По данным, полученным при эксплуатации очистных сооружений, основной причиной сброса неочищенных и не соответствующих нормам очистки стоков является вынос активного ила из вторичных отстойников в результате патологического нарушения структуры активного ила (90% случаев). Причиной этому бывает неисправность оборудования, что легко устранимо. Другой причиной является способность незрелого активного ила к патологическим изменениям структуры флоккулы (хлóпка) ила от малейших изменений качественного состава, поступающих на очистку стоков.

В условиях невозможности оперативного контроля за предприятиями-абонентами необходимо использовать процессы, устойчивые к токсичным и ингибирующим очистку сбросам сточных вод. Таким процессом и является биологическая очистка от органических веществ и аммонийного азота или «продлённое окисление» (продлённая аэрация) с низкими нагрузками, большой дозой и возрастом ила. На фото 1 показан выпуск очищенных сточных вод в Москва-реку.


Фото 1. Выпуск очищенных сточных вод в Москва-реку

В лаборатории цеха нейтрализации и очистки промышленных сточных вод (НиОПСВ) предприятия АО «Минудобрения» в течение нескольких десятилетий проводились гидробиологические исследования биоценоза активного ила по ПНД Ф СБ 14.1.77–96 [1] и «Методическим рекомендациям…» [2], разработанным Г. В. Капитоновой на основании принципов биоэстимации (биологической оценки) с учётом метода биоиндикации при различных нагрузках, концентрациях растворённого кислорода в иловой смеси, значениях водородного показателя и залповых сбросах промышленных стоков.

В цехе НиОПСВ АО «Минудобрения» (очистные сооружения города Воскресенска) в полной мере реализован процесс очистки биоценозом «зрелого» ила, то есть илом большого возраста, с большой дозой «активного» ила.

Активный ил имеет следующие характеристики:

  • нагрузка по биологическому потреблению кислорода (БПК) — 40–100 мг на 1 г. сухого вещества БПК в сутки;
  • нагрузка по химическому потреблению кислорода (ХПК) — 100–300 мг на 1 г. сухого вещества ХПК в сутки;
  • весовая доля ила в иловой смеси — 4–8 г/л;
  • концентрация растворённого кислорода в аэротенке — 4–6 мг/л;
  • период аэрации — 12–16 часов;
  • коэффициент рециркуляции — 0,8–1,2;
  • расход стоков — 45–60 тыс. м³/сут.;
  • концентрация растворённого кислорода во вторичных отстойниках — 1,6–2,1 мг/л;
  • удельный расход воздуха на аэрацию — 5–7 м³/м³;
  • удельный расход электроэнергии на аэрацию — 0,12–0,18 кВт/м³.

На фото 2 показаны обеззараженные сточные воды.


Фото 2. Обеззараженные сточные воды

По классификации ИТС 10–2019 [3] технологический процесс в аэротенке относится к глубокой биологической очистке с нитрификацией и частичной симультанной денитрификацией. Очищенные стоки имеют следующую степень очистки:

  • БПК — менее 3 мг/л;
  • ХПК — менее 20–30 мг/л;
  • аммонийный азот — менее 0,4 мг/л;
  • нитритный азот — менее 0,01–0,02 мг/л;
  • нитратный азот — менее 9,2 мг/л;
  • нефтепродукты — 0,05 мг/л;
  • медь — 0,002 мг/л;
  • цинк — 0,003 мг/л;
  • фосфор — 2,2–3,1 мг/л.

На фото 3 показаны сточные воды, доочищенные на песчано-гравийных фильтрах-биореакторах.


Фото 3. Сточные воды, доочищенные на песчано-гравийных фильтрах-биореакторах

Эффективность очистки составила: по БПК — 97–98%, по ХПК — 85–87%, аммонийному азоту — 95–98%, нефтепродуктам — 95–98%, меди — 93–96%, цинку — 97–98%, фосфору — 10–12%.

В биологической очистке сточных вод основная роль принадлежит сообществу микроорганизмов, называемому «активным илом» [4–6].

Активный ил — это сообщество микроорганизмов, главным образом флоккулированных бактерий, которые образуются при интенсивном движении водной среды, загрязнённой органическими веществами.

Флоккулы активного ила — это целостный организм, «сверхбактерия», выполняющая в экосистеме наибольшее число функций, и в то же время «многоклеточный организм» с дифференциацией клеток по слоям, образованием участков для дефекации, для половых продуктов, информационных связей и т. д. [6].

В специализированной литературе можно встретить разные версии причин и способов агрегации бактерий, например: бактерии объединяются общей слизью; нитчатые организмы образуют сеть, за которую цепляются бактерии; бактериальные агрегаты химически организованы; спутанно-волокнистые матики ассоциируются с бактериями, силами Ван-дер-Ваальса, объединение с помощью гидрофильности и гидрофобности и прочее [6].

Очевидная версия при микроскопировании флоккул: бактерии объединяются за счёт ворсинок — выростов бактериальной оболочки, покрытых гликокаликсом. Ворсинки выходят далеко за пределы бактериальных клеток, ветвятся и, соприкасаясь, срастаются и образуют общий канал, по которому осуществляется обмен информацией и половыми продуктами. В стоячей воде агрегация бактерий временна, а в подвижной — постоянна.

Непрерывное бурление воды (в аэротенке, в горной реке, в подножии водопада, в прибойной зоне моря) стимулирует образование всё более совершенных флоккул, по форме напоминающих бактерии, из которых флоккула состоит, то есть эллипсоидной формы. Ворсинки позволяют бактериям внутри флоккул перемещаться и занимать наиболее комфортное положение: из первоначально беспорядочного конгломерата бактерии-аэробы перемещаются к поверхности, анаэробы — к центру, а микроаэрофилы располагаются между ними. Чем интенсивнее движение водной среды, тем прочнее флоккулы. Стагнация приводит к распаду флоккул — дефлоккуляции. Фрагменты зрелых флоккул, распавшихся в результате дефлоккуляции, не способны объединится или восстановить нормальную форму — они обречены на вымывание из системы [6].

Важнейшая характеристика активного ила — время и степень агрегации бактерий активного ила. В настоящее время для описания времени и степени агрегации используют косвенное понятие, называемое «возрастом ила». Под возрастом ила обычно понимают величину, зависящую от количества удаляемого из аэротенка избыточного ила. Чем больше количество удаляемого ила, тем меньше возраст ила. Удаление ила ограничивает условия, при которых активный ил, как комплекс специфических самоорганизующихся микроорганизмов, будет находиться в «зрелом», «здоровом» состоянии, готовом к выполнению своей основной функции: окислению органических веществ и нитрификации-денитрификации [6–9].

При стабилизации возраста ила в аэротенках формируется биоценоз, состав которого, а, следовательно, и процесса, осуществляемого им, находятся в динамическом равновесии. Слизистые образования, образующиеся при жизнедеятельности бактерий, имеющих слизистые капсулы или выделяющих слизь (зооглеи) формируются во флоккулы, которые можно представить в виде общепринятой в настоящее время модели, содержащей аэробную, аноксидную и анаэробную зоны. На фото 4 представлен зрелый ил — хорошо флоккулированный, частично гранулированный (10–15% от объёма).


Фото 4. Зрелый ил — хорошо флоккулированный, частично гранулированный

Чем больше возраст активного ила, тем больший относительный объём в его флоккулах занимает анаэробная зона, однако это процесс не «старения», а совершенствования флоккул — с точки зрения трансформации всё большего спектра веществ и обеспечения надёжности процесса очищения воды в целом [6].

В течение многолетней эксплуатации технологического процесса полной биологической очистки сточных вод от органических веществ с денитрификацией и симультанной денитрификацией (так называемая безнитратная, частичная, симбиотическая денитрификация, БНЧСД) отмечались случаи нитчатого вспухания активного ила при поступлении большой концентрации аммонийного азота (от 50 до 100 мг/л) и одновременно значительной концентрации ХПК (от 500 до 800 мг/л). Большое количество кислорода идёт на окисление органических веществ, эффективность нитрификации снижается до 40–50%. Преимущество в развитии получают микроорганизмы с большой поверхностью для поглощения кислорода, то есть нитчатые. Иловый индекс возрастает до 150–220 мл/г. При прекращении сброса биоценоз восстанавливается в течение 5–10 периодов аэрации (три-пять суток). На фото 5 представлено нитчатое вспухание активного ила при развитии цианобактерий.


Фото 5. Нитчатое вспухание активного ила при развитии цианобактерий

Гелевое вспухание ила при поступлении больших концентраций ХПК и тяжёлых металлов. Возрастает иловый индекс до 150–200 мл/г в течение двух-трёх периодов аэрации. Биоценоз восстанавливается в течение 5–10 периодов аэрации после прекращении сброса. Всплывание крупы во вторичных отстойниках происходит только при поступлении аммонийного азота концентрацией выше 80–100 мг/л при невозможности увеличения концентрации кислорода выше 4–6 мг/л в одном или двух из четырёх работающих аэротенков, а также при поступлении стоков с концентрацией аммонийного азота более 50 мг/л и ХПК более 300–500 мг/л. Это нарушение устраняется после прекращения сброса в течение двух-четырёх периодов аэрации (фото 6).


Фото 6. Сброс воды

Всплывание не происходит при поступлении большой концентрации только аммонийного азота и возможности увеличить концентрацию растворённого кислорода во всех аэротенках более 6 мг/л.

Всплывание ила в виде характерных «лепёшек» возникает крайне редко и является следствием неисправности илососа в одном из отстойников. По причине прохождения процесса денитрификации во вторичном отстойнике данный нежелательный процесс устраняется увеличением отбора ила из отстойника (коэффициент рециркуляции до 1,2–1,3), то есть сокращением времени отстаивания.

Плёнка на поверхности вторичных отстойников возникает при развитии актиномицетов рода Microthrix, как следствие начала нитчатого вспухания, описанного выше. Наблюдается одновременно с образованием пены на поверхности аэротенков. Пена обусловлена развитием актиномицетов, которые при всплывании образуют серую пену при поступлении аммонийного азота концентрацией более 50 мг/л и ХПК — более 400–500 мг/л. На фото 7 представлен клубок из актиномицетов в основании стебельков колониальной инфузории рода Epistilis.


Фото 7. Актиномицетов в основании стебельков колониальной инфузории рода Epistilis

Данный процесс проявляется через один-два периода аэрации. При прекращении поступления больших концентраций вспенивание и плёнка исчезают через период аэрации. При продолжительном поступлении больших концентраций указанных выше веществ поверхность аэротенка покрывается пеной более чем на 25–30% площади поверхности аэротенков.

При повышении концентрации растворённого кислорода в аэротенке более 5–6 мг/л вспенивание прекращается. Образовавшаяся пена (фото 8) разлагается в течение 5–10 периодов аэрации.


Фото 8. Серая пена с поверхности аэротенка

Диспергирование структуры флоккул представляет собой процесс деградации бактерий, при котором они не образуют на своей поверхности ворсинки для слипания во флоккулы. Происходит при поступлении токсичных сточных вод. При микрофлоккуляции присутствуют только молодые (ювенильные) флоккулы — прозрачные и плохо слипающиеся, которые легко выносятся из вторичных отстойников. Эти виды нарушений за время эксплуатации на очистных не наблюдались.

Поступление токсичных сточных вод может приводить и к дефлоккуляции, при которой флоккулы распадаются на мелкие части. В этом случае надиловая вода будет тёмной и непрозрачной, поскольку частички флоккул не оседают. За время эксплуатации очистных сооружений данное явление наблюдалось редко. После прекращения сброса токсичных стоков признаки дефлоккуляции исчезали через один-три периода аэрации.


Фото 9. Атлас гидробионтов аэротенков, вторичных отстойников и фильтров-биореакторов

В результате многолетней работы по наблюдению активного ила и эксплуатации аэротенков в оптимальном режиме составлена таблица возможных и эффективных мер по предотвращению и устранению нарушений структуры активного ила. В 2017 году был создан «Атлас гидробионтов очистных сооружений цеха НиОПСВ. Методика определения технических нарушений биоценоза активного ила» (фото 9) с фотоиллюстрациями микроорганизмов, которые обнаружены в биоценозе активного ила, и микроорганизмов после воздействия различных неблагоприятных факторов.