CC BY
49
Ключевые слова:
сточные воды, интенсификация очистки сточных вод,
аэробный
гранулированный
активный ил,
токсиканты,
оксидативный
стресс.
УДК 579.6:628.3
Оценка устойчивости к токсикантам аэробных гранул активного ила сооружений биологической очистки сточных вод газовой отрасли
Н.С. Хохлачев1*, Н.В. Попадько1, Л.А. Митяева1, А.Г. Фалин2
1 ООО «Газпром ВНИИГАЗ», Российская Федерация, 142717, Московская обл., Ленинский р-н, с.п. Развилковское, пос. Развилка, Проектируемый пр-д № 5537, вл. 15, стр. 1
2 ООО «Газпром добыча Краснодар», Российская Федерация, 350051, г. Краснодар, шоссе Нефтяников, д. 53
* E-mail: N_Khokhlachev@vniigaz.gazprom.ru
Тезисы. В статье рассмотрены актуальные вопросы интенсификации биологической очистки сточных вод. Сделан акцент на том, что технология гранулированного аэробного активного ила высокоэффективна и имеет большое будущее, включена в перечень перспективных технологий очистки сточных вод в российском информационно-техническом справочнике наилучших доступных технологий (ИТС 10-2015).
Особое внимание уделено результатам исследования аэробных гранул активного ила по оценке их устойчивости к токсикантам, характерным для сточных вод нефтегазового комплекса. Рассмотрены объекты и методы исследования, проанализированы полученные результаты. Сделан вывод об устойчивости аэробного гранулированного активного ила к токсикантам и эффективности использования потенциала микробиоценоза активного ила для интенсификации очистки сточных вод.
Обеспечение эффективного водоотведения является одной из стратегических целей долгосрочного развития системы водопользования ПАО «Газпром», принятых в Водной стратегии Общества на период до 2020 г. Обеспечивая достижение поставленной цели, дочерние общества и организации ПАО «Газпром» реализуют комплекс мероприятий, направленных на рациональное водопользование, повышение эффективности эксплуатации системы водопользования и сокращение сброса загрязненных сточных вод в поверхностные водные объекты. Результаты реализации мероприятий достаточно впечатляющие: за период 2012-2016 гг. объем загрязненных сточных вод объектов ПАО «Газпром», отведенных в поверхностные водные объекты, сократился на 67 %. Однако в общем объеме платы на сверхнормативное воздействие более 80 % составляет плата за сбросы сточных вод. Кроме того, даже относительно небольшой объем сброса загрязненных сточных вод оказывает негативное воздействие на компоненты окружающей среды [1, 2].
Основу парка очистных сооружений отрасли составляют сооружения биологической очистки [1]. Причинами недостаточно эффективной очистки сточных вод являются неравномерность поступления сточных вод (по количественным и качественным показателям), несоответствие фактического состава и объемов поступающих сточных вод проектным решениям, неэффективная работа биоценоза активного ила, физический износ оборудования и т.д. Типовая технология очистки сточных вод с активным илом во взвешенном состоянии в основном не обеспечивает нормативных требований к очистке сточных вод по биологическому потреблению кислорода, биогенным элементам, взвешенным веществам и другим показателям [2]. Между тем биологические методы очистки сточных вод остаются наиболее эффективными и экономически целесообразными для очистки хозяйственно-бытовых и близких к ним по составу производственных сточных вод.
Парк очистных сооружений объектов ПАО «Газпром» требует дорогостоящей реконструкции и модернизации. Эксплуатация локальных очистных сооружений,
расположенных на удаленных производственных объектах, в отсутствии сервисных центров и профессионального обслуживания вызывает значительные затруднения, что выражается в дополнительной финансовой нагрузке. В условиях Крайнего Севера проблемы организаций, эксплуатирующих системы водопользования, возрастают многократно. К жестким нормативам качества очищенных сточных вод, отводимых в поверхностные водные объекты, для микроорганизмов биологических очистных сооружений к общему набору неблагоприятных факторов добавляются неблагоприятный температурный режим, наличие в сточных водах специфических для нефтегазового комплекса загрязнений [3].
Разработка технологий (методов) по интенсификации существующих схем биологической очистки сточных вод направлена на снижение платы за сброс загрязненных сточных вод, уменьшение капитальных и эксплуатационных затрат за счет сокращения инвестиций в реконструкцию станций очистки сточных вод, снижения текущих затрат на сбор и очистку сточных вод, капитальный ремонт основных фондов по сбору и очистке сточных вод.
Основными путями интенсификации работы очистных сооружений являются:
• изменение аппаратурного оформления процесса очистки сточных вод;
• применение дополнительных физико-химических методов обработки сточных вод;
• использование потенциала микроорганизмов активного ила в биологической стадии очистки сточных вод.
Первые два пути в большинстве случаев связаны либо с необходимостью значительных капитальных затрат, либо с возникновением вторичного загрязнения, которое также необходимо будет обеззараживать и перерабатывать. Последний путь представляется наиболее перспективным как не требующий капитальных затрат, с одной стороны, и высокоэффективным, с другой [4].
Одним из способов использования потенциала микроорганизмов активного ила биологических очистных сооружений является применение технологии аэробного гранулированного активного ила, что позволяет достичь требуемых показателей очистки сточных вод даже в сложных условиях.
Если традиционные разновидности аэробной биологической очистки сточных вод
в аэротенках со взвешенным активным илом и на биофильтрах с биопленками применяются уже 100 лет, то очистка с использованием гранулированного аэробного активного ила развивается только последние десятилетия [5]. В 2004 г. в Мюнхене состоялась первая научная конференция, посвященная вопросам аэробного гранулированного активного ила [6].
Гранулированный аэробный активный ил (ГААИ) представляет собой прочные сферические самообразующиеся агрегаты микроорганизмов с плотной компактной структурой и хорошей способностью к осаждению. Гранулы имеют четкие контуры и видны как отдельные объекты размером более 0,1 мм после осаждения [7].
В настоящий момент технология аэробного гранулированного активного ила успешно развивается и за рубежом, и в России [5-8] и уже включена в перечень перспективных технологий биологической очистки сточных вод информационно-технического справочника наилучших доступных технологий ИТС 10-2015 «Очистка сточных вод с использованием централизованных систем водоотве-дения поселений, городских округов».
Аэробный гранулированный ил обычно образуется в периодическом режиме культивирования, а промышленное применение его предполагается в отъемно-доливных реакторах. Каждая гранула представляет собой фактически микробиореактор, разделенный на участки, в каждом из которых проходят процессы нитрификации и денитрификации, а также поддерживается активный рост фосфор-аккумулирующих микроорганизмов, при этом происходит защита всего биоценоза от токсикантов, так как гранулы покрыты полисахарид-ным матриксом.
Несмотря на то что первые сообщения об исследовании технологии ГААИ в России датируются серединой 1990-х гг., внедрение и распространение данной технологии сдерживается малым жизненным циклом гранул активного ила. Кроме того гранулы не всегда устойчивы к поступающим на очистные сооружения токсикантам, что дополнительно ограничивает их применимость, равно как и хлопьев активного ила, а дополнительное усложнение гидродинамики процесса очистки сточных вод повышает затраты. Именно эти вышеперечисленные факторы и стали опорными точками в проведенном исследовании.
Характеристика модельных смесей
Показатель Значение
смесь 1 смесь 2
Химическое потребление кислорода, ХПК, мг О2/л 374,4 ± 70,1 622,1 ± 94,1
Аммонийный азот, NH+, мг/л 22,4 ± 5,8 21,9 ± 4,5
Нитриты, NO-, мг/л 0,65 ± 0,11 0,62 ± 0,08
Нитраты, NO-, мг/л 21,6 ± 5,1 20,8 ± 4,2
Фосфаты, PO4-, мг/л 6,9 ± 1,5 7,3 ± 2,0
Объектами исследования являлись хлопьевидный аэробный активный ил и гранулированный аэробный активный ил.
В качестве субстрата для активного ила использовались модельные смеси: хозяйственно-бытовые сточные воды (смесь 1) объектов газовой и производственные сточные воды (смесь 2), близкие по составу к хозяйственно-бытовым, содержащие нефтепродукты (таблица).
Активный ил культивировали на шейкере Companion Sl-600 при 200-220 об/мин и циклическом отъемно-доливном режиме очистки сточных вод.
Исследовались различные варианты процесса: как с внесением агента стресса - перок-сида водорода, так и без него.
Начальная концентрация активного ила составляла около 3 г/л, при этом активный ил во всех линиях был получен из одной и той же экологической ниши и предварительно смешан, после этого его разделили на равные части и поместили в колбы объемом 750 мл при наполненности не более 100 мл.
Морфология активного ила изучалась световой микроскопией на микроскопе «Биолам П2-1» с различным увеличением. Показатели очистки сточных вод (ХПК, NH+, NO-, NO-, PO3-) измерялись стандартными ме-тодами1.
На первом этапе исследований была установлена физиологически значимая доза агента стресса, которая составила около 0,6 г/л H2O2, т.е. концентрация пероксида водорода, которая не подавляла полностью развитие сообщества активного ила, но при этом стимулировала микроорганизмы к активизации процессов жизнедеятельности.
Опыт проводился при фоновом освещении на модельной смеси 1, в отъемно-доливном
режиме, при этом цикл очистки составил около 96 ч.
Далее были проведены исследования процесса очистки модельной смеси 1 флокулами активного ила. При этом к концу цикла остаточные показатели снизились по ХПК на 84 %, а фосфаты выросли в 2,5 раза, что свидетельствует о неоптимальном состоянии хлопьев активного ила (рис. 1) и практически полном отсутствии фосфораккумулирующих микроорганизмов.
Затем провели изучение процесса очистки модельной смеси 1 гранулами активного ила, полученными в ходе длительного культивирования в условиях качалочных колб, при этом наилучшие результаты показали гранулы аэробного активного ила, стабилизированные воздействием агента стресса.
Ключевые показатели (концентрация ХПК, фосфатов, нитратов, нитритов, аммония) после очистки соответствовали ПДК для воды водоемов рыбохозяйственного назначения. При этом оформились ГААИ (рис. 2), которые помимо высокой эффективности очистки характеризовались хорошими седиментационными свойствами.
1 См. ИТС 10-2015; РД 52.24.421-2007. Химическое потребление кислорода в водах. Методика выполнения измерений титриметрическим методом.
Рис. 1. Агломераты активного ила после 900 ч культивирования
Рис. 2. Гранула активного ила после 900 ч культивирования. Увеличение 10x40
Рис. 3. Разрушение гранул аэробного активного ила без воздействия пероксида водорода после изменения субстрата
На втором этапе работы было проведено исследование процесса очистки модельной смеси 2 гранулами аэробного активного ила.
Первый опыт проводился с гранулами, не стабилизированными воздействием пероксида водорода (рис. 4). ГААИ были получены в ходе длительного культивирования на модельной смеси 1 в отъемно-доливном режиме. Затем, не меняя режим и цикл внесения субстрата, была заменена модельная смесь 1 на модельную смесь 2, и гранулы начали разрушаться (рис. 3).
При этом наблюдалось ухудшение качества очистки модельной сточной воды (см. рис. 4).
Второй опыт был проведен с гранулами, стабилизированными воздействием пероксида водорода (рис.6).
ГААИ были получены в ходе длительного культивирования на модельной смеси 1 в отъемно-доливном режиме с внесением пероксида водорода, затем, не меняя режим и цикл внесения субстрата, была изменена модельная смесь, и гранулы не разрушились, лишь немного изменился их микробный профиль (рис. 5).
При этом наблюдалось сохранение качества очистки модельной сточной воды (рис. 6).
Таким образом, проведенное исследование показало, что применение технологии гранулированного аэробного активного ила эффективно для очистки производственных, хозяйственно-бытовых, и близких по составу к ним сточных вод, в том числе нефтесодер-жащих. И в том, и другом случаях гранулированный аэробный активный ил обеспечивает
^ 700 сГ
^ 600' * 500 400 300
200
100
\ V \
\ \ \ \
\ ( *
\ \ ч ч
< N Г1
Г""1
4
Сутки
Рис. 4. Зависимость ХПК от времени
при очистке активным илом без воздействия пероксида водорода после изменения субстрата
Рис. 5. Гранула аэробного активного ила, стабилизированная воздействием пероксида водорода после изменения субстрата
0
700
сГ
^ 600
* 500 400 300 200 100 0
Г
О----о
4
Сутки
Рис. 6. Зависимость ХПК от времени при очистке активным илом, стабилизированным воздействием пероксида водорода после изменения субстрата
очистку сточных вод до требуемых природоохранных нормативов. Следовательно, на положительный эффект очистки с использованием гранулированного аэробного активного ила содержание нефтепродуктов как токсиканта не оказывает отрицательного воздействия.
Также исследование подтвердило возможность и результативность использования воздействия оксидативного стресса (пероксида водорода) для интенсификации биологического процесса очистки сточных вод.
Список литературы
1. Акопова Г.С. Сточные воды, отходы производства и потребления объектов
ОАО «Газпром»: актуальные проблемы и пути их решения / Г.С. Акопова, Н.В. Попадько, Л.В. Стрекалова и др. - М.: ИРЦ Газпром, 2008.
2. Романенко В.А. Перспективы развития системы водоотведения ОАО «Газпром» /
B.А. Романенко, Н.Б. Пыстина, Г.С. Акопова и др. // Вести газовой науки: охрана окружающей среды, энергосбережение
и охрана труда в нефтегазовом комплексе: инновации, технологии, перспективы. -М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2013. - № 2(13). -
C. 31-36.
3. Пыстина Н.Б. Региональные аспекты
и перспективы применения наилучших доступных технологий на полуострове Ямал: обз. инф. / Н.Б. Пыстина, Н.В. Попадько, Б.О. Будников и др. - М: Газпром ВНИИГАЗ, 2017. - 128 с.
4. Денисов А.А. Очистка сточных вод от тяжелых металлов с помощью внеклеточных биополимеров / А.А. Денисов, Л.И. Жуйкова // Экология и промышленность России. - 2007. -№ 8. - С. 42-44.
5. Данилович Д. А. Будущее, которое уже наступило: технология аэробного гранулированного ила / Д.А. Данилович // Наилучшие доступные технологии. -М., 2017. - № 3. - С. 8-11.
6. Kreuk M.K., de. Simultaneous COD, nitrogen, and phosphate removal by aerobic granular sludge / M.K. de Kreuk, J.J. Heijnen, M.C.M. van Loosdrecht // Biotechnology and bioengineering. - 2005. - Т. 90. - №. 6. -С. 761-769.
7. Ni B.J. Formation, characterization
and mathematical modeling of the aerobic granular sludge / B.J. Ni. - Springer Science & Business Media, 2012. - V. 131.
8. Николаев Ю.А. Биологическая очистка городских сточных вод и возвратных потоков с применением гранулированных илов / Ю.А. Николаев, Е.А. Казакова, В.А. Грачев
и др. // Водоснабжение и санитарная техника. -2011. - № 10. - С. 60-66.
Estimation of toxicant resistance for the aerobic granules of active silt at the facilities for biological purification of gas industry sewage
N.S. Khokhlachev1*, N.V. Popadko1, L.A.Mityayeva\ A.G. Falin2
1 Gazprom VNIIGAZ LLC, Bld. 1, Estate 15, Proyektiruemyy proezd # 5537, Razvilka village, Leninsky district, Moscow Region, 142717, Russian Federation
2 Gazprom Dobycha Krasnodar LLC, Российская Федерация, Bld. 3, Neftyanikov shosse, Krasnodar, 350051, Russian Federation
* E-mail: N_Khokhlachev@vniigaz.gazprom.ru
Keywords: sewage, stimulation of sewage purification, active aerobic granular silt, toxicant, oxidative stress.
Abstract. The paper reveals actual issues on stimulation of biological treatment of sewage. It is stressed that the purification on the basis of the aerobic granulated active silt is high-performance and has good perspectives. This technology is included into the list of promising techniques for sewage purification in the Russian Reference of the Best Available Technologies (ITS 10-2015).
Special attention is payed to the results of the active silt aerobic granules testing. The named tests were aimed at estimation of granule resistance to toxicants typical for the oil-gas-industry sewage. The objects and methods of exploration are examined. The obtained results are analyzed.
It is concluded that the aerobic granulated active silt is resistant to the toxicants that's why application of active silt microbiocenosis potential for stimulation of waste waters purification seems effective.
References
1. AKOPOVA, G.S., N.V. POPADKO, L.V. STREKALOVA et al. Sewage, industrial wastes and consumer residue at the Gazprom facilities: actual issues and ways of their solution [Stochnyye vody, otkhody proizvodstva i potrebleniya obyektov OAO "Gazprom": aktualnyye problem i puti ikh resheniya]. Moscow: IRTs Gazprom, 2008. (Russ.).
2. ROMANENKO, V.A., N.B. PYSTINA, G.S. AKOPOVA et al. Prospects of development of drainage system of Gazprom [Perspektivy razvitiya sistemy vodootvedeniya OAO "Gazprom"]. VestiGazovoyNauki. Moscow: Gazprom VNIIGAZ LLC, 2013, no. 2(13): Environmental protection, energy conservation and safety in oil and gas sector: innovation, technology, and prospects [Okhrana okruzhayushchey sredy, energosberezheniye i okhrana truda v neftegazovom komplekse: innovatsii, tekhnologii, perspektivy], pp. 31-36. ISSN 2306-8949. (Russ.).
3. PYSTINA, N.B., N.V. POPADKO, B.O. BUDNIKOV et al. Regional aspects and outlooks for application of the best available technologies at the Yamal Peninsular [Regionalnyye aspekty i perspektivy primeneniya nailuchshikh dostupnykh tekhnologiy na poluostrove Yamal]: review. Moscow: Gazprom VNIIGAZ, 2017. (Russ.).
4. DENISOV, A.A. and L.I. ZHUYKOVA. Waste water purification from heavy metals using extracellular biopolymers [Ochistka stochnykh vod ot tyazhelykh metallov s pomoshchyu vnekletochnykh biopolimerov]. Ekologiya ipromyshlennostRossii. 2007, no. 8, pp. 42-44. ISSN 1816-0395. (Russ.).
5. DANILOVICH, D.A. Future that has already come: technology of aerobic granulated silt [Budushcheye, kotoroye uzhe nastupilo: tekhnologiya aerobnogo granulirovannogo ila]. Nailuchshiye dostupnyye tekhnologii [online]. 2017, no. 3, pp. 8-11. Available from: http://vodanews.info/wp-content/uploads/2017/05/NDT_3_27_ AqNrd_Dnlvch.pdf. (Russ.).
6. KREUK, M.K., de., J. HEIJNEN, M.C.M. van LOOSDRECHT. Simultaneous COD, nitrogen, and phosphate removal by aerobic granular sludge. Biotechnology and bioengineering. 2005, vol. 90, no. 6, pp. 761-769. ISSN 00063592.
7. NI, B.J. Formation, characterization and mathematical modeling of the aerobic granular sludge. Springer Science & Business Media, 2012.
8. NIKOLAYEV, Yu.A., Ye.A. KAZAKOVA, V.A. GRACHEV et al. Biological purification of urban waste waters and recuperated flows using granulated silts [Biologicheskaya ochistka gorodskikh stochnykh vod i vozvratnykh potokov s primeneniyem granulirovannykh ilov]. Vodosnabzheniye i sanitarnaya tekhnika. 2011, no. 10, pp. 60-66. ISSN 0321-4044. (Russ.).
