CC BY
68
УДК 628.31
Й. В. Кобелева, Т. В. Кирилина, А. А. Гадыева, А. С. Сироткин
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ПРИМЕНЕНИЯ ТРАДИЦИОННЫХ И СОВРЕМЕННЫХ ДЕФОСФОТИРУЮЩИХ РЕАГЕНТНЫХ ПРЕПАРАТОВ В СИСТЕМАХ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
Ключевые слова: дефосфотация, очистка сточных вод, реагентные препараты, активный ил, седиментация.
Проведена оценка применения современных и традиционных реагентных препаратов в процессах биологической очистки сточных вод на примере BiokatP500 и Al2(SO4)3, соответственно. Показано, что реагент BiokatP500 не оказывает негативного воздействия на активный ил и повышает эффективность очистки по показателям взвешенных веществ и фосфатов до нормативных показателей, а также не является источником вторичного загрязнения очищенной воды компонентами препарата. Показано, что Al2(SO4)3 уступает BiokatP500 по эффективности очистки воды, а также обусловливает увеличение содержания алюминия выше нормативных показателей в очищенной воде.
Keywords: phosphate elimination, wastewater treatment, reagents, activе sludge, sedimentation.
The estimation of modern and traditional reagents in processes of biological wastewater treatment using Biokat P500 and Al2(SO4)r respectivelywas performed. It was shown that Biokat P500 hasn'tnegative impacton active sludge and increases the efficiency of wastewater treatment in terms of suspended solids and phosphates to the standartvalues, and doesn't a source of secondary contamination of treated water by components of the reagent. It is also shown that Al2(SO4)r concedes Biokat P500 in termsof efficiency of wastewater treatment and causes the increase of aluminum concentration above standard values in treated water.
Введение
Ухудшение качества воды в поверхностных источниках происходит, главным образом, из-за их постоянного загрязнения веществами антропогенного происхождения: нефтепродуктами, поверхностно-активными веществами, а также биогенными веществами, что связано с недостаточной глубиной очистки сточных вод. Удаление биогенных элементов из сточных вод требуется в связи с тем, что соединения азота и фосфора вызывают процесс эвтро-фикации водоемов, а также препятствуют использованию биологически очищенных сточных водв оборотных и замкнутых системах водоснабжения промышленных предприятий. Наличие соединений фосфора и азота вызывает биологическое обрастание трубопроводов, коллекторов и другого промышленного оборудования. Согласно современным воззрениям, главенствующая роль в эвтрофикации водоемов принадлежит фосфору, поэтому для сдерживания процессов эвтрофикации необходимо в первую очередь удалять соединения фосфора [1].
Соединения фосфора являются постоянными загрязняющими компонентами коммунально-бытовых стоков, трудноудаляемыми в традиционных технологиях биологической очистки. Известно, что биологическая очистка сточных вод от соединений фосфора является малоэффективной и составляет 10-30%. Традиционным и наиболее эффективным способом дефосфотации сточных вод продолжает оставаться их реагентная обработка, одним из основных недостатков которого является образование дополнительного количества отходов [1].
Преимущества и недостатки используемых методов дефосфотации сточных вод обусловливают особый интерес к исследованию комбинированных методов удаления соединений фосфора, включаю-
щих в себя биологические и физико-химические процессы [1].
Задачи исследования
Выбор реагентов для очистки коммунально-бытовых сточных вод достаточно разнообразен ввиду наличия на рынке большого количества традиционных и инновационных реагентных препаратов. Для удаления соединений фосфора традиционно используют реагенты на основе солей алюминия и железа. При этом использование реагентных препаратов на основе солей алюминия несколько ограничено, поскольку их использование может обусловливать вторичное загрязнение очищаемых сточных вод и содержание алюминия в очищенной воде строго контролируется. Однако соединения алюминия входят в состав некоторых инновационных препаратов, одним из таких является комплексный коа-гулянт-флокулянт BiokatP500 компании VTA AustriaGmbH (Австрия) [2]. Отличительной особенностью применения данного реагента 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), а также не дает вторичного загрязнения компонентами препарата [2].
С учетом вышесказанного целью данной работы являлось сравнение влияния инновационного (BiokatP500) и традиционного (Al2(SO4)3) реагент-ных препаратов на биоценоз активного ила в процессе биологической очистки сточных вод.
Результаты и обсуждение
Экспериментальная установка представляла собой три емкости объемом 500 мл с принудительной аэрацией. В каждую емкость помещался модельный раствор сточной воды и активный ил в количестве около 2 г/дм3 биомассы по сухому веществу. В одну из емкостей вносили реагент Вюка1Р500 в количестве 50 мкл/дм3 [2], в другую - Л12(804)з в количестве 30 мг/дм3 [1]. Выбор дозировок регентов определялся литературными данными и результатами ранее проведенных исследований. Третья емкость выступала в качестве контрольной биосистемы без применения какого-либо реагентного препарата.
Пробы сточной воды и биомассы отбирались для анализа в начальный момент времени, а также по истечении 1 и 4 часов культивирования микроорганизмов активного ила. В воде определялось содержание фосфатов, соединений азота, органических веществ (по ХПК) и алюминия. Пробы биомассы отбирались для определения скорости осаждения активного ила и его дегидрогеназной активности. Реагентные препараты, оцениваемые в данной работе, были взяты в рабочих концентрациях, обеспечивающих практически одинаковую скорость осаждения активного ила в сравниваемых системах, но на 10 % эффективнее, чем в контрольной пробе.
Согласно полученным экспериментальным данным по истечении одного часа процесса биологической очистки эффективность удаления фосфатов в системе с Вюка1Р500 составила в среднем 79%, в системе с Л^(804)з - 65%.
Уменьшение концентрации фосфатов в контрольной системе в среднем на 10% связано с деятельностью фосфор-аккумулирующих бактерий активного ила [3]. Известно, что фосфор откладывается в клетках в виде гранул полифосфатов, которые служат источником энергии [4].
Более высокая эффективность реагента Вюка1Р 500 определена его сложным комплексным компонентным составом, поскольку в его состав наряду с солями алюминия входят соединения железа в форме наночастиц ферромагнетита [2].
Далее было обнаружено, что по истечении 4-х часов непрерывной аэрации во всех системах, включая контрольную, наблюдается незначительное увеличение фосфатов. Данный факт, вероятно, связан с частичным отмиранием биомассы, вследствие накопления продуктов метаболизма в условиях периодического культивирования, и высвобождением внутриклеточного фосфора [3].
Результаты содержания органических веществ по ХПК свидетельствуют об отсутствие негативного воздействия реагентов на микробиоценоз активного ила (рис. 1).
Так, в системе с применением реагента Л^(804)3 окислительная активность биомассы, практически не отличалась от контрольной системы.
Эффективность удаления органических веществ в системе с Вюка1Р500 на 18% больше, чем в других биосистемах. Как было показано ранее, в результате взаимодействия реагента Вюка1Р500 с активным
илом образуются более агрегированные структуры, имеющие большую сорбционную поверхность и обусловливающие более выгодные условия доступа микроорганизмов к питательным веществам [5]. При этом меньшая эффективность удаления органических веществ в данной системе в течение одного часа культивирования обусловлена выявленным ранеефактом о необходимости пребывание реагента Вюка1Р500 в системе не менее чем в течение одного часа. Данный промежуток времени необходим для равномерного распределения реагента в объеме, взаимодействия с поверхностью активного ила, а также с компонентами сточных вод [6].
Рис. 1 - Удаление органических веществ в процессе биологической очистки сточных вод
Показано, что в течение одного часа культивирования в контрольной пробе наблюдалось увеличение дегидрогеназной активности биомассы, что определено наличием большого количества легкоокисляе-мого субстрата для микроорганизмов активного ила. Однако, по истечении четырех часов периодического культивирования было отмечено снижение де-гидрогеназной активности микроорганизмов в этой системе ниже начального значения (рис. 2). Данный факт, вероятно, связан с ингибированием биомассы накапливаемыми продуктами метаболизма, исчерпанием субстрата, отмиранием и самоокислением микроорганизмов активного ила [7].
Рис. 2 - Изменение дегидрогеназной активности микроорганизмов активного ила в процессе биологической очистки сточных вод
Также выявлено, что в течение одного часа культивирования в системе биологической очистки
с использованием сульфата алюминия дегидроге-назная активность микроорганизмов практически не изменялась. Отсутствие увеличения дегидрогеназ-ной активности, вероятно, связано с особенностями непосредственного внесения реагентного препарата в систему с активном илом. Очевидно, в данной системе в результате коагуляции образуются утяжеленные частицами реагентного препарата структурированные системы микроорганизмов, активные центры которых, вероятно, максимально закрыты молекулами веществ, входящих в состав реагента, и, как результат, имеющие меньший доступ к субстрату [1, 2]. При этом эффективность удаления органических веществ в данной системе не отличалось от контрольной системы, благодаря начальному высокому значению дегидрогеназной активности биомассы в этой системе (рис. 1,2). Снижение дегидрогеназной активности биомассы этой системы по истечении четырех часов аналогично контрольной системе и связано с ингибированием биомассы накапливаемыми продуктами метаболизма в условиях периодического культивирования.
В системе с реагентом Вюка№500 на протяжении четырех часов культивирования наблюдалось незначительное увеличение дегидрогеназной активности микроорганизмов. Отсутствие ингибирования биомассы может быть связано с большей сорбционной поверхностью агрегированных структур, поскольку компоненты препарата находятся в форме наноча-стиц и, вероятно, неполностью занимают активные центры образующихся агрегатов[7]. Изменение де-гидрогеназной активности в данной системе коррелирует с эффективностью удаления органических веществ (рис. 1,2).
Результаты удаления соединений азота из сточной воды в присутствие реагентов представлены на рис.3 и 4.
Рис. 3 - Удаление аммонийного азота в процессах биологической очистки сточных вод
В процессе экспериментальных исследований отмечалось глубокое удаление аммонийного азота во всех системах (рис.3). При этом наибольшим накоплением продуктов нитрификации характеризуются системы с применением реагентов. В этих системах накапливается в среднем на 25 % больше нитратов, чем в контрольной системе (рис.4).
Рис. 4 - Содержание нитритного и нитратного азота в процессе биологической очистки сточных вод
Следует полагать, что нахождение медленнорастущих нитрифицирующих микроорганизмов в составе структурированных реагентами микробных систем обусловливает повышение их активности. Так, известно [8], что иммобилизация медленнорастущих нитрификаторов обеспечивает более высокую скорость биологического окисления аммонийного азота в среднем в 5-7 раз по сравнению с суспендированными клетками.
Остаточное содержание алюминия определялось по истечении 4 часов культивирования. Наличие алюминия в контрольной пробе в количестве 0,3 мг/дм3, вероятно, обусловлено присутствием алюминия в исходной суспензии активного ила (иноку-ляте), вносимой в систему культивирования.
Было обнаружено, что в системе с применением реагента Л12(804)3 содержание алюминия в 2 раза больше, чем в контрольной пробе. Согласно полученным данным, около 30 % от начального значения содержания алюминия остается в растворе, не участвуя в осаждении активного ила и обусловливая вторичное загрязнение биологически очищенной воды. При этом в биосистеме с Вюка№500 концентрация алюминия оценивалась на 8 % больше, чем в контрольной системе и составляла в среднем 0,4 мг/дм3. При этом значения предельно допустимых концентраций алюминия в питьевой воде по СанПиН 2.1.41074-01 составляют 0,5 мг/дм3, для рыбохозяйственных водоемов - 0,04 мг/дм3 , ПДК в водоемах для стран Европейского союза -от 1 до 10 мг/дм3.
Заключение
На основании результатов проведенных исследований было показано следующее:
1. При применении реагентов Вюка! Р500 и Л12(804)3 скорость осаждения активного ила увели-чиваласьв среднем на 10 % по сравнению с контролем.
2. В системе с Вюка! Р500 эффективность удаления фосфатов составила 79%, при применении Л12(804)з - 65 %.
3. Эффективность удаления органических веществ по ХПК в системе с Вюка1Р500 на 18% больше, чем в системе с Л^(804)з .
4. Биологические процессы нитрификации с Вюка! Р 500 и Л^(804)з характеризуются глубоким удалением аммонийного азота. В системах с реагентами накапливается в среднем на 25% больше нитратов по сравнению с контролем.
5. В системе с Вюка!Р500 дегидрогеназная активность микроорганизмов активного ила в течение 4-х часов культивирования увеличивалась на 17%, а в системе с Л^(804)з - снижалась на 33% относительно начального значения.
6. В системе с применением Вюка!Р500 не было отмечено вторичного загрязнения алюминием, в то время как в системе с Л^(804)з концентрация алюминия по окончанию экспериментальных исследований была в 2 раза большей, чем в контрольной системе.
Литература
1. Л.Ф. Долина, Очистка сточных вод от биогенных элементов: Монография, Континент, Днепропетровск, 2011, 198 с.
2. Й.В. Кобелева, Т.В. Кирилина, А.А. Низамова, Ю.В. Лисюкова, М.А. Каблова, И.Р. Бурнашева, А.С. Сирот-кин, Вестник Казанского технологического университета, № 10, С.125-128 (2014)
3. И.П. Дзюба, Р.М. Маркевич, Т.М. Сигиневич, Химия технология органических веществ и биотехнология, №4, С. 182-183(2011)
4. Е.М. Крючихин, А.Н. Николаев, Н.А. Жильникова, Н.Ю. Большаков, Сантехника Отопление Кондиционирование, №8, С. 25 (2006)
5. А.З. Евилевич, Осадки сточных вод. Удаление, обработка, использование, Стройиздат, Москва, 1965. - 324с.
6. Й.В. Кобелева, К.В. Шерстнева, Т.В. Кирилина, А.С. Сироткин, Вода:химия и экология, №10, С.95- 100 (2014)
7. Э.С. Разумовский, Очистка и обеззараживание сточных вод малых населенных пунктов, Стройиздат, Москва, 1978. - 152с.
8. И.Н. Вольф, Н.И. Ткаченко, Химия воды и микробиология природных и сточных вод, Изд.-во Ленинградского университета, Ленинград, 1973, 238 с.
© Й. В. Кобелева - аспирант кафедры промышленной биотехнологии КНИТУ, юЫ1г-к8и@таД.ги; Т. В. Кирилина - к.т.н., доцент кафедры промышленной биотехнологии КНИТУ, tvkirilina@gmil.com; А. А. Гадыева - студент кафедры промышленной биотехнологии КНИТУ 8каПтх@таП.ги; А. С. Сироткин - д.т.н., профессор, заведующий кафедрой промышленной биотехнологии КНИТУ, asirotkin66@gmail.com.
© Y. V. Kobeleva - post-graduate student of the department of industrial biotechnology KNRTU, ioldiz-ksu@mail.ru; T. V. Kirilina -Ph.D., assistant professor of industrial biotechnology KNRTU, tvkirilina@gmil.com; A. A. Gadyeva - student of the department of industrial biotechnology KNRTU skailinx@mail.ru; A. S. Sirotkin - Ph.D., professor, head of the department of industrial biotechnology KNRTU, asirotkin66@gmail.com.
