БІОТЕХНОЛОГІЯ - В. Г. Герасименко - 2006

Частина ІІ. Спеціальні біотехнології

Розділ 22. БІОТЕХНОЛОГІЇ УТИЛІЗАЦІЇ І БІОКОНВЕРСІЇ ВІДХОДІВ АГРОПРОМИСЛОВОГО КОМПЛЕКСУ

22.2. МЕТОДИ УТИЛІЗАЦІЇ ГНОЮ

22.2.2. Мінералізація органічних речовин у ґрунті та водоймищах

Цим методом утилізують рідку фракцію, тобто стічні води.

Процес утилізації відбувається за рахунок життєдіяльності різних груп організмів (бактерій, грибів, водоростей, найпростіших, черв’яків і членистоногих), які використовують органічні та неорганічні сполуки стічних вод як поживні речовини і джерело енергії. Аеробні мікроорганізми за участю кисню повітря перетворюють органічні речовини на мінеральні сполуки - аміак, діоксид вуглецю і воду.

Серед відомих методів очищення стічних вод біологічне знезасаження залишається найбільш доступним і надійним у санітарному відношенні.

Існують дві великі групи аеробних процесів біологічного очищення стічних вод - екстенсивні та інтенсивні.

До екстенсивних належать методи, не пов’язані безпосередньо з керованим культивуванням мікроорганізмів - це поля зрошення, поля фільтрації, біоставки. Мікроорганізми, які знаходяться у верхніх шарах ґрунту полів зрошення і фільтрації або у воді біоставків, утворюють біоценози, за рахунок діяльності яких проходить очищення води.

В основі інтенсивних способів лежить діяльність активного мулу або біологічної плівки, тобто природно виниклого біоценозу, який формується на конкретному виробництві залежно від складу стічних вод і вибраного режиму очищення. Формування біоценозу - процес досить тривалий і проходить постійно під час очищення стічних вод у спеціальних спорудах - аеротенках або біологічних фільтрах.

Аеротенки - це бетонні або залізобетонні резервуари, крізь які повільно протікає суміш активного мулу і попередньо відстояної стічної рідини. В них очищення стічних вод відбувається за допомогою активного мулу. Активний мул - це субстрат у вигляді темно-коричневих пластівців і складається на 70 % з природної асоціації аеробних мікроорганізмів (різних бактерій і найпростіших) та 30 % твердих частинок неорганічної природи. Мікроорганізми разом з твердими частинками, до яких вони прикріплені, утворюють зооглей - симбіоз популяцій організмів, покритих спільною слизовою оболонкою. На активному мулі адсорбуються і окислюються за участю кисню повітря органічні речовини стічних вод. Суміш стоків і активного мулу безперервно аерується для підтримки мулу в завислому стані та подачі кисню.

Аеротенки працюють в комплекті з відстійниками, в яких осаджується мул, що накопичується у великих кількостях. Частина активного мулу знову повертається у систему очищення, а надлишковий активний мул, який утворився в результаті росту мікроорганізмів, надходить на мулові майданчики з подальшим вивезенням його після зневоднювання на поля.

В Україні для очищення стічних вод спиртзаводів використовують біотенки (аеротенки), в яких функціонують іммобілізовані мікроорганізми на нерухомому носії. Цей волокнистий носій має велику питому поверхню (1 кг носія - 8-10 тис. м² площі), високу адгезійну здатність. Завдяки цьому на ньому закріплюється значна кількість біомаси, що сприяє інтенсифікації очищення та усуває утилізацію надлишкового активного мулу, оскільки його приріст фактично відсутній. Тому зі схеми очищення вилучається ціла низка споруд - вторинний відстійник для виділення надлишкової біомаси, мінералізатор, мулові майданчики. Це робить очисні споруди малогабаритними, компактними, спрощує їх обслуговування. Крім цього, носій є біологічно інертним, тобто практично не руйнується мікроорганізмами і може працювати без заміни багато років (Кошель М. та ін., 2002).

Біологічні фільтри - це металеві або залізобетонні резервуари, заповнені фільтрувальним матеріалом (шлаком, керамзитом, гравієм, пластмасою, щебінкою та ін.). Мікроорганізми у них знаходяться в нерухомому стані, закріпленими на фільтрувальному матеріалі (носії) у вигляді біологічної плівки.

Біологічна плівка - це об’єкти зі складною структурою з живих і мертвих клітин, клітинних фрагментів і позаклітинних полімерів, які закріплені на поверхні (Іпполітов К. Г. та ін., 2003). Всередині біологічних плівок міститься суміш популяцій, що постійно змінюється. На поверхні біоплівки відбувається активне розмноження клітин, тому що тут найвища концентрація субстрату. Ближче до поверхні носія концентрація субстрату стає лімітуючою, що є причиною руйнування внутрішньої структури біоплівки. Значна частина біоплівки втрачається через ерозію поверхні під впливом сил потоку рідини, або її відриву внаслідок розшаровування. Регенерація біоплівки під час процесу здійснюється за рахунок відриву та віднесення її частини і розвитку на звільненому місці нової, більш активної. Стічні води надходять зверху і повільно проходять вниз через біофільтри, де відбувається мінералізація органічних речовин, а в щілини між гранулами знизу вгору надходить повітря природним шляхом або примусово (аерація). Потужність біологічних фільтрів залежить від площі поверхні наповнювача. Схема біофільтра показана на рис. 22.1.

Рис. 22.1. Біофільтр (за Виковим В.А., 1987)

У процесах біологічного очищення стічних вод у спеціальних спорудах широко використовують три основні режими культивування біомаси мікроорганізмів: безперервний, періодичний і відлучно-доливний.

Відлучно-доливний метод має переваги над іншими. Перш за все це компактність очисних споруд, оскільки в одному реакторі поєднуються процеси очищення води і відділення активного мулу шляхом відстоювання. Навіть при використанні декількох реакторів така система займає меншу площу, ніж традиційна система «аеротенк - вторинний відстійник». Тепер цей режим використовують при очищенні стічних вод в усьому світі. Так, в Баварії (ФРН) з 1990 по 2000 рр. кількість реакторів, які працюють за цією схемою, збільшилася у 25 разів (Ша- гінуров Г.І. та ін., 2003).

Збільшення окислювальної потужності біологічних очисних споруд при відлучно-доливному процесі на відміну від інших режимів досягають не методом іммобілізації (адгезійної і/або адсорбційної) на поверхні носіїв, а шляхом одержання щільних мікробних гранул. Мікробні агрегати, відомі в літературі як «мікробні гранули», являють собою сферичну біоплівку, яка утворюється за певних умов шляхом самоіммобілізації мікроорганізмів активного мулу (Шагінуров Г.І. та ін., 2003). Основними перевагами гранул над пластівцями активного мулу є висока швидкість осідання через великі розміри і, як наслідок, швидке розділення рідкої і твердої фаз, а також висока активність.

Біологічні ставки - водоростеві, рачкові, рибоводні. Недоліком є повна безконтрольність процесу і те, що функціонують вони лише у теплий період року. У водоростевому ставку проходить очищення стоків за допомогою аерування їх мікроводоростями, які утилізують біогенні елементи стоків, збагачують середовище киснем, підлужують його до рН 9-10, що сприяє інгібуванню сапрофітної і патогенної мікрофлори. В ньому, крім водоростей, активно розвивається біомаса непатогенних бактерій і найпростіших.

Із водоростевого ставка стоки, збагачені продуктами метаболізму бактерій, найпростіших, водоростей і їх біомасою, надходять у рачковий ставок. У ньому очищення відбувається за участю личинок різних комах, вислоногих і рачків-фільтратів. Із рачкового ставка очищені стоки надходять у рибоводний ставок, в якому біоценоз збагачується новими видами гідробіонтів - мальками риб (коропа), кормом для яких є біоценоз рачкового ставка. Тут відбувається остаточне очищення стічних вод.

Використовуються біологічні ставки як безпосередньо для очищення стічних вод без попередніх стадій, так і для доочищення стоків після очисних споруд у випадку, коли домішки, які залишаються, ускладнюють процес подальшої їх утилізації.

Поля зрошення і фільтрації — це спеціально відведені ділянки землі для очищення стічних вод. Вони відрізняються між собою тим, що поля фільтрації не використовуються для вирощування сільськогосподарських культур.

Процес самоочищення води відбувається за рахунок життєдіяльності різних груп ґрунтових організмів - бактерій, грибів, водоростей, найпростіших, черв’яків і членистоногих. На поверхні ґрунтових грудочок утворюється біологічна плівка.

Недоліки методу мінералізації органічних речовин у ґрунті та водоймищах:

1) економічний - вимагає великих капіталовкладень і витрат енергії на механічну очистку стічних вод. Вартість очисних споруд в середньому становить 20-25 % суми, витраченої на спорудження крупного свинарського комплексу;

2) мінералізація органічних сполук відбувається тільки в поверхневому шарі ґрунту, тому що кисень проникає у ґрунт тільки на глибину 20-30 см.