ru
en
Подавляющее большинство населенных пунктов Беларуси обеспечивается водой из подземных источников и только в трех городах для централизованного водоснабжения частично используются поверхностные воды (гг. Минск, Гомель и Гродно). В большинстве случаев подземные воды, являясь высококачественными в санитарно-бактериологическом отношении, содержат повышенные концентрации растворенного железа, которое может находиться в сочетании с другими веществами, концентрации которых превышают установленные нормы (марганец, аммонийный азот, углекислота, сероводород, метан, и др.). Однако более 50 % централизованных систем водоснабжения городов и большинство сельских населенных пунктов не имеют станций обезжелезивания и вода которых не соответствует санитарным нормам. Поэтому главной проблемой обеспечения населения Беларуси водой требуемого качества является проблема водоподготовки. Аналогичные проблемы актуальны для большинства регионов России и других стран СНГ.
В практике обезжелезивания подземных вод наибольшее распространение получили аэрационные методы. В Беларуси и ряде других стран с середины 60-х годов прошлого столетия практически повсеместно применяется метод упрощенной аэрации с последующим фильтрованием в напорном или безнапорном вариантах. Он является наиболее изученным и рекомендуется для применения при содержании железа в исходной воде до 10 мг/л (в т.ч. закисного не менее 70 %), сероводорода до 0,5 мг/л, рН не менее 6,8 и щелочности более (1+Fe2+/28) [1].
Несмотря на многочисленные исследования этого метода, обращает на себя внимание существенный разброс ограничений его применимости по приведенным и ряду других показателей (аммонийный азот, окисляемость, диоксид углерода, марганец и др.). Это свидетельствует о сложности протекающих процессов и взаимном влиянии на них состава обрабатываемой воды [2-4].
Многие ученые уже в первых исследованиях аэрационных методов обезжелезивания подземных вод отмечали существенное влияние на их эффективность стихийно развивающихся биологических процессов [4,5]. На насадках контактных градирен, в толще или на поверхности фильтрующих загрузок образовались скопления железобактерий, которые, как правило, проявляли каталитический эффект и способствовали повышению эффективности процесса обезжелезивания. Специалисты фирмы «Дегремон» отмечают, что «…нельзя четко определить границу между чисто химическим и биологическим окислением и многие сооружения первого типа эффективно работают за счет роста микроорганизмов» [6]. По результатам обследования многих станций обезжелезивания, работающих по методу упрощенной аэрации с фильтрами, промывка которых производится нехлорированной водой, в большинстве из них обнаруживаются железобактерии. Свидетельством этого является их большое количество в промывной воде и в образовавшихся отложениях на поверхности и в толще фильтрующих загрузок. Причиной развития железобактерий является их наличие практически во всех исследованных водозаборных скважинах, возможность поступления через систему аэрации, из водоводов и создающиеся благоприятные условия протекания биологических процессов [7-10].
Несмотря на эти факты, участие микроорганизмов в процессах обезжелезивания долго недооценивалось, а их влияние на технологические и конструктивные параметры станций обезжелезивания в большинстве случаев не учитывается до сих пор. Все кинетические константы и параметры безреагентных (аэрационных) методов определяются, исходя из реакций и процессов чисто химического окисления железа [2-5]. Причиной этого является то, что в результате как химического, так и биологического окисления железа образуются его гидраты весьма сложной структуры, которые без специальных микробиологических исследований весьма сложно различить. Но очевидно, что константы скорости химических и биологических реакций различны.
М.Н. Менча провел следующий эксперимент. В три модельных фильтра загрузили слой продезинфицированного и тщательно промытого щебня крупностью 5-10 мм. Первый фильтр оставили со стерильной загрузкой, во второй внесли обработанные хлорной водой отложения с действующих фильтров станций обезжелезивания, в третий – такие же свежие необработанные отложения. Предварительный микробиологический анализ отложений показал, что в них получило массовое развитие железобактерий, преимущественно рода Leptothrix. Исходная вода с концентрацией железа 1,37 мг/л в течение двух суток непрерывно подавалось на три параллельно работающие фильтра с одинаковой скоростью. Динамика изменения концентрации железа в фильтрате модельных фильтров приведена на рисунке. Анализ полученных результатов подтверждает, что скорость биологического окисления значительно превышает скорость химического окисления железа, а промывка фильтров хлорированной водой действует угнетающе на протекающие процессы.
В последние годы значительно вырос интерес исследователей к биологическим методам очистки подземных вод, в первую очередь, к биологическому удалению железа и марганца [7-10]. К железобактериям относятся различные группы одноклеточных, кокковых и нитчатых видов микроорганизмов, общим для которых является способность в присутствии растворенного кислорода окислять закисное железо с образованием на своей поверхности его окислов в виде чехлов или капсул. Наиболее часто на станциях обезжелезивания встречаются представители родов: Gallionella, Leptothrix, Crenothrix, Siderocapsa [9,10].
Степень развития тех или иных видов железобактерий и механизм окисления железа зависит от состава обрабатываемой воды и условий протекания технологического процесса. Так, Gallionella способна расти на минеральной среде без органических веществ и получать энергию в процессе окисления закисного железа. Выход энергии у нее настолько мал, что для синтеза 1 г клеток микроорганизмов необходимо выделять 500 г гидроокиси железа [9]. У представителей рода Leptothrix окисление железа связано с действием перекиси водорода, выделяющейся в метаболических процессах при окислении органических веществ. Siderocapsa окисляет железо в результате разложения железоорганических комплексов, например, соединений с гумусовыми веществами [9].
Данные ряда исследований [7,10] и опыт эксплуатации станций обезжелезивания показывает, что скорость и эффективность биологического окисления железа при правильной организации технологического процесса значительно превышают эти показатели химических процессов. В зависимости от состава обрабатываемой воды в загрузке фильтров возможно развитие и других биологических процессов, о чем свидетельствует снижение аммонийных соединений, фосфатов, окисляемости и др. При этом лимитирующим параметром биологического процесса является кислород. Его отсутствие в фильтрате сопровождается резким повышением концентрации железа, часто с превышением его первоначального содержания в связи с развитием восстановительных процессов в загрузке фильтров.
В большинстве случаев биологические процессы стихийно развиваются или специально организуются на станциях обезжелезивания, конструктивные и технологические схемы которых предназначены для реализации аэрационных методов. При этом основным элементом таких станции являются фильтры со щебеночной или песчаной загрузкой различной крупности. 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» [7,10], 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 образуется достаточно прочные гранулы с плотностью, меньше плотности песка, которые представляют собой гранулированный слой биологически активной загрузки. При его достаточной толщине весь процесс изъятия железа может завершаться в этом слое, а фильтрующий материал при этом выполняет функцию поддерживающего слоя [7].
Результаты исследований и опыт эксплуатации показывает, что при активном протекании биологических процессов эффективность изъятия железа в течение фильтроцикла увеличивается, а глубина проникновения неокисленных форм железа в загрузку сокращается [10]. Таким образом представляется нелогичным выводить фильтр на регенерацию при улучшении качества фильтрата и технологических параметров фильтрующей загрузки. Но это вынуждает делать достижение предельных потерь напора в фильтре. При промывке фильтрующей загрузки с поверхности ее гранул удаляются аморфные отложения гидроокиси железа и часть наиболее активной биомассы железобактерий. Поэтому вначале следующего фильтроцикла качество фильтрата может быть существенно хуже. Таким образом нарушается стационарность биологического процесса. Под стационарностью при этом понимается относительная стабильность процессов синтеза (прироста) и отмирания (удаления) избыточной биомассы железобактерий, что обеспечивается постоянством нагрузки на биопленку окисляемых форм железа и гидродинамических условий протекания биологического процесса. На его кинетические параметры негативно сказываются резкие изменения скорости фильтрования, кислородного режима, степени изменения соотношения окисленных и неокисленных форм железа и ряд других факторов. Многие из них взаимосвязаны и определяются конструкцией фильтров. Например, увеличение гидравлического сопротивления фильтрующей загрузки снижает скорость фильтрования, а, следовательно, и «доставку» в нижележащие слои биомассы питательных веществ и кислорода, и увеличивает время пребывания исходной воды в надфильтровом пространстве, что, соответственно, увеличивает долю окисленных форм железа. При необходимости попутного удаления избыточного содержания марганца, организация биологического процесса еще в большей мере усложняется. Доказано, что процессы биологического окисления железа и марганца протекают ступенчато [8,10]. В этих процессах могут участвовать одни и те же виды микроорганизмов. Но энергетически им более выгодно вначале окислять железо, а затем марганец, так как для получения одного и того же количества энергии им необходимо окислить железа в шесть раз меньше, чем марганца [8]. Поэтому по высоте слоя фильтрующей загрузки будут образовываться последовательные зоны биологического окисления железа и марганца с достаточно узкой границей их разделения. Подвижность этой границы в связи с изменением условий протекания каждого из этих процессов (скорость фильтрования, кислородного режима, концентрации загрязнений) неизбежно приведет к нарушению их стационарности, по крайней мере, на период адаптации биомассы микроорганизмов к новым условиям.
Таким образом, совмещение в одном аппарате двух совершенно разных процессов (биологического процесса изъятия и окисления железа и механического процесса фильтрования) не может быть решено оптимальным образом без ущерба одному из них. Поэтому наиболее перспективным представляется направление, при котором в отдельную ступень выделяется биореактор, обеспечивающий стационарность протекающих биологических процессов, и фильтр, позволяющий эффективно удалять образовавшиеся продукты биоокисления. Такие подходы прослеживаются в некоторых технологических схемах станций обезжелезивания с применением контактных фильтров [4,5] или окислительных колонн [6]. Однако в них предусматривается реализация отдельных этапов химического окисления железа и не рассматриваются биологические процессы.
Одна из первых попыток технологического разделения рассматриваемых процессов предпринята в конструкции безнапорной станции обезжелезивания, производство которой освоено Витебским предприятием «Полимерконструкция». В ней предусмотрено устройство специального аэрируемого биореактора, рабочая камера которого заполнена полимерной загрузкой с развитой поверхностью. Из биореактора вода поступает на самопромывающиеся фильтры с плавающей загрузкой. Опыт эксплуатации таких станций показал, что они обеспечивают более устойчивую работу при сложном составе обрабатываемой воды. При этом, наряду с эффективным удалением железа, происходит существенное снижение цветности, аммонийных солей, окисляемости и других соединений и газов.
Несмотря на доказанность массового, стихийного проявления биологических процессов, в системах водоснабжения [6,9] и их положительной роли в технологиях водоподготовки, широкого распространения при решении конкретных задач очистки природных вод они не получили. Причиной этого является недостаточная изученность процессов биологического окисления извлекаемых веществ и определенная настороженность их использования при подготовке питьевой воды. Являясь естественными природными процессами, (так или иначе, в той или иной мере проявляющиеся практически на всех ступенях водоподготовки, особенно при использовании аэрационных методов удаления железа, марганца, сероводорода и др.), биологические процессы не продуцируют каких либо токсичных веществ или опасных для человека микроорганизмов. При правильной их организации и конструктивном оформлении, как правило, достигается микробиологически безупречное качество фильтрата и отпадает необходимость в дезинфекции очищенной воды [10].