В процессах с участием активного ила основным типом оборудования является проточный аэрируемый биологический реактор. Как показано на рис. 1, этот аэробный реактор (аэротенк) связан с отстойником, в котором вода осветляется. Часть ила, собирающегося в отстойнике, обычно вновь поступает в биологический реактор, в результате чего обеспечивается постоянная инокуляция илом. Рециркуляция увеличивает среднее время пребывания ила в системе, давая возможность присутствующим в нем микроорганизмам адаптироваться к имеющимся питательным веществам. Ил должен оставаться в аэробном биореакторе достаточно долго и для того, чтобы окислились все адсорбированные органические вещества.
Рис. 1 Схема очистки воды с участием активного ила.
Чтобы понять основные механизмы утилизации субстрата в этом биореакторе, необходимо сначала изучить природу и морфологию смешанной культуры микроорганизмов, живущих в аэрируемом реакторе. Одним из наиболее типичных для активного ила организмов является бактерия Zoogloea ramigera. Возможно, наиболее важной характеристикой как этого организма, так и многих других видов, существующих в активном иле, является способность синтезировать и секретировать в среду полисахаридный гель. Именно наличие геля обусловливает агрегацию микроорганизмов и образование хлопьевидных скоплений (флокул), называемых активным илом (рис. 2).
Рис. 2. Микрофотография некоторых микроорганизмов активного ила. (Из работы Unz R. P., Dondero N. С., Water Research, 4, 575 (1970).)
Активный ил характеризуется высоким сродством к суспендированным твердым веществам, включая коллоидальные частицы. Именно это обстоятельство служит причиной того, что первой стадией разрушения суспендированных твердых частиц в сточных водах является их присоединение к флокулам. Затем, способные к биодеградации компоненты адсорбированных частиц претерпевают окисление организмами флокулы (рис. 3).
Рис.3 Предполагается, что первой быстрой стадией разрушения органических веществ в аэрируемом реакторе периодического действия с активным илом является физический процесс — адсорбция органических веществ флокулами ила, затем следует более медленная стадия биологического окисления.
Для того чтобы выгоднее использовать высокую адсорбционную способность активного ила, разработан вариант обычного процесса, называемый контактной стабилизацией. Как показано на схеме (рис. 4), в этом процессе рециркулирующий осажденный ил подвергается повторной аэрации прежде, чем он вступит в контакт с отходами, поступающими в аэрируемый резервуар. В последнем органические вещества связываются с флокулами практически исключительно за счет физических сил. Биологическая утилизация связанных органических веществ происходит в основном в процессе повторной аэрации рециркулирующего ила; одновременно восстанавливается адсорбционная способность флокул ила.
Другие модификации процесса с участием активного ила отличаются от базового варианта главным образом способом осуществления контакта сточных вод, ила и воздуха в аэрируемом реакторе. Как показано на приведенной схеме, в процессе со ступенчатой подачей стоков поступающий поток после разделения вводят в аэрируемый резервуар в различных точках. Эффект разделения потока можно оценить, воспользовавшись рассмотренными ранее методами анализа реакторов.
Обычный аэротенк с активным илом представляет собой узкий длинный канал (коридор), который по своим характеристикам приближается к трубчатому реактору с незначительной дисперсией. Распределение поступающего потока подлине реактора изменяет характеристики системы таким образом, что коридорный реактор по своему поведению приближается к емкостному реактору с полным перемешиванием.
Еще ближе к реактору с полным перемешиванием бассейн круглой формы, содержимое которого интенсивно аэрируется с целью обеспечения массопереноса и перемешивания. В такой системе градиенты концентраций растворенного кислорода и питательных веществ минимальны, а развивающаяся популяция организмов активного ила часто лучше переносит флуктуации нагрузки или резкие повышения концентраций токсичных веществ.
Рис. 4. Схемы двух процессов биологического окисления.
Системы аэрации могут быть самыми разными. Помимо барботажа с перемешиванием, обычно используемого в микробиологических процессах, здесь возможно барботирование воздуха через диффузоры, расположенные на дне или в стенках резервуара. В другом варианте на поверхности бассейна вращается мешалка с лопастями, создающая турбулентные течения и способствующая поглощению газа. Третий вариант предусматривает перемешивание и аэрацию с помощью конуса, который забирает жидкость со дна бассейна и разбрызгивает ее на стенки резервуара. Во всех случаях основной задачей системы аэрации и перемешивания является снабжение кислородом микроорганизмов, суспендирование и перемешивание ила и других нерастворимых компонентов системы, а также удаление летучих продуктов метаболизма организмов ила, например диоксида углерода.
Помимо высокой адсорбционной и метаболической активности хороший ил должен также быстро оседать. Например, в цилиндре через 30 мин объем осевшего активного ила должен быть примерно в 40 раз больше объема суспендированных твердых компонентов. Если этот показатель намного выше и объем осевшего ила превышает объем суспендированных твердых частиц, например, в 200 раз, то такой ил не удовлетворяет предъявляемым к нему требованиям, поскольку он будет вытекать из отстойника вместе с очищенными сточными водами. Такое состояние называют объемной перегрузкой; в этом случае обработанные сточные воды не будут отвечать соответствующим стандартам.
Хотя причины, вызывающие объемную перегрузку и механизм этого явления пока еще не выяснены, изучение ила часто показывает, что в нем содержатся филаментозные бактерии и жгутиковые простейшие. Напротив, хороший ил обычно не содержит сколько-нибудь многочисленные популяции филаментозных организмов, а из простейших в нем присутствуют главным образом стебельчатые ресничные виды. В процессе очистки воды эти простейшие выполняют полезную функцию, захватывая свободные, т. е. не включенные в флокулы, бактерии и таким образом осветляя обработанные сточные воды.
В нормальных условиях эксплуатации очистных станций филаментозные бактерии и грибы не могут конкурировать с гетеротрофными бактериями, присутствующими в хорошем иле. Резкие изменения концентраций загрязняющих веществ в поступающих сточных водах или грубое нарушение режима эксплуатации системы водоочистки могут привести к условиям, неблагоприятным для роста полезных популяций, что в свою очередь позволит другим видам микроорганизмов занять доминирующее положение в системе. Отсюда следует, что результаты как объемной перегрузки, так и нормального режима работы системы водоочистки представляют собой проявления принципов конкуренции видов в смешанных популяциях.
