CC BY
147
УДК 628.356
Л. И. Хабибуллина, М. В. Шулаев, Е. О. Михайлова,
С. В. Ахмадиева
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МЕЛАФЕНА ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
ОТ РАЗЛИЧНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ
Ключевые слова: Мелафен, сточные воды, активный ил, янтарная кислота.
Показана возможность применения препарата «Мелафен», действующего в чрезвычайно низких концентрациях, для интенсификации биологической очистки сточных вод. Представлены эксперименты по кинетике с применением Мелафена в сравнении с традиционной биологической очисткой и в сравнении с биологической очисткой с применением янтарной кислоты. Проведен микробиологический анализ активного ила, и описан эксперимент с применением препарата на стадии регенерации активного ила в процессе биологической очистки сточных вод.
Keywords: Melaphene, waste water, activated sludge, succinic acid.
It was shown the possibility of Melaphene acting in extremely low concentrations, for the intensification of the waste water biological treatment. The experiments on the kinetics with Melaphene were presented compared to the traditional biological treatment and in comparison with biological treatment with succinic acid. A microbiological analysis of activated sludge, and experiments with preparathion on the regeneration stage activated sludge process in biological waste water treatment were realized.
Острейшей проблемой экологической безопасности является защита водного бассейна от возрастающего объема сбрасываемых загрязненных сточных вод предприятиями химической и других отраслей промышленности [1]. В водные объекты республики ежегодно сбрасывается более 700 млн. м сточных вод, с которыми поступает свыше 600 тыс. тонн загрязняющих веществ, оказывающих токсическое действие на животный и растительный мир водоёмов, а также на человека [2].
Одним из основных методов защиты водного бассейна является биологическая очистка сточных вод промышленных предприятий, которая широко используется как перед сбросом их в водоем, так и перед повторным использованием в системах оборотного водоснабжения. В основе процесса извлечения загрязнения из сточной воды методом биологической очистки лежит способность биоценоза активного ила разрушать, окислять и утилизировать органические вещества промышленных сточных вод, а также способность микроорганизмов объединяться в хлопья. Благодаря этой способности осуществляется отделение очищенной сточной воды от активного ила [3].
Однако традиционные биологические очистные сооружения работают с перегрузкой и часто не выдерживают современных требований к качеству очищенной воды, а также к стабильности и устойчивости работы.
Поэтому естественно стремление исследователей всех стран к совершенствованию процесса биологической очистки сточных вод. Этот процесс идет как в направлении создания новых инженерных сооружений и схем, так и в направлении интенсификации очистки за счет введения различных технологических приемов, за счет использования биологически активных веществ.
Была поставлена задача - исследовать возможность применения биостимулятора нового поколения - Мелафена - для интенсификации биологической очистки сточных вод от различных загрязнений.
Препарат Мелафен представляет собой меламиновую соль бис(оксиметил)фосфиновой кислоты (рис.1).
N42
О
^ 11
]! 7 . Н0Р(СН20Н)2
Рис. 1 - Структурная формула препарата Мелафен
Препарат Мелафен не обладает токсическим, мутагенным, ДНК-повреждающим, генотоксическим действием в широком диапазоне исследованных концентраций от 0.46'10 М до 0.4610" М [4]. Установлено, что препарат относится к IV классу - незначительно опасные вещества со слабо выраженной кумуляцией. Препарат не обладает раздражающим и сенсибилизирующим действием, острой ингаляционной токсичностью, тератогенным и эмбриотоксическим действием [5,6].
Экспериментальные исследования биологической очистки сточных вод производят на установке, состоящей из двух конструкционно идентично выполненных упрощенных физических моделей биологических очистных сооружений, смонтированных на одной технологической раме. Установка предназначена для проведения сравнительных экспериментов:
- контрольный аэротенк реализовывает следующие процессы: биологическая очистка сточных вод и биологическая очистка с использованием янтарной кислоты;
- опытный аэротенк представлен для проведения процесса биологической очистки сточных вод с использованием Мелафена.
Аэротенк представляет собой реактор, куда подается воздух и иловая суспензия для очистки сточных вод. Рабочий объем аэротенка 2 литра, внутренний диаметр 60-80 мм, высота 1000 мм. Аэрация иловой смеси и сточной воды в аэротенке осуществляется техническим воздухом, диспергируемым с помощью пористого камня. Расход воздуха на аэрацию регулируется ротаметром.
Анализы поступающей сточной воды, ила, очищенной воды производятся с использованием проб, взятых в аэротенке.
Для микробиологического анализа активного ила на стадии регенерации берется 1 дм3 активного ила, поступающего на стадию регенерации, и осуществляется его аэрация путем подачи технического воздуха, который диспергируется пористым камнем. Концентрация Мелафена и янтарной кислоты составляет 10-6 мг/дм3.
Исследование биологической очистки промышленных сточных вод в кинетических условиях с применением Мелафена в сравнении с биологической очисткой
Первоначально был исследован диапазон концентраций Мелафена от 1-10"4 мг/дм3 до 1 10-8 мг/дм3. Явного преимущества одной концентрации над другой в указанном диапазоне концентраций не наблюдалось. Тем не менее, наилучшие результаты были получены при использовании концентрации Мелафена равной 1 10-6 мг/дм3, которая и была выбрана в качестве рабочей для дальнейших экспериментов. К тому же обоснованность выбора такой концентрации подтверждается и анализом литературных данных [7].
Время пребывания составляет 7 часов. ХПК (химическое потребление кислорода) исходной сточной воды варьируется в ходе экспериментов, и в среднем составляет 740 - 870 мгО2/дм3, рН составляет 6.5 - 7.5 ед., а температура - 22оС. Сточная вода для эксперимента отбирается из лотка подачи сточной воды перед аэротенком.
Данные эксперимента (табл. 1 и рис.2) показали, что в первые три часа Мелафен показал очень хорошую очистку по ХПК по сравнению с традиционной биологической очисткой, так за 1 час эксперимента значение ХПК с 850 мгО2/дм3 снизилось до 270 мгО2/дм3, в то время как при биологической очистке без БАВ значение ХПК к этому времени составило
всего 520 мгО2/дм3. А в конце эксперимента опытный аэротенк обеспечивал на 5% более глубокую очистку сточной воды, чем контрольный.
время, час
—Биологическая очистка я—Биологическая очистка с Мелафеном в концентрации 10-6 мг/дм3
Рис. 2 - Кинетика изменения ХПК в системах очистки
Таблица 1 - Исследование биологической очистки промышленных сточных вод в кинетических условиях с применением Мелафена в сравнении с традиционной биологической очисткой
Показатели Биологическая очистка Биологическая очистка с Мелафеном в концентрации 10 мг/дм3
Начало эксперимента Конец эксперимента Степень очистки, % Начало эксперимента Конец эксперимента Степень очистки, %
ХПК,мгО2/дм3 850 175 79,4 850 135 84,1
Концентрация этиленгликоля, мг/дм3 12,9 0,63 95,1 12,9 0,18 98,6
Концентрация фенола, мг/дм3 3,13 0,2 93,6 3,13 0,00005 99,99
Концентрация СПАВ, мг/дм3 1,25 0,19 84,8 1,25 0,056 95,5
В таблице 1 представлены данные по концентрациям, этиленгликоля, фенола и СПАВ (синтетические поверхностно-активные вещества) в поступающей и очищенной воде при
6 3
биологической очистке сточных вод с применением Мелафена, в концентрации 10" мг/дм , в сравнении с традиционной биологической очисткой.
Система биологической очистки с применением Мелафена обеспечила на 3,5 % более эффективную очистку сточной воды по концентрации этиленгликоля (таблица 1) по сравнению с традиционной биологической очисткой.
Из экспериментальных данных (табл. 1) по значениям содержания фенола видно, что степень очистки с применением Мелафена на 6,3 % выше по сравнению с традиционной биологической очисткой.
Проанализировав данные, представленные в таблице 1, можно сделать вывод, что наилучшим образом Мелафен повлиял на содержание в сточной воде СПАВ, степень очистки от которого оказалась эффективнее на 10,7%.
Таким образом, можно сделать вывод, что применение Мелафена в концентрации 10"6 мг/дм3 способствует более глубокой очистке сточных вод от исследуемых загрязнений по сравнению с биологической очисткой без добавления БАВ.
Исследование биологической очистки промышленных сточных вод в кинетических условиях с применением Мелафена в сравнении с биологической очисткой с применением янтарной кислоты
В качестве контрольного аэротенка используется система биологической очистки в присутствии янтарной кислоты. Концентрация биологически активных веществ в обоих аэротенках составляет 10"6 мг/дм3. ХПК поступающей воды составляет 690 мгО2/дм3, рН - 6,9 ед., температура - 23 оС.
В таблице 2 представлены данные по значениям ХПК, концентрациям СПАВ, этиленгликоля и фенола в поступающей и очищенной воде при биологической очистке сточных вод с применением Мелафена в сравнении с биологической очисткой с применением янтарной кислоты.
Таблица 2 - Исследование биологической очистки промышленных сточных вод в кинетических условиях с применением Мелафена в сравнении с биологической очисткой с применением янтарной кислоты
Показатели Биологическая очистка с Биологическая очистка с
янтарной кислотой в Мелафеном в концентрации 10-6
концентрации 10" мг/дм мг/дм
Начало Конец Степень Начало Конец Степень
экспери- экспери- очистки, экспери- экспери- очистки,
мента мента % мента мента %
ХПК,мгО2/дм3 690 105 84,8 690 110 84,1
Концентрация
этиленгликоля, 11,2 0,087 99,2 11,2 0,1 99,1
мг/дм3
Концентрация фенола, мг/дм3 1,52 0,00017 99,99 1,52 0,0002 99,98
Концентрация СПАВ, мг/дм3 2,61 0,056 97,9 2,61 0,056 97,9
По данным, представленным в таблице 2 можно сделать вывод, что по всем исследуемым показателям (концентрация фенола, этиленгликоля, СПАВ и по ХПК) Мелафен
195
не уступает общеизвестному биологически активному веществу янтарной кислоте и оказывает схожий стимулирующий эффект.
Применение Мелафена в значительной степени удешевляет процесс биологической очистки по сравнению с применением янтарной кислоты. Стоимость 1 кг Мелафена примерно составляет 50 руб, а 1 кг янтарной кислоты примерно стоит 240 руб.
Микробиологический анализ активного ила
В ходе кинетических экспериментов параллельно проводится микробиологический анализ активного ила в системах биологической очистки с применением Мелафена и янтарной кислоты и без применения указанных веществ.
Исходный активный ил можно охарактеризовать следующим образом: цвет ила темно-коричневый, хлопки ила мелкие, рыхлые, местами комкообразные, границы раздела фаз слегка размытые. Несмотря на то, что надиловая жидкость прозрачная, седиментационные характеристики ила не удовлетворяют общим требованиям, так как после 30 минутного отстаивания иловой суспензии объем ила составляет 75 - 80 мл, а объем воды 20-25 мл. При микрокопировании не наблюдается большого разнообразия подвижных простейших.
Были обнаружены простейшие р. Aspidisca, p. Arcella, жгутиковые p. Bodo, а также малоподвижные коловратки р. Rotatoria, нитчатые микроорганизмы и большое количество цист.
Активный ил после процесса биологической очистки приобрел более светлую окраску, уменьшилось количество цист. После эксперимента с добавлением Мелафена ил показал лучшие седиментационные характеристики в сравнении с традиционной биологической очисткой, объем ила после отстаивания был равен 60 мл. Хлопки ила умеренной величины, но довольно плотные, что обеспечило большую поверхность для сорбции загрязнений и в то же время вызвало хорошее оседание ила, надиловая жидкость прозрачная.
Были обнаружены подвижные простейшие р. Aspidisca, p. Arcella, в значительном количестве инфузории р. Ca^hesium, Vorticella convallaria, все они хорошо упитанны, ресничная зона раскрыта, движения ресничек активные, также присутствовали подвижные коловратки р. Rotatoria, малощетинковые черви р. Aeolosoma.
Такая характеристика активного ила является положительным признаком в оценке его качества. Таким образом, активный ил после биологической очистки сточных вод с применением Мелафена можно считать умеренно-нагруженным, хорошо работающим в данных условиях и приспособленным к исследуемым загрязнениям.
Активный ил после процесса биологической очистки с применением как Мелафена, так и янтарной кислоты показал схожие характеристики. В обоих случаях микроорганизмы были подвижные, видовой состав разнообразный, хотя количество микроорганизмов было немного больше в эксперименте с применением янтарной кислоты. Инцистирование существенно сократилось по сравнению с биологической очисткой без применения препаратов.
Учитывая результаты микробиологического анализа, можно сделать следующий вывод, что применение Мелафена в биологической очистке сточных вод стимулирует жизнедеятельность микроорганизмов, нормализует работу активного ила и в своем влиянии не уступает янтарной кислоте.
Микробиологический анализ активного ила на стадии регенерации
Проведена серия экспериментов, время регенерации составляет 16, 18 и 20 часов, что соответствует примерному временному диапазону регенерации в процессе биологической очистки сточных вод ОАО «Казаньоргсинтез», согласно технологическому регламенту.
Исходный активный ил имеет следующие характеристики: цвет светло-коричневый, хлопья мелкие, после 30 минутного отстаивания объем ила составлял 80-85 мл. При микроскопировании обнаружены простейшие р. Aspidisca, p. Arcella, Vorticella convallaria, также присутствуют малоподвижные или неподвижные коловратки р. Rotatoria, застывшие в вытянутом состоянии, что является признаком недостатка кислорода.
Удовлетворительная регенерация активного ила без применения препаратов достигается спустя 20 часов. При микроскопировании обнаружено количественное преобладание инфузорий р. Carchesium, р. Vorticella, над свободноплавающими инфузориями. Организмы подвижные, хлопок ила более крупный, вода над илом прозрачная. На тот же момент времени активный ил с добавлением Мелафена и янтарной кислоты достиг стадии глубокой регенерации.
При 16 часовом эксперименте ни в одном случае не была достигнута требуемая степень регенерации. Стоит отметить, что при добавлении Мелафена и янтарной кислоты хлопки ила стали более крупными, инцистирование существенно сократилось.
18 часовой опыт показал, что активный ил без добавления препаратов не достиг уровня удовлетворительной регенерации, в то время как активный ил с применением Мелафена и янтарной кислоты достиг удовлетворительной степени регенерации и выявил лучшие характеристики: видовой состав микроорганизмов стал более разнообразным, было выявлено количественное преобладание простейших р. Aspidisca, р. Arcella, Vorticella convallaria, р. Carchesium, также присутствовали подвижные коловратки рRotatoria, малощетинковые черви р. Aeolosoma. Ресничная зона инфузорий раскрыта, движения ресничек активные.
Итак, применение Мелафена и янтарной кислоты позволяет сократить время регенерации в системе биологической очистки сточных вод ОАО «Казаньоргсинтез» на 10%, что снизит энергозатраты и позволит увеличить объем очищаемой воды.
Заключение
Таким образом, исследована возможность интенсификации биологической очистки сточных вод с применением отечественного недорогого, нетоксичного, эффективного экологичного препарата Мелафен в чрезвычайно низких концентрациях.
Применение Мелафена позволяет увеличить эффективность очистки в большом диапазоне загрязнений до 10,7 % и по этому показателю не уступает способу с применением биологически активного вещества - янтарной кислоты. Применение препарата на стадии регенерации позволяет сократить ее время на 10%.
Литература
1. Проскуряков, В.А. Очистка сточных вод в химической промышленности / В.А. Проскуряков, Л. И. Шмидт. - Л.: «Химия», 1977. - 464 с.
2. Щеповских, А. Проблемы экологии и пути их решения в Республике Татарстан / А. Щеповских // Экология республики Татарстан : проблемы и решения. - Казань, 1997. - 92 с.
3. Доочистка сточных вод и обработка осадков: Методические указания к курсовому и дипломному проектированию / Сост. Н.В.Дмитриева; КХТИ. - Казань, 1985. - 29 с.
4. Маргулис А.Б., Ильинская О.Н. Генотоксические эффекты регулятора роста растений - Мелафена/ Сб. матер. Всерос. семинара-совещания «Состояние исследований и перспективы применения регулятора роста растений нового поколения «Мелафен» в сельском хозяйстве и биотехнологии», Казань: изд. «Школа», 2006 - С. 150.
5. Захарова, К.А. Исследование биотехнологии очистки почв от нефтезагрязнений с использованием препарата «Руге^уте» / К. А. Захарова, М.В. Шулаев, В.М. Емельянов // Вестник Казан. технол. унта. - Казань, 2007. - № 3-4. - С. 188-193.
6. Тремасов, М.Я. К фармако-токсикологической характеристике препарата «Мелафен»/ М.Я. Тремасов, А.И. Сергейчев, Э.И. Семенов;.-сборник материалов Всероссийского семинара-совещания «Состояние исследований и перспективы применения регулятора роста растений нового поколения «Мелафен» в сельском хозяйстве и биотехнологии», Казань, изд. «Школа» - 2006 - С.143
7. Очистка производственных сточных вод в аэротенках / Я. А. Карелин [и др.]. - М.: Стройиздат, 1973. - 223 с.
© Л. И. Хабибуллина - асп. каф. химической кибернетики КГТУ; М. В. Шулаев - д-р техн. наук, проф. каф. химической кибернетики КГТУ; Е. О. Михайлова - канд. биол. наук, ассис. каф.
химической кибернетики КГТУ; katya_o_m@rambler.ru; С. В. Ахмадиева - асп. каф. химической кибернетики КГТУ, mazlovas@mail.ru.
