13. Сапробность. Шкала сапробности. Характеристика зон сапробности

Количественный и качественный состав водных биоценозов меняется в зависимости от содержания органических веществ, других факторов, т.е меняется по сапробности.

Сапробность – комплексное понятие уровня загрязненности водоема, включающее изменения количественного и качественного состава микроорганизмов при содержании органических веществ в определенной концентрации и степени минерализации.

Различают полисапробные, мезосапробные и олигосапробные зоны.

Полисапробные зоны (зоны сильного загрязнения) содержат большое количество органических веществ при поступлении в водоем канализационных стоков, сточных вод промышленных и сельскохозяйственных производств. Численность микроорганизмов в полисапробных зонах велика, но ввиду почти полного отсутствия кислорода видовой состав ограничен в основном анаэробными бактериями, на поверхности водоемов могут присутствовать плесневые грибы. Основные процессы – минерализация растительных и животных остатков и брожения целлюлозы и иных углеводов с выделением сероводорода, аммиака, диоксида углерода и др. Количество микроорганизмов в этой зоне достигает 2-4 млн КОЕ/мл и более.

Мезосапробные зоны (зоны умеренного загрязнения) характеризуются преобладанием окислительных процессов. Качественный состав микроорганизмов разнообразен – от анаэробных до облигатно аэробных. Присутствуют клостридии, псевдомонады, микобактерии, нитрификаторы, появляются цианобактерии. Общее количество микроорганизмов – сотни тысяч КОЕ/ мл.

Олигосапробные зоны (зоны чистой воды) характеризуются небольшим содержанием органических соединений. Качественный состав микробоценоза приближается к собственно водной микрофлоре, содержание бактерий – от 10 до 100 КОЕ/мл. Примером олиготрофных водоемов служат горные озера, оз.Байкал, оз.Ладожское, оз.Онежское в отсутствие антропогенного загрязнения.

Процессы самоочищения воды в водоемах происходят последовательно и непрерывно с постоянной сменой биоценозов. Патогенные бактерии не характерны только для олигосапробных зон, в мезо- и особенно в полисапробных зонах они могут находиться в достаточно больших количествах. Поэтому, несмотря на постоянное самоочищение, вода может быть источником инфекционных заболеваний: бактериальных кишечных инфекций – холеры, дизентерии, сальмонеллеза; вирусных инфекций – полиомиелита, гепатита.

14. Сточные воды и их очистка

Водоемы загрязняются в основном в результате спуска в них сточных вод от промышленных предприятий и населенных пунктов. В результате сброса сточных вод изменяются физические свойства воды (повышается температура, уменьшается прозрачность, появляются окраска, привкусы, запахи); на поверхности водоема появляются плавающие вещества, а на дне образуется осадок; изменяется химический состав воды (увеличивается содержание органических и неорганических веществ, появляются токсичные вещества, уменьшается содержание кислорода, изменяется активная реакция среды и др.); изменяется качественный и количественный бактериальный состав, появляются болезнетворные бактерии. Загрязненные водоемы становятся непригодными для питьевого, а часто и для технического водоснабжения; теряют рыбохозяйственное значение и т.д. Среди видов сточных вод (различают хозяйственно-бытовые, промышленные, сельскохозяйственные, ливневые, талые сточные воды) в наибольшей степени загрязнены микроорганизмами хозяйственно – бытовые (канализационные) сточные воды, содержащие миллиарды микробных клеток на 1 мл стока. Микробоценоз такой сточной жидкости состоит из обитателей кишечника человека и животных, в его состав могут входить и патогенные формы, вызывающие инфекционные заболевания. Очищают сточные воды с помощью механической и бактериальной фильтрации. В естественных условиях очистка сточных вод осуществляется путем их фильтрации через слои почвы на специальных земельных участках, называемых полями фильтрации и полями орошения, а также в биологических (очистных) прудах.

Биологические методы очистки сточных вод делятся на аэробные и анаэробные. Основаны на использовании биохимической деятельности аэробных и анаэробных микроорганизмов – их способности перерабатывать органические и минеральные вещества в процессах конструктивного и энергетического обменов клетки.

Аэробная биологическая очистка проводится в естественных и искусственных условиях. Почвенные микроорганизмы окисляют органические вещества просачивающейся воды, превращая их в неорганические соединения, т.е минерализуя их, очищают воду. Помимо органических соединений в почве задерживается до 99% находившихся в сточной воде бактерий. Прошедшая через почву очищенная сточная вода поступает в сборные дренажные трубы, по которым отводится в открытый водоем.

Поля орошения отличаются от полей фильтрации тем, что одни и те же земельные участки используются одновременно для очистки сточных вод и выращивания сельскохозяйственных культур (трав, овощей, плодовых деревьев и др.). На полях орошения очищается значительно меньше сточной воды, чем на полях фильтрации, но зато растениями используются ценные вещества, получающиеся при минерализации органических веществ сточной жидкости.

Биологические (очистные) пруды – искусственные последовательно соединенные водоемы, в которые отводится сточная разбавленная вода. Очистка воды в них сходна с процессами естественного самоочищения водоемов.

Кроме естественной очистки используется очистка сточных вод в искусственных условиях на специальных очистных сооружениях – биологических фильтрах и в аэротенках. Биологической очистке обычно предшествует механическая.

Биофильтры представляют собой резервуары, заполненные крупнозернистым материалом (шлаком, щебнем или пластмассовыми пористыми блоками). Через толщу этого загрузочного материала фильтруют сточную воду. Подача воздуха (аэрация) в биофильтры бывает естественной и искусственной (принудительной), когда воздух продувается через толщу загрузки вентиляторами. Такие биофильтры называют аэрофильтрами. На поверхности загрузочного материала обильно развиваются разнообразные организмы (микроорганизмы, простейшие и др.), образуя более или менее мощную пленку, называемую биологической.

Процесс очистки сточной воды под влиянием микроорганизмов биопленки состоит из 2 фаз: 1. сначала окисляются углеродсодержащие органические вещества и идет аммонификация азотсодержащих органических веществ (в самых поверхностных слоях загрузочного материала); 2. после окисления главной массы органических веществ окислению подвергают образовавшиеся аммиачные соли, которые переходят в соли азотистой и азотной кислот – процесс нитрификации (в более глубоких слоях загрузочного материала).

Аэротенки представляют собой бассейны, в которые вместе с отстоянной сточной водой вводят определенное количество активного ила, основная масса которого состоит из различных микроорганизмов:

- углеродокисляющие флокулообразующие бактерии, которые обеспечивают окисление органических соединений и образуют устойчивые комочки (флоккулы) органоминеральных субстратов;

- углеродокисляющие нитчатые бактерии, которые образуют устойчивый нитчатый углеродистый скелет, вокруг которого образуются флокулы; такая конструкция способна быстро осаждаться с образованием плотного ила

- бактерии-нитрификаторы, которые переводят аммонийный азот в нитратную форму, тем самым обеспечивая низкую мутность выходщих стоков

-крупноресничные инфузории (фортицелла, оперкулярия), прикрепленные к субстрату. Простейшие, поедая бактерий, регулируют их численность и тем самым снижают мутность стоков и стабилизируют пенистость в аэротенке, которая может быть следствием повышения репродукции флокулообразователей или доминированием в экосистеме аэротенка нитчатых бактерий, которые при дефиците флокулообразователей также дают пену. Смесь сточной воды с илом, протекая через аэротенк, подвергается активной аэрации. Поступающий в аэротенк воздух – источник кислорода – поддерживает ил во взвешенном состоянии и осуществляет энергичное перемешивание жидкости, что способствует постоянному и быстрому контакту организмов активного ила с питательными веществами сточной воды и кислородом. В аэротенках, как и в биофильтрах, происходит последовательное биохимическое окисление органических веществ сточной жидкости. Однако в аэротенках процесс протекает интенсивнее из-за лучшей аэрации. После прохождения через биофильтр и аэротенк вода поступает в отстойники для освобождения от биопленки и активного ила, затем сбрасывается в водоем. Иногда вода перед выпуском дезинфицируется хлором или хлорной известью.

Принцип действия биологических реакторов для очистки сточных вод

Биореактор, или метантенк, - это устройство для анаэробного брожения жидких органических отходов с получением метана. Метантенк является одним из важных элементов очистных сооружений.

Конструктивно метантенк представляет собой цилиндрический или реже прямоугольный резервуар, который может быть полностью или частично заглублен в землю. Днище метантенка имеет значительный уклон к центру. Кровля метантенка может быть жесткая или плавающая. В метантенках с плавающей кровлей снижается опасность повышения давления во внутреннем объеме.Стенки и днище метантенка выполняются, как правило, из железобетона.

Принцип действия метантенка

Сверху в метантенк по трубе поступает осадок и активный ил. Для ускорения процесса брожения метантенк подогревают, а содержимое перемешивают. Подогрев осуществляется водяным или паровым радиатором. Сброженный ил высокой влажности удаляется из нижней части метантенка и направляется на сушку (например, иловые площадки).

В условиях отсутствия кислорода из органических веществ (жиров, белков и т. д.) образуются жирные кислоты, из которых при дальнейшем брожении образуется метан и углекислый газ. Процесс термофильного сбраживания полного цикла длится около 3 суток, начальная температура сырья может быть 5 – 8˚С, затем наступает промежуточный этап – 30 - 34˚С и основной, когда температура во всех частях сбраживаемого субстрата находится в интервале – 50 - 55˚С. При получении биогаза различают три основные стадии: анаэробное сбраживание, химическая очистка и каталитическая оксидация. Образующийся метан - продукт трех реакций: гидролиза, ацитогенеза и метаногенеза.

Микробиологические процессы анаэробного сбраживания состоят из двух этапов – сбраживание углеводов, жиров и белков до жирных кислот, углекислого газа, водорода, спиртов, аммиака, сероводорода и разложение образовавшихся органических кислот и образование углекислоты, углекислого газа, метана и водорода.

Образовавшийся газ отводится через трубы в кровле метантенка. Из одного кубического метра осадка в метантенке получается 12-16 кубометров газа, в котором около 70 % составляет метан.

Биогаз, перед подачей в газгольдер (хранилище) очищают от серы и других примесей.

Анаэробная биологическая очистка. В процессе очистки сточных вод накапливается большое количество осадков, содержащих много органических веществ, микроорганизмов, в том числе и патогенных. Обработка и обезвреживание осадков проводится в метантенках, септиктенках и двухъярусных отстойниках. Сложные органические соединения осадка (белки, жиры, клетчатка и др.) в результате брожения и гниения превращаются в жирные кислоты, спирты и газообразные продукты (углекислый газ, аммиак, метан, водород). Среди газообразных продуктов 60-65% составляет метан, который может быть использован как горючий газ. Сброженный осадок обезвоживают, сушат и вывозят на с.-х. поля в качестве удобрения, а в брикетированном виде он может быть использован и как топливо.

Аналогичные процессы, осуществляемые микроорганизмами, протекают и при естественном самоочищении от загрязнений природных водоемов и почвы.

Экологические аспекты применения ОСВ в удобрительных целях

Осадок сточных вод (ОСВ), остающийся в цехе механической очистки после удаления из него части влаги (влажность 83%), содержит (в пересчете на сухое вещество) 42% общего углерода, 5% общего азота, 4-7% общего фосфора, 1,5-2% общего калия и может в дальнейшем использоваться в качестве удобрения. Однако его использование непосредственно в качестве удобрения невозможно по 2 причинам: содержание в нем огромного количества различных микроорганизмов, в т.ч. множества патогенов, а также содержание различных токсикантов, в первую очередь тяжелых металлов. Поэтому ОСВ для использования на удобрения нужно подвергнуть специальной обработке.

Сначала сырой ОСВ направляется на специальные площадки – иловые карты, где выдерживается до состояния сыпучести. Для обеззараживания (уничтожения патогенных микроорганизмов) ОСВ существует несколько способов:

- термофильное сбраживание в метантенках

- анаэробная стабилизация; при этом в компосте создается температура 60-65С, что обеспечивает гибель патогенных микроорганизмов и яиц гельминтов в течение 5-6 суток

- компостирование на иловых площадках

Для удаления тяжелых металлов (если они есть) полученный осадок перемешивают с песком или глиной и высевают в получившийся субстрат растения-гипераккумуляторы, которые накапливают в своей надземной части большие количества тяжелых металлов. Для усиления фитоэкстракции в почву добавляют хелаторы тяжелых металлов (напр., ЭДТА); однако при этом важно не переборщить с их количеством (не более 1-3 ммоль на 1 литр), т.к. иначе культурные растения, которые будут удобряться данным ОСВ, с помощью этих хелаторов также будут активно поглощать тяжелые металлы и накапливать их в продукции. Через 2-3 года растения-гипераккумуляторы удаляют с поля, и вместе с ними удаляются тяжелые металлы, а полученную смесь ила и песка (или глины) используют в качестве удобрения.

Обезвреживание и обеззараживание осадка сточных вод может быть осуществлено одним из следующих способов:      - термофильным сбраживанием в метантенках или термосушкой;      - облучением инфракрасными лучами (камера дегельминтизации);      - пастеризацией при температуре 70° С и времени теплового воздействия не менее 20 минут;

 - аэробной стабилизацией в аэротенках с активным илом при температуре 60-65°С в течение 2-х часов;      - компостированием (с опилками, сухими листьями, соломой и торфом, другими водопоглощающими средствами) в течение 4-5 месяцев, из которых 1-2 должны приходиться на теплое время года, при условии достижения во всех частях компоста температуры не менее +60° С;      - выдерживанием на иловых площадках от 1 до 3 лет