способ очистки подземных вод от устойчивых форм железа

Формула изобретения

Способ очистки подземных вод от устойчивых форм железа, включающий аэрирование исходной воды и деструкцию железоорганических комплексных соединений за счет метаболизма железоокисляющих микроорганизмов с последующим фильтрованием, отличающийся тем, что деструкцию железоорганических комплексных соединений осуществляют в рабочей зоне биореактора в восходящем потоке обрабатываемой воды при скорости не выше 3 - 4 мм/с за счет метаболизма железоокисляющих микроорганизмов, закрепляющихся на ершовой насадке, при самопроизвольном сбросе избыточной биомассы, при этом плотность микроорганизмов в общем объеме рабочей зоны биореактора составляет не более 10 - 15%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области водоснабжения, в частности к очистке природных вод, содержащих растворенные железоорганические соединения, и может применяться в системах водоподготовки для целей водоснабжения.

Известен способ очистки воды от железа, осуществляемый с помощью медленного фильтра (патент СССР N 1771470, МКИ⁵ С 02 F 1/64, В 01 D 24/46, 1992), заключающийся в аэрировании исходной воды, отстаивании в корпусе фильтра и фильтровании через блоки с зернистой загрузкой, на поверхности которой образуется биопленка с железоокисляющими микроорганизмами, обеспечивающими деструкцию растворенных железоорганических соединений.

Недостатками известного способа являются низкая эффективность использования фильтра, обусловленная следующим:

- малыми скоростями фильтрования (до 0,1 - 0,2 м/час), что определяет большие габаритные размеры установки при производительности системы водоподготовки более 1-2 тыс.м³/ сут;

- возможностью использования только для очистки подземных вод при содержании железа (II) в них до 10 мг/л, в том числе при наличии железоорганических соединений до 2 мг/л.

Известен способ очистки воды от железа, заключающийся в предварительном аэрировании воды и фильтровании ее через зернистую загрузку биологического фильтра, в котором развиваются железобактерии (A. Dequin, D. Siben, Deferrisation bioloqique appliquee a la preparation de leau potable. Lean. Lindustrie, les nuisances, 1988, N 117, s. 29-30).

Недостатком известного способа является низкая эффективность очистки подземных вод, обусловленная следующим:

- возможностью нерегулируемого выноса биомассы до момента "биологического созревания" биофильтра;

- возможностью "проскока" растворенных железоорганических соединений после регенерации зернистой загрузки;

- возможностью вторичного загрязнения воды при попадании органики в систему водораспределения - в водоразводящую сеть и развитие в ней железобактерий, обусловливающее и биокоррозию;

- возможностью образования токсичных хлорорганических соединений при использовании хлора как дезинфицирующего средства;

Кроме того, при высокой концентрации железа в исходной воде технология очистки значительно усложняется, поскольку требуется применение дополнительных мероприятий для сокращения периода "биологического созревания" загрузки, например, обработка ее в питательной среде после каждого фильтроцикла.

Известен способ биологического обезжелезивания подземных вод, заключающийся в аэрировании и двухступенчатом фильтровании очищаемой воды через биофильтр со щебеночной загрузкой, на которой по мере фильтрования развиваются железобактерии и осветлительный фильтр с песчаной загрузкой. Причем фильтры выполняют самопромывающимися и в качестве загрузки биофильтра используют гранитный щебень с крупностью фракций 10...30 мм с высотой слоя 1500...2000 мм, а для загрузки осветлительного фильтра - кварцевый песок крупностью 0,7. . . 1,5 мм с высотой слоя 800...1000 мм (Разработка и исследование новых самопромывающихся фильтров для обезжелезивания подземных вод: Отчет о НИР (заключит. )/ Украинский институт водн. хоз-ва "УНИИВХ"; Руководитель Н.А. Сафонов. 33-4; N ГР 01827023535; Инв. N 0285. 0068458. -Ровно, 1985, стр. 37-46).

Недостатком известного технического решения является низкая эффективность очистки при высокой концентрации железоорганических соединений в исходной воде и при pH < 6,8, а также при "проскоке" растворенной органики после регенерации фильтрующей загрузки биофильтра и осветлительного фильтра до момента их "биологического созревания", что ведет к попаданию органических соединений в разводящую сеть и развитие в ней железобактерий, к вторичному загрязнению воды, а при хлорировании - к образованию токсичных хлорорганических соединений.

Известен способ удаления высококонцентрированных устойчивых форм железа из подземных вод аэрированием, известкованием, отстаиванием в тонкослойном отстойнике и фильтрованием (Г. И. Николадзе. Улучшение качества подземных вод. -М. : Стройиздат, 1987, стр. 96, рис. 2.14д). Удаление железа достигается после полного окисления железа (II) и деструкции комплексных железоорганических соединений при pH не менее 7,1. Процесс выделения соединений железа в тонкослойном отстойнике носит циклический характер и при этом эффект обезжелезивания зависит, главным образом, от скорости потока в тонкослойных модулях, исходной концентрации железа и дозы щелочного реагента. Для агломерации хлопьев гидроксида железа, сидиментирующихся в отстойнике, емкость камеры хлопьеобразования вихревого типа, совмещаемой с отстойником, должна быть такой, чтобы обеспечивалась продолжительность пребывания обрабатываемой воды не менее 15 мин.

Недостатком известного способа является низкая эффективность очистки при высокой концентрации железоорганических соединений и при pH ниже 7,0, поскольку только при аэрировании, известковании и тонкослойном отстаивании достаточно полной деструкции устойчивых, сложноокисляемых форм органических соединений железа может не происходить. В тонкослойном отстойнике не создается устойчивой биологически активной среды, а на поверхности фильтрующей загрузки, образующийся из железобактерий биологически активный слой, практически не участвует в деструкции железоорганических комплексных соединений, поскольку постоянно вымывается при ежесуточной регенерации фильтра. В связи с этим сохраняется возможность попадания железоорганических соединений в разводящую сеть, где в присутствии органики возможно развитие железобактерий, способствующих коррозии металлических элементов сети и вторичному загрязнению недостаточно очищенной воды, ухудшению ее органолептических свойств часто в пределах, существенно превышающих регламентируемые, а при хлорировании воды не исключается образование токсичных хлорорганических соединений.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому эффекту является способ (Семенов В.И., Никитина Л.С., Скроба В.А. Очистка подземных вод от железоорганических соединений для водоснабжения объектов, расположенных в районах Севера //Новые исследования по сетям и сооружениям систем водоснабжения, -Л., 1985, с. 152-157), включающий предварительное аэрирование обрабатываемой воды, разложение - деструкцию железорганических комплексов и окисление закисного железа микроорганизмами, выращенными на поверхности щебеночной загрузки размером 10-30 мм, при турбулизации потока обрабатываемой воды в порах щебеночной загрузки и последующее фильтрование на скорых песчаных фильтрах.

Недостатком известного способа является низкая эффективность, обусловленная сложностью его осуществления, в частности из-за быстрой кольматации - биологического обрастания щебеночной загрузки и, следовательно, необходимости частой ее регенерации, сложности гидравлической отмывки такой загрузки при скоплении на ее поверхности прочно закрепленных биологических образований. Кроме того, из-за невозможности обеспечения равномерной проточности в порах щебеночной загрузки в межрегенерационный период в слабопроточных зонах происходит накопление избыточной биомассы в виде отмирающих микроорганизмов продуктов их метаболизма, при котором возможно возникновение процессов гниения, что существенно снижает эффективность очистки воды при высокой концентрации в ней железоорганических соединений, поскольку остается опасность выноса на фильтр продуктов гниения, содержащих органические вещества особенно при обеспечении турбулизации потока в порах щебеночной загрузки. Особо необходимо отметить, что толщина биопленки формируемой микроорганизмами, не должна превышать 200 микрон, так как проникновение кислорода на большую глубину затруднено. Поэтому основной недостаток всей гранульной загрузки - формирование анаэробных зон, в которых при накоплении биомассы в межрегенерационный период железобактерии не обеспечивают деструкцию комплексоорганических соединений и значительная часть их остается в растворенном состоянии, поступает на фильтр и содержится в фильтрате. В связи с этим сохраняется возможность попадания органических соединений в разводящую сеть, где в присутствии этих соединений возможно развитие железобактерий, способствующих коррозии металлических элементов сети и вторичному загрязнению недостаточно очищенной воды, ухудшению ее органолептических свойств часто в пределах, существенно превышающих регламентируемые, а при хлорировании воды не исключается образование токсичных хлорорганических соединений.

Задача изобретения - обеспечить деструкцию устойчивых форм железоорганических соединений в биологически активной среде, образующейся за счет развития специфических микроорганизмов, закрепленных на насадке, обеспечивающей оптимальный гидравлический режим для их жизнедеятельности при самопроизвольном сбросе избыточной биомассы. Это позволит упростить технологию водоподготовки за счет того, что исключается необходимость регенерации биореактора, поскольку сброс избытков биомассы производится самопроизвольно, позволит исключить вероятность загнивания биомассы в биореакторе, исключить попадание органики в разводящую сеть и развитие в ней железобактерий, а следовательно, исключить вторичное загрязнение очищенной воды за счет биокоррозии и при обеззараживании хлором - образование токсичных хлорорганических соединений; при этом исключается операция подщелачивания при pH выше 6,2 - 6,5, что упрощает технологию очистки подземных вод, содержащих устойчивые формы железа.

Указанная задача решается следующим образом.

В известном способе очистки подземных вод от устойчивых форм железа, включающий аэрирование исходной воды и деструкцию железоорганических комплексных соединений за счет метаболизма железоокисляющих микроорганизмов с последующим фильтрованием, деструкцию железоорганических комплексных соединений проводят в биологически активной среде, образующейся за счет развития специфических микроорганизмов, закрепленных на насадке, обеспечивающей оптимальный гидравлический режим - равномерный проток обрабатываемой воды в рабочей зоне биореактора при самопроизвольном сбросе избыточной биомассы, причем деструкцию железоорганических комплексных соединений за счет метаболизма железоокисляющих микроорганизмов производят в биореакторе с ершовой насадкой в восходящем потоке при скорости не выше 3-4 мм/с при плотности микроорганизмов в общем объеме рабочей зоны не более 10-15%.

Отличительными от прототипа признаками заявляемого технического решения являются:

- деструкцию железоорганических комплексных соединений проводят в биологически активной среде, образующейся за счет развития специфических микроорганизмов, закрепленных на насадке, обеспечивающей оптимальный гидравлический режим - равномерный проток обрабатываемой воды в рабочей зоне биореактора при самопроизвольном сбросе избыточной биомассы;

- деструкцию железоорганических комплексных соединений производят в биореакторе с ершовой насадкой в восходящем потоке при скорости не выше 3-4 мм/с;

- деструкцию железоорганических комплексных соединений производят при плотности микроорганизмов в общем объеме рабочей зоны не более 10-15%.

Деструкцию железоорганических комплексных соединений проводят в биологически активной среде, образующейся за счет развития специфических микроорганизмов, закрепленных на насадке, обеспечивающей оптимальный гидравлический режим - равномерный проток обрабатываемой воды в рабочей зоне биореактора при самопроизвольном сбросе избыточной биомассы, при этом обеспечивается равномерный подвод питательного субстрата - обрабатываемой воды, содержащей железоорганические соединения к колониям микроорганизмов, закрепленных на насадке, это позволяет активно окислять - минерализовывать растворенные устойчивые железоорганические комплексы, агломерацию хлопьев минерализованных и выделенных из раствора форм железа и осаждение их в биореакторе. При этом на фильтр поступает вода, в которой практически полностью отсутствует железо в сложноокисляемых органических формах, что позволяет предотвратить попадание органики в разводящую сеть и развитие в ней железобактерий, способствующих биокоррозии и вторичному загрязнению воды, а при хлорировании исключается образование токсичных хлорорганических соединений.

Деструкцию железоорганических комплексных соединений производят в восходящем потоке при скорости не выше 3-4 мм/с, что обеспечивает более полное осаждение выделенных из раствора соединений железа в биореакторе, в том числе и за счет эффекта отстаивания во взвешенном слое, обеспечивает уменьшение концентрации железа в воде, поступающей на фильтр, предотвращает "вынос" избыточного количества продуктов жизнедеятельности железобактерий и, следовательно, существенно улучшает условия эксплуатации фильтра и при оптимальных размерах биореактора исключается вероятность проскока растворенных устойчивых форм железа в систему распределения воды.

Деструкцию железоорганических комплексных соединений производят в биореакторе, оснащенном насадкой, имеющей развитую поверхность, при плотности микроорганизмов в общем объеме рабочей зоны биореактора не более 10-15%, что обеспечивает оптимальные условия закрепления микроорганизмов, их равномерное распределение и режим их "питания", поскольку при большей плотности возможно более интенсивное отмирание бактерий из-за недостатка "питания" и вынос продуктов распада на фильтр.

Таким образом, обеспечивается причинно-следственная связь совокупности отличительных признаков заявляемого изобретения и достигаемого технического результата - обеспечение повышения эффективности очистки подземных вод, содержащих устойчивые формы железоорганических комплексных соединений, за счет деструкции этих соединений в биологически активной среде с использованием метаболизма железоокисляющих микроорганизмов.

Пример промышленной применимости изобретения.

На фиг.1 представлена схема, иллюстрирующая последовательность операций предлагаемого способа (стрелками показано направление обрабатываемой воды); на фиг. 2 изображена зависимость эффекта биологического окисления железоорганических соединений от скорости восходящего потока в биореакторе.

Исходную воду, содержащую устойчивые формы железоорганических соединений, из скважин подают на аэрационное устройство 1, например в вакуумно-эжекционный аппарат, из которого насыщенную кислородом воду подают в приемный карман 2 биореактора 3, откуда она поступает в зону выше осадконакопителя 4 - пирамидальной части биореактора 3, образует восходящий поток, проходящий через рабочую зону 5 биореактора 3, в которой устанавливают насадку с развитой поверхностью, например ершовую, выполняемую из синтетической нити, в частности из полиэфирной технической термофиксированной (345 ТЭКС по ГОСТ 24662-81). На ершовой насадке в рабочей зоне 5 при пропускании обрабатываемой воды, содержащей железоорганические соединения и другие растворенные соли железа, развиваются определенные виды микроорганизмов - железобактерий, способных за счет специфических свойств использовать в ходе своего метаболизма растворенную органику, обеспечивая минерализацию этих соединений. Зажелезненные природные воды, в которых соединения железа представлены органическими формами, представляют собой специфическую среду обитания микроорганизмов. Специфика ее заключается в том, что в процессе их жизнедеятельности происходит деструкция органических соединений путем не только непосредственного разрушения железобактериями, которые являются автотрофами, но также и за счет выделяющейся перекиси водорода, концентрация которой может достигать 10-20 мг/л. Выделение перекиси водорода, например у Leptothrix, приводит к ингибированию роста бактерий, особенно при увеличении концентрации органических веществ, вплоть до лизиса клеток.

В обычных условиях пероксид водорода разлагается путем диспропорционирования, при этом реакция протекает следующим образом:

H₂O₂ + H₂O₂ = 2H₂O + O₂,

где одна молекула пероксида выступает в качестве донора электронов, вторая в качестве акцептора.

Пероксид водорода, возникающий в качестве промежуточного или конечного продукта окисления, выделяется из клеток и накапливается в окружающих их структурах. Для детоксикации перекиси водорода микроорганизмы синтезируют специфический фермент - каталазу, которая значительно интенсифицирует процесс распада перекиси:

2H₂O₂ ---> (каталаза) ---> 2H₂O + O₂.

В то же время ионы закисного железа также способны значительно ускорять процесс распада перекиси водорода. В нейтральной или слабощелочной среде окисление Fe²⁺ до Fe³⁺ происходит в результате непосредственного взаимодействия с пероксидом водорода следующим образом:

2Fe²⁺ + H₂O₂ ---> 2Fe³⁺ + H₂O + O₂.

Этот процесс протекает в капсулах, чехлах, слизистых выделениях, на поверхности клеточной стенки, в которых концентрируются все компоненты реакции: восстановленные соединения железа и перекись водорода, кроме этого, перекись водорода может выделяться из клетки в среду, а окислы железа могут накапливаться как в клеточных экзополимерах, так и в среде в виде аморфного бесструктурного осадка.

Ионы железа каталитически ускоряют разложение пероксида водорода, хотя в присутствии каталазы эта реакция протекает в 10⁹ раз быстрее. Это объясняет весьма активный рост подобных микроорганизмов в водах, богатых соединениями двухвалентного железа, так как в условиях низкой пита- тельной ценности подземных вод затраты на синтез каталазы могут не покрываться за счет энергии, извлекаемой микроорганизмами из органических веществ, растворенных в природной воде. В то же время, присутствие в воде соединений закисного железа, которые окисляются перекисью водорода, позволяет микроорганизмам не синтезировать каталазу, необходимую для детоксикации перекиси водорода. В результате этого микроорганизмы могут существовать за счет того минимального количества питательных веществ, которые находятся в природной воде.

В случае, если разрушению подвергается органическая часть молекулы комплексоорганического соединения железа, микроорганизмы не должны избирательно накапливать какой-либо металл, также должно быть безразлично в закисной или окисной форме находится ион железа. Однако, в условиях низкой питательной ценности воды, т.е. когда микробиальная деятельность клетки не может быть в полной мере обеспечена органическими веществами, находящимися в природной воде, очень важным становится присутствие в воде именно соединений закисного железа, так как в этих условиях соединения закисного железа заменяют собой каталазу. Кроме того, выделение пероксида водорода микроорганизмами способствует более эффективному разрушению органических соединений.

Таким образом, при биологическом обезжелезивании по предлагаемой схеме очистки обеспечивается разрушение органических соединений, растворенных в воде, как за счет прямого использования микроорганизмами данных соединений в качестве питательного субстрата, так и за счет деструкции органических соединений в результате контакта с продуктом метаболизма (пероксидом водорода) данных микроорганизмов.

Плотность микроорганизмов в рабочей зоне 5 биореактора 3 определяется несущей способностью применяемого типа насадки, в частности ее удельной поверхностью. При переменной концентрации органических форм железа в обрабатываемой воде наблюдается эффект саморегуляции плотности микроорганизмов и не получающие "питание" бактерии отмирают и сбрасываются с насадки, накапливаясь в осадконакопителе 4 или реверсируют и вновь активизируются при увеличении содержания органики в воде. При увеличении удельной поверхности насадки в биореакторе 3 и, следовательно, увеличении плотности микроорганизмов более 10-15% в общем объеме рабочей зоны 5 биореактора 3 наблюдается неустойчивость микрофлоры, при этом не исключается "вынос" неминерализованной органики и продуктов распада отмирающих микроорганизмов из рабочей зоны 5 биореактора 3 на фильтр 7. В связи с этим активная поверхность насадки должна обеспечивать оптимальную плотность микроорганизмов в рабочей зоне 5 биореактора 3 не более 10-15% общего объема этой зоны.

Формирование восходящего потока за счет подачи обрабатываемой воды из нижней части биореактора 3 обеспечивает эффект отстаивания "во взвешенном слое", поскольку поток проходит по направлению снизу вверх в рабочей зоне 5, где образовавшиеся в результате окисления и минерализации хлопья соединений железа, а также продукты распада микроорганизмов образуют встречный поток. Это способствует коагулированию и эффективному осаждению выделяемых из раствора неорганических соединений железа. Кроме того, в рабочей зоне 5 биореактора 3 обеспечивается контакт восходящего потока обрабатываемой жидкости с микроорганизмами, закрепившимися на поверхности (нитях) насадки, что обусловливает активизацию процесса минерализации растворенных органических соединений железа, выделение их из раствора и осаждение. Образующиеся хлопья железа, имеющие отрицательную гидравлическую крупность, осаждаются и накапливаются в зоне накопления осадка 4 биореактора 3. При этом важно обеспечить наиболее полное осаждение выделенных из раствора соединений железа в биореакторе 3, не допуская "выноса" их на фильтр 7, что обеспечивается оптимальной скоростью восходящего потока в рабочей зоне 5 биореактора 3, которая, как показывают экспериментальные исследования (фиг. 2), не должна превышать 3...4 мм/с. При большей скорости восходящего потока существенно снижается эффект очистки воды в биореакторе 3 от железоорганических соединений за счет несоответствия этой скорости и гидравлической крупности, образующихся хлопьев и органических остатков - продуктов метаболизма железобактерий, а также за счет ухудшения условий контакта обрабатываемой воды с закрепленными микроорганизмами, поскольку при повышении скорости восходящего потока волокна насадки принимают положение, близкое к вертикальному, а суммарная площадь контакта закрепленных микроорганизмов с потоком обрабатываемой воды уменьшается. При скорости менее 3 мм/с эффект очистки воды от органических соединений железа существенно не увеличивается, но при этом увеличиваются габаритные размеры биореактора 3, а при скорости восходящего потока очищаемой жидкости в рабочей зоне 5 биореактора 3 менее 1 мм/с волокна насадки также занимают положение, близкое к вертикальному, за счет чего ухудшаются условия "питания" микроорганизмов и эффект очистки воды от железоорганических комплексных соединений снижается. Кроме того, эффект очистки от устойчивых органических форм железа в биореакторе 3 зависит от продолжительности контакта обрабатываемой воды с биологически активной средой в рабочей зоне 5. В связи с этим высота рабочей зоны 5 биореактора 3 должна соответствовать скорости процесса биологического окисления этих форм железа за счет метаболизма микроорганизмов, закрепленных на насадке в рабочей зоне биореактора, чем обеспечивается наиболее полное окисление растворенного железа и достаточно высокий эффект очистки. В частности, при скорости восходящего потока 3-4 мм/с и при высоте 0,8 м рабочей зоны 5 и времени контакта 3,5-4,5 мин эффект очистки от органических соединений железа составляет 55-60% (фиг. 2), а при высоте 1,6 м рабочей зоны 5 и времени контакта до 9 мин эффект очистки возрастает до 90-95%. Необходимое время контакта обрабатываемой воды с биологически активной средой в значительной мере зависит от свойств железоорганических соединений, растворенных в воде, и должно определяться по данным технологического моделирования. По мере накопления биологической массы на волокнах насадки происходит ее самопроизвольное сбрасывание, этот осадок перемещается вниз и накапливается в зоне накопления 4, откуда периодически отводится патрубком 6 на сооружения обработки осадка.

Далее вода, обработанная в биореакторе 3, в котором обеспечивается достаточно полная деструкция устойчивых форм железа - минерализация железоорганических соединений, поступает на фильтровальное устройство, например скорый фильтр 7, и после фильтрации через зернистую фильтрующую загрузку 8 полностью освобождается от железа, в том числе и от остаточного количества железоорганических комплексов. Очищенная вода собирается в дренажную систему 9 скорого фильтра 7 и отводится в блок обеззараживания 10 и после, например, хлорирования подается в разводящую сеть потребителю. В связи с тем, что в биореакторе 3 и в фильтре 7 обеспечивается полная очистка воды от железоорганических соединений в разводящей сети отсутствуют условия развития железобактерий, что исключает возможность биокорозии и, следовательно, вторичного загрязнения воды. Кроме того, при хлорировании не образуется токсичных хлорорганических соединений, чем обеспечивается благоприятная экологическая обстановка в водопроводной системе.