Теоретические основы биологической очистки сточных вод в почве.

Теоретические основы биологической очистки сточных вод в почве. В большой части сооружений, моделирующих процессы самоочищения в почве, биологическая очистка сточных вод происходит в слое естественной почвы. В поверхностном слое почвы происходит биологическая очистка сточных вод на полях фильтрации и орошения. В глубоких слоях почвы - на площадках подземной фильтрации, в фильтрующих траншеях, фильтрующих колодцах. Основными задачами таких сооружений по очистке бытовых и близких к ним по составу промышленных сточных вод являются:

• обеспечение быстрого и эффективного разрушения органических соединений путем их минерализации и гумификации;
• освобождение сточных вод от патогенных бактерий, энтеровирусов, яиц гельминтов путем их поглощения (сорбции) и дальнейшего отмирания под влиянием естественных факторов самоочищения фильтрующего слоя почвы;
• предотвращение загрязнения грунтовых вод патогенными микроорганизмами и химическими веществами;
• предотвращение накопления химических веществ в почве в концентрациях, влияющих на процессы самоочищения или опасных с точки зрения накопления их в растениях;
• предотвращение загрязнения почвенного и атмосферного воздуха.

Решают эти задачи путем правильного выбора гидравлической нагрузки сточных вод на почву. Это очень важно, так как с гигиенической точки зрения, почва является ведущим фактором, влияющим на скорость поглощения, обезвреживания и передвижения микробных и химических загрязнений.

Поскольку все растворенные и взвешенные в воде ингредиенты загрязнений могут мигрировать в почве только с почвенной влагой, важно знать, с участием какой почвенной влаги это происходит. Влага в почве может находиться в форме: гигроскопичной влаги, конденсирующейся на поверхности почвенных частиц; пленочной воды, удерживающейся на поверхности почвенных частиц под действием молекулярных сил; капиллярной воды, находящейся в капиллярах между почвенными частицами и удерживающейся силой поверхностного натяжения водяных менисков, и, наконец, свободной гравитационной воды, находящейся под влиянием только силы тяжести или гидростатического напора и заполняющей крупные (не капиллярные) промежутки почвы. Вода может находиться в почве сразу во всех четырех формах или только в трех, двух или даже в одной форме - гигроскопической влаги, что наблюдается при чрезмерном высыхании почвы. Из всех четырех форм важное гигиеническое значение имеет капиллярная и свободная гравитационная влага почвы. Именно с этой влагой перемещается основная часть бактериальных и химических загрязнений в почве.

Рассмотрим эти явления на примере площадки подземной фильтрации. В начальной стадии увлажнения почвы сточная вода, попавшая в почву через пропилы подземной оросительной сети, под действием капиллярных сил и силы тяжести продвигается во все стороны, увлажняя почву и образуя так называемое тело смачиваемости. В начале его образования нижний край продвигается вниз сравнительно медленно, так как сточная вода, попавшая в почву, растекается по капиллярам в большом объеме почвы. На форму и величину тела смачиваемости влияет ряд факторов. Например, при глубоком залегании грунтовых вод и незначительном поступлении воды к телу смачиваемости поступление воды может компенсироваться испарением. В таком случае тело смачиваемости перестает увеличиваться и смоченная почва как бы подвешивается в толще фильтрующего слоя. Такое явление чаще всего наблюдается в условиях жаркого климата при значительном дефиците влаги и глубоком залегании грунтовых вод.

С гигиенических позиций почву важно орошать таким образом, чтобы влага распространялась в ней как инфильтрационная, что обеспечивает разрыв гидравлической связи между телом смачиваемости и зоной капиллярного поднятия грунтовых вод. Доказано, что в потоке грунтовых вод, медленно передвигающихся, минерализация органических веществ завершается в течение 400 сут, а санитарно-показательные микроорганизмы гибнут через 200 сут.

Органические вещества в виде белков, жиров, углеводов животного и растительного происхождения, а также продуктов их обмена, попавшие в почву со сточными водами, разрушаются и превращаются в неорганические вещества (процесс минерализации) или из органических веществ, сточных вод, синтезируется новое органическое вещество почвы - гумус (процесс гумификации). Процессы минерализации и гумификации органических веществ, сточных вод в почве являются очень сложными. В реальных условиях они протекают параллельно и одновременно под влиянием большого количества организмов, входивших в состав биоценоза почвы. Главную роль в этих процессах играют аэробные и анаэробные микробы почвы. Кроме микробов, в этих процессах принимают участие актиномицеты, грибы, простейшие и растения. Микроорганизмы, которые разрушают и синтезируют органическое вещество при использовании почвенных методов очистки сточных вод, имеют двойное происхождение: одна их часть поступает в почву со сточными водами, а вторая - это бактериальная флора собственно почвы, приспособившаяся к определенным условиям существования.

По данным Т.С. Ремизовой, в 1 мл бытовой сточной воды содержатся сотни миллионов бактерий. Численность микроорганизмов бактериальной флоры чистой почвы в различных почвах стран СНГ колеблется от 175 тыс. до 8,5 млн в 1 г почвы. После поступления в почву бытовых сточных вод количество бактерий достигает миллиардов в 1 г почвы. В частности, СМ. Строгановым установлено, что общее количество бактерий на Люберецких полях орошения составляло 7 млрд в 1 г почвы.

Наибольшее количество бактерий в почве содержится в поверхностном ее слое глубиной от 0,1 до 0,2 м. Этот наиболее активный слой почвы под 1 м² поверхности занимает объем почвы 0,2 м³, или 200 дм³. При плотности почвы 2 кг/дм³ масса этого слоя имеет 400 кг, или 4 х 105 г. Поскольку в 1 г почвы полей орошения или фильтрации содержится в среднем 5-109 бактерий, то число бактерий в такой массе почвы составит: 5 х 109 х 4х 105 = 2 х 1015. При диаметре бактерии 2 мкм (2 х 10 3 мм), площади поверхности одной бактериальной клетки (S = 4ЛТ2), равной 1 , 2  х 1015 мм², суммарная поверхность биоценоза почвы составит - 2 - 1015 х 1,2- 1015 = 2,4- 1010 мм² или 2,4 х 104м², или 2,4 га. Поданным О.П. Селиванова, общая поверхность частиц такого активного рабочего слоя почвы толщиной 0,2 м под 1 м² поверхности составляет 2,5 га. Иначе говоря, почти вся поверхность частиц почвы занята бактериями.

Таким образом, сточная вода, попадая на 1 м² поверхности почвы, контактирует во время фильтрации через слой 0,2 м с поверхностью частиц почвы 2,5 га и поверхностью микроорганизмов 2,4 га. Такая огромная активная поверхность фильтрующего слоя почвы обеспечивает относительно быстрое и надежное поглощение и обезвреживание органических веществ, содержащихся в сточных водах. Несмотря на сложность процесса поглощения и разрушения органического вещества, его можно схематически представить следующим образом.

Попав на поверхность почвы или в ее толщу, взвешенные, коллоидные и растворенные органические вещества, бактерии, вирусы, яйца геогельминтов, содержащиеся в сточных водах, начинают поглощаться по мере продвижения в фильтрующем слое почвы. Такое поглощение связано с механической, физической, физико-химической, химической и биологической поглотительной способностью почвы. Интенсивность поглощения указанных ингредиентов тем выше, чем более мелкие фракции почвы. Она возрастает по мере заиливания промежутков между ними при одновременном снижении коэффициента фильтрации, то есть скорости, с которой вода продвигается в почве в вертикальном направлении под действием силы тяжести. Имеются данные о том, что разные ингредиенты неодинаково удерживаются почвой. Так, глубже всех продвига¬ются хлориды и нитраты, в меньшей степени - нитриты, аммиак и растворен¬ные органические вещества; еще меньше - бактерии, вирусы, яйца геогельминтов. В целом большинство химических загрязнителей продвигаются в почве в 1,5 раза, а большинство бактериальных загрязнений - в 2-2,5 раза медленнее, чем вода. В то же время установлено, что синтетические детергенты моющих средств, содержащиеся в бытовых сточных водах, очень слабо поглощаются почвой и легко приникают в грунтовые воды. При этом они способствуют и более глубокому проникновению в толщу почвы бактерий и вирусов. Одновременно с поглощением химических веществ (взвешенных, коллоидных и растворенных) происходит распад поглощенных почвой органических соединений благодаря процессам минерализации и гумификации.

В процессе биологической очистки сточных вод почвенными методами выделяют два периода: биологического созревания фильтрующего слоя почвы и биохимического окисления загрязнений.

Период биологического созревания фильтрующего слоя почвы - это время, в течение которого поверхность частичек фильтрующего слоя почвы (наиболее активного 0,2 м) покрывается биологической пленкой. Эта биопленка представлена в основном биоценозом микроорганизмов, наиболее приспособленным к определенным конкретным условиям (качеству сточных вод, гидравлической нагрузке, температуре, pH и др.). Этот период, по данным, длится от 5-6 мес до 1 года.

В первые дни периода биологического созревания взвешенные вещества, коллоиды и другие фракции сточных вод, в том числе микроорганизмы, задерживаются в фильтрующем слое почвы главным образом благодаря ее механи- ческой, физической, физико-химической и химической поглотительной способности. Вследствие этих процессов концентрация загрязнений в фильтрате сточной воды уменьшается, а на поверхности частиц фильтрующего слоя почвы увеличивается. Дальнейшее накопление органической субстанции, а также накопление и размножение аэробных микроорганизмов на поверхности частиц наиболее активного фильтрующего слоя почвы приводит к их обрастанию биопленкой. Благодаря развивающейся биопленке к физико-химическим сорбционным процессам присоединяются очень интенсивные процессы биологической сорбции органических загрязнений сточной воды, получившие название биосорбции.