токсичными веществами. Поэтому чаще всего обработку мембраны проводят такими ионными дезинфицирующими средствами, как надуксусная кислота, которая является слабым окислителем и не причиняет вреда мембранам. Однако в ряде случаев этот вид дезинфицирующих средств не вызывает полного разрушения биопленки. Более эффективным, по мнению специалистов, является диоксид хлора в концентрациях 0,1–0,2 мг/л, который легко проникает во все поры мембраны, разрушая биопленку полностью. К тому же, диоксид хлора считается надежным дезинфицирующим средством для применения в системах питьевого водоснабжения.

Поскольку мембрана состоит из нескольких тонких слоев пластика, колонии микроорганизмов могут заселиться между ними. В таком случае мембрану бывает просто невозможно очистить. Для предотвращения этого при эксплуатации установок обратного осмоса целесообразно проводить постоянный контроль общего микробного числа. По изменению этого параметра можно судить о процессе образования биопленки.

Существует вред от биологического обрастания внутренних поверхностей оборудования и трубопроводов. Так, в системах водоснабжения образование биопленок на внутренней поверхности трубопроводов и оборудования вызвано, с одной стороны, загрязнением водоисточников, а с другой стороны, недостаточной степенью обеззараживания воды на станциях водоподготовки. В целях предотвращения биообрастания поверхностей магистральных трубопроводов, резервуаров и других сооружений целесообразно использовать биологически стойкие лакокрасочные материалы и покрытия. Помимо этого, для снижения скорости биообрастания необходимо осуществлять контроль за содержанием в воде минеральных и органических веществ, которые способствуют развитию биопленок, особенно примесей, содержащих соединения азота и фосфора. В случае необходимости следует принимать меры для понижения концентрации в воде этих веществ. Наиболее действенным способом предотвращения биообрастаний является применение химических реагентов и физических воздействий, препятствующих развитию микроорганизмов. Так, например, в трубопроводах и коллекторах питьевой воды целесообразно проводить хлорирование или озонирование.

Биопленки в водоочистке

Однако, помимо затруднений, которые вызывают биообрастания при водоснабжении, процесс нарастания биопленок может быть использован для глубокой биологической очистки стоков. Одним из видов таких устройств являются биофильтры. Этот вид сооружений специально предназначен для очистки сточной воды от загрязнений с помощью зооглейной пленки. Если в насыпных песчаных фильтрах и других типах фильтров биопленка образуется самопроизвольно и ее развитие спонтанно, то в биофильтре создаются благоприятные условия для эффективного произрастания биопленки, образованной колониями микроорганизмов. Применение зооглейной пленки вызвано ее хорошими физическими характеристиками. Среди этих параметров следует отметить плотную структуру биопленки, обладающей высокой ферментативной активностью, благодаря которой окисление загрязнений протекает интенсивно.

Биозагрузка, а – плавающаяБиозагрузка, б – сетчатаяБиозагрузка, в – ёрш

Рис. 4. Биозагрузки: а – плавающая; б – сетчатая; в – ёрш

Сущность работы биофильтров заключается в следующем. Загрязненная вода, предварительно осветленная в отстойниках, поступает в распределительную систему, которая в периодическом режиме напускается на поверхность сыпучей фильтровальной загрузки. Вода, выходящая из биофильтра, поступает обычно во вторичные отстойники, поскольку вместе с биологической очисткой происходит вынос некоторой части биомассы пленки.  В качестве сыпучего фильтрационного материала обычно используются различные материалы с развитой поверхностью. Это обеспечивает большую поверхность контакта с окружающим воздухом.

Засыпка биофильтра бывает мягкой и жесткой. Мягкая, или как ее еще называют рулонная, загрузка изготовляется из металлических или пластмассовых сеток, синтетических тканей, которые крепятся на каркас или укладываются в рулоны. Жесткая загрузка бывает блочной и мелкой. Жесткая блочная загрузка чаще всего выполняется  из гофрированных или перфорированных листов различных материалов. Жесткая мелкая засыпка обычно представлена мелкими керамическими, пластмассовыми или металлическими элементами. В ряде случаев в биофильтрах используется гравий, шлак и щебень. Однако одним из эффективных видов сыпучих фильтровальных сред является загрузка из керамзита или шунгузита.

Плавающая загрузка поступает на рынок, упакованная в мешках

Рис. 5. Плавающая загрузка поступает на рынок, упакованная в мешках

Биофильтры классифицируются по степени очистки воды, способу подачи воздуха и режиму работы. По степени очистки они делятся на агрегаты полной и неполной биологической очистки. По способу подачи воздуха – на аппараты с искусственной подачей воздуха, так называемые аэрофильтры, и биофильтры с естественной подачей воздуха. По режиму работы подразделяются на аппараты с рециркуляцией, когда часть очищенной воды направляется на повторную очистку, и аппараты без таковой операции. По конструктивному исполнению биофильтры делятся по числу ступеней очистки и виду пропускной способности. Чаще всего они бывают одно-  и двухступенчатыми.  По пропускной способности делятся на  капельные и высоконагружаемые.

В капельных биофильтрах вода подается в виде капель или слабой струи. Подача воздуха осуществляется за счет естественной вентиляции через открытую поверхность биофильтра. Такие сооружения рекомендуются для полной очистки сточных вод при расходе не более 1 000 м3/сут. Высота слоя загрузки такого биофильтра обычно составляет 12–15 м. Материалом чаще всего служит щебень, гравий или галька с размером камней от 25 до 40 мм. Рециркуляцию очищаемой воды на капельных биофильтрах осуществляют обычно при значении БПК полн.  свыше 220 мг /л. Также по величине БПК полн.  контролируют эффективность биологической очистки стоков. Специалистами считается нормальным, если БПК полн. на выходе из биофильтра  составляет  15 мг/л.  Основными недостатками капельных фильтров является относительно низкая производительность, а также частое заиливание загрузочного материала, которое обычно возникает при очистке стоков,  имеющих загрязнения сверхдопустимого. 

Кроме этого, довольно часто сооружаются биофильтры со значительно большей производительностью. Их часто называют высоконагружаемыми или аэрофильтрами. Высоконагружаемые биофильтры применяют для полной и неполной очистки воды  на водоочистных станциях. Допустимое значение БПК полн. без рециркуляции составляет около 300 мг /л.  Обычно такие биофильтры имеют производительность до 50 000  м 3/сут.  Для эффективной работы аэрофильтра необходимо, чтобы весь загрузочный материал постоянно находился в воде, а его орошение стоками производилось равномерно по всей поверхности фильтрации с небольшими перерывами. Высокая производительность аэрофильтров достигается за счет слоя загрузки большой высоты, которая обычно составляет около 24 м, хотя в некоторых случаях строят так называемые башенные биофильтры высотой до 80 м. В аэрофильтрах применяется загрузочный материал повышенной крупности с размером частиц от 40 до 70 мм. Суточная гидравлическая нагрузка обычно составляет 10–30 м3 очищаемой воды на 1 м 2 площади фильтрации.  Для эффективного насыщения кислорода применяют принудительную продувку воздухом загрузочного слоя.  Подача воздуха осуществляется с помощью вентиляторов, а для более эффективного насыщения воды воздухом внутри аппарата создается избыточное давление. Для этой цели на выходе из аппарата ставятся гидравлические затворы.

Еще один вид бифильтров называется погружным. По своим техническим характеристикам он занимает промежуточное положение между традиционными биофильтрами и аэротенками. Погружные биофильтры применяются для полной и неполной биологической очистки коммунальных и промышленных стоков с суточным расходом от 1  до 150 000 м3. Однако наиболее надежны погружные биофильтры с пропускной способностью от 500 до 1 000 м3/сут. Такие биофильтры целесообразно применять для малых населенных пунктов, отдельно стоящих зданий и небольших поселков.

В технологической схеме водоочистных станций погружные биофильтры обычно размещаются после сооружений предварительной механической очистки, но перед вторичными отстойниками. Погружной биофильтр представляют собой резервуар с очищаемой водой, над которым на горизонтально расположенном валу закреплены элементы различной формы с развитой поверхностью. Эти элементы вращаются таким образом, что сначала они  окунаются в воду, а затем при повороте вала омываются окружающим воздухом. Элементы исполняют роль загрузочного материала. При погружении такого диска в очищаемую воду биопленкой происходит сорбция загрязнений. Затем при повороте диска биопленка загрязнения окисляется на воздухе. Конечно, при такой очистке ее часть  отрывается от диска и находится в очищаемой воде в виде взвеси, подобно тому, как происходит при обработке стоков в установке с активным илом.  Эффективность биологической очистки с использованием дисковых погружных биофильтров обычно колеблется  в интервале от 50 до 98 %. Время пребывания сточных вод в резервуаре дискового погружного биофильтра обычно не превышает 3 ч, а производительность в большинстве случаев – 1 000 м3/сут.

Одним из видов погружных биофильтров являются так называемые дисковые аппараты. В них на горизонтальном вращающемся валу со скоростью от 1 до 50 об/мин закреплены диски  диаметром около 1,5 м и толщиной от 1 до 10 мм. Они собираются в специальные  пакеты по 30–180 штук в каждом. На поверхности дисков образуется биопленка, которая и способствует биологической очистке сточных вод.

Статья из журнала "Аква-Терм" №3/2016. Рубрика "Водоснабжение и водоотведение"




Поделиться:

вернуться назад