CC BY
126
УДК676.088:628.355.2
Ю. М. Залевская, Е. С. Белик
АДАПТАЦИЯ ЕСТЕСТВЕННОГО БИОЦЕНОЗА МИКРООРГАНИЗМОВ АКТИВНОГО ИЛА
ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
К ТРУДНООКИСЛЯЕМЫМ ОРГАНИЧЕСКИМ СОЕДИНЕНИЯМ
Ключевые слова: сточные воды, целлюлозно-бумажная промышленность, биологическая очистка, активный ил, гидробиологические исследования, гидрохимические исследования, адаптация.
Представлена характеристика загрязненных сточных вод целлюлозно-бумажной промышленности. Определены основные физико-химические показатели сточной воды целлюлозно-бумажной промышленности, поступающей на биологические очистные сооружения. Проведены экспериментальные исследования по адаптации микроорганизмов активного ила к трудноокисляемым органическим соединениям. Определены гидробиологические и гидрохимические показатели активного ила.
Keywords: wastewater, pulp and paper industry, biological treatment, activated sludge, hydrobiological studies, hydrochemical studies, adaptation of the activated sludge.
The authors presented the characterization of contaminated wastewater pulp and paper industry. Physical and chemical parameters were determined in the waste water, which is supplied to the biological treatment plant pulp and paper industry. Experimental studies on the adaptation of the activated sludge microorganisms to difficult-organic compounds were carried out. The authors determined hydrobiological and hydrochemical characteristics of the activated sludge.
Введение др.), которые частично попадают в производствен-
_ ные сточные воды. Степень загрязнения сточных
Целлюлозно-бумажная промышленность (ЦБП) Tm-r г
J * вод ЦБП зависит от вида вырабатываемой продук-
отличается высоким потреблением водных ресур-
r r Jr ции, мощности предприятия, совершенства техно ло-
сов. Удельные затраты воды на технологические
гического процесса и схемы производства.
нужды предприятия колеблются в широком диапа-
Сброс неочищенных или недостаточно очищен-
зоне и зависят от качества и ассортимента произво-
_ „ ных сточных вод целлюлозно-бумажной промыш-
димой продукции. В среднем на производство одной г
v J TT_il з _ ленности в водоемы, особенно в маловодные реки,
тонны продукции ЦБП требуется 350 м воды. Вы-
к J к J непроточные озера и водохранилища, ведет к силь-
сокий уровень потребления водных ресурсов подра- v
_ _ г jr г ному их загрязнению. Характеристика загрязнен-
зумевает образование большого объема сточных _
ных сточных вод целлюлозно-бумажного предприя-вод. Например, на одну тонну картона и бумаги, ГЛ
_ _ „ _ тия представлена в таблице 1.
вырабатываемых из неотбеленной целлюлозы, обра- „
з Ужесточение нормативов к качеству сточных
зуется 10-50 м сточных вод. При использовании отбеленной целлюлозы объем сточных вод увеличится в 15 раз и составит 150-750 м3 [1].
ЦБП использует для своих нужд различные химикаты (серная кислота, хлор, тяжелые металлы и
вод, сбрасываемых в водные объекты, требует от предприятий принятия мер по повышению эффективности очистки сточных вод (табл.1.).
Таблица 1 - Характеристика загрязненных сточных вод целлюлозно-бумажного предприятия
Показатели Состав сточных вод ЦБП, поступающих на БОС Норматив допустимого сброса вещества (согласно СанПиН 2.1.5.980-00)
Сульфитный способ варки целлюлозы Сульфатный способ варки целлюлозы
рН 4,1-6,3 7,0-10,5 6,5-8,5
Взвешенные вещества, мг/л 80-250 80-380 0,25
БПК, мг/л О2 40-150 100-250 3,0
ХПК, мг/л О2 - 450-1800 15
Запах Щелока Меркаптан Отсутствуют
Для очистки сточных вод широко применяется метод биологической очистки, основанный на использовании микроорганизмов перерабатывать растворенные органические и неорганические соединения, содержащиеся в сточных водах.
Метод получил большое распространение и сохраняет перспективу благодаря своей эффективности и универсальности [2].
На эффективность биологической очистки производственных сточных вод ЦБП будет влиять колебание исходных концентраций загрязнений и
наличие трудноокисляемых и токсичных соединений [3].
Трудноокисляемая органика практически не поддается стандартной системе очистки, что снижает эффективность работы биологических очистных сооружений. При очистке таких вод в аэротенках, гидробиологические и гидрохимические характеристики ила не отвечают необходимым требованиям.
Присутствие в составе сточных вод трудноокисляемых поллютантов промышленного происхождения является одной из причин, вызывающих нарушение работы биологических очистных сооружений, и вызывает вспухание активного ила.
Процесс вспухания ведет к резкому снижению способности активного ила к осаждению, что является причиной увеличения концентрации взвешенных и органических веществ в очищенной воде, а в худшем случае - выноса с очищенной водой практически всей массы активного ила в водный объект.
В связи с этим, возникает необходимость адаптации активного ила биологических очистных сооружений к трудноокисляемым органическим со-
Таблица 2 - Физико-химическая характеристика с
единениям, содержащихся в составе сточных водах, подаваемых на очистку.
При адаптации активного ила, в первую очередь, необходимо контролировать основные абиотические факторы, которые воздействуют на ил и определяют его удовлетворительную работу: температура, концентрация водородных ионов (рН), наличие биогенных веществ, содержание кислорода и т.д. [4].
Цель нашей работы: провести экспериментальные лабораторные исследования по адаптации активного ила к трудноокислямым органическим соединениям, содержащихся в сточной воде ЦБП, создавая благоприятные условия для жизнедеятельности микроорганизмов активного ила.
В ходе эксперимента в исходной сточной воде определяли: ХПК, БПК5, взвешенные вещества, нитраты, нитриты, водородный показатель, а также органолептические показатели: окраска, прозрачность и запах. Физико-химическая характеристика исходной сточной воды, используемой для эксперимента, представлена в таблице 2.
й воды целлюлозно-бумажного предприятия
Показатели Методика определения Значение
ХПК ПНДФ 14.1:2.100-9. Методика выполнения измерений химического потребления кислорода в пробах природных и очищенных сточных вод титриметрическим методом. 886±6 мг/дм3
БПК5 МВИ 224.01.17.133./2009. Методика выполнения измерений биохимического потребления кислорода в природных и сточных водах по изменению давления газовой фазы (манометрический метод). 250±5мг О2 / дм3
Взвешенные вещества ПНДФ 14.1:2:4.254-2009. Количественный химический анализ. Методика измерений массовых концентраций взвешенных веществ и прокаленных взвешенных веществ в пробах питьевых, природных и сточных вод гравиметрическим методом. 240±10мг/дм3
Нитриты РД52.24.381-2006. Массовая концентрация нитритов в водах. Методика выполнения измерений фотометрическим методом с реактивом Грисса. 0,06± 2мг/л
Нитраты ГОСТ 18826-73. Вода питьевая. Методы определения содержания нитратов. 25 ± 2 мг/л
Запах ГОСТ 3351-74. Вода питьевая. Методы определения вкуса, запаха, цветности и мутности. Гнилостный
Окраска Рыжая
Прозрачность Мутная
рН ГОСТ 31957-2012. Вода. Методы определения щелочности и массовой концентрации карбонатов и гидрокарбонатов. 6,0±1
На основании проведенного литературного анализа определены основные контролируемые показатели состояния активного ила, установлена периодичность контроля, обозначены оптимальные значения по каждому из показателей [4]. Программа экспериментальных исследований по адаптации активного ила к трудноокисляемым органическим соединениям представлена в таблице 3.
Для проведения экспериментальных исследований были отобраны пробы активного ила из аэро-тенка целлюлозно-бумажного предприятия Пермского края. Отбор проб осуществляли согласно методике ФР 1.31.2008.04397 (Методика выполнения измерений массовой концентрации активного ила).
Активный ил был помещен в лабораторный аэротенк. Лабораторная установка оснащена непре-
рывной системой аэрации. В аэротенк с периодичностью два раза в неделю добавлялись микроэлементы (минеральное удобрение) для подкорма и наращивания биомассы.
Доза вносимой сточной воды, содержащей труд-ноокисляемые органические соединения, увеличивалась по мере адаптации микробной ассоциации.
Согласно Ведомственным строительным нормативам (ВСН 13-76, Строительные Нормы и Правила) содержание взвешенных веществ в сточной воде, поступающей в аэротенк, не должно превышать 0,1 кг/м3. Несоблюдение данного условия ведет к повышенной нагрузки на активный ил, что в конечном итоге сказывается на эффективность работы очистных сооружений.
Таблица 3 - Программа экспериментальных исследований по адаптации активного ила к трудноокисляе-мым органическим соединениям
Показатель Периодичность Оптимальное значение Методика
1.Контролируемы показатели процесса очистки
Температура,^ Ежедневно 16-23 Методика проведения технологического контроля работы сооружений по очистке сточных вод
рН 6,5-7,8
Концентрация кислорода , мг/л 1,0-2,0
Биогенные элементы (БПК пол:№Р) 1 раз в неделю 100:5:1 ПНД Ф 14.1:2:4.227-2013. Количественный химический анализ вод. Методика измерений массовых концентраций азота органического методом Къель-даля в питьевых, природных и сточных водах. ПНД Ф 14.1;2;4.165-2000 Количественный химический анализ вод. Методика выполнения измерений суммарной массовой концентрации минерального и органического фосфора.
2. Гидрохимический контроль
Концентрация активного ила по объему, мл 2 раза в неделю 12-15 ФР 1.31.2008.04398. Методика выполнения измерений дозы ила по объему и расчет илового индекса.
Концентрация активного ила по массе, г 1,5 - 2,5 ФР 1.31.2008.04397. Методика выполнения измерений массовой концентрации активного ила.
Иловый индекс, мл/г 80-120 ФР 1.31.2008.04398. Методика выполнения измерений дозы ила по объему и расчет илового индекса.
3. Гидробиологический контроль
Скорость оседания хлопка 1 раз в неделю Быстро Методика проведения технологического контроля работы сооружений по очистке сточных вод
Запах Болотный
Цвет Буро-коричневый
Характер воды над осевшим илом Прозрачная ФР 1.31.2008.04400. Методика определения прозрачности надиловой воды.
Гидробионты >25 видов ПНД Ф СБ 14.1.77-96. Методическое руководство по гидробиологическому и бактериологическому контролю процесса биологической очистки на сооружениях с аэротенками.
Максимальная доза загрязняющего вещества была выбрана исходя из средней нагрузки на активный ил равной 0,5 грамм БПК на 1 грамм беззольного вещества в сутки. Данное значение является предельной границей средней нагрузки ила в высоко-нагруженных аротенках.
В процессе адаптации ила в аэротенке поддерживалась температура в пределах 16-20 °С, рН среды была близка к нейтральной (от 6,3 до 6,7), наличие биогенных веществ, а именно содержание азота и фосфора отвечало соотношению БПК пол:№Р = 100:5:1, концентрация кислорода была оптимальной для развития микробного сообщества - до 1,7 мг/л. Концентрация активного ила по объему составила 12-16 мл, по массе 1,54-2,54 г.
Гидрохимические и гидробиологические показатели активного ила периодически изменялись, что связано с высокой нагрузкой на активный ил по органическим соединениям, а также недостатком био-
генных элементов. Процесс сопровождался уменьшением количества гидробионтов, помутнением воды над осевшим илом, снижением скорости оседания ила и вспуханию ила. С целью ликвидации вспухания активного ила и повышения качества гидробиологических показателей была снижена нагрузка на ил и предусмотрена система дозирования азота и фосфора.
В процессе эксперимента иловый индекс периодически изменялся. В конце эксперимента значение показателя зафиксировано на отметке 101 мл/г, что входит в диапазон допустимых значений илового индекса (70-120 мл/г) и свидетельствует об удовлетворительных условиях для жизнедеятельности ила [5].
Общие свойства активного ила (цвет, запах и пр.) стабилизировались в результате адаптации. На основании проведенных визуальных исследований активного ила были определены следующие показа-
тели: скорость оседания хлопьев - быстро; цвет -буро-коричневый; характер воды над осевшим илом - прозрачный; запах - болотистый.
По мере накопления и адаптации хлопья активного ила уплотнялись и увеличивались в размере, микробная ассоциация характеризовалась таксонами, способными в качестве органического подкорма использовать сточную воду, содержащую в своем составе трудноокисляемые органические соединения.
Стабилизация состава ила произошла по истечении 2 месяцев. На рис. 1 и 2 представлена биота ила до и после проведения работ по адаптации.
Диагностика состава микробной ассоциации активного ила осуществлялась при помощи микроскопа Carl Zeiss со встроенной видеокамерой (увеличение 40x20) еженедельно согласно ПНД Ф СБ 14.1.77-96 «Методическое руководство по гидробиологическому и бактериологическому контролю процесса биологической очистки на сооружениях с аэротенками».
Выявлен состав микробной ассоциации адаптированного активного ила с разной временной доми-нацией таксонов микроорганизмов.
За период экспозиции эксперимента происходили ожидаемые сукцессии видового состава гидробионтов, а также динамика количественных показателей отдельных сообществ микроорганизмов и общей плотности всей микробиоты. Так, в первичный период преобладали группы микроорганизмов сравнительно устойчивых к промышленным и хозяйственно-бытовым загрязнениям и дефициту кислорода.
Рис. 1 - Биота ила до проведения работ по адаптации: а — цисты простейших; б — Paramecium caudatum; в — хлопья ила мелкие, плотные; г — массовое размножение рода Amoebina
Период стабилизации характеризовался появлением и массовым развитием толерантных гидробио-нтов, что и обусловило в дальнейшем существенное изменение органолептических показателей активного ила и суспензии в лучшую сторону.
в к.
Рис. 2 - Биота ила после проведения работ по адаптации: а—Arcella Discoide, Laovum; б— Phylum Nematoda; в— Rotatoria Rotatoria; г— Ampphileptus Claparedei
На основе результатов гидробиологического исследования было проведено определение видового состава активного ила на стадиях его адаптации [68]. В активном иле выявлены гидробионты являющиеся индикаторами хорошей работы очистных сооружений, а именно: Ampphileptus Claparedei, Arcella Discoides, Rhabdosty, Laovum, Rotatoria Rotatoria, Lecane Rotifer и др.
Богатое видовое разнообразие организмов активного ила (не менее 27 видов простейших) свидетельствует о благополучии биологической системы лабораторного аэротенка.
На основании проведенного эксперимента можно сделать следующий вывод: гидробиологические и гидрохимические показатели объекта исследования находятся в пределах оптимальных значений по всем контролируемым параметрам, что свидетельствуют об адаптации активного ила к трудноокисля-емым органическим соединениям.
Создание, контролирование и поддержание оптимальных условий для жизнедеятельности активного ила в аэротенке предприятия осуществить сложнее, чем на лабораторной установке. Это связанно, прежде всего, с большим объемом сточных вод, поступающих на биологические очистные сооружения, а также с колебанием исходных концентрации загрязняющих веществ в сточных водах.
Для повышения эффективности работы сооружений биологической очистки на предприятии необходимо проведение следующих основных организационно-технических мероприятий, направленных на:
- разработку локальных очистных сооружений для очистки от трудноокисляемых органических соединений в цехах, содержащих наиболее загрязненные сточные воды;
- контролирование технологических параметров при проведении очистки сточных вод;
- оперативное вмешательство в процесс очистки при отклонении контролируемых параметров от оптимальных значений;
- модернизацию сооружений биологической очистки.
Литература
1. Техническая рабочая группа № 1 (ТРГ-1) «Производство целлюлозы, древесной массы, бумаги, картона». Информационно-технический справочник по наилучшим доступным технологиям. Производство целлюлозы, древесной массы, бумаги, картона. Москва Бюро НДТ, 2015.
2. Е. А. Варакин, Д. Г. Чухчин, В. А. Рудакова, Е. В. Новожилов, З.А. Канарская. Влияние сточных вод производства целлюлозы на окислительную способность микроорганизмов очистных сооружений. Вестник технологического университета. 2015. Т. 18. № 7. С. 277-280.
3. Т.А. Зайцева, Л.В. Рудакова, Е.С. Белик. Биохимические методы переработки техногенных отходов: учеб.
пособие: в 2 ч. - Ч. Биологическая очистка сточных вод в аэротенках. Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехи. ун-та, 2015. - 226 с.
4. Рекомендации по проведению гидробиологического контроля на сооружениях биологической очистки с аэротенками. Методическое пособие. Пермь, ОГУ «Аналитический центр», 2004 г.
5. Кирсанов В.В. Определение средней нагрузки на активный ил в биотехнологиях для очистки производственных сточных вод, характеризующихся нестабильной концентрацией. Вестник технологического университета. 2015. Т. 18. № 11. С. 216-218.
6. Фауна аэротенков / под ред. Л.А. Кутиковой. — Л.: Наука, 1984. — Т. 2. — 263 с. 6.
7. Биологический контроль окружающей среды: биоиндикация и биотестирование: учеб. пособ. для студ. высш. учеб. заведений / О.П. Мелехова [и др.]: под ред. О.П. Мелеховой и Е.И. Сарапульцевой. — 2-е изд., испр. — М.: Издательский центр «Академия», 2008. — 288 с.
8. Реакция гидробионтов на загрязнение / под ред. Н.С. Строганова. — М.: Наука, 1983. — 247 с.
© Ю. М. Залевская - магистрант кафедры «Охрана окружающей среды» Пермского национального исследовательского политехнического университета, ylia_15@list.ru; Е. С. Белик - кандидат технических наук, доцент кафедры «Охрана окружающей среды» Пермского национального исследовательского политехнического университета, zhdanova-08@mail.ru.
© J. M. Zalevskaya - graduate student of the department "Environmental Protection" of the Perm National Research Polytechnic University, ylia_15@list.ru; E. S. Belik - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of "Environmental Protection" of the Department of the Perm National Research Polytechnic University, zhdanova-08@mail.ru.
