CC BY
44
УДК 628.355
Р. К. Закиров, Е. С. Балымова, О. Е. Сидоров, Ф. Ю. Ахмадуллина
ИЗУЧЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИЗБЫТОЧНОГО АКТИВНОГО ИЛА В КАЧЕСТВЕ ИСТОЧНИКА БИОГЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Ключевые слова: ультразвуковая обработка, активный ил.
Проведены исследования по ультразвуковой обработке в мембрано-кавитационных реакторах активного ила и показана возможность использования низкочастотного ультразвука для получения биогенных элементов из избыточной активной биомассы. На основе математической обработки результатов установлены оптимальные условия деструктирования ила.
Keywords ultrasonic processing, activated sludge.
Research on ultrasonic processing of activated sludge in membrane-cavitation reactors were carried out and the ability to use low-frequency ultrasound to obtain nutrients from the surplus active biomass is shown. Based on the mathematical calculation, the optimal conditions for the destruction of sludge determined.
Введение
Как известно, сбалансированное содержание субстрата и биогенных элементов - обязательное условие стабильной и эффективной работы биологических очистных сооружений [1, 2]. Согласно нормативной документации [3], требуемое соотношение C:N:P составляет 100:5:1. При недостатке биогенных элементов невозможно обеспечить рост новых активных клеток и, как следствие, наблюдается снижение окислительной мощности аэротен-ков. Поэтому, при необходимости предусматривается их ввод в виде солей (суперфосфат, соли аммония [4]) в загрязненные стоки перед узлом биологической очистки.
Учитывая, что избыточный активный ил, образующийся в процессе водоочистки, может являться источником биогенных элементов в форме, необходимой для ассимиляции, целью настоящей работы являлось изучение процесса деструкции активной биомассы в поле ультразвуковых волн.
Экспериментальная часть
Объект исследования - избыточный активный ил очистных сооружений ОАО "Казаньоргсин-тез", отобранный из узла III очереди действующей биостанции.
Ультразвуковую обработку (УЗО) иловой суспензии осуществляли в мембрано-кавитационных реакторах (МКР) стационарного типа при частотах 24, 40 и 70 КГц (рис. 1), представленных компанией «Дерманика», г. Москва.
а б в
Продолжительность ультразвукового воздействия составляла 1-5 минут. Обязательным условием проведения экспериментальных исследований являлось строгое фиксирование объема озвучиваемой пробы, начальной и конечной температур иловой суспензии для корректного анализа и сопоставления полученных результатов. В ходе эксперимента определяли содержание аммонийного и нитрит-ного азота, а также фосфатов в исходной и озвученной пробах надиловой жидкости в соответствии со стандартными методами анализа [5-7].
Результаты и их обсуждение В настоящей работе обобщены и систематизированы результаты собственных исследований с последующей их математической обработкой с целью выявления влияния продолжительности ультразвуковой обработки на выход из клетки в среду биогенных элементов.
Получение биогенных элементов на основе активного ила, подвергшегося жесткому ультразвуковому воздействию, позволит:
• использовать избыточный ил в качестве вторичного сырья для получения биогенных элементов в легко усвояемой для клетки форме;
• уменьшить объемы биошлама, идущего на захоронение;
• снизить затраты на закупку соответствующих солей и выплаты за складирование избыточного активного ила, что обусловливает необходимость и целесообразность проводимых исследований.
Для получения достоверной информации была проведена серия экспериментов с обязательным дублированием аналитических определений для каждой пробы надиловой жидкости (табл. 1).
Для описания процесса деструкции активного ила было использовано уравнение регрессии в виде полиномиальной зависимости второго порядка функции двух переменных [8]:
k k 1 k k
у = ьо bJxJ +Е Е bJixJxi +Е V.,2
Рис. 1 - Экспериментальные МКР: а 40 кГц; в - 70 кГц
■24кГц;б
j=1
j=1i=j+1
j=1
Таблица 1 - Концентрация биогенных элементов в надиловой жидкости до и после УЗО (в качестве примера)
В результате математической обработки экспериментальных данных получено регрессионное уравнение вида:
у = Ь0 + Ь1*х1 + Ь2*х2+ Ьц*Х12 + Ь22*х22 + Ь12*х1*х2 где у - концентрация биогенного элемента; х! -частота, кГц; х2 - продолжительность УЗО, мин.
Коэффициенты полученного
регрессионного уравнения приведены в таблице 2.
Полученные значения коэффициентов детерминации свидетельствуют о достаточно хорошей
сходимости расчетных и экспериментальных данных (рис. 2).
Таблица 2 - Коэффициенты регрессионного уравнения
Из представленного материала следует:
• полученные зависимости имеют экстремальный характер, максимум которых однозначно соответствует частоте озвучивания 40 кГц для всех исследованных показателей. При этом максимальная концентрация биогенных элементов достигает 0,97 мг/дм3 для нитритов, 0,57 мг/дм3 для аммонийного азота, 0,45 мг/дм для фосфатов, при продолжительности ультразвуковой обработки соответственно 2; 2,5 и 3 мин;
• сопоставление экспериментальных результатов, полученных при частотах 24 и 70 кГц, свидетельствует о неэффективности последних для деструкции активной биомассы с целью выделения в надиловую жидкость биогенных элементов;
• изученные режимы ультразвукового воздействия не позволяют полностью исключить затраты на приобретение солей аммония и суперфосфата, используемых в производственных условиях в качестве биогенных элементов, так как для достижения необходимого соотношения БПК:№Р = 100:5:1 (соотношение для сточных вод производств органического синтеза 168,2:1,34:0,17 = 100:0,8:0,1) требуются большие объемы избыточной биомассы.
Проба Условия УЗО С, мг/дм3
т, мин N02 N44+ РО43"
24 кГц
1 0 0,13±0,02 0,15±0,05 <0,05
1 0,12±0,02 0,15±0,05 <0,05
1 2 3 4 5
2 0,14±0,02 0,24±0,08 0,45±0,07
5 0,29±0,04 0,56±0,20 0,05±0,01
2 0 0,12±0,02 <0,05 <0,05
1 0,07±0,01 0,11±0,04 <0,05
2 0,47±0,07 0,33±0,12 0,06±0,01
5 0,30±0,04 0,58±0,21 <0,05
3 0 0,30±0,04 0,11±0,04 <0,05
1 0,34±0,05 0,24±0,08 <0,05
2 0,65±0,09 0,47±0,16 0,05±0,01
5 0,47±0,07 0,74±0,26 0,06±0,01
40 кГц
1 0 0,13±0,02 0,15±0,05 <0,05
1 0,39±0,05 0,74±0,26 0,17±0,03
2 0,66±0,09 0,96±0,34 0,40±0,06
5 0,52±0,07 1,28±0,27 0,60±0,08
2 0 0,12±0,02 <0,05 <0,05
1 0,52±0,07 0,64±0,22 0,07±0,01
2 0,79±0,11 0,87±0,30 0,13±0,02
5 0,47±0,07 1,10±0,23 0,66±0,09
3 0 0,30±0,04 0,11±0,04 <0,05
1 0,66±0,09 0,74±0,26 0,18±0,03
2 0,97±0,14 1,01±0,21 0,19±0,03
5 0,92±0,13 1,32±0,28 0,54±0,08
70 кГц
1 0 0,13±0,02 0,15±0,05 <0,05
1 0,03±0,01 0,29±0,10 <0,05
2 0,25±0,04 0,56±0,20 0,05±0,01
5 0,29±0,04 0,96±0,34 0,11±0,02
2 0 0,12±0,02 <0,05 <0,05
1 0,01±0,002 0,20±0,07 <0,05
2 0,34±0,05 0,47±0,16 <0,05
5 0,25±0,04 0,78±0,27 0,07±0,01
3 0 0,30±0,04 0,11±0,04 <0,05
1 0,16±0,02 0,33±0,12 <0,05
2 0,57±0,08 0,60±0,21 0,06±0,01
5 0,74±0,10 1,01±0,24 0,11±0,02
Коэффициенты регрессии Значения
1 2
РО43-
Ь0 -5,74580
Ь1 2,22351
Ь2 0,12481
Ь11 -0,24375
Ь22 -0,00704
Ь12 -0,00705
Я2 85,641332
Ь0 11,51383
Ь1 -5,61783
Ь2 0,03451
Ь11 0,63498
Ь22 -0,03334
Ь12 0,04022
1 2
Я2 79,277261
кн4+
Ь0 18,39956
Ь1 -7,77964
Ь2 2,11219
Ь11 0,78565
Ь22 0,00526
Ь12 -0,35161
Я2 83,290295
а
б
в
Рис. 1 - Изменение выхода биогенных элементов в динамике при разных режимах УЗО: а - аммоний; б -нитриты; в - фосфаты
Таким образом, проведенные исследования подтвердили возможность использования низкочастотного ультразвука для получения биогенных элементов и показали необходимость изыскания оптимальных условий, обеспечивающих максимальное деструктурирование активного ила.
Литература
1. Н. С. Жмур, Технологические и биохимические процессы очистки сточных вод на сооружениях с аэротенками, АКВАРОС, Москва, 2003, 512 с.
2. Е.С. Балымова, Р.К. Закиров, Ф.Ю. Ахмадуллина Вестник Казанского технологического университета, 11, 339-347 (2012)
3. СНиП 2.04.03-85 «Канализация. Наружные сети и сооружения»
4. В. Я. Гербер, В. И. Лукьянова, И. А. Попова, Биохимическая очистка сточных вод нефтеперерабатывающих
и нефтехимических заводов, ЦНИИГЭ нефтехим., Москва, 1974, 115 с.
5. Методика выполнения измерений массовой концентрации ионов аммония в природных и сточных водах фотометрическим методом с реактивом Несслера, ПНД Ф 14.1:2.1-95 (издание 2004 г.)
6. Методика измерений массовой концентрации нитрит-ионов в питьевых, поверхностных и сточных водах фотометрическим методом с реактивом Грисса, ПНД Ф 14.1:2:4.3-95 (издание 2011 г.)
7. Методика измерений массовой концентрации фосфат-ионов в питьевых, поверхностных и сточных водах фотометрическим методом с молибдатом аммония, ПНД Ф 14.1:2:4.112-97 (издание 2011 г.)
8. Е.С. Балымова, Р.К. Закиров, Р.Р. Гайнетдинова, Ф.Ю. Ахмадуллина Вестник Казанского технологического университета, 2, 50-52 (2012)
© Р. К. Закиров - к.т.н., доц. каф. промышленной биотехнологии КНИТУ; Е. С. Балымова - нач. Испытательного лабораторного центра - начальник лаборатории биологических очистных сооружений ОАО «Казанского завода синтетического каучука», elena-balymova@rambler.ru; О. Е. Сидоров - магистрант каф. промышленной биотехнологии КНИТУ; Ф. Ю. Ахмадуллина - ст. препод. той же кафедры.
