Эколого-биологическое обоснование применения биосорбционного метода очистки сточных вод на Омском нефтеперерабатывающем заводе

БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 577.4 ББК 28.082

Воробьёва Тамара Георгиевна

доктор биологических наук, профессор г. Омск

Vorobyeova Tamara Georgievna

Doctor of Biology,

Professor

Omsk

Шлёкова Инна Юрьевна

аспирант г. Омск Shlyeokova Inna Yurievna

Post-graduate

Omsk

Эколого-биологическое обоснование применения биосорбционного метода очистки сточных вод на Омском нефтеперерабатывающем заводе Ecology-Biological Substantiation of Biosorption Method Application for Sewage Treatment at the Omsk Oil-Refining Plant

В статье рассмотрена возможность интенсификации процесса биологической очистки сточных вод на Омском нефтеперерабатывающем заводе (ОНПЗ) биосорбционным способом. В статье представлены результаты исследований эффективности биосорбционной очистки сточных вод ОНПЗ.

In the article the opportunity of the intensification of biological sewage treatment by biosorption method at the Omsk oil-refining plant is considered and the results of the research on efficiency of biosorption sewage treatment at the Omsk oi-l refining plant are presented.

Ключевые слова: биологическая очистка сточных вод, биосорбция, аэро-тенк, активный ил.

Key words: biological sewage treatment, biosorption, aerotank, activated sludge.

Сооружения биологической очистки на Омском нефтеперерабатывающем заводе (ОНПЗ) являются заключительной ступенью очистки. В результате процессов биологической очистки сточная вода очищается от многих органических и некоторых неорганических примесей. Процесс очистки осуществляет сложное сообщество микроорганизмов - бактерий, простейших, ряда высших организмов - в условиях аэробиоза, т. е. наличия в очищаемой воде растворенного кислорода [5, 99].

Однако, не все органические вещества перевариваются бактериями и те из них, которые трудно поддаются бактериальному перевариванию, снижают эффективность биологической очистки и остаются в воде [6, 443]. Разность между ХПК и БПК характеризует наличие примесей, не окисляющихся биохимическим путем, и количество органических веществ, идущих на построение клеток микроорганизмов [9, 178]. Специалисты известной в области водоподготовки и водоочистки компании Ка1ео считают, что хорошим является, например, соотношение БПК/ХПК=0,5 [6, 542]. В учебнике П.Р. Таубе говорится, что при соотношении БПК/ХПК<0,5 использование метода биологической очистки становится мало эффективным, так как в воде содержится значительное количество биологически неокисляемых веществ [9, 178].

На ОНПЗ соотношение БПКполн/ХПК для сточных вод, поступающих после предварительной очистки на установку-блок биологической очистки (ББО), более чем в 60% случаев составляет менее 0,5 и, именно в эти моменты, протекание процесса биологической очистки значительно затрудняется. Для таких сточных вод целесообразно рассмотреть применение альтернативного био-сорбционного метода очистки.

Широкое применение нашел биосорбционный метод очистки сточных вод, реализуемый в аэротенках коридорного типа. Биологическая очистка ведется в присутствии порошкообразного активированного угля (ПАУ) либо других тонкодисперсных адсорбционных материалов.

Авторы монографии «Современные технологические концепции аэробной очистки сточных вод» процесс совместной во времени и в пространстве биоло-

гической и адсорбционной обработки сточных вод охарактеризовали понятием «активная биосорбция», что подразумевает следующее:

> используемый материал - носитель для биомассы, одновременно являющийся адсорбентом для примесей сточных вод и обеспечивающий активный транспорт этих примесей в биосорбенте;

> интенсификацию биологических процессов окисления органического субстрата, нитрификации, сероокисления из-за обогащения биосорбента субстратом и кислородом [8, 17].

Технико-экономическая эффективность биосорбционных процессов с применением активных углей резко снижается без регенерации угольных адсорбентов. Отказаться от регенерации сорбентов и, тем самым, избежать затрат, связанных со стадией регенерации, позволяет замена дорогих угольных адсорбентов различными отходами производства [8, 18].

Научный интерес представляет осуществление процесса биосорбционной очистки сточных вод ОНПЗ с отходом производства прокаленного кокса - коксовой пылью. Кокс и бурый уголь применяют при сорбционной очистке для удаления химических соединений (например, фенола) из промышленных стоков [4, 290]. Кроме того, некоторые типы активных углей изготовляют из антрацита, битумного или мягкого угля, нефтяного угля, торфа, древесины и кокса при помощи термической активации [1, 345].

Материалы и методы

Лабораторные испытания биосорбционного метода очистки сточных вод ОНПЗ проводились с целью изучения эффективности его применения для промышленных стоков ОНПЗ, возможности применения в качестве сорбента отходов производства кокса, сравнения эффективности различных сорбентов.

Изучение эффективности биосорбционной очистки сточных вод осуществлялось по принципу контактно-проточного метода лабораторных исследований. Принцип контактно-проточного метода лабораторных исследований заключается в замене реального непрерывного процесса большим числом последовательных идентичных циклов, проводимых в контактных условиях и включаю-

щих основные технологические стадии непрерывного процесса (биоокисление, отстаивание, регенерация). Применение контактного метода позволяет избежать многих технических трудностей, связанных с организацией непрерывного процесса в лабораторных условиях, и обеспечить достаточно высокий уровень контроля и воспроизводимости результатов [3,7].

Все стадии процесса биологической, а, следовательно, и биосорбционной очистки, можно осуществлять в одном сооружении (реакторе). В настоящее время отьемно-доливные реакторы (Sequencing Batch Reactor (SBR)) достаточно широко применяются в практике очистки сточных вод во всем мире. SBR последовательно является аэротенком, вторичным отстойником, стабилизатором в системе очистки сточных вод и заменяет, таким образом, соответствующие отдельные реакторы узла биологической очистки [8, 81].

В простейшем варианте SBR представляют собой реакторы, работающие по принципу: заполнение - слив. Однако SBR позволяет осуществить любые процессы, имеющие место в непрерывно работающих системах с активным илом: от контактной стабилизации до продленной аэрации путем соответствующего конструктивного планирования объема реакторов и выбора стратегии аэрирования [7, 109-111].

Модификации основной системы могут включать продолженную аэрацию, многоступенчатую аэрацию и контактную стабилизацию [6, 554].

Контактная стабилизация - последняя модификация процесса очистки сточных вод активным илом; в этом процессе активный ил смешивают со сточными водами только на 0,5 - 2 часа; в этот период он действует как флокулянт, предназначенный для удаления взвешенных веществ и грубодисперсных примесей и для адсорбции растворимых органических веществ. Ил из вторичного отстойника подвергают обработке в специальном аэраторе, где адсорбированные и задержанные твердые вещества перевариваются биомассой [6, 555].

Лабораторные испытания биосорбционного метода очистки сточных вод ОНПЗ проводились в режиме контактной стабилизации в ёмкостях (реакторах) с мелкопузырчатой системой аэрации. В одном лабораторном реакторе после-

довательно осуществлялись все стадии биологической очистки стоков в аэро-тенках: нахождение иловой смеси в режиме аэрации, отстаивание и регенерация. Полученные данные о составе исходной и очищенной сточной жидкости из первого реактора необходимы в качестве холостого опыта или опыта сравнения. Во второй реактор в тот же момент времени при неизменных условиях вводился активный уголь марки ОУ-А. В третий реактор добавлялся альтернативный сорбент - коксовая пыль установки прокалки нефтяного кокса ОНПЗ.

Концентрация сорбента в лабораторных реакторах составляла 0,4 г/л.

По данным А. С. Сироткина при высоком содержании сорбента растет зольность активного ила, а также затрудняется работа вторичных отстойников и возрастает нагрузка на насосы, перекачивающие возвратный ил. Как показали исследования, концентрация сорбента 0,4 г/л оказалась оптимальной для обеспечения нормативных значений показателей очищенной воды и активного ила [8, 25].

Контроль эффективности очистки стоков ОНПЗ в лабораторных реакторах осуществлялся в трех направлениях:

> контроль качества исходной и очищенной в реакторе сточной жидкости (определение ХПК, н/пр, взвешенных веществ);

> контроль параметров работы реактора (определение температуры, растворенного кислорода, рН);

> контроль основных характеристик активного ила (определение динамики оседания ила, концентрации ила, илового индекса, микроскопический анализ ила).

Результаты и их обсуждение

Значения ХПК и содержание нефтепродукта (н/пр) в сточных водах предприятия, отобранных для лабораторных испытаний, говорят как о непостоянстве состава поступающих стоков, так и о поступлении «залповых» количеств загрязнений. Значения ХПК находятся в пределах 398 - 967 мгО2/л, содержание н/пр - 14,5 - 64 мг/л.

Эффективность биологической очистки стоков указанного состава снижается также из-за токсичного воздействия на активный ил и, в результате, на вы-

ходе с установки биологической очистки (лабораторного реактора) регистрируется высокое содержание ХПК и н/пр. При добавлении адсорбента (коксовой пыли) в систему биологической очистки значения ХПК значительно снижаются (рис. 1).

Рисунок 1

Значения ХПК промышленных стоков до и после очистки

Номер эксперимента

—•—Исходная вода ——После биоочистки * После биосорбции

Нефтепродукты - профильный загрязнитель сточных вод ОНПЗ, поэтому именно этот показатель строго нормируется. При поступлении на лабораторную установку биологической очистки сильнозагрязненных стоков содержание н/пр на выходе находится в пределах 3,9 - 8,1 мг/л. Степень очистки этих же стоков в биосорбционной системе намного выше, содержание н/пр - 0,68 - 1,7 мг/л (рис. 2).

Таким образом, для сточных вод ОНПЗ эффективно применение биосорб-ционного метода очистки в условиях поступления «залповых» количеств загрязнителей. В качестве экономически оправданного для производства сорбента можно применять отход производства - коксовую пыль.

Эффективность биосорбционной очистки стоков зависит от применяемого сорбента. Нами были проведены опыты по сравнению эффективности очистки стоков по ХПК с помощью активного угля марки ОУ-А и альтернативного сор-

бента - коксовой пыли. Сравнение проводилось относительно холостого опыта

- биологической очистки в лабораторном реакторе в идентичных условиях (рис. 3). Опыт показывает, что активный уголь обладает широким спектром адсорбционной активности, поскольку большинство органических молекул задерживается на его поверхности. Наиболее трудно сорбируются молекулы с короткой углеродной цепью (одноатомные спирты и низшие жирные кислоты, особенно те, молекулы которых состоят менее чем из трех атомов углерода) и некоторые полярные соединения. Молекулы с длинной углеродной цепью, ароматические соединения, замещенные углеводороды хорошо адсорбируются активным углем. Очевидно, что молекулы, наиболее трудно сорбируемые, наоборот, легче разрушаются биологически.

Рисунок 2

Это означает, что сорбция комплементарна биологической обработке [2, 345]. Сорбционная активность коксовой пыли меньше, чем активность угля, но, учитывая экономическую составляющую, коксовую пыль можно считать альтернативным сорбентом.

Эффективность биологической и биосорбционной (с разными сорбентами) очистки промышленных стоков по показателям говорит о целесообразности

применения биосорбционной очистки с коксовой пылью в качестве сорбента (таблица 1).

Достаточно показательными представляются результаты определения концентрации растворенного кислорода (рО2) в начальный период при изменении нагрузки по ХПК. Загрязненность поступающей сточной воды по ХПК («залповый сброс») сопровождалась снижением концентрации растворенного кислорода ниже лимитирующего значения - 1 мг/л. Эксплуатация активного ила в «залповых» режимах часто приводит к таким последствиям, как массовое размножение нитчатых бактерий и, как следствие, к «вспуханию» ила. Очистка сточных вод по биосорбционной технологии предупреждает это весьма негативное явление.

Таблица 1

Эффективность очистки промышленных стоков по показателям

Эффективность очистки, %

ХПК Н/пр Взвешенные вещества

Биологическая очистка 43 - 76 71 - 90 21 - 65

Биосорбция с активным углем 79 - 90 96 - 99 61 - 84

Биосорбция с коксовой пылью 74 - 89 94 - 98 68 - 93

Биосорбционная система обеспечивала погашение «залпа», после чего концентрация растворенного кислорода выходила на рабочий уровень - более 2 мг/л и процесс очистки стабилизировался.

При биосорбционной очистке сточных вод с альтернативным сорбентом отмечался стабильный прирост биомассы: доза ила возрастала в среднем от 1,66 до 2,2 г/л и при этом концентрация взвешенных веществ составляла 4 - 12 мг/л.

Биосорбция способствует устойчивой биологической конверсии органических и неорганических веществ в режимах залповых нагрузок и нормальной эксплуатации аэротенков. Во многих случаях присутствие адсорбентов в системе биологической очистки обеспечивает быстрое осаждение (седиментацию) ила из-за большей плотности и укрупнения иловых хлопьев в совокупности с твердыми сорбентами [8, 21].

Динамика оседания активного ила после биосорбционной очистки значительно лучше, чем после биологической. Превышения нормативного значения (не более 120 мл/г) отмечались крайне редко (рис. 4). Этот факт свидетельствует об улучшении седиментационных свойств активного ила.

При микроскопировании (определение видового разнообразия проводилось по ПНД Ф СБ 14.1.77-96) в активном иле из системы биосорбции во множественном количестве были обнаружены брюхоресничные инфузории: Aspi-disca, кругоресничные: Vorticella convallaria, Opercularia, Carchesium, которые являются индикаторами хорошей работы очистных сооружений [9, 265]. Довольно часто встречались Rotatoria (коловратки), а их присутствие является показателем устойчивой биологической системы [2, 1047].

Реже встречались Litonotus. Наличие Litonotus говорит о повышении нагрузки на ил [2, 1050-1051]. В активном иле из системы биологической очистки упомянутые выше организмы встречались в единичных экземплярах в малоактивном состоянии. Кроме того, иногда отмечалось присутствие нитчатых микроорганизмов, что говорит о неудовлетворительном состоянии системы очистки.

Таким образом, в виду удачного сочетания основных достоинств биологического и сорбционного методов очистки, биосорбционная очистка определяется как более устойчивая, стабильная и управляемая система.

Рисунок 4

Значения динамики оседания ила после биологической и биосорбционной очистки

Номер эксперимента

биоочистка

биосорбция

Библиографический список

1. Барак, К. Технические записки по проблемам воды: Пер. с англ. В 2-х т. Том 1 [Текст] / К. Барак, Ж.Бебен, Ж. Бернар и др. Под редакцией Т. А. Карю-хиной, И. Н. Чурбановой. - М.: Стройиздат, 1983. - 607 с.

2. Барак, К. Технические записки по проблемам воды: Пер. с англ. В 2-х т. Том 2 [Текст] / К. Барак, Ж.Бебен, Ж. Бернар и др. Под редакцией Т. А. Карю-хиной, И. Н. Чурбановой. - М.: Стройиздат, 1983. - 453 с.

3. Евилевич, М.А. Оптимизация биохимической очистки сточных вод [Текст] / М.А. Евилевич, Л.Н. Брагинский. - Ленинград, 1979. - 160 с.

4. Каменщиков, Ф.А. Удаление нефтепродуктов с водной поверхности и грунта. [Текст] / Ф.А. Каменщиков, Е.И. Богомольный. - М.- Ижевск: НИЦ "Регулярная и хаотическая динамика", Институт компьютерных исследований, 2006. - 528 с.

5. Карюхина, Т.А. Контроль качества воды: Учеб. пособие для техникумов

- 2 изд., перераб. и доп. [Текст] / Т.А. Карюхина, И.Н. Чурбанова. - М.: Стройиздат, 1986. - 160 с.

6. Кеммер, И. Налко о воде: Практические руководства, инструкции и т. д. [Текст] / И. Кеммер, Н. Френк. - Нью-Йорк: McGraw-Hill Book Company, 2007.

- 987 с.

7. Сироткин, А.С. Агрегация микроорганизмов: флокулы, биоплёнки, микробные гранулы: Монография. [Текст] / А.С. Сироткин, Г.И. Шагинурова, К.Г. Ипполитов. - Казань: «Фэн» АН РТ, 2007. - 106 с.

8. Сироткин, А.С. Современные технологические концепции аэробной очистки сточных вод: Монография. [Текст] / А.С. Сироткин, С. А. Понкратова, М.В. Шулаев. - Казань: Изд-во КГТУ, 2002. - 164 с.

9. Таубе, П.Р. Химия и микробиология воды [Текст] / П.Р. Таубе, А.Г. Баранова. - М.: Высшая школа, 1983. - 280 с.

Bibliography

1. Barak, K. Technical Notes on Water Problems: Tran. from English in 2 Vol. Volume 1 [Text] / K. Barak, Z. Beben, Z. Bernar, etc. Under T.A. Karyukhina and I.N. Churbanova's Edition. - М.: Stroyizdat, 1983. - 607 p.

2. Barak, K. Technical Notes on Water Problems: Tran. from English in 2 Vol. Volume 2 [Text] / K. Barak, Z. Beben, Z. Bernar, etc. Under T.A. Karyukhina and I.N. Churbanova's Edition. - М.: Stroyizdat, 1983. - 453 p.

3. Evilevich, M. A. Optimization of Biochemical Sewage Treatment [Text] / M.A. Evilevich, L.N. Braginsky. - Leningrad, 1979. - 160 p.

4. Kamenshchikov, F.A. Removal of Mineral Oil From Water Surface and Ground. [Text] / F.A. Kamenshchikov, E.I. Bogomolny. - М.: Izhevsk: NITS " Regular and Chaotic Dynamics", Institute of Computer Researches, 2006. - 528 p.

5. Karyukhina, T.A. Water Quality Control: Student Book for Technical Schools. [Text] / T.A. Karyukhina, I.N. Churbanova. - М.: Stroyizdat, 1986. - 160 p.

6. Kemmer, I. Nalko About Water: Practical Guidances, Instructions, etc. [Text] / I. Kemmer, N. Frenk. - New York: McGraw-Hill Book Company, 2007. - 987 p.

7. Sirotkin, A.S. Aggregation of Microorganisms: Floccules, Biofilms, Microbic Granules: Monograph [Text] / A.S. Sirotkin, G.I. Shaginurova, K.G. Ippolitov. - Kazan: "Fan" ANRT, 2007. - 106 p.

8. Sirotkin, A.S. Modern Technological Concepts of Aerobic Sewage Treatment: Monograph [Text] / A.S. Sirotkin, S.A. Ponkratova, M.V. Shulaev. - Kazan: Publishing House of KGTU, 2002. - 164 p.

9. Taube, P.R. Chemistry and Microbiology of Water [Text] / P.R. Taube, A.G. Baranova. - М.: Higher School, 1983. - 280 p.