Біологічна очистка води. Біофільтри.

Біологічне очищення води є обов'язковим процесом у УЗВ, без якого неможлива ефективна їх експлуатація. Вона заснована на здатності мікроорганізмів розкладати органічні та неорганічні речовини, що накопичуються у воді при вирощуванні риби, і спрямована на видалення з оборотної води, перш за все сполук азоту та фосфору, що є основними джерелами забруднення. Біологічне очищення може відбуватися в спеціальних пристроях - біофільтрах, аеротенках, а також в біологічних ставках, де є особлива мікрофлора або так званий активний мул. Активний мул - спільнота мікроорганізмів-бактерій, здатних окислювати органічні речовини» [3].

Пристрої для біологічної очистки води поділяються на 3 типи, кожен з яких використовується в даний час у промислових установках:

· аеротенки,

· інтегратори,

· біофільтри.

Аеротенки представляють собою ємності, заповнені активним мулом і обладнані пристроями для аерації або оксігенаціі (насичення рідким киснем) води. Можуть бути без завантаження та із завантаженням, що представляє собою гравій, керамзит, керамічні або скляні елементи, поліетиленові гранули, і дозволяє збільшити концентрацію бактерій і питому продуктивність. Аеротенки мають порівняно невисоку вартість, прості в обслуговуванні. Однак мають досить низьку продуктивність, тому з'являється необхідність у великих обсягах блоків очищення. Співвідношення обсягу рибоводних ємностей до обсягу аеротенків складає 1:8 - 1:10. Крім того, в аеротенках зазвичай застосовують для механічної очистки води не фільтри, а відстійники, так як велика кількість зваженого активного мулу ускладнює роботу фільтрів. Все це робить важким підтримання необхідного температурного режиму і підвищує витрати електроенергії на підігрів води.

Інтегратори представляють собою конічні ємності, в нижній частині яких створюється шар активного мулу. Верхня частина працює як відстійник. Співвідношення обсягу Рибоводних ємностей до обсягу інтеграторів складає 1:5 - 1:10. При використанні інтеграторів відпадає необхідність у балансі механічної очистки, однак потрібно точне підтримання швидкості водообміну, щоб не відбувалося осадженням активного мулу та винесення його за межі зони відстоювання.

Біофільтри саме останнім часом отримали найбільш широке застосування в системах біологічної очистки. Вони являють собою ємності, заповнені наповнювачем різного типу об'ємного, (як у аеротенках), плівкового (у вигляді окремих аркушів або касет), стільникового та трубчастого. Об'ємне і плівкове (листове) завантаження застосовуються досить рідко в промислових установках» [3].

Порівнянні з аеротенками і інтеграторами біофільтри мають питому продуктивність у 8 - 10 разів вище. Однак і вартість їх у 5 - 10 разів більше. Співвідношення обсягу рибоводних ємностей і біофільтрів від 1:0,5 до 1:4. До недоліків біофільтрів крім високої вартості відноситься необхідність мати в складі очисної споруди окремий біофільтр (або його важливу складову) - денітрифікатор, в якому нітрати з води відновлюються до вільного азоту.

«Денітрифікуючий фільтр (денітрифікатор) входить до складу системи повної фільтрації і є ємністю з декількома відсіками заповнену різними матеріалами (губка, кораловий гравій, кераміка). Тут створюється безкисневе середовище в якій розвиваються анаеробні бактерії. Через фільтр повільно пропускається вода, а бактерії засвоюють нітрати, перетворюючи їх спочатку в закис азоту, а потім у вільний, газоподібний азот» [4].

«Біофільтри поділяються на п'ять типів:

· занурені

· зрошувальні (крапельні)

· комбіновані

· ті, що обертаються

· з «псевдозрідженним шаром»

У занурених біофільтрах як наповнювач використовують пластикові касети, соти, пучки з ПВХ- трубок, що розташовуються нижче поверхні води в ємності. Об'ємне завантаження застосовують рідко, тому що воно потребує періодичного промиванні, в процесі якої знищується бактеріальна плівка. З усіх типів біофільтрів мають найнижчу питому продуктивність по окисленню сполук азоту.

У зрошуваних біофільтрах шар завантаження мають вище рівня води в ємності. Біоочистка відбувається в тонкому шарі води, що стікає по наповнювачі, що забезпечує краще окислення сполук азоту. Найбільш часто в таких біофільтрах застосовують касетні і стільникові наповнювачі. Продуктивність їх в 1,5 рази вище, ніж у занурених. До недоліків відносять можливу загибель бактеріальної плівки із-за швидкого висихання при зупинці насосів, хоча у деяких біофільтрів такого типу передбачено автоматичне затоплення у випадку зупинки рециркуляційних насосів. У вітчизняній практиці в краплинні біофільтри повітря надходить природним шляхом - зверху через відкриту поверхню біофільтра і знизу через дренаж» [3].

«Надійна робота біофільтра може бути досягнута тільки при рівномірному зрошенні водою його поверхні.

Зрошення здійснюється спеціальними розподільними пристроями, які бувають нерухомими і рухомими.

До нерухомим розподільникам відносяться дірчасті жолоби або труби та розбризкувачі (спринклери), до рухомих - хитні жолоби, рухомі наливні колеса і обертові реактивні розподільники (зрошувачі). У вітчизняній і зарубіжній практиці найбільшого поширення набули спринклерні зрошення і зрошення g допомогою рухомих зрошувачів.

Вони мають низькі навантаження по воді (не більше 0,5-1 м³ стічної води на 1м³ завантажувального матеріалу), а також менший порівняно з високозавантажувальними біофільтрами розмір фракцій (20-40 мм).

Краплинні біофільтри рекомендується проектувати на пропускну здатність не більше 1000 м³/добу» [5].

Комбіновані біофільтри складаються з двох частин. Верхня являє собою зрошуваний біофільтр, нижня - занурювальний. Суміщають переваги і недоліки обох типів біофільтрів.

Обертові біофільтри (Рис. 2.) мають обертальні частини із завантаженням, що представляє собою барабан або систему пластикових перфорованих труб, заповнених гофрированими дисками. Наповнювач обертаючись, то заходить у воду, то виходить з неї. В результаті для біоплівки створюється сприятливий кисневий режим як у зрошуваних біофільтрах. Регенерація завантаження забезпечується постійним її перемішуванням всередині очисного блоку за допомогою ерліфтів або гідроелеватора. Даний тип біофільтра має максимальну питому площу активної поверхні (750м²/м³), а також найменше співвідношення обсягу рибоводних ємностей і обсягу блоку біоочистки: 1:0,5 - 1:1. Таке співвідношення практично неможливе для інших типів біофільтрів. Недоліком його є висока вартість, головним чином за рахунок високої вартості завантаження» [3].

«Диски мають зазвичай діаметр 2-3 м. і обертаються зі швидкістю 1-40 об/хв. Відстань між дисками 15-20 мм. Дискові біофільтри встановлюють у вигляді повнозбірних установок заводського виготовлення» [5].

Рис. 2. Схема пристрою дискового біофільтра

1 - дисковий блок з пластин; 2 - вал; 3-привод дискового блоку; 4 і 7 - підвідний і відвідний лотки; 5 - ванна; 6 – водозлив.

Блок біологічного очищення починає працювати на повну потужність через 2-3 тижні після запуску установки по мірі наростання шару бактеріальної плівки.

В біологічних фільтрах проходять процеси нітрифікації та денітрифікації. Розглянемо їх докладніше:

Нітрифікація — мікробіологічний процес окислення аміаку до азотистої кислоти або її самої далі до азотної кислоти. Відбувається в аеробних умовах в ґрунті та природних водах. Часто може викликати появу в них нітратів в токсичній кількості.

До дослідів С. М. Виноградського припускалось, що причиною нітрифікації є один вид мікроорганізмів, які окислюють амонійні сполуки до нітратів. Проте працями С. М. Виноградського було доведено, що цей процес є результатом послідовної дії двох груп мікроорганізмів і відбувається він у дві фази, а саме: спочатку амонійні сполуки окислюються першою групою бактерій до азотистої кислоти, яка другою групою бактерій окислюється до азотної:
NH₄ +1/2О₂ =NO₂ +H₂O+2H⁺;
NO₂+1/2O₂ =NO₃^-.
Першу фазу нітрифікації здійснюють нітрозобактерії (Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrosolobus, Nitrosospira, Nitrosovibrio). У другій фазі нітрифікації азотисту кислоту окислюють Nitrobacter, Nitrospira, Nitrococcus. Найкраще серед нітрифікаторів вивчено Nitrobacter winogradskyi, однак описано й інші види збудників цього процесу, серед деяких є навіть гетеротрофні представники з родів Pseudomonas, Achromobacter, Corynebacterium, Nocardia, Bacillus.

Нітрифікуючі бактерії переважно належать до типових хемолітотрофів. Між ними існують метаболітичні взаємовідносини. Саме етапність процесу нітрифікації є характерною рисою таких взаємовідносин між мікроорганізмами. Метабіоз існує також між нітрифікуючими і гнильними (амоніфікуючими) бактеріями. Як уже зазначалось, у нітрифікуючих та інших хемолітотрофних бактерій С.М.Виноградським було відкрито процес хемосинтезу.

Вважають, що великі поклади селітри в деяких країнах — результат процесів нітрифікації, які відбувалися на нашій планеті протягом мільйонів років.

Для забезпечення процесу нітріфікації вода в УЗВ збагачується киснем. На окислення 1 гр. аміаку споживається 4,57 гр. кисню. У воді постійно підтримується насичення киснем на рівні 60-70%. Рівень насичення падає при підвищенні температури води, під час годування і при проведенні щоденного чищення жорсткого фільтру, для чого на короткий час (10-20 хв.) припиняється подача води.

Денітрифікація (дісиміляційна денітиріфікація) — клас мікробіологічних процесів відновлення нітратів до нітритів і далі до газоподібних оксидів і молекулярного азоту. В результаті цих процесів азот повертається до атмосфери і стає недоступним для більшості організмів. Особливо виділяють асиміляційну денітиріфікацію, що приводить до синтезу азотвмісних клітинних компонентів, що властива всім рослинам і мікроорганізмам.
Особлива роль при цьому належить групі мікробів, які можуть відновлювати нітрати до молекулярного азоту; цей процес називається денітрифікацією. Він спричиняється до істотних втрат із ґрунту доступних для рослин форм азоту.

Розрізняють пряму і непряму денітрифікацію. Пряма — це процес відновлення нітратів, безпосередньо пов'язаний із життєдіяльністю денітрифікуючих бактерій. Вона буває двох типів — асиміляторна і дисиміляторна. При асиміляторній денітрифікації нітрати відновлюються до аміаку, який використовується як джерело азоту для побудови тіла мікробів. У дисиміляторній денітрифікації нітрати використовуються як окислювачі органічних речовин замість молекулярного кисню, що забезпечує мікроорганізми потрібною енергією (див. нітратне дихання). Здатність до дисиміляторної денітрифікації мають тільки специфічні аеробні бактерії.
Збудниками прямої асиміляторної денітрифікації є представники родів Pseudomonas, Paracoccus (Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas fluorescens, Pseudomonas stutzeri, Paracoccus denitrificans). Денітрифікацію можуть зумовити і термофільні бактерії з роду Bacillus.

Відомо два основних природних шляхи зв'язування молекулярного азоту — фізико-хімічний і біологічний. Перший пов'язаний з впливом на молекулярний азот електричних розрядів, які бувають під час грози. Кількість зв'язаного таким чином азоту незначна і не відіграє великої ролі в живленні рослин.
Другий шлях фіксації молекулярного азоту пов'язаний з життєдіяльністю мікроорганізмів, що належать до двох груп: мікроби, які перебувають у симбіозі з рослинами, та азотфіксатори, що вільно живуть у ґрунті та воді.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: