Активный ил

Эта статья прошла проверку экспертом
Концентрирование активного ила

Акти́вный ил — это сложная экосистема, формирующаяся в очистных сооружениях. Она представляет собой сообщество микроорганизмов с аэробным метаболизмом, обладающий высокой биодеградационной активностью. Эти микроорганизмы демонстрируют способность к сорбции и метаболизму широкого спектра загрязняющих веществ, главным образом органических соединений, содержащихся в сточных водах. Микробиологическая структура активного ила характеризуется агрегацией клеток, связанных между собой посредством растворимых или слабо растворимых полимерных комплексов. Данная структурная организация обеспечивает высокую функциональную эффективность экосистемы, способствуя эффективной детоксикации и биоремедиации сточных вод[1].

Процесс формирования активного ила начинается с первичных отстойников, где оседают крупные взвешенные частицы. Оставшиеся в водной фазе взвешенные и коллоидные вещества, не задержанные на этапе первичного отстаивания, служат субстратом для роста и размножения микроорганизмов. В результате формируется активный ил, который играет ключевую роль в биохимической деструкции загрязняющих компонентов сточных вод[1].

Применение активного ила в системах биологической очистки сточных вод, таких как аэротенки и биофильтры, значительно интенсифицирует процессы минерализации органических соединений. Аэротенки, представляющие собой проточные реакторы с интенсивной аэрацией, обеспечивают оптимальные условия для жизнедеятельности микроорганизмов активного ила, способствуя эффективному разложению органических загрязнителей. Биофильтры, в свою очередь, используют фильтрующую среду, на поверхности которой адсорбируются и разлагаются загрязняющие вещества, что также способствует повышению степени очистки сточных вод[1].

Биологическая очистка сточных вод

Биологическая очистка сточных вод представляет собой комплексный технологический процесс, направленный на элиминацию загрязняющих веществ с использованием биодеградирующих микроорганизмов, находящихся в активном иле. Этот метод основан на фундаментальных принципах микробиологии, экосистемной инженерии и биоремедиации, что позволяет эффективно нейтрализовать органические и неорганические загрязнители. В основе биологической очистки лежит принцип биологической трансформации, при котором микроорганизмы, входящие в состав активного ила, метаболизируют загрязняющие вещества, превращая их в менее токсичные или полностью безвредные соединения. Таким образом, данный метод обеспечивает высокую степень очистки сточных вод, минимизируя негативное воздействие на окружающую среду и поддерживая экологический баланс[2].

В рамках биологической очистки сточных вод выделяются следующие ключевые процессы и понятия[2]:

  1. Аэробный процесс очистки сточных вод — это биохимический механизм, при котором органические соединения разлагаются микроорганизмами в присутствии молекулярного кислорода (O₂). Этот процесс характеризуется высокой степенью окисления загрязняющих веществ и является основой для большинства современных очистных сооружений.
  2. Анаэробный процесс очистки сточных вод — альтернативный метод, при котором органические вещества подвергаются биологическому разложению в условиях отсутствия кислорода. В данном случае ключевую роль играют анаэробные микроорганизмы, осуществляющие деградацию посредством брожения и других анаэробных метаболических путей.
  3. Биохимическое потребление кислорода (БПК) — количественный показатель, отражающий степень загрязнения сточных вод органическими веществами. БПК определяется как количество кислорода, потребляемое в процессе биохимического окисления этих веществ в течение определённого временного интервала (обычно 5 или 20 дней).
  4. Окислительная мощность очистного сооружения — это параметр, характеризующий производительность системы биологической очистки сточных вод. Она измеряется в терминах снижения биохимического потребления кислорода на единицу объёма очистного сооружения за сутки, что позволяет оценить эффективность удаления загрязняющих веществ.
  5. Скорость окисления загрязняющих веществ активным илом — это показатель, отражающий интенсивность биодеградации органических соединений. Он определяется как масса окисленных органических веществ, приходящаяся на единицу массы беззольного вещества активного ила за один час.
  6. Остаточная загрязнённость сточных вод — это величина, характеризующая количество загрязняющих веществ, сохраняющихся в сточных водах после завершения процесса биологической очистки. Данный показатель является важным критерием оценки эффективности очистных мероприятий и может служить основой для корректировки технологических параметров.

Биологическая очистка сточных вод — это сложный процесс, который требует глубокого понимания микробиологии и биохимии, а также применения инженерных решений для обеспечения экологической безопасности[2].

Развитие технологии активного ила

Процесс активного ила — один из ключевых методов биологической очистки сточных вод — был впервые разработан в Англии в 1913 году учёными Эдвардом Арденом и Уильямом Локкеттом. В то время рост городов и развитие промышленности вызвали острую необходимость в эффективных способах очистки сточных вод. Существующие на тот момент методы, такие как фильтрация через песчаные поля или отстойники, оказались недостаточными для обработки большого объёма органических загрязнений. Учёные проводили исследования для Манчестерской корпорации по управлению реками на канализационном заводе Дэвихулм. Они обнаружили, что при длительном аэрировании смеси сточных вод и осадка, взятого из отстойника, происходит значительно более эффективное удаление органических веществ. Микроорганизмы в этой смеси активно размножались и образовывали хлопья, которые позже назвали «активным илом». Результаты их работы были опубликованы в 1914 году в докладе Proceedings of the Society of Chemical Industry под названием «Эксперименты по окислению сточных вод без использования фильтров»[3][4].

В отечественной практике внедрение технологий биологической очистки сточных вод в искусственно созданных условиях ознаменовалось в 1922 году, когда на двенадцатом Всероссийском водопроводном и санитарно-техническом съезде были представлены доклады «Очистка сточных вод посредством активного ила» и «Обзор работы лаборатории Управления канализации Москвы за период с 1914 по 1922 год». Эти доклады заложили концептуальные основы для дальнейшего развития данной отрасли[5].

Первой в России станцией аэрофильтрации, которая была введена в эксплуатацию в Москве в период с 1929 по 1933 годы, стала Кожуховская станция с общей производительностью 37 тысяч м³/сутки. На данной станции была успешно реализована оригинальная и эффективная комбинация методов очистки сточных вод, включающая использование аэротенков, биофильтров и биологических прудов. Это инновационное решение позволило значительно повысить степень очистки и стало важным шагом в развитии отечественной системы водоочистки[5].

На глобальном уровне биологическая очистка сточных вод в настоящее время является доминирующим методом удаления значительной части органических и бактериальных загрязнений из городских сточных вод. Этот метод, основанный на использовании микроорганизмов для биодеградации загрязняющих веществ, нашёл широкое применение в различных технологических схемах. В результате многолетних исследований и разработок были созданы сотни разнообразных устройств и сооружений, где биологический метод используется как самостоятельно, так и в сочетании с механическими или физико-химическими методами очистки. Это позволило значительно повысить эффективность и экологическую безопасность процессов водоочистки, что является ключевым фактором в устойчивом развитии современных городов и промышленных объектов[5].

Сооружения для биологической очистки

Аэротенк с активным илом

Сооружения, предназначенные для биологической очистки сточных вод, можно классифицировать на две основные категории: системы, функционирующие в условиях, приближенных к естественным, и установки, работающие в искусственно созданных условиях. К первой категории относятся поля фильтрации и орошения, где очистка осуществляется за счёт фильтрации сточных вод через пористый грунт, а также биологические пруды, представляющие собой неглубокие водоёмы, в которых процессы самоочищения протекают благодаря деятельности автохтонных микроорганизмов[5].

Вторая категория включает в себя биофильтры и аэротенки, которые представляют собой высокотехнологичные инженерные решения для очистки сточных вод. Биофильтры представляют собой резервуары, заполненные фильтрующим материалом, покрытым биологической плёнкой, состоящей из колоний микроорганизмов, способных адсорбировать и окислять органические вещества. Аэротенки, в свою очередь, представляют собой аэрируемые резервуары, в которых сточные воды смешиваются с активным илом, представляющим собой сложную экосистему микроорганизмов, обладающих высокой способностью к биодеградации органических загрязнений[5].

В зависимости от аэрационных условий, применяемых в процессе очистки, различают аэробные и анаэробные методы. В аэробных системах микроорганизмы культивируются в присутствии растворённого кислорода, что способствует интенсификации процессов окисления органических соединений[5].

Биологический состав активного ила

Биоценоз активного ила

Биоценоз нитрифицирующего активного ила демонстрирует чрезвычайно сложную экологическую структуру, характеризующуюся высоким таксономическим разнообразием, включающим до 45 видов простейших. Примечательно, что в данном биоценозе отсутствует численное доминирование отдельных видов, что свидетельствует о его высокой устойчивости и адаптивности. Нитчатые бактерии, мелкие бесцветные жгутиконосцы и раковинные амёбы либо полностью вытесняются из сообщества, либо их численность крайне незначительна. В то же время, брюхоресничные и прикреплённые инфузории, чья жизнедеятельность тесно связана с флокулированными хлопьями активного ила, доминируют в данной экосистеме[6].

Хищники, представляющие высший трофический уровень, также являются неотъемлемой частью биоценоза. Их присутствие положительно влияет на эффективность очистки воды от органических загрязняющих веществ за счёт повышения общего метаболизма сообщества. В составе биоценоза также присутствуют хищные коловратки, сосущие инфузории, хищные грибы и черви рода Chaetogaster. Тихоходки встречаются эпизодически[6].

В низко нагружаемых илах, благодаря богатому видовому разнообразию простейших, увеличивается адаптационный потенциал биоценоза, что позволяет ему адекватно реагировать на неблагоприятные условия и поддерживать высокую степень очистки. Однако, при воздействии концентрированных производственных сточных вод, биоценоз сохраняет свою структурную стабильность и эффективность ферментативного окисления. Стабильность и способность к быстрому восстановлению биоценоза могут быть нарушены только при экстремальных воздействиях, таких как резкое увеличение удельной нагрузки на активный ил, аварийные сбросы сильно токсичных сточных вод или дисбаланс питательных веществ[6].

Микробиологическое сообщество

Основу активного ила составляет микробное сообщество, включающее бактерии, простейшие, грибы, коловраток и другие микроорганизмы. Бактерии играют ключевую роль в разложении органических загрязнителей[7]:

  • Доминирующие бактерии. К числу наиболее важных относятся представители рода Zoogloea, особенно Zoogloea ramigera. Эти бактерии способны образовывать слизистые полимеры (экзополисахариды), которые способствуют формированию устойчивых хлопьев — основной структурной единицы активного ила. Хлопья обеспечивают хорошее оседание ила в отстойниках и защищают микроорганизмы от токсичных веществ.
  • Нитчатые бактерии. Такие как Sphaerotilus natans, лат. Type 021N, лат. Microthrix parvicella — выполняют полезную функцию при умеренном развитии, улучшая структуру хлопьев. Однако их чрезмерное размножение приводит к вспениванию илу и ухудшению оседания — явлению, известному как «иловое вспучивание» (англ. bulking). Это одна из наиболее распространённых проблем на очистных станциях.
  • Другие микроорганизмы. Включают аммонифицирующие, нитрифицирующие (лат. Nitrosomonas, лат. Nitrobacter) и денитрифицирующие бактерии, а также полифосфат-накапливающие организмы (PAO), участвующие в удалении фосфора[7].

Роль простейших и коловраток

Простейшие (инфузории, жгутиконосцы, амёбы) и многоклеточные микроорганизмы, такие как коловратки (Rotifera), являются важными компонентами экосистемы активного ила. Они не участвуют напрямую в разложении органики, но выполняют следующие функции[8]:

  • Фагоцитоз: питаются свободно плавающими бактериями, помогая контролировать их численность.
  • Очистка воды: способствуют повышению прозрачности очищенной воды за счёт устранения мелких частиц.
  • Индикаторы качества: состав и численность простейших служат биологическими индикаторами стабильности процесса. Например, обилие инфузорий типа Vorticella свидетельствует о хорошей работе аэротенка, а появление амёб — о недостаточной нагрузке или стрессе в системе[8].

Примечания

  1. ↑ 1,0 1,1 1,2 Активный ил. БРЭ (25 июля 2022). Дата обращения: 28 сентября 2025.
  2. ↑ 2,0 2,1 2,2 ГОСТ 25150-82 Канализация. Термины и определения. Электронный фонд правовых и нормативно-технических документов. Дата обращения: 28 сентября 2025.
  3. ↑ E. Ardern, W. T. Lockett. Experiments on the oxidation of sewage without the aid of filters (англ.). Semantic Scholar. Дата обращения: 28 сентября 2025.
  4. ↑ Beychok M. R. Aqueous Wastes from Petroleum and Petrochemical plants. — New York: John Wiley and Sons, 1967. — 370 с.
  5. ↑ 5,0 5,1 5,2 5,3 5,4 5,5 Гудков А. Г. [.- Вологда: , 2002. — 127 с. 15ВМ Биологическая очистка городских сточных вод: Учебное пособие]. — Вологда: ВоГТУ, 2002. — С. 3. — 127 с. — ISBN 5-87851-174-6.
  6. ↑ 6,0 6,1 6,2 Сидорова Л. П., Снигирева А. Н. Очистка сточных и промышленных вод. Часть II. Биологическая очистка. Активный ил. Оборудование. Информационный портал УрФУ. Дата обращения: 28 сентября 2025.
  7. ↑ 7,0 7,1 Metcalf & Eddy, Tchobanoglous G. et al. Wastewater Engineering: Treatment and Resource Recovery. — McGraw-Hill Education, 2014. — 2048 с. — ISBN 9780073401188.
  8. ↑ 8,0 8,1 Jenkins D., Michael G. R., Glen T. D. Manual on the Causes and Control of Activated Sludge Bulking, Foaming, and Other Solids Separation Problems. — Taylor & Francis Group, 2003. — ISBN 9781280225321.
Источник — https://znanierussia.ru/articles/index.php?title=Активный_ил&oldid=1935501