CC BY
51
УДК 628.31
Й. В. Кобелева, Т. В. Кирилина, Л. М. Сибиева, А. С.Сироткин
ОЦЕНКА КИСЛОРОДНОГО БАЛАНСА В ПРОЦЕССАХ СОВМЕСТНОЙ БИОЛОГИЧЕСКОЙ
И РЕАГЕНТНОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
Ключевые слова: очистка сточных вод, реагентная обработка, активный ил, кислородный баланс, лимитирование по кислороду.
Для процессов биологической очистки сточных вод вусловияхлимитирования по кислороду анализировались дыхательная и дегидрогеназная активность микроорганизмов активного ила, а также оценивалась эффективность процессов нитрификациии удаления органических веществ.Согласно полученным данным в биосистеме с применением реагента при низкой концентрации растворенного кислорода ферментативная активность ила практически не отличалась от контрольной биосистемы в отсутствии реагента; при этом была отмеченаболее эффективная очистка сточных вод от органических веществ.
Keywords: wastewater treatment, reagent treatment, active sludge, oxygen balance, oxygen limitation.
The respiration and dehydrogenase activities of active sludge microorganismsfor the processes of biological wastewater treatment under limitation oxygen condition were analyzed. The effectiveness of nitrification and the removal of organic substancesalsowere evaluated. According to the data enzymatic sludgeactivity in the biosystemwith reagent at low dissolved oxygen concentrations is not substantially different from the control biosystem in the absence of reagent; it noted the more efficient wastewatertreatment from organic substances.
Введение
Известно, что традиционная биологическая очистка сточных вод не обеспечивает достаточной глубины удаления некоторых биогенных элементов, прежде всего, фосфора [1]. Кроме того, особой проблемой при работе биологических систем очистки на базе аэротенков является обеспечение устойчивой седиментации активного ила. При этом чем хуже способность ила к осаждению, тем меньше должна быть гидравлическая нагрузка на вторичный отстойник. Ухудшение осаждаемости ведет к нарушению работы вторичных отстойников, выносу ила из очистной системы и уменьшению его концентрации в аэротенке. Производительность очистных сооружений снижается, а качество очистки сточных вод ухудшается [2].
В мировой практике для улучшения седиментации активного ила и удаления соединений фосфора применяется реагентная обработка сточных вод в сочетании с биологической очисткой. Такое совмещение процессов позволяет добиться более высокого качества очищенной воды, чем при применении одного из них. Перспективы техноло-гийсовместнойбиологической и физико-химической очистки связаныс разработкой инновационных реагентов, применяемых для реализации этихтехноло-гий. Схемы биофизикохимической очистки воды различаются местом введения реагента и составом самого реагента. Так, в настоящее время для биофи-зикохимического удаления фосфатовна практике применяются следующие схемы:
-предварительное удаление фосфора на перед биологической очисткой воды;
- последующая обработка реагентом биологически очищенной сточной воды;
- дозирование реагента непосредственно в аэротенк для симультанного осаждения фосфатов и обеспечения других эффектов комплексной очистки воды.
Последняя схема реализует наиболее рациональный способ применения реагента при биологической очистке для повышения качества очищенной воды и улучшенияэксплуатационных свойства активного ила. Совершенствование таких технологических решений продолжается и в настоящее время. Основными направлениями выполняемых работ являются изыскание способов повышения эффективности применения реагентов, испытание новых и более дешевых реагентов, в том числе отходов промышленности, определение влияния введения реагента на биологические процессы очистки сточных вод [3].
Задачи исследования
В настоящее время рынок реагентных препаратов для очистки сточных вод пополняется перспективными инновационными продуктами. В частности, одним из таких препаратов является комплексный коагулянт-флокулянтВюка1Р500 компании VTA AustriaGmbH (Австрия), отличительной особенностью применения которого является его внесение непосредственно в аэротенк для получения максимального эффекта очистки. Согласно заявленным производителями характеристикам реагент обеспечивает устойчивую седиментацию активного ила, способствует достижению и поддержанию нормативного содержания фосфатов в очищенной воде (не более 1 мг/л) [4], а также может позволить снизить энергозатраты на аэрацию. Последний факт в условиях постоянного изыскания способов интенсификации процессов очистки сточных вод, сопровождающихся снижением эксплуатационных затрат, представляет особый интерес и предполагает проведение дополнительных исследований.
Таким образом, целью настоящих исследований являлась оценка кислородного баланса в процессах биологической очистки сточных вод с применением реагентного препарата BiokatP500.
Результаты и их обсуждение
Экспериментальные исследования проводились в процессе культивирования микроорганизмов активного ила в модельном растворе сточных вод в условиях лимитирования по кислороду. Компоненты модельного раствора сточной воды соответствовали характеристике коммунально-бытового стока.
На начальном этапе осуществлялось насыщение кислородом модельного раствора сточных вод в течение 30-60 мин. Содержание растворенного кислорода в насыщенном растворе составляло в среднем 6,5 мг/дм3.
Непосредственно перед проведением эксперимента в модельный раствор вносили суспензию активного ила в количестве около 2 г/дм3 биомассы по сухому веществу. В опытную систему вносили реагент Вюка1 Р500 в количестве 50 мкл/ дм3[4]. Одновременно проводился контрольный опыт для биологической очистки без использования реагента.
На втором этапе постановки эксперимента в насыщенной кислородом смеси проводилось измерение скорости потребления растворенного кислорода биомассой до достижения его постоянного значения в системе. Затем системы герметизировали. Отбор проб для анализа осуществлялся из соответствующих систем в начальный момент времени, через 60, 120 и 240 минут.
Пробы воды и биомассы отбирались для оценки изменения химического потребления кислорода, содержания ионов аммония, нитрит- и нитрат-ионов, дегидрогеназной активности ила.
Измерение содержания растворенного кислорода в процессе постановки эксперимента свидетельствуют о меньшей скорости его потребления в системах с реагентом Вюка! Р500. Согласно полученным данным (рис. 1) микроорганизмы в этой системе потребляли в среднем более чем 6,5 % меньше растворенного кислорода, чем в контрольной системе. Данный факт, вероятно, связан с тем, что в процесс интенсивного уплотнения микробных флоккул при взаимодействии с реагентом активно вовлекается насыщенная кислородом жидкость [5], являющаяся дополнительным источником растворенного кислорода для микроорганизмов активного ила.
в сточной воде составляла в среднем 0,16 мг/дм , что является неблагоприятным фактором для развития аэробных организмов и поддерживающим развитие аэротолерантных микроорганизмов [6,7].
Согласно литературным данным в крупных флоккулах с микроорганизмами, интенсивно окисляющими субстрат, скорость окисления органических веществ может лимитироваться поступлением кислорода внутрь флоккулы, так как кислород потребляется полностью на глубине 0,1-0,15 ммот поверхности флоккулы в связи с его низкой растворимостью в воде [2].
Однако в соответствии с полученными данными (рис. 2), в системах с более плотными флоккулами активного ила, образованными под воздействием реагента Вюка1Р 500, в условиях лимитирования по кислороду наблюдается более эффективное удаление органических веществ.
Рис. 1 - Дыхательная активность ила
Дальнейшие экспериментальные исследования проводились в условиях лимитирования по кислороду: концентрация растворенного кислорода
Время, мин О Контроль "Вюка! Р 500
Рис. 2 - Удаление органических веществ в условиях дефицита кислорода
В течение первых 60 мин окисляется наиболее значительная часть органических соедине-ний.При этом следует отметить, что в системах с реагентом к моменту отбора проб значение ХПК на 12,7 % ниже, чем в контрольной системе. В последующие 3 часа окисление идет менее интенсивно. В целом, эффективность удаления органических веществ в системе с Вюка1Р500 составила 91 %, в системе без реагента - 78 %.
Анализ изменения дегидрогеназной активности биомассы свидетельствовал о ее снижении как в контрольной, так и в опытной системах в течение 60 минут при нахождении в системе лимитирования по кислороду (рис.3).
В дальнейшем в контрольной системе она практически не изменялась, а в системах с Вюка1Р500 наблюдалась ее увеличение до первоначального значения. В среднем, в течение 4 часов культивирования ферментативная активность ила в контрольных системах уменьшилась на 17 %, а в системе с реагентом - практически не изменилась.
Снижение ферментативной активности в первые 60 минут культивирования связано с резким наступлением неблагоприятных условий в системах, а именно лимитированием кислородом процесса окисления органических веществ аэробными микроорганизмами. Однако в дальнейшем в опытной системе с реагентом было отмечено увеличение дегидро-
250
200
? 150
100
50
геназной активности ила, что определяется использованием резервов кислорода внутри флоккул активного ила. В контрольных системах увеличения дегид-рогеназной активности не было отмечено.
I! '
к а ■3& 0.6 &Ü
¡5 0.4
Время, мин □ Контроль ■ Biokat P 500
в контрольнойбиосистеме без реагента, исходя из предположения активного использования резервов кислорода внутри флоккул активного ила.
2) При этом в биосистеме с реагентом эффективность удаления органических веществ в условиях лимитирования по кислороду в среднем на 13 % выше, чем в контрольной системе.
3) В процессе 4-х часов культивирования в условиях лимитирования по кислороду дегидроге-назная активность биомассы в системах с реагентом практически не изменяется, в контрольной системе снижается в среднем на 17 %.
4) В системе с Вюка№500 эффективность удаления аммонийного азота в среднем на 10,5 % выше, чем в контрольной. Процесс нитрификации в условиях лимитирования по кислороду практически не отмечался в обеих системах.
Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о более высокой окислительной активности микроорганизмов активного ила в условиях лимитирования по кислороду в биосистеме с Вюка! Р500 по сравнению с контрольной биосистемой.
Литература
3
Рис. 3 - Изменение дегидрогеназной активности ила в условиях дефицита кислорода
В ходе экспериментальных исследований также отмечалось снижение эффективности процесса нитрификации в исследуемых системах. Полученные результаты коррелируют с литературными данными, согласно которым в условиях с содержанием кислорода ниже 0,5-1 мг/дм3нитрификаторы резко ингибируются [8]. Удаляемый при этом из системы аммонийный азот используется для конструктивного метаболизма гетеротрофными микроорганизмами активного ила. Согласно литературным данным, для конструктивного метаболизма микроорганизмы нуждаются в источниках азота, при этом наиболее усвояемой формой азота являются ионы аммония [9]. Для синтеза 1 г бактериальной биомассы требуется около 0,08 г аммонийного азота.
В перспективе представляют интерес экспериментальные исследования, направленные на изучение кислородного баланса в процессе биологической очистки сточных вод с применением реагента в непрерывном динамическом опыте.
Заключение
В результате проведенных экспериментальных исследований было показано следующее:
1) Вбиосистеме с реагентом BiokatP500 микроорганизмы потребляют в среднем на 6.7 % меньшее количество растворенного кислорода. чем
© Й. В. Кобелева - асп. каф. промышленной биотехнологии КНИТУ, ioldiz-ksu@mail.ru; Т. В. Кирилина - к.т.н., доцент той же кафедры. tvkirilina@gmil.com; Л. М. Сибиева - студ. той же кафедры; А. С. Сироткин - д.т.н., профессор. заведующий кафедрой промышленной биотехнологии КНИТУ. asirotkin66@gmail.com.
© 1 V. Kobeleva - graduate. Department of Industrial Biotechnology of the KNRTU. ioldiz-ksu@mail.ru; ; T. V. Kirilina - PhD. assistant professor of the same Department. tvkirilina@gmil.com; L. M. Sabieva - stud. of the same Department; A. S. Sirotkin. Professor. Department of Industrial Biotechnology of the KNRTU. asirotkin66@gmail.com.
С. В. Яковлев. Я. А.Карелин. А. И.Жуков. С. К.Колобанов. Канализация. Учебник для вузов. Изд. 5-е. перераб. и доп. Стройиздат. Москва. 1975.632 С.
А. Е. Кузнецов. Н.Б. Градова. С.В. Лушников. М. Эн-гельхард. Т. Вайссер. М.В. Чеботаева. Прикладная эко-биотехнология: учебное пособие: в 2 т. Т.1. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний.Москва. 2010.629 С.
Э.С. Разумовский. Н.А. Залетова. Водоснабжение и санитарная техника. №6. С.28-30.(1991)
4. Й. В. Кобелева. Т.В. Кирилина. А.А. Низамова. Ю.В. Лисюкова. М.А. Каблова. И.Р. Бурнашева. А.С. Сироткин. Вестник Казанского технологического университета^» 10 С.125-128 (2014).
5. Н. С.Жмур. Технологические и биохимические процессы очистки сточных вод на сооружениях с аэротенками. АК-ВАРОС. Москва. 2003. 512 С.
6. В. И. Баженов. М. А. КанунниковаДостижения науки и техники АПК. №9. С. 82 - 84.(2012).
7. М. В. Гусев. Л. А. Минеева. Микробиология: учебник для биол. специальностей вузов:4-е изд.Дкадемия. Москва. 2003.464 С.
8. Е. Н. Семенова. А. С. Сироткин. Вестник Казанского технологического университета.№1.С. 41-52 (2008).
9. В. И. Терентьев. Н. М. Павловец. Биотехнология очистки воды. В 2-х частях. Ч.1.Гуманистика. Санкт-Петербург. 2003.272 С.
1.6
1.4
1.2
0.2
0
