Применение метода нитри-денитрификации в практике очистки сточных вод рыбообрабатывающих предприятий

Применение метода нитри-денитрификации в практике очистки сточных вод рыбообрабатывающих предприятий

И.Г. Береза, О.И. Станкевич

Естественно-технический факультет МГТУ, кафедра экологии и защиты окружающей среды

Аннотация. Предложена схема биологической очистки сточных вод предприятий рыбообрабатывающей промышленности с использованием метода нитри-денитрификации. Данный метод очистки обоснован как наиболее эффективный энергосберегающий метод удаления из сточных вод рыбообрабатывающих производств неорганических соединений азота.

Abstract. The paper contains the scheme of the biological treatment of fish-processing wastewater using the nitrification/denitrification method. The method has been substantiated as the most effective power-saving method of extraction of nitrogen inorganic compounds from the fish-processing wastewater.

1. Введение

В процессе биологической очистки сточных вод рыбообрабатывающих производств завершающей стадией аэробного окисления органических соединений является процесс биологической нитрификации - окисление аммонийного азота в нитритные и нитратные формы.

Нитрификация протекает в две фазы: 1-я - реакция окисления аммонийного азота в нитриты; 2-я - окисление нитритов в нитраты. Обе фазы нитрификации осуществляются нитрифицирующими бактериями, которые представляют собой автотрофные микроорганизмы (литотрофы), не требующие для своего развития органических веществ. Необходимую для своего существования энергию эти микроорганизмы получают в результате окислительно-восстановительных реакций, катализируя их посредством своего ферментативного аппарата.

2. Объекты исследования

Поскольку промышленные сточные воды рыбообрабатывающих производств содержат значительное количество азотсодержащей органики (белки, ферменты и др. соединения), концентрации образовавшихся в процессе нитрификации нитритов (22-28 мг/л) и нитратов (36-42 мг/л) значительно превышают предельно-допустимые нормы сброса.

Удаление продуктов нитрификации из сточных вод возможно применением биологической денитрификации - процесса восстановления нитратов в газообразный азот.

Возбудителями денитрификации являются бактерии родов Pseudomonas, Achromobacter, Micrococcus, Bacillus и другие гетеротрофные организмы активного ила, которые при достаточном количестве кислорода в среде окисляют органические соединения как обычные аэробы, а при недостатке кислорода осуществляют деструкцию органики, используя кислород нитритов и нитратов, и при этом восстанавливая последние до свободного азота.

3. Разработка технологии совместной нитри-денитрификации

Разработка технологии совместной нитри-денитрификации предполагает введение в сооружение биологической очистки (аэротенк) дополнительной секции денитрификации с пониженным содержанием кислорода, т.н. аноксидные условия.

Для установления оптимальных параметров технологического режима процесса нитри-денитрификации в лаборатории "Промэкология" МГТУ разработана и изготовлена пилотная установка, работающая в режиме предшествующей денитрификации.

Первый этап экспериментальных работ включал наращивание активного ила в пилотной установке аэротенка в статическом режиме в течение шести недель на натурных промстоках рыбообрабатывающих производств, прошедших первичную очистку (Голубовская, 1978).

Результаты химических анализов и гидробиологические показатели процесса формирования активного ила в пилотной установке представлены в табл. 1. Формирование биоценоза активного ила отслеживали по индикаторным гидробионтам в процессе микроскопирования.

Как следует из таблицы, в начальной стадии созревания активного ила по мере накопления биомассы бактерий в течение 1-й недели появились свободноплавающие инфузории (Aspidiska costate,

Береза И.Г., Станкевич О.И. Применение метода нитри-денитрификации...

Еир1о1еБ Иагоп). Далее в процессе формирования и накопления активного ила (2-я неделя) появились сидячие инфузории (Орегси1апа g1omerata, УойсеИа сопуа11апа, Ер181иИБ рИсаШе8).

В процессе формирования биоценоза активного ила число простейших снижалось, и пищевую конкуренцию выдерживали прикрепленные к субстрату сидячие инфузории. Так, к концу 3-й и в течение 4-й недели в активном иле наблюдалось преобладающее количество сидячих инфузорий и отдельные экземпляры свободноплавающих форм. С 5-й недели концентрация активного ила достигла значения 1,81 г/л, в активном иле появились коловратки (Мопо8Ш1а, РЫ1оШпа), что свидетельствует о начале стадии нитрификации.

С начала 6-й недели в аэротенке начинается интенсивный процесс нитрификации (содержание нитритов 2,5-4,7 мг/л, нитратов 12,6-18,2 мг/л) и, как показатель данного процесса - присутствие большого числа коловраток в биоценозе активного ила.

Таким образом, за 6 недель был получен активный ил и определены его основные характеристики.

Таблица 1. Формирование биоценоза активного ила

Неделя Концентрация ила, г/л Растворенный кислород, мг/л Нитриты, мг/л Нитраты, мг/л Гидробиологические показатели

1 0,72-4,25 Плавающие ++

2 0,32-0,53 4,29-4,86 Плавающие ++ Сидячие ++

3 0,82-1,14 3,95-4,0 Плавающие + Сидячие ++

4 1,52 4,0 0,16 1,17 Плавающие + Сидячие +++

5 1,81-2,05 4,1-4,8 0,25-1,5 1,2-5,0 Плавающие + Сидячие ++++ Коловратки +

6 2,08-2,1 4,35-4,05 2,5-4,7 12,6-18,2 Плавающие + Сидячие ++++ Коловратки++++

При разработке режима биологической очистки сточных вод всегда возникает необходимость определения численных значений констант процесса ферментативной деструкции органических загрязнений для каждого конкретного вида сточных вод. Поэтому на первом этапе экспериментальных исследований была установлена зависимость скорости биохимической деструкции органических загрязнений от концентрации реагирующего вещества, величины активной биомассы, наличия различных ингибирующих или активирующих веществ, т.е. определены численные значения констант процесса биоокисления органики "рыбного" стока (Варфоломеев, 1999; Яковлев, 1985).

Максимальная скорость окисления органических загрязнений определялась, исходя из классической теории ферментативной кинетики, по уравнению Михаэлиса-Ментена. Исходной гипотезой служило допущение, что кинетика деструкции органических загрязнений описывается уравнением ферментативных реакций применительно к интегральному субстрату:

р = РтМКь+Ь),

где р, ртах - соответственно, удельная и максимальная скорость окисления, мг ХПК7(гч); Ь -концентрация загрязнений в исходной воде, мг/л; КЬ - константа Михаэлиса.

При определении зависимости удельной скорости окисления от начальной концентрации субстрата концентрация активного ила на пилотной установке аэротенка поддерживалась приблизительно 2 г/л, температура сточной воды равнялась 19-20°С, рН исходной сточной воды 6,8-7,5.

В серии опытов по измерению начальной скорости реакции при различной концентрации субстрата в исходной сточной воде получена графическая зависимость, приведенная на рис. 1. Как следует из нее, при некоторой концентрации субстрата стационарная скорость реакции достигает постоянного значения и не меняется при дальнейшем увеличении концентрации субстрата.

Постоянная скорость реакции, достигаемая при полном насыщении фермента субстратом, является максимальной скоростью - ртах.

Таким образом, экспериментально установлено, что кинетика окисления органических загрязнений "рыбных" сточных вод в аэротенке подчиняется законам ферментативных реакций.

1 ХПК - химическое потребление кислорода.

1/р, г ч /мгХПК

0,02 - / •

0,015^-

0,01 •

0,005 --,-—-,-0— 1/L, (мгХПК/л 1

Рис. 1. Зависимость удельной скорости окисления от концентрации органических веществ

-0,02 -0,01 0 0,01 0,02 Рис. 2. График зависимости 1/р от 1/L

Численные значения констант процесса - ртах и КЬ - определялись методом обратных величин. Линейным преобразованием уравнения Михаэлиса-Ментена (2) по методу Лайнуивера-Берка, получено уравнение ферментативной кинетики в виде:

1/р = KJ(p max  L) + 1/р m

Зависимость Ир от 1/Ь графически изображается прямой с наклоном КЬ/ртях, отсекающей на осях 1/р и 1/Ь отрезки 1/ртах и 1/КЬ, соответственно (рис. 2). Таким образом, максимальная скорость окисления органических загрязнений в аэротенке составила величину 62,5 мгХПК/(гила'ч), постоянная Михаэлиса -39 мг/л.

Низкое значение константы Михаэлиса КЬ свидетельствует о присутствии в сточных водах рыбообрабатывающих производств легкоокисляемых органических веществ, что подтверждается отношением БПК к ХПК сточной воды, поступающей на биологическую очистку составляющим приблизительно 73 %.

4. Заключение

Таким образом, на данном этапе работ был получен активный ил, определены его характеристики. Также были определены численные значения констант процесса ферментативной деструкции органических загрязнений сточных вод рыбообрабатывающих производств, что позволит далее получить математические параметры режима нитри-денитрификации.

Литература

Голубовская Э.К. Биологические основы очистки воды. М., Высшая школа, 272 е., 1978. Варфоломеев С.Д. Биокинетика. М., Фаир-пресс, 720 е., 1999.

Яковлев C.B. Биологическая очистка производственных сточных вод. Процессы, аппараты и сооружения. М., Стройиздат, 208 е., 1985.