Биологическая очистка сточных вод от ионов хрома (VI) с применением биологически активных веществ

УДК 628.3

А. И. Хабибрахманова, Н. А. Югина, В. З. Хабибрахманов, Е. О. Михайлова, М. В. Шулаев

БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД ОТ ИОНОВ ХРОМА (VI) С ПРИМЕНЕНИЕМ

БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ

Ключевые слова: анаэробный ил, биологически активные вещества, гуминовый препарат, мелафен.

Проведен анализ влияния гуминового препарата и синтетического препарата Мелафен на процесс биологической очистки модельной сточной воды в анаэробных условиях от СПАВ. Показано, что наиболее эффективным для очистки модельной сточной воды от СПАВ является применение гуминового препарата в концентрации 10-1 г/дм3 в сочетании с мелафеном в концентрации 10-6 мг/дм3.

Keywords: anaerobic sludge, biologically active substances, humic preparation, Melaphene.

The analysis of the influence of humic preparation and of synthetic preparation Melaphene on the process of biological treatment of model wastewater under anaerobic conditions from detergents was carried out. It is shown that the use of humic preparation at concentration of 10-1 g/dm3 in combination with Melaphene at concentration of 10-6 mg/dm3 is the most effective for treatment of model waste water from detergents.

Введение

Одним из источников загрязнения водоемов, приводящих к ухудшению качества воды и нарушающих условия обитания в них гидробионтов, являются сточные воды заводов, содержащие разбавленные растворы тяжелых металлов. Состав их чрезвычайно разнообразен, он изменяется в процессе появления новых производств и усовершенствования существующих. В сточных водах предприятий металлургической, машиностроительной, приборостроительной,

автомобильной и других отраслей промышленности содержится значительное количество загрязняющих веществ, в состав которых входят ионы металлов: Cr(VI), Fe(III), Zn(II), Cu(II), Ni(II), Al(III), а также различные органические вещества - спирты, кислоты, поверхностно-активные вещества и нефтепродукты.

Имеется много исследований по очистке вод от различных вредных примесей. Достигнуты крупные успехи по разработке и внедрению способов биологической очистки бытовых и ряда других отходов. В то же время, несмотря на то, что микробиологическая трансформация и детоксикация отдельных металлов и их соединений уже достаточно полно изучена, биологическая очистка от них промышленных сточных вод находится на стадии разработки и становления. Поэтому актуальным остается вопрос интенсификации процесса биологической очистки от ионов тяжелых металлов [1].

Целью данной работы было исследование влияния гуминового препарата и мелафена на процесс очистки модельной сточной воды, содержащей ионы тяжелых металлов на примере шестивалентного иона хрома.

Соединения хрома могут присутствовать в водах в двух степенях окисления: Сг (III) и Сг (VI). Сг (III) устойчив в растворе и в реальных условиях существования водных объектов далее, как правило,

не окисляется. Сг (VI), существующий в виде хромат-ионов, относительно устойчив только в аэробных условиях, в отсутствии сравнительно легкоокисляемых органических веществ; при дефиците кислорода и в присутствии восстановителей он быстро восстанавливается до Сг (III).

Соединения хрома, особенно Сг (VI) токсичны и обладают канцерогенным и мутагенным действием, поэтому содержание хрома в поверхностных водах нормируется. Для санитарно-токсилогической оценки качества воды при определении суммарного содержания хрома расчет ведут по наиболее токсичному - шестивалентному. ПДКв Сг (VI) составляет 0,05 мг/дм3, ПДКвр Сг (VI) - 0,02 мг/дм3. Для эксперимента использовалась концентрация хрома 0,50 мг/дм3 [2].

Гуминовый препарат - суспендированное комплексное гуминовое удобрение. Препарат, изготовленные на основе гуматов, содержит аминокислоты, полисахариды, углеводы, витамины, макро- и микроэлементы, гормоноподобные вещества. Препарат представляет собой пастообразное вещество темно-коричневого цвета, малотоксичен, IV класс опасности. Все это делает гуминовые соединения потенциальными

стимуляторами биологической очистки сточных вод [3].

Мелафен представляет собой меламиновую соль бис(оксиметил)фосфиновой кислоты. Синтез мелафена прост и технологичен, исходные вещества являются промышленно доступными. Препарат растворим в воде и его водные растворы стабильны при хранении годами. Мелафен обладает высокой эффективностью и широким спектром действия при чрезвычайно низких применяемых концентрациях (10-4 мг/дм3 - 10-8 мг/дм3), относится к IV классу -вещества малоопасные [4, 5].

Экспериментальная часть

В качестве объектов исследований были выбрана смешанная популяция микроорганизмов, входящих в состав анаэробного ила, полученного на основе активного ила городских очистных сооружений, сброженного в течение 4-х недель при температуре 38 °С.

Активный ил для экспериментов отбирался из регенератора секции биологической очистки сточных вод МУП «Водоканал».

По внешнему виду активный ил представлял собой мелкие плотные хлопья светло-коричневого цвета, запах илистый, надыловая жидкость прозрачная. Иловый индекс составлял 250 см3/г, доза ила - 3,5 г/ дм3.

После сбраживания ил приобретал черную окраску, характерный запах разложившихся органических веществ, и было обнаружено бурное выделение биогаза, в состав которого входил сероводород. Иловый индекс составлял 91,6 см3/г, доза ила - 6 г/дм3

При приготовлении модельной сточной воды в качестве источника углерода использовали глюкозу (C6H12O6), азота - натрий азотнокислый (NaNO3), фосфора - калий фосфорнокислый однозамещенный (KH2PO4) в соотношении C:N:P = 100:5:1.

Для изучения кинетики анаэробного процесса в микробиологические пробирки емкостью 50 дм3 заливали по 25 дм3 модельной сточной воды и 25 дм3 анаэробного ила, а также добавляли биологически активные препараты в соответствующих концентрациях.

После продувки азотом пробирки плотно закрывали пробками и встряхивали на установке «Orbital Shaken» в течение заданных промежутков времени со скоростью 70 об/мин. Затем пробы отфильтровывали и определяли концентрацию малых количеств хрома фотометрическим методом с дифенилкарбазидом [2].

Выбор контрольных точек эксперимента обусловлен тем, что 24 ч соответствует фазе экспоненциального роста, 48 ч - стационарной фазе роста, 72 - периоду отмирания культуры. Длительный период роста факультативных анаэробных микроорганизмов связан с особенностями метаболизма в анаэробных организмах.

В данном эксперименте (рис. 1) в опытных образцах проводился процесс очистки стоков, загрязненных ионами хрома, в присутствии гуминового препарата в концентрации 10-1 г/дм3, мелафена в концентрации 10-6 мг/дм3, их сочетании в тех же концентрациях, а в контрольной пробе -традиционная биологическая очистка. Выбор данных концентраций обусловлен серией экспериментов, проведенных ранее [6, 7]. Время эксперимента составляло 24 часа. Концентрация хрома (VI) исходной сточной воды в ходе эксперимента составляло 0,505 мг/дм3, рН - 7,2, температура - 25 °С.

Данные эксперимента (рис. 1) показали, что применение препарата мелафен способствует более глубокой очистке по сравнения с контрольным опытом, начиная с 1 часа эксперимента в среднем на 26 %, в конце эксперимента опытный и контрольный пробы обеспечили очистку сточных вод более чем на 80 %.

Применение гуминового препарата в концентрации 101 г/дм3 способствует более интенсивной очистке по сравнения с контрольным опытом в среднем более чем на 14 % по сравнению с контрольной пробой, однако в конце эксперимента его эффективность была снижена.

Рис. 1 - Кинетика изменения концентрации хрома

По данным эксперимента видно, что применение гуминового препарата в концентрации 10-1 г/дм3 в сочетании с мелафеном в концентрации 10-6 мг/дм3 повышает степень очистки по сравнению с традиционной биологической очисткой с 3 часа эксперимента в целом на 22 %.

Однако в конце эксперимента контрольная система обеспечивала более чем на 16 % глубокую очистку по сравнению с опытной.

Таким образом, применение мелафена в концентрации 10-6 мг/дм3 наиболее эффективно для очистки сточной воды от хрома.

Вероятнее всего, данные результаты связаны с тем, что синтетический регулятор роста препарат «Мелафен» проявляет антистрессовые свойства, повышая устойчивость микроорганизмов к неблагоприятным факторам, таким как наличие тяжелых металлов, в то время как гуминовый препарат является источником дополнительных микроэлементов.

Литература

1. А.Д. Буракаева, А.М. Русанов, В.П. Лантух А.Д. Буракаева, Роль микроорганизмов в очистке сточных вод от тяжёлых металлов: Методическое пособие. ОГУ, Оренбург, 1999. 54 с.

2. Ю.Ю. Лурье, Аналитическая химия промышленных сточных вод. Химия, Москва, 1984, С. 152 - 155.

3. О.А. Кашина. Автореф. дисс. канд. биол. наук, Казан. ин-т биохимии и биофизики КазНЦ РАН, Казань, 2004. 21 с.

4. Миронова М.Е. Экологизация зернопроизводства при активации ранних ростовых процессов в семенах под действием регуляторов роста [Электронный ресурс] / М.Е. Миронова. - Режим доступа: http://www.pandia.ra, свободный. - Проверено 10.05.2014.

5. Е. О. Михайлова, С. В. Ахмадиева, Л. И. Хабибуллина, М. В. Шулаев, Вестник Казанского технологического университета, №7, 184-187 (2011).

6. А.И. Хисамова, Н.А. Югина, Е.О. Михайлова, М.В. Шулаев, Вестник Казанского технологического университета, 16, 10, 201 - 203 (2013).

7. А.И. Хисамова, Н.А. Югина, В.З. Хабибрахманов, Е.О. Михайлова, М.В. Шулаев, Международная научно-практическая конференция «Нефтегазопереработка - 2014» (Уфа, Россия, 23 апреля, 2014). Уфа, 2014. 98 -100.

© А. И. Хабибрахманова - аспирант кафедры химической кибернетики КНИТУ, alsu_khisa@mail.ru; Н. А. Югина -аспирант кафедры химической кибернетики КНИТУ, tashka_ugi@mail.ru; В. З. Хабибрахманов - студент кафедры химии и технологии высокомолекулярных соединений КНИТУ, vipernk@yandex.ru; Е. О. Михайлова - канд. биол. наук, доцент кафедры бизнес-статистики и математических методов в экономике КНИТУ, katyushka.glukhova@gmail.com; М. В. Шулаев -д-р. техн. наук, профессор кафедры химической кибернетики КНИТУ, mshulaev@mail.ru.

© A. 1 Khabibrakhmanova - postgraduate student of the Department of Chemical Cybernetics, KNRTU, alsu_khisa@mail.ru; N. A. Ugina - postgraduate student of the Department of Chemical Cybernetics, KNRTU, tashka_ugi@mail.ru; V. Z. Khabibrakhmanov - student of the Department of chemistry and technology of macromolecular compounds, vipernk@yandex.ru; E. O. Mikhailova - associate professor of the Business statistics and mathematical methods in Economics department, katyushka.glukhova@gmail.com; M. V. Shulaev - Ph.D., Professor of the Department of Chemical Cybernetics, mshulaev@mail.ru.