CC BY
206
УДК 66
В. В. Кирсанов
ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЕ ВОДЫ МИКРОФЛОРОЙ АКТИВНОГО ИЛА,
КАК АЛЬТЕРНАТИВА РЕАГЕНТНЫМ СПОСОБАМ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ
Ключевые слова: обеззараживание, патогенная микрофлора, диоксины, реагентные способы, избыточный активный ил, степень обеззараживания.
Рассмотрены недостатки основных применяемых в промышленности и жилищно-коммунальном хозяйстве реа-гентных способов обеззараживания питьевой и сточной воды с точки зрения их влияния на здоровье человека и окружающую среду. Дано описание способа, схемы и преимуществ разработанного автором безреагентного способа обеззараживания патогенной микрофлоры воды.
Keywords: disinfection, pathogenic flora, dioxins, reagent methods, surplus activated sludge, disinfection degree.
Disadvantages of main reactant methods of drinking and waste waters disinfection used in industry and housing and utility services are examined in terms of health effect and environmental effect. Description of the method, plan and advantages of reagentless method of water pathogenic flora disinfection developed by the author is presented.
Краткая характеристика основных способов обеззараживания
Для обеззараживания сточной воды и питьевой воды перед ее подачей водопотребителям, содержащих патогенную микрофлору, применяются химические, физические, физико-химические способы, эффективность применения которых зависит от многих факторов:
• начальной концентрации бактерий и вирусов;
• содержания загрязняющих органических и минеральных веществ в сточной воде;
• концентрации взвешенных веществ в очищенной воде;
• температуры;
• рН среды и др.
Обеззараживание сточных вод химическим способом является наиболее простым техническим решением, чаще других способов, применяемым в промышленности, в коммунальном хозяйстве не только в России но и за рубежом. Например, в США 98% воды обеззараживается хлором.
Одним из галогенов, применяемых традиционно для обеззараживания, является хлор. В практике могут использоваться диоксид хлора CЮ2, гипохлорит натрия NaCЮ и гипохлорит кальция Ca(CЮ)2.
Бактерицидное воздействие хлора и его соединений носят физиологический характер. Хлор вступает во взаимодействие с протеинами и амино-соединениями, которые содержатся в оболочке бактерий и ее внутриклеточном веществе, в результате чего изменяется внутриклеточное вещество, структура клетки и прекращается жизнедеятельность бактерии, Основным недостатком хлора (и всех хлорсодержащих реагентов) - является побочное образование галогенопроизводных соединений, большую часть которых составляют хлороформ, дихлорбром-метан, хлорфенол, трихлорфенол, метилхлороформ и другие производные (всего их идентифицировано 11). Большинство хлоропроизводных соединений обладают онкогенным (канцерогенным) и мутагенным действием. При взаимодействии фенола, содержащегося
как в сточной воде, так и в природных водоемах, образуются хлорофенольные соединения - диоксины -, особо опасные яды даже в микроскопически малых концентрациях. Диоксины - биологически активные хлорорганические токсичные соединения, с величинами ПДК на уровне сотых и тысячных мг/л, воздействующие на популяцию рыб, фито- и зоопланктон, зообентос и нарушающие процесс самоочищения водоемов.
Несмотря на высокую эффективность по отношению к патогенным бактериям, хлорирование при дозе остаточного хлора 1,5 мг/л не обеспечивает необходимой эпидемической безопасности в отношении вирусов - эффективность обеззараживания хлором по термотолерантным колиформным бактериям (ТКБ) не выше 97,0-98,0%. Кроме того, к хлору, как и другим хлорсодержащим средствам обеззараживания, с течением времени микроорганизмы привыкают.
При хлорировании образуются хлороргани-ческие соединения, обладающие, по данным многочисленных отечественных и зарубежных исследователей, высокой токсичностью, мутагенностью и канцерогенностью, способные аккумулироваться в донных отложениях, тканях гидробионтов и в конечном счете по трофическим цепям попадать в организм человека. Эти соединения обладают высокой стойкостью к биодеструкции и вызывают загрязнения рек на значительных расстояниях вниз по течению. Оценка по индексу токсичности для дафний показала, что хлорированная вода является остротоксичной для этих тест-объектов.
В процессе хлорирования образуются и хлорамины, способные, по данным многих авторов, даже при очень низких концентрациях вызывать серьезные физиологические изменения гидробио-нтов и даже их гибель.
Воздействие даже низких концентраций хлора (на уровне 0,01мг/л) снижает на 50-100% способность фитопланктона поверхностных водоисточников усваивать нитратный и аммонийный азот в результате инактивации ферментов, отвечающих за
усвоение неорганического азота, что ухудшает возможности эффективного самоочищения водоемов.
Возможные побочные эффекты, возникающие при хлорировании сточных вод, могут проявиться в виде:
- образования диоксинов и их предшественников в сточных водах и воде водоемов;
- образования биологически активных хло-рорганических соединений;
- токсический эффект на водные организмы, в частности, на популяцию всех видов рыб;
-нарушение процессов самоочищения водоемов.
Высокотоксичные хлоропроизводные соединения в организм человека попадают не только через трофические уровни, но и в значительной степени через легкие при дыхании и сорбируются кожей, особенно при купании и принятии теплых ванн. Сорбции способствуют и поверхностно-активные вещества, уменьшающие межфазное поверхностное натяжение.
В результате применения других химических реагентов также образуются токсичные продукты, практически не поддающиеся разрушению. В последнее время, как альтернатива хлору, все более активно начинает пропагандироваться и применяться озон.
Озону, как реагенту, и озонированию, как процессу, приписываются «чудодейственные» свойства, лишенные каких-либо недостатков.
На самом деле, объективное сопоставление окислительных свойств озона и хлора, побочных продуктов и эксплуатационных факторов, делает проблематичным вопрос выбора между хлором и озоном при определении способа обеззараживания. Озонирование является технически сложным, энергозатратным и дорогостоящим процессом. Озон, благодаря сильной окислительной способности разрушает клеточные стенки, мембрану, окислительно-восстановительную систему бактерий. Соответственно, такими же свойствами озон способен воздействовать и на человека. Озон обладает высокой токсичностью и высокой ингаляционной опасностью. Кроме того, озон при окислении органических соединений, всегда в той или иной концентрации присутствующих в воде, образует побочные продукты: кетоны, органические кислоты, пероксиды, бромсодержащие соединения, формальдегид - вещество П-ого класса опасности.
Из-за насыщения озоно-воздушной смесью вода приобретает высокую окислительную способность и становится коррозионно-активной. Особенно возрастает коррозионная активность при повышении температуры и при снижении давления в системе (снижается растворимость кислорода в воде), что требует применения высоколегированных сталей не только для изготовления оборудования озонаторов, но и для всей системы транспортирования воды в водоем-приемник и к потребителю после водоподготовки.
Следующий способ обеззараживания - ультрафиолетовая обработка,- малоэффективен; требует для применения прозрачной, практически без взвешенных частиц, воды, - дезинфицирующая активность зависит от мутности воды и ее жесткости (образования и осаждение солей жесткости и взвешенных
частиц на поверхности лампы); полное отсутствие «последействия» (отсутствие гарантий вторичного биозагрязнения воды в канализационных сетях). Кроме того, для ультрафиолета требуется практически идеальное напряжение в сети, так как малейшие колебания изменяют длину волны - необходим отдельный независимый, мощный источник энергопитания. При ультрафиолетовой обработке отсутствует возможность оператив ного контроля за эффективностью обеззараживания воды.
Диоксид хлора - альтернативный дезинфектант может применяться только на месте получения; высокоопасное и токсичное вещество. Образует хлораты и хлориты, придающие воде неприятный специфический запах и вкус.
Гипохлорит натрия - неэффективен против цист; образует побочные хлорорганические мутагенные и канцерогенные продукты; теряет активность при хранении; выделяется при хранении газообразный хлор.
Безреагентный способ обззараживания
В природных условиях давно известны сложные антагонистические взаимоотношения между сапрофитными микрофлорой почвы, воды и большинством патогенных или условно патогенных для человека микроорганизмов.
Задачей практического использования в области обеззараживания сточных вод естественного антагонизма микроорганизмов является определение степени антагонизма. Степень антагонизма обусловлена санитарным потенциалом микроорганизмов, зависящим от конкурентных отношений за источник питания. Известно, что после контакта с активным илом количество бактерий группы кишечной палочки, обнаруженных в надиловой жидкости, снижается в 3-5 раз по сравнению с числом этих же бактерий, обнаруженных в исходном субстрате, то есть проявляется естественная способность активного ила воздействовать на бактерии группы кишечной палочки и уменьшать их численность [1].
Санитарно-бактериологический эффект ила обеспечивается сорбционной способностью активного ила, которая, в свою очередь, обуславливается зооглейной структурой микробных ассоциаций, составом сточных вод и параметрами процесса.
Недостатком известного способа, основанного на антагонизме микроорганизмов, является то, что санитарные показатели очищенного стока не соответствуют санитарноэпидемиологическим нормам, т.е. степень обеззараживания не достаточна [6].
В данном случае рассматривается проблема обеззараживания бытового стока и достижение необходимой степени санитарногигиенической безопасности за время цикла полной биологической очистки по всем регламентируемым показателям.
Для достижения цели предложен способ биологического обеззараживания бытового стока избыточным активным илом в комплексе
с промышленным стоком, заключающийся в том, что процесс обеззараживания осуществляется в аэрируемых емкостях в три стадии (рис. 1):
- на первой стадии смешивается в биореакторе бытовой сток с активным илом при условии: объем иэбыточного АИ - 20 - 60%, время контакта - 90 мин., концентрация растворенного кислорода - около 3 мг/л.;
- на второй стадии в смесь БС и АИ добавляют свежую порцию избыточного АИ и промышленный сток в соотношении 45:10:4
- на третьей стадии на обрабатываемый поток, состоящий из БС, АИ, промышленного стока воздействуют новыми порциями АИ и промышленного стока.
Определение возможности обеспечения максимальной эффективности обеззараживания бытовых стоков основано на установлении оптимального соотношения основных технологических параметров -
дозы ила, объёма ила, времени контакта с активным илом, концентрации кислорода, соотношении объёмов бытовых стоков, активного ила, промышленных стоков на различных этапах (стадиях) обеззараживания. Количество этапов (стадий) определяли экспериментально в лабораторных условиях по мере достижения максимально возможной эффективности (99 %) степени обеззараживания.
Рис. 1 - Блок-схема трехстадийного безреагентного обеззараживания обеззараживания сточных вод АИ - активный ил; БС - бытовой сток
В каждом конкретном случае биоочистки сточных вод существует свой «набор» технологических параметров биотического и абиотического происхождения, поэтому для достижения необходимой степени санитарно- гигиенической безопасности необходимо предварительно исследовать различные режимы работы биостанций и определить максимально эффективный.
Эффективность обеззараживания по разработанному способу достигает по общим колиформным бактериям (ОКБ) - 98,7%, по термотолерантным колиформным бактерияи (ТКБ) - 99,65% (при обеззараживании хлором ОКБ - 96,1%, ТКБ - 99,6%, табл. 1).
Таблица 1 - Эффективность обеззараживания бытовых сточных вод
Показатель Бытовой сток Очищенный сток после обеззараживания хлори- Эффективность, % Очищенный Сток после обеззараживания по 3х Эффективность, % Норма
ОК Б Міп 6103 Мах 1106 Міп 4102 Мах 8102 93,3 99,0 Міп 1102 Мах 4102 97,5 99,9 50 0
ТК Б Міп 6103 Мах 6105 Міп 4101 Мах 3102 99,3 99,9 Міп 2101 Мах 1102 99,4 99,9 10 0
Преимущество обеззараживания патогенной микрофлоры активным илом:
- безвредность способа для биоты, исключение образования и попадания в окружающую среду высокотоксичного хлора (или озона) и его производных, обладающих канцерогенными, мутагенными свойствами и высокой устойчивостью к биодеградации;
- безопасность для персонала, связанная с хранением, получением и эксплуатацией любых реагентов, традиционно применяемых для обеззараживания сточной и водопроводной воды;
- высокая степень обеззараживания;
- дешевизна первоначальных разовых затрат при монтаже установки (заключается в изготовлении открытой емкости из углеродистых стальных листов или железобетона объемом 15 - 60 м3 и трубопроводов диаметром 76 - 157 мм, общей длиной 35 - 120 м,-_габариты зависят от искомой производительности и местного расположения сопряженных сооружений) и практическое отсутствие текущих эксплуатационных затрат, связанных с закупкой реагентов, профилактическими и капитальными ремонтами реагентных установок, зарплатой технологическому, ремонтному персоналу, лаборантам;
- простота обслуживания и технологического регулирования, заключающегося в нетрудоемком и не сложном периодическом открытии (закрытии) регулирующей арматуры (задвижки, вентиля) на трубопроводе подачи иловой жидкости
- использование для обеззараживания избыточного активного ила, кроме основной задачи, позволяет решить еще одну актуальную проблему, связанную с эффективностью биологической очистки и существующую на абсолютном большинстве биологических очистных сооружениях - «омолодить» возраст микроорганизмов активного ила за счет отведения иэбытка ила и стимулирования конструктивного и энергетического обменов в бактериальной клетке и, соответственно, процесса биоочистки илом более молодого возраста.
Литература
1. Голубовская, Э.К. Биологические основы очистки сточных вод / Э.К. Голубовская. - М.: Высшая школа, 1978. -268с.
2. Кирсанов, В.В. Промышленная безопасность и экология нефтехимичсеких производств / В.В. Кирсанов (монография).- Казань: Экоцентр, 2006. - 176 с.
3. Кирсанов, В.В. Теоретические и практические аспекты биологической очистки сточных вод в аэротенках / В.В. Кирсанов (монография).- Казань: Изд-во Каз.гос. техн. унта, 2010.- 264 с.
4. Кирсанов, В.В. Основы промышленной и экологической безопасности опасных производственных объектов / В.В. Кирсанов (монография).- Казань: Изд-во Каз. гос. техн. ун-та, 2011.- 480 с.
5. Патент на внедренное изобретение №2423322, МПК С02Е3/02, Бюл.№33 27.11.2009. Способ комплексного обеззараживания бытового стока / Кирсанов В.В. и др.
6. СНиП 2.04.03-85 Строительные нормы и правила. Канализация. Наружные сети и сооружения.- М.: Стройиздат, 1986.
© В. В. Кирсанов - д-р техн. наук, проф. каф. общей химии и экологии КНИТУ - КАИ им. А.Н. Туполева, Заслуженный химик РТ, Почетный химик РФ, o_bu@rambler.ru.
