Седлухо Юрий Петрович, доктор технических наук, профессор кафедры водоснабжения и водоотведения Белорусского национального технического университета. Республика Беларусь, 220013, г. Минск, пр-т Независимости, д. 65.
Иванов Сергей Анатолиевич, директор УП «Полимерконструкция». Республика Беларусь, 210026, г Витебск, ул. Гагарина, д. 11.
Еловик Валерий Леонидович, главный технолог УП «Полимерконструкция». Республика Беларусь, 210026, г. Витебск ул. Гагарина, д. 11.
Рассмотрены технологические основы биологического окисления закисных форм железа, марганца и сероводорода, содержащихся в подземных водах. Раскрыт механизм окисления и образования их окисленных форм на поверхности и внутри микробных клеток. Проанализирован более 25-летний опыт Беларуси исследований, разработки и эксплуатации нескольких сотен станций водоподготовки заводского изготовления, реализующих различные технологические схемы и методы биологического удаления железа, марганца и сероводорода. Предложен ряд новых технологий с использованием как традиционных, так и оригинальных конструктивных решений, позволяющих успешно решать задачи очистки сложных по составу подземных вод с минимальными капитальными и эксплуатационными затратами.
Ключевые слова: подземные воды, биологическая очистка, железо, марганец, сероводород, установки заводского изготовления.
Несмотря на то, что со времени открытия С.Н. Виноградским явления хемосинтеза (в основу которого положены результаты исследований бактерий, окисляющих в водной среде железо, марганец, сероводород и другие минеральные соединения) прошло более века, биологические методы удаления этих веществ из подземных вод применяются в весьма ограниченных масштабах [1]. Предпочтение отдается физико-химическим методам [2-5].
Являясь естественными природными процессами (так или иначе, в той или иной мере проявляющиеся практически на всех ступенях водоподготовки при использовании аэрационных методов удаления железа, марганца, сероводорода и др.), биологические процессы не продуцируют каких-либо токсичных веществ или опасных для человека микроорганизмов. Они являются одними из немногих, позволяющих избирательно извлекать из воды загрязняющие вещества без применения химических реагентов. При правильной их организации и конструктивном оформлении, как правило, достигается высокая эффективность удаления извлекаемых веществ и микробиологически безупречное качество очищенной воды. Наиболее авторитетным профессиональным справочником «Дегремон» биологические методы очистки подземных вод отнесены к наиболее эффективным и экономичным методам. Но при этом отмечается, что они недостаточно исследованы, и для определения оптимальных технологических параметров их реализации, как правило, требуется проведение предварительных пилотных испытаний[6].
Для разработки биохимических технологий водоподготовки не так важны проблемы систематики, морфологии и чисто микробиологические тонкости отдельных микроорганизмов. Крайне важным является механизм процессов биоокисления удаляемых веществ, физиология и экология сообщества, как правило, самопроизвольно развивающихся микроорганизмов для создания оптимальных условий их существования. С этой точки зрения наиболее важным является установление механизма окисления и образования окислов металлов на поверхности микробных клеток. В его основе лежат процессы биологической и физико-химической природы[1,7-10].
В основе биологических процессов окисления сорбированного железа и марганца лежит перекисный механизм. Он представляет собой реакции между продуктом метаболизма Н2О2 и переменно-валентными металлами. Физиологический смысл этого процесса заключается в детоксикации вредного воздействия перекиси водорода, выделяющейся в метаболических процессах жизнедеятельности бактерий. Это определяет развитие железо- и марганцеокисляющих бактерий в особых экологических условиях, где присутствуют восстановленные соединения эти металлов. В среде их окисленных форм железобактерии не развиваются.
Физико-химические процессы, в основе которых лежит процесс сорбции, включают механизм связывания соединений металлов внеклеточными экзополимерами с образованием слизистых чехлов, капсул, нитей и т.п. Экзополимеры играют важную роль в образовании бактериальных пленок на поверхности различных загрузок биореакторов и фильтров, а также осадков, отличающихся более плотной структурой, высокой скоростью осаждения и уплотнения.
Суммируя имеющиеся сведения о железобактериях, можно выделить наиболее важные факты, учет которых необходим для успешной реализации биохимических технологий очистки подземных вод от соединений железа и марганца:
Одним из первых последователей, кто еще в 1887 году открыл уникальную способность серобактерий окислять сероводород с накоплением элементарной серы внутри клеток, является С.Н. Виноградский. С точки зрения очистки сероводородсодержащих вод наибольший интерес вызывают бесцветные и тионовые серобактерии. Фототрофные (зеленые, пурпурные и другие окрашенные бактерии), участвуя в процессах фотосинтеза, развиваются только на свету, что в условиях большинства сооружений водоподготовки практически исключается.
Бесцветные и тионовые бактерии, в отличие от сульфатредуцирующих, являются аэробами и развиваются только в присутствии растворенного в воде кислорода и сероводорода.
Исследуя бесцветные нитчатые серобактерии родов Beggiatea и Thiothrix, С.Н.Виноградский установил, что сероводород окисляется в две стадии [l]:
В настоящее время известно около 50 видов бесцветных серобактерий, принадлежащих к восьми видам, но изучены они слабо. В одну группу они объединены на основании одного признака - способности к окислению сероводорода с накоплением элементарной серы внутри клеток. Это обстоятельство, с учетом стадийности процесса, является важнейшим при разработке технологии биохимической очистки сероводородсодеращих вод, т.к. этот процесс может обеспечить окисление сероводорода без применения химических окислителей и образования трудноудаляемой коллоидной серы. А реакция второй стадии процесса позволяет окончательно нейтрализовать токсичные сероводород и сульфиды, переводя их в безвредные сульфаты.
Механизм окисления бактериями различных соединений серы весьма сложен и далеко не все реакции выяснены до конца. В последние годы появляется все больше сведений в пользу перекисного механизма окисления сероводорода серобактериями, аналогичного железобактериям [9, 10]
Анализ фундаментальных исследований серобактерий, опыт их использования в технологиях биохимической очистки подземных вод от сероводорода и результаты проведенных полномасштабных лабораторных и полупроизводственных пилотных испытаний позволили разработать новую двухступенчатую технологию, реализующую в полной мере установленный С.Н. Виноградским двухступенчатый процесс полного окисления сероводорода бесцветными нитчатыми серобактериями. Эта технология позволяет решить две основные проблемы, которые выявились при реализации биотехнологий: исключить образование трудноудаляемой коллоидной серы и обеспечить снижение концентрации сероводорода до нормативных требований (ниже 0,003мг/л) без применения химических реагентов [14, 17, 19].
В Беларуси биологические методы начали исследоваться и применятся более четверти века тому назад. Все эти станции, независимо от того, что в них удаляется (железо, марганец, сероводород, аммиак или их сочетания), объединяет одно - использование биологического метода удаления этих веществ. Среди них можно выделить следующие основные технологические и конструктивные схемы таких станций.
Безнапорные станции с тяжелой загрузкой. Железобактерии в процессе своего развития образуют на поверхности зерен фильтрующего материала бактериальную пленку. Она может развиваться как в толще загрузки, например, щебеночной, так и преимущественно на ее поверхности при использовании песка. В последнем случае возникает «феномен роста загрузки» характеризующейся увеличением толщины слоя фильтрующего материала. Он проявляется при длительной эксплуатации фильтра за счет роста биомассы железобактерий на поверхности гранул загрузки и зародышевых зернах переизмельченного фильтрующего материала. При этом образуются достаточно прочные гранулы с плотностью, меньше плотности песка, которые представляют собой гранулированный слой биологически активной загрузки (БАЗ). При достаточной толщине весь процесс изъятия железа может завершаться в этом слое, а фильтрующий материал при этом выполняет функцию поддерживающего слоя [16, 18].
Конструктивно такая технология может реализовываться в традиционных открытых фильтрах из железобетона, металла или полимерных материалов. Особое внимание при этом следует обращать на кислородный режим процесса и промывку фильтрующего материала
Такие технологии рекомендуется использовать при относительно простом составе воды. Их легко реализовать путем реконструкции действующих станций обезжелезивания, работающих по методу упрощенной аэрации [16, 18].
Безнапорные станции с плавающей загрузкой. Такие станции могут быть одно- и двухступенчатые. Первые включают приемную камеру и фильтры с плавающей загрузкой. Они рекомендуются при относительно не сложном составе обрабатываемой воды, но требующей усиления аэрационно-дегазационных процессов.
Двухступенчатая схема состоит из нескольких блоков, включающих биореактор и три-четыре самопромывающихся фильтров с плавающей загрузкой, выполняющих функцию биофильтров. Она рекомендуется при сложном составе подземных вод (низкое значение рН, высокая окисляемость, наличие аммония, высокое содержание железа, СО2, и др.). На первой ступени обеспечивается интенсивная управляемая аэрация и дегазация поступающей воды, развитие биопленки на поверхности полимерной загрузки и биологическое окисление и удаление основной массы железа. На второй ступени происходит доокисление двухвалентного железа и удаление выносимых из биореактора продуктов биоокисления [14, 15] (рис. 1).
Рис. 1. Общий вид безнапорной станции обезжелезивания (а)
Рис. 1. Общий вид системы аэрации биореактора (б)
Все корпусные элементы, загрузка и коммуникации станций такого типа выполняются из полимерных конструкционных материалов с отдельными элементами из нержавеющей стали. Отсутствие промежуточных перекачек, промывных насосов, химических реагентов и полная автоматизация технологических процессов обеспечивают уникально низкое удельное энергопотребление (0,005 - 0,01 кВт*час/м3) и минимальные эксплуатационные затраты. Объем промывных вод не превышает 1¬1,2% от объема очищаемой воды.
По технологическому принципу работы такие станции не отличаются от безнапорных (см. п. 1.1). Фильтры изготавливаются из металла с усиленным антикоррозионным покрытием. В качестве загрузки (поддерживающего слоя) используется кварцевый песок. Для быстрого ввода станции в эксплуатацию используется добавка БАЗ из фильтров других станций.
Отличительной особенностью данного типа станций является оригинальная система эжекторной аэрации, обеспечивающая стабильное соотношение вода-воздух и равномерное распределение воды по всем фильтрам независимо от гидравлического сопротивления загрузки [20]. Выравнивание и стабилизация скорости фильтрования и концентрации растворенного кислорода наряду с другими оригинальными конструктивными решениями повышают эффективность удаления железа, увеличивают фильтроцикл и снижают расход промывной воды.
Рис. 2. Общий вид напорной станции
В станциях этого типа сохранены все положительные технологические и конструктивные решения напорных станций (см. п. 1.3). Отличительной их особенностью являются компоновочные решения, позволяющие производить и поставлять станции обезжелезивания полной заводской готовности в одиночных или спаренных транспортируемых контейнерах
В зависимости от существующей или проектируемой схемы водозабора контейнерные станции выпускаются трех модификаций:
Работа станции полностью автоматизирована. При необходимости в схему автоматики включается скважина, РЧВ или водонапорная башня, обеспечивая автоматизацию и диспетчеризацию всего комплекса водозаборного узла.
Несомненным достоинством контейнерных станций являются высокое качество изготовления и монтажа, контролируемые в заводских условиях, сокращение сроков ввода объекта в эксплуатацию, минимизация подготовительных, строительных и монтажных работ.
Рис. 3. Общий вид контейнерных станций обезжелезивания
В большинстве подземных вод марганец встречается как элемент, сопутствующий наличию железа. Его концентрация обычно ниже концентрации железа, но может превышать допустимые нормы в 5, 10 и более раз. В отличие от железа двухвалентный марганец устойчив к химическому окислению кислородом при рН<8,5. Но подавляющее число железобактерий способно окислять и марганец [1, 6-8, 10, 13-15]. В основе этих процессов лежит перекисный механизм, который объясняет возможность биологического окисления марганца при рН близкой к нейтральной, соответствующей большинству подземных вод.
В связи с особенностями механизмов биологического окисления железа и марганца при их совместном присутствии их удаление происходит последовательно. Окисление марганца не может начаться, пока не закончится окисление железа. Поэтому в большинстве случаев рекомендуется двухступенчатые схемы удаления этих соединений [6, 13].
Нашими исследованиями и опытом эксплуатации эти положения полностью подтвердились. Но при определенных условиях и соотношении концентраций железо/марганец возможно обеспечить удаление этих соединений в одном сооружении.
В связи с тем, что окисление железа и марганца осуществляется одними и теми же видами микроорганизмов, то для их удаления используются технологические и конструктивные схемы, аналогичные удалению железа. При этом необходимо учитывать то обстоятельство, что если период выхода на рабочий режим станции обезжелезивания составляет от одного до 10 дней, то для достаточного развития марганцеокисляющих бактерий может потребоваться от одного до шести месяцев. Можно сократить этот срок, используя фильтрующую загрузку, заселенную такими бактериями с других подобных станций. Весьма важным условием эффективного удаления как железа так и особенно марганца, является предварительная аэрационно-дегазационная подготовка воды, существенно повышающая рН и окислительно-восстановительный потенциал [15].
Такая схема может применяется при относительно небольших концентрациях железа и марганца, нейтральной либо слабощелочной реакцией рН, низких значениях СО2, отсутствием сероводорода и других мешающих веществ.
В основу этой технологии положен процесс последовательного развития железо- и марганцеокисляющих бактерий на поверхности зерен фильтрующей загрузки по направлению про-хождения очищаемой воды. При этом скорость фильтрования должна быть такой, чтобы при фильтровании сверху-вниз в верхней зоне начинался и заканчивался процесс окисления железа, а в нижней - марганца.
Эта технологическая схема может реализоваться в фильтрах с тяжелой (песчаной) загрузкой как в напорном, так и безнапорном вариантах, при выполнении указанных выше условий. На рис. 4 приведены фотографии зерен фильтрующей загрузки из напорного фильтра, эффективно удаляющего железо и марганец при использовании одноступенчатой схемы. Эти зерна имеют характерный цвет окислов железа и марганца.
Рис. 4. Зерна фильтрующей загрузки, покрытые продуктами биоокисления железа а) и марганца б)
При сложном составе подземных вод с низким значением рН, повышенном содержанием СО2, и других растворенных газов и соединений, совместное удаление железа и марганца в одну ступень невозможно. Одной из важнейших операций при этом является предварительная аэрационно-дегазационная подготовка воды, которую практически невозможно реализовать в напорных схемах. Поэтому нами рекомендуется безнапорная двухступенчатая технологическая схема очистки таких подземных вод.
Двухступенчатая схема включает биореактор и фильтры с плавающей загрузкой, конструктивно похожие на схему 1.2, но принципиально отличающуюся технологически [15].
Биорактор технологически разделен на три зоны: верхняя, со специальной орошаемой загрузкой и искусственной вентиляцией; средняя, представляющая затопленный биофильтр; нижняя зона отстаивания. В верхней зоне биореактора обеспечиваются усиленная аэрация и дегазация, позволяющие существенно повысить рН и Eh, определяющие скорости последующих биологических процессов. В средней зоне происходит практически полное окисление железа, а в отстойной зоне задерживается не менее 60-70% продуктов его окисления. Таким образом, снижается нагрузка по железу на вторую ступень и создаются условия для развития марганцеокисляющих бактерий.
На гранулах загрузки фильтров 2-й ступени образуется биопленка, обеспечивающая изъятие и окисление двухвалентного марганца.
Схемой предусмотрены автоматические промывки биореакторов и фильтров с учетом особенностей регенерации как загрузки биореакторов, так и фильтрующей загрузки фильтров. Для первых используется водо-воздушная промывка поступающей исходной водой, для вторых -очищенной из надфильтрового пространства без применения промывных насосов.
Такая схема обеспечивает минимальные эксплуатационные затраты. Удельный расход электроэнергии не превышает 0,015-0,02 кВт*час/м2. Концентрации железа и марганца при соответствующих режимах снижаются до значений, значительно ниже нормативных (марганец до следовых значений).
На рис. 5 приведена фотография загрузки биореакторов (слева) и фильтров (справа), имеющих соответственно характерный цвет и подтверждающих ступенчатость окисления железа и марганца.
Рис. 5. Элемент загрузки биореактора (слева) и зерна загрузки фильтра (справа)
Основываясь на фундаментальных исследованиях С.Н. Виноградского и других микробиологов [1, 9, 10], установивших механизм и стадийность окисления сероводорода серобактериями, становится очевидным, что эффективное его удаление в одну ступень невозможно. Это явилось одной из основных причин того, что биореакторы, предложенные В.Д. Плешаковым и Г.Ю. Ассом [3, 5], хотя и обеспечивают удаление более 90% сероводорода, но остаточные его концентрации на порядок и более превышают установленные нормы (0,003 мг/л). Это, а также образование коллоидной серы вызывает необходимость применения дополнительных методов физико-химической доочистки.
В основу предлагаемой технологии положена двухступенчатая технологическая схема окисления сероводорода серобактериями. На первой ступени обеспечивается окисление сероводорода до элементарной серы с ее накоплением внутри бактериальных клеток (стадия 1), на второй - окисление внутриклеточной серы до серной кислоты (стадия 2) [14, 17, 19].
Конструктивно первая ступень представляет собой биореактор с за-топленной полимерной загрузкой, имеющей удельную поверхность не менее 180 м2/м3 и высоту не менее 2,0 м, а на второй ступени используется фильтр-биосорбер с неоднородной полимерной загрузкой высотой 1,0-1,5 м.
Основными условиями эффективного удаления сероводорода по этой технологии является регулируемая низкоинтенсивная аэрация, обеспечивающая достаточные аэробные условия протекания биологических процессов, оптимальные нагрузки по ступеням очистки и создание дефицита сероводорода (питания серобактерий) на второй стадии процесса.
Полномасштабные лабораторные и пилотные исследования в производственных условиях показали, что эта технология обеспечивает снижение концентрации сероводорода до нормативных для питьевой воды значений без применения химических реагентов, предотвращает образование коллоидной серы в обрабатываемой воде и существенно снижает выброс сероводорода в атмосферу.
Очевидно, что идеальных и универсальных методов и технологий не бывает. Каждая из них обладает своими преимуществами, недостатками и областью наиболее эффективного применения. Причем, многие недостатки, как, впрочем, и преимущества, не очевидны и выявляются только в процессе длительной эксплуатации.
Опыт показывает, что в связи с тем, что состав и свойства подземных вод различных водозаборов индивидуальны, разработка технологической схемы и конструктивные особенности сооружений для каждого объекта также индивидуальны. Их оптимизация возможна только на основании специальных технологических изысканий. Для этого разработаны специальная программа и оборудование для предпроектных лабораторных, полупроизводственных и пилотных изысканий непосредственно на воде источника водоснабжения (рис. 6).
Рис. 6. Передвижная технологическая лаборатория
Предложенные выше технологии в своем большинстве прошли длительную апробацию в производственных условиях и постоянно совершенствуются как технологически, так и конструктивно. Длительный опыт их эксплуатации позволил разработать приемы и методы диагностики отдельных технологических процессов и показателей, ряд из них автоматизировать, а результаты использовать для планирования и проведения периодического технического обслуживания оборудования станций. Вопреки устоявшемуся мнению такое обслуживание необходимо даже при полной автоматизации и диспетчеризации работы станции. Возможность удаленного мониторинга состояния оборудования, эффективности его работы и изменения основных технологических параметров позволяют предложить заказчику уникальные условия по обслуживанию поставленных станций водоподготовки по принципу «АкваКАСКО».
Накопленный в Беларуси опыт исследований, разработки и реализации биохимических технологий очистки подземных вод позволяют успешно решать задачи очистки сложных многокомпонентных вод с минимальными капитальными и эксплуатационными затратами.