Лемеш М.И., Седлухо Ю.П.,
Белорусский национальный технический университет, г. Минск
Одной из главных задач городского водного хозяйства является обеспечение населения качественной питьевой водой, безопасной для здоровья человека. Преимущественно для водоснабжения населенных пунктов используются подземные источники водоснабжения. Вода подземных источников характеризуется повышенным содержанием растворенного железа, которое может находиться в сочетании с другими веществами (аммонийный азот, марганец, сероводород, метан, углекислый газ, и др.), концентрации которых превышают установленные нормы. Среди методов обезжелезивания подземных вод наибольшее распространение получили аэрационные методы (в основном, метод упрощенной аэрации с последующим фильтрованием).
Многие ученые, уже в первых исследованиях аэрационных методов обезжелезивания подземных вод, отмечали существенное влияние на их эффективность стихийно развивающихся биологических процессов [1, 2]. На насадках контактных градирен, в толще или на поверхности фильтрующих загрузок образовывались скопления железобактерий, которые, как правило, проявляли каталитический эффект и способствовали повышению эффективности процесса обезжелезивания. 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 [1, 2]. 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.
В последние годы значительно вырос интерес исследователей к биологическим методам очистки подземных вод, в первую очередь, к биологическому удалению железа и марганца [3-7]. 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 [5-7].
По результатам обследования многих станций обезжелезивания, работающих по методу упрощенной аэрации с фильтрами, промывка которых производится не хлорированной 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 [3-7].
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” [3, 7], 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 окисления и изъятия железа может завершаться в этом слое, а фильтрующий материал при этом выполняет функцию поддерживающего слоя (3, 8].
Результаты исследований и опыт эксплуатации станций обезжелезивания показывают, что при активном протекании биологических процессов эффективность изъятия железа в течение фильтроцикла увеличивается, а глубина проникновения неокисленных форм железа в загрузку сокращается (7]. 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. При необходимости попутного удаления избыточного содержания марганца, организация биологического процесса еще в большей мере усложняется.
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.
С целью изучения биологического метода обезжелезивания проводились экспериментальные исследования на реальной воде одного из населенных пунктов Витебской области. Подземные воды имеют сложный состав и характеризуются повышенным содержанием растворенного железа (до 6 мг/л), аммонийного азота (до 14 мг/л), повышенным содержанием растворенных газов (преимущественно углекислого газа до 120 мг/л), перманганатной окисляемостью 5-7 мг/л.
На существующей станции обезжелезивания была установлена экспериментальная установка. На данной экспериментальной установке была сделана попытка разделить биологические процессы окисления железа и физического удаления окисленных форм железа. Как известно, при наличии повышенных концентраций железа, марганца и аммиака, в первую очередь, происходит биологическое окисление железа, затем создаются условия для последующего окисления аммиака (увеличивается окислительно-восстановительный потенциал и рН среды). Только после окисления железа и аммиака становится возможным окисление марганца (9].
Установка включала два биореактора (I и II ступени) и фильтр с плавающей загрузкой. Предполагалось, что в биореакторах будут происходить биологические процессы окисления железа, а также аммиака и частичное удаление окисленных форм железа. Биореакторы заполнялись объемной полимерной загрузкой с развитой поверхностью. Биореактор I ступени состоял из двух частей: незатопленной верхней и затопленной нижней. В незатопленной части биореактора были предусмотрены отверстия для естественной аэрации, затопленная часть была оборудована системой подачи воздуха от компрессора. В биореакторе II ступени загрузка была затоплена, также предусматривалась аэрация воды. Биореакторы были оборудованы системами подачи и отвода воды, отвода осадка. Вода поступала из подземной артезианской скважины в верхнюю часть биореактора I ступени, затем в верхнюю часть биореактора II ступени и снизу-вверх на фильтр с плавающей загрузкой из вспененного полистирола.
Особенностью фильтров с плавающей загрузкой является использование фильтрующего материала с плотностью, гораздо меньшей плотности воды. Поверхность гранул имеет более высокие адгезионные и электрокинетические свойства, чем у песка, и их применение интенсифицирует процесс фильтрования воды. Промывка осуществляется сверху вниз. Фильтры с плавающей загрузкой имеют ряд преимуществ, которые позволяют осуществлять эффективную фильтрацию и промывку. Поток воды прижимает фильтрующую загрузку к сетке, что обеспечивает качество фильтрации, идентичное тому, что достигается в песчаных фильтрах. Фильтры с плавающей загрузкой обеспечивают возможность использования высоких скоростей фильтрования, так как фильтрующая загрузка не подвергается опасности расширения в процессе фильтрования. Основным преимуществом фильтров с плавающей загрузкой является реализация принципа самопромывающихся фильтров, в которых в качестве промывной воды используется запас очищенной воды, накапливаемой в надфильтровом пространстве фильтров. При этом отпадает необходимость в использовании специальных промывных насосов и резервуаров.
В процессе эксперимента исследовалась зависимость биологических процессов окисления и удаления железа от концентрации растворенного в воде кислорода, окислительно-восстановительного потенциала, рН среды, концентрации других веществ (аммонийного азота, углекислоты, марганца), скорости фильтрования.
Изначально установка была запущена при скорости фильтрования 5 м/ч. В начальный период работы биореакторов происходила “зарядка” загрузки. Период “зарядки” загрузки биореакторов составил около 10 дней. Продолжительность данного процесса зависит от качества исходной воды, гидродинамических условий фильтрования, принятых методов аэрации воды, технологических свойств загрузки (10). В первые дни работы экспериментальной установки можно отметить следующие особенности:
- концентрация растворенного кислорода практически не изменялась после каждого сооружения и оставалась высокой;
- после биореакторов общее железа практически не снижалось;
- после фильтра общее железо превышало установленную норму (0,3 мг/л), наблюдались колебания концентрации железа в процессе фильтроцикла.
Из полученных данных можно сделать следующие выводы. В первые дни работы установки происходила стабилизация химических процессов окисления железа, этим объясняется практически постоянная высокая концентрация растворенного кислорода, так как на окисление 1мг железа требуется всего лишь 0,143 мг кислорода.
Через 10 дней (период “зарядки” биореакторов) наблюдалось:
- постепенное снижение количества растворенного кислорода после каждой ступени очистки, особенно отмечено значительное уменьшение после фильтра с плавающей загрузкой;
- окисление значительной части двухвалентного железа в незатопленной части биореактора I ступени;
- частичное снижение концентрации общего железа после биореакторов;
- снижение концентрации железа в фильтрате до следов;
- изменение окислительно-восстановительного потенциала в сторону увеличения после каждой ступени очистки, что свидетельствовало о протекающих окислительных процессах;
- увеличение рН среды после незатопленной части биореактора I ступени.
Результаты работы установки в первоначальный период приведены на рис. 2-3.
Снижение концентрации растворенного кислорода и значительное окисление двухвалентного железа свидетельствует о том, что начали развиваться биологические процессы. Довольно эффективно работала верхняя незатопленная часть биореактора I ступени. Значительное окисление двухвалентного железа в незатопленной части биореактора I ступени объясняется тем, что здесь происходило интенсивное взаимодействие подаваемой воды с кислородом воздуха, который поступал через специальные отверстия. Также эта верхняя часть биореактора выполняла роль дегазатора, происходила частичная отдувка растворенных газов. Об этом свидетельствует увеличение рН.
Значительное снижение растворенного кислорода в загрузке фильтра, вероятно, объясняется тем, что кроме биологического окисления железа развились и другие биологические процессы, которые привели к большому потреблению растворенного кислорода. Однако окончательно причины не установлены.
В процессе работы экспериментальной установки стало очевидно, что биореактор II ступени обеспечивает лишь незначительное окисление и удаление железа. Существенного снижения аммиака на данной ступени очистки не было обеспечено. Можно предположить, что за непродолжительный срок эксперимента на поверхности загрузки не развились нитрифицирующие бактерии, которые являются довольно избирательными к условиям обитания и иногда требуют длительного времени для развития. В результате данную ступень отключили, вода после биореактора I ступени поступала на фильтр с плавающей загрузкой.
Как отмечалось многими исследователями скорость биологического окисления железа выше скорости химического окисления. Использование биологического метода позволяет проводить процесс фильтрования при более высоких скоростях (8, 9]. С целью определения влияния скорости фильтрования на биологический процесс окисления и удаления железа производилось постепенное увеличение скорости фильтрования.
Исследовалась работа экспериментальной установки при скоростях фильтрования от 5 м/ч до 25 м/ч. Даже при скорости фильтрования 21 м/ч содержание общего железа в фильтрате было ниже 0,3 мг/л. С увеличение скорости фильтрования уменьшалась концентрация растворенного кислорода, увеличивалась концентрация общего железа после каждой ступени очистки.
Графики изменения концентрации общего и двухвалентного железа при различных скоростях фильтрования после каждой ступени очистки приведены на рис. 4.
Проводились исследования при разных скоростях фильтрования на биореакторе и постоянной на фильтре. Это достигалось частичным сбросом воды после биореактора. При изменении скоростей фильтрования на биореакторе от 10 м/ч до 25 м/ч и постоянной скорости фильтрования на фильтре с плавающей загрузкой 10 м/ч в фильтрате концентрация общего железа не превышала установленной нормы. Изменение концентрации общего и двухвалентного железа, а также растворенного кислорода показано на рис. 5-6. При постепенном увеличение скорости фильтрования наблюдалось сокращение фильтроцикла. Необходимость промывки была вызвана не ухудшением качества фильтрата, а увеличением потерь напора в фильтре с плавающей загрузкой.
В результате исследований установлена зависимость концентрации двухвалентного железа от окислительно-восстановительного потенциала и рН среды. Значения окислительно-восстановительного потенциала и рН среды хорошо соотносятся с содержанием окисленных форм железа и соответствуют диаграмме стабильности Пурбе (9].
В процессе работы экспериментальной установки отмечено обрастание объемной полимерной загрузки. В основном эти отложения на загрузке представляли собой гидроксид железа (III) и биологическое обрастание (биомассу). Периодически производился сброс осадка из биореактора. Осадок был в виде рыхлых хлопьев рыжего цвета.
При проведении микробиологического анализа биологических обрастаний загрузки, выявлено развитие железобактерий рода Siderocapsa.
Изучение биологических процессов требует дальнейших исследований, так как механизмы биологического окисления недостаточно изучены. Являясь естественными природными процессами, биологические процессы не продуцируют каких-либо токсичных веществ или опасных для человека микроорганизмов. При правильном их использовании и конструктивном оформлении достигается безупречное качество фильтрата.
Анализ научно-технической литературы и проведенные исследования позволяют сделать вывод о возможности совершенствования применяемых технологических и конструктивных решений на существующих и проектируемых станциях обезжелезивания путем целенаправленной интенсификации биологических процессов.
ЛИТЕРАТУРА:
- Золотова Е.Ф., Асс Г.Ю. Очистка воды от железа, марганца, фтора и сероводорода. – М.: Стройиздат, 1975. _175 с.
- Kittner H. Die Bemessung von Enteisenungs filtren /AVasserwirtschafl – Wassertechnik, 1968._ № 6.
- Седлуха С.П., Софинская О.С. Биологический метод очистки подземных вод от железа // Вода и экология, 2001._ № 1.С. 13_21.
- Hallberg R.O. Способ извлечения железа и марганца из грунтовых вод и биогеохимический процесс, лежащий в его основе // Вода и экология, 05._ № 3._ С. 44_54.
- Менча М.Н. Биологические помехи в работе систем питьевого водоснабжения // Водные проблемы. – Минск, БНТУ, 2004._ С. 33_36.
- Менча М.Н. Железобактерии в системах питьевого водоснабжения из подземных источников // Водоснабжение и санитарная техника, 2006._ № 7._ С. 25_32.
- Czekalla C. Die biologishe Enteisenung and Entmanganung – Verfahrenstechnik und betriebliche Aspekte // Fachtechnik, Wasseraufbereitung, 4/97._№ _S. 22_27.
- Tekerlekopoulou A.G., Vasiliadou I.A., Vayenas D.V.. Physico_chemical and biological iron removal from potable water.// Biochemical Engineering Journal._2006._ №31._ P. 74_83.
- Degremont Технический справочник по обработке воды, Том 2, пер.с фр. _СПб “Новый журнал”,2007.
- Журба М.Г., Говорова Ж.М., Квартенко А.Н., Говоров О.Б. Биохимическое обезжелезивание и деманганация подземных вод.// Водоснабжение и санитарная техника._2006._№9_ч2._с.17_23.