CC BY
57
ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ
УДК 628.316.13
Д. В. Буянская, А. А. Гадыева, А. С. Сироткин, Т. В. Вдовина
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ДЕФОСФОТИРУЮЩЕГО РЕАГЕНТА ГОХА-А НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОЦЕССА БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
Ключевые слова: коммунально-бытовые стоки, дефосфотация, реагентный препарт, гидроксихлорид алюминия.
В статье представлены результаты оценки возможности применения реагента гидроксихлорида алюминия (ГОХА-А) в процессе комплексной биологической и реагентной обработки коммунально-бытовых сточных вод. Определена рабочая концентрация реагента ГОХА-А на основании оценки эффективности удаления фосфатов и токсичности регента. Оценено влияние реагента ГОХА-А на эффективность биологической очистки сточных вод на основании таких параметров как седиментационные свойства активного ила, эффективность дефосфотации сточных вод, окислительная, дегидрогеназная и нитрифицирующая активность биомассы. Выявлена возможность вторичного загрязнения очищенных сточных вод алюминием при применении реагента ГОХА-А.
Key words: domestic wastewater, defosfotation, reagent, aluminum hydroxychloride.
The possibility of using the reagent of aluminum hydroxychloride (GOHA-A) in the process of complex biological and reagent treatment of municipal wastewater is investigated. The working concentration of the GOHA-A reagent was determined based on the efficiency ofphosphate removal and the assessment of the toxicity of the regent. The influence of GOHA-A reagent on the efficiency of biological wastewater treatment is estimated on the basis of such parameters as sedimentation properties of activated sludge, effluent dephosphotization efficiency, oxidative, dehydrogenase and nitrifying activity of biomass. The possibility of secondary contamination of treated wastewater with aluminum and iron was revealed using the GOHA-A reagent.
Введение
Экологическая безопасность воды оценивается степенью достижения нормативных показателей, в том числе по соединениям фосфора и азота. Большинство действующих в республике Татарстан, а также по всей России сооружений очистки городских стоков основано на применении традиционных методов очистки, обеспечивающих низкую эффективность дефосфатации (до 10-30%) [1].
В стоках, поступающих на очистку, фосфор представлен в виде коллоидной и растворенной форм фосфатов и ортофосфатов и растворенных форм полифосфатов. Основную часть ортофосфатов в сточных водах являются синтетические моющие средства и стиральные порошки, значительное количество полифосфатов применяются в быту и промышленности в качестве умягчителей. Наиболее эффективным способом очистки сточных вод продолжает оставаться их реагентная обработка.
Реагент взаимодействует с растворимыми солями ортофосфорной кислоты, образуя мелкодисперсный коллоидный осадок фосфата. Параллельно реагент взаимодействует с щелочами, находящиеся в воде, образуя осадок из крупных хлопьев. Этот осадок вызывает коагуляцию мелкодисперсного коллоидного осадка фосфата и взвешенных веществ, а также адсорбирует некоторую часть органических соединений, содержащих фосфор, а затем осадок выводится из системы. Наибольшее распространение получили соли двух- и трехвалентных металлов. На очистных сооружениях часто используются соли железа и алюминия. При гидролизе этих соединений в воде образуются малорастворимые гидроксиды
алюминия и железа, на развитой хлопьевидной поверхности, которых сорбируются коллоидные и мелкодисперсные, а также взвешенные вещества. На поверхности гидроксидов также сорбируются и осаждаются нерастворимые фосфаты алюминия и железа [2].
В практике реагентной дефосфотации сточных вод применение также нашел коагулянт гидроксихлорид алюминия (ГОХА), использование которого интенсифицирует процесс хлопьеобразования и осаждения коагулированной взвеси [1]. Гидрок-сихлорид алюминия является высокоэффективным коагулянтом нового поколения и представляет собой водный раствор солей алюминия общей формулы А12(ОН)пС16-п.
Реагентный препарат традиционно вводят на стадии предварительной обработки (предварительная коагуляция) или на стадии обработки очищенной сточной воды (пост-обработка, контактная коагуляция, коагуляция с последующим отстаиванием). В последнее время большое внимание исследователей привлекает возможность внесения реагента непосредственно на стадии биологической очистки (симультанное осаждение) [3]. Каждый вариант целесообразен при учете специфических факторов качества и технологического принципа очистки сточных вод [4].
Постановка эксперимента
Экспериментальные исследования проводились в 2 этапа:
1. Определение рабочей концентрации реагента ГОХА-А;
2. Оценка влияние реагента ГОХА-А на эффективность биологической очистки сточных вод.
Выбор рабочей концентрации осуществлялся на основании оценки эффективности дефосфотациии степени токсичности различных дозировок реагента.
В соответствии с рабочими концентрациями реагента ГОХА-А на очистных сооружениях города Чистополя, для экспериментальных исследований были взяты следующие концентрации регента: 20, 25, 30, 35 мг/дм3. Указанные дозировки вносились в модельный раствор, эффективность удаления фосфатов оценивалась через 15 минут после внесения.
Оценка влияние реагента ГОХА-А на эффективность биологической очистки сточных вод проводилась с использованием лабораторной установки. Экспериментальная установка представляла собой две емкости объемом 500 мл с подведенной аэрацией. В каждую емкость помещался модельный раствор сточной воды и активный ил в количестве около 2 грамм на литр биомассы по сухому веществу. В одну из емкостей вносили реактив ГОХА-А, вторая емкость выступала в качестве контрольной системы без реагентного препарата. Выбор доз регентов определен литературными данными и ранее проведенными исследования.
Пробы сточной воды и биомассы отбирались для анализа в начальный момент времени, по истечении 1 и 4 часов культивирования. Токсичность образцов оценивалась методом биотестирования с использованием стандартной методики ФР.1.39.2003.00923. Определение концентрации фосфат-ионов, ионов аммония, нитрит- и нитрат-ионов, органических веществ по показателю химического потребления кислорода, алюминия проводилось в соответствии со стандартными методиками ПНД Ф 14.1:2.112-97, ПНД Ф 14.1:2.1-95, ПНД Ф 14.1:2.4-95, ПНД Ф 14.1:2:4.4-95, ПНД Ф 14.1:2.100-97, ГОСТ 1816-86, соответственно.
Результаты и их обсуждения
Определение рабочей концентрации реагента ГОХА-А
Согласно полученным данным внесение в систему реагента ГОХА-А в количестве 25 мг/дм3обеспечивает снижение концентрации фосфат ионов на 14,4мг/дм3. Дальнейшее увеличение дозировки реагента незначительно влияет на эффективность дефосфотации. Известно, что в составе коммунально-бытовых сточных вод концентрация фосфат-ионов варьируется в диапазоне от 10 до 23 мг/дм3 [2]. Таким образом, использование реагента ГОХА-А в дозировке 25 мг/дм3 может обеспечивать эффективность дефосфотации до 99,9 % и является предпочтительным с точки зрения материально-экономических затрат.
В процессе экспериментальных исследований было выявлено, что использование реагента ГОХА-А в концентрации выше 25 мг/дм3приводит к полной гибели тест-объектов.
Токсичность реагента вероятно связана с наличием алюминия в составе ГОХА-А. Согласно паспорту реагента, содержание алюминия в нем составляет 9,77% [4]. Алюминий относится к 3 классу
опасности и оказывает токсическое действие на микробиоценоз активного ила в концентрации свыше 6 мг/дм3 [5].
Таким образом, полученные результаты говорят о недопустимости добавления реагента в системы биологической очистки сточных вод в концентрациях выше 25 мг/дм3.
На основании результатов определения эффективности удаления фосфатов и умеренной токсичности реагента в качестве рабочей концентрации для дальнейших исследований была выбрана дозировка реагента ГОХА-А, равная 25 мг/дм3.
Оценка коагуляционных свойств реагента ГОХА-А
Реагент ГОХА-А заявлен как коагулянт, улучшающий седиментационные свойства активного ила. Обнаружено, что скорость седиментации активного ила в системе с реагентом ГОХА-А в течение первых десяти минут осаждения в 2 раза выше, чем в контрольной системе. В последующие 20 минут наблюдается выравнивание скорости осаждения в системах. При этом использование реагента ГО-ХА-А обусловливает улучшение седиментации активного ила в среднем на 8 %.
Согласно полученным результатам в течение первого часа культивирования эффективность удаления фосфат-ионов в системе с реагентом ГОХА-А составляет 79% (рис.1). При этом в контрольной системе эффективность дефосфотации не превышает 11%, что подтверждает информацию о неэффективности процесса биологической дефосфотации [6]. Незначительное повышение концентрации фосфатов в последующий период вероятно связано с отмиранием биомассы и высвобождением фосфора из клеток, который образовался в результате накопления продуктов метаболизма при периодическом культивировании [7].
Рис. 1 - Изменение концентрации фосфат-ионов в процессе периодического культивирования
Оценка влияния реагента ГОХА -А на протекание процесса биологической очистки сточных вод
В системе с реагентом ГОХА-А по истечении одного часа аэробного культивирования эффективность удаления органических веществ составляет 34% и практически не отличается от эффективности удаления органических веществ в контрольной системе. В по-
следующий период в системе с ГОХА-А концентрация органических загрязнителей остается неизменной, в то время как в контрольной системе последовательно снижается, обеспечивая эффективность очистки 66%.
Очевидно, что удаление органических веществ в системе с реагентом обусловлено не их биологическим окислением, а химическим взаимодействием с ГОХА-А. Реагент представляет собой высокоэффективный неорганический коагулянт, образующий устойчивые соединения со многими неорганическими и органическими веществами [8]. В литературе встречается информация о высокой степени очистки сточных вод по взвешенным веществам и ХПК (практически 100% эффективность) с применением гидроксихлорида алюминия [9].
Коагулирующие свойства реагента ГОХА-А связаны с наличием в его составе алюминия, который в системе диссоциирует и приводит к образованию коллоидных частиц, несущих положительный заряд. При этом органические загрязнители, часть из которых представлена органическими кислотами [10], при диссоциации образуют карбоксильные группы, несущие отрицательный заряд. В результате взаимодействия этих частиц, осуществляется процесс взаимной коагуляции, происходит уменьшение заряда, дегидратация, и, наконец укрупнение частиц. Образующиеся при этом крупные хлопья могут легко удаляться фильтрованием [1].
В процессе аэробного культивирования дегидроге-назная активность микробиоценоза активного ила в системе с реагентом ГОХА-А незначительно повышается в течение первого часа и остается неизменной в последующее время (рис.2). При этом активность биомассы в системе с реагентом на 1 час культивирования ниже дегидрогеназной активности биомассы контрольной системы на 24%.
Рис. 2 - Изменение дегидрогеназной активности микробиоценоза активного ила в процессе биохимической очистки сточных вод
В контрольной системе повышение дегидроге-назной активности микроорганизмов обусловлено наличием легкодоступного субстрата в составе модельного раствора сточных вод, последующее снижение ферментативной активности вероятно вызвано его исчерпанием и постепенным накоплением продуктов
метаболизма [12]. Наблюдаемое ингибирование микробной биомассы в системе с реагентом по сравнению с контрольной системой очевидно вызвано снижением доступности легкоокисляемого субстрата в связи с коагулирующими свойствами реагента, что коррелирует с результатами удаления органических веществ в системе. По истечению 4 часов культивирования дегидрогеназная активность микроорганизмов системы с реагентом ГОХА-А остается неизменной, а в контрольной системе снижается на 38%. Данный факт, вероятно, связан с ингибированием биомассы накапливаемыми продуктами метаболизма, исчерпанием субстрата, отмиранием и самоокислением микроорганизмов активного ила.
В процессе экспериментальных исследований выявлено, что эффективность удаления аммонийного азота в системе с реагентом практически не отличается от контрольной системы и составляет в среднем 80%. Полученные результаты свидетельствуют об эффективном протекании первой стадии нитрификации. Отсутствие накопления азота нитритов в процессе культивирования вероятно связано с его исчерпанием нитритокисляю-щими микроорганизмами в процессе второй стадии нитрификации.
Оценка изменения концентрации азота нитратов в процессе культивирования свидетельствует об ингибировании второй стадии нитрификации в системе с реагентом ГОХА-А в среднем на 20%. Согласно литературным данным нитритокисляю-щие микроорганизмы более чувствительны к неблагоприятным условиям внешней среды, чем аммонийокисляющие микроорганизмы [13] и их ингибирование может быть обусловлено присутствием ионов алюминия в системе в процессе периодического культивирования [14].
Оценка возможного вторичного загрязнения очищенной воды компонентами ГОХА-А
По окончанию экспериментальных исследований биохимической очистки модельного раствора сточных вод проводилась оценка содержания в очищенной воде соединений алюминия.
Наличие алюминия в модельном растворе в количестве 0,03 мг/дм3 обусловлено изначальным присутствием алюминия в суспензии активного ила, вносимой в систему культивирования.
В системе с применением реагента ГОХА-А содержание алюминия в 5,3 раза выше, чем в контрольной пробе, и обусловлено наличием алюминия в составе реагента гидроксихлорид алюминия. Остаточное содержание алюминия обусловливает вторичное загрязнение воды, но при этом концентрация алюминия в очищенной воде не превышает предельно допустимой концентрация алюминия в водах центрального водоснабжения, составляющей 0,3 мг/дм3[15].
Заключение
Проведенные экспериментальные исследования позволяют определить дозировку реагента ГОХА-А 25 мг/дм3 как оптимальную для использования в системах биологической очистки сточных вод.
Использование реагента ГОХА-А обусловливает улучшение седиментации активного ила в среднем
на 8 %. Эффективность дефосфотации в системе биологической очистки воды при добавлении реагента ГОХА-А увеличивается на 71% по сравнению с контролем.
При этом выявлено ингибирование процесса удаления органических загрязнителей в системе с реагентом ГОХА-А: эффективность удаления органических веществ в системе с реагентом на 66% ниже по сравнению с контрольной системой. Значения дегидроге-назной активности биомассы коррелируют с эффективностью удаления органических веществ. В процессе культивирования в системе с реагентом ГОХА-А наблюдается ингибирование микроорганизмов второй стадии нитрификации. Кроме того, реагент ГОХА-А обусловливает вторичное загрязнение очищенной воды алюминием.
Таким образом, реагент ГОХА-А, обеспечивая высокую эффективность седиментации активного ила и дефосфотации сточных вод, обусловливают ингибирование микробной биомассы, что ограничивает его использование непосредственно в системах биологической очистки сточных вод.
Литература
1. Е.М.Крючихин, А.Н.Николаев, Н.А.Жильникова, Н.Ю.Большаков. Методы очистки городских сточных вод от биогенных элементов/ Крючихин Е.М., Николаев А.Н., Жильникова Н.А., Большаков Н.Ю. // Сантехника и отопление. - 2006. - №8. - с. 56-60.
2. Долина Л.Ф. Очистка сточных вод от биогенных элементов/ Л.Ф. Долина. - Днепропетровск: Континент, 2011. - 114 с.
3. Воронов Ю.В. Водоотведение и очистка сточных вод. - М.: Ассоциации строительных вузов, 2009. - 759 с. Клячко В.А., Очистка природных вод/ В.А. Клячко, И.А. Апельцин - М.: Издательство литературы по строительству, 1971. -115 с.
4. Харькин С.В. Организация процессов удаления фосфора из сточных вод / С.В. Харькин // Водоочистка. Водоподго-товка. Водоснабжение. - 2013. - № 11. - с. 52- 59
5. Чудинова Е.М., Удаление фосфатов из сливных вод, образующихся при механическом обезвоживании осадков/ Е.М. Чудинова// Молодежь и наука: сборник материалов IX Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием, посвященной 386-летию со дня основания г.Красноярска - Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2013.
6. Хенце М. Очистка сточных вод/ М. Хенце, П. Армоэс, Й. Ля-Кур-Янсен, Э. Арван. - М.: Мир, 2008. - 78 с.
7. Паспорт на коагулянт алюминия гидроксихлорид технический жидкий ТУ 2152-001-59662222-07/ ОАО «Аурат» . - М., 2011. - 8 с.
8. ПДК/ОБУВ вредных веществ в воздухе рабочей зоны: Гигиенические нормативы. ГН 2.2.5.131303/ ГН 2.2.5.2308-07. - М: Российский регистр потенциально опасных химических и биологических веществ Министерства здравоохранения Российской Федерации, 2003/2007.
9. Дзюба И.П. Исследования накопления фосфора фосфор-аккумулирующими бактериями/ И.П. Дзюба, Р.М. Маркевич, Т.М. Сигиневич // Химия, технология органических веществ и биотехнология. -2011. -№4. -С. 182-183.
10. Полиоксихлорид алюминия [Электронный ресурс].- Режим доступа http://alphachem.ru/aluminum-polyoxychloride, свободный.
11. Органический углерод [Электронный ресурс]. - Режим доступа:
http://biology.krc.karelia.ru/misc/hydro/mon6.html, свободный.
12. Бабенко Е.Д., Очистка воды коагулянтами/ Е.Д. Ба-бекнко-М.: Наука, 1977. - 356 с.
13. Коровин Н.В. Курс общей химии/ Н.В. Коровин: -М.:Высшая школа, 1990. - 446 с.
© Д. В. Буянская, магистрант каф. промышленной биотехнологии КНИТУ, [email protected]; А. А. Гадыева, магистрант каф. промышленной биотехнологии КНИТУ; Т. В. Вдовина, кандидат технических наук, кафедра промышленной биотехнологии, Казанский национальный исследовательский технологический университет, [email protected]; А. С. Сирот-кин, доктор технических наук, профессор, зав. каф. промышленной биотехнологии КНИТУ, [email protected].
© D. V. Buyanskaya - Master-student, Department of industrial biotechnology, Kazan National Research Technological University (KNRTU), [email protected]; A A Gadyeva - - Master-student, Department of industrial biotechnology, Kazan National Research Technological University; T. V. Vdovina - PhD., associate professor, Department of industrial biotechnology, KNRTU, [email protected]; A. S. Sirotkin - Doctor of technical sciences, professor, head of department of industrial biotechnology, KNRTU, [email protected].
