Совместная биологическая и физико-химическая очистка сточных вод с применением инновационного дефосфотирующего реагента. Часть 2. Оценка биологических процессов очистки сточных вод

УДК 628.316.13

Й. В. Кобелева, А. С. Сироткин, Т. В. Кирилина, Л. М. Сибиева, А. А. Гадыева

СОВМЕСТНАЯ БИОЛОГИЧЕСКАЯ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД

С ПРИМЕНЕНИЕМ ИННОВАЦИОННОГО ДЕФОСФОТИРУЮЩЕГО РЕАГЕНТА. ЧАСТЬ 2.

ОЦЕНКА БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

Ключевые слова: очистка сточных вод, реагент VTA Biokat P500, активный ил, дефосфотация, накопление фосфора, нитрификация.

Данная работа была посвящена оценке состояния активного ила в процессе одновременной биологической и физико-химической очистки сточных вод при применении инновационного реагентного препарата VTA Biokat P500. В ходе экспериментальных исследований активность микроорганизмов оценивалась по изменению ферментативной активности, эффективности удаления органических веществ и биотрансформации соединений азота.

Key words: wastewater treatment, reagent VTA Biokat P500, active sludge, phosphor removal, phosphor accumulation, nitrification.

This work has been devoted to assessing the state of the active sludge in the biological wastewater treatment and the efficiency of phosphorus removal from wastewater also its accumulation in the active sludge by using the innovative reagent VTA Biokat P500. In the experimental research were evaluated the activity of microorganisms due the variation of enzymatic activity of the active sludge, efficiency of organic matter removal and biotransformation of nitrogen compounds

Введение

Очистка природных и сточных вод тесно связана с охраной окружающей среды и является актуальной проблемой современности. Несмотря на большое количество исследований, проблему очистки сточных вод от биогенных элементов нельзя считать решенной [1]. Загрязнение природных вод биогенными элементами, поступающими в составе сбрасываемых недоочищенных сточных вод приводит к эвтрофикации и гибели гидробионтов. Основными биогенными элементами вызывающими эвтрофика-цию являются азот и фосфор. Известно [2,3], что для предотвращения эвтрофикации в первую очередь необходимо удалять соединения фосфора из сточной воды.

Фосфор является важнейшим биогенным элементом для развития микроорганизмов в очистных сооружениях вследствие его участия в информационных и энергетических процессах клетки. Содержание фосфора в составе сухой биомассы - около 1,5% [1,3].

В технологии полной биологической очистки сточных вод с последующей нитрификацией обычно за счет потребления фосфатов бактериями в аэро-тенках удаляется не более 10-30 % растворенных форм фосфора [4,3]. Причина такой невысокой эффективности биодефосфотации на традиционных биологических очистных сооружениях на базе аэро-тенков состоит в последовательной смене аэробной ступени собственно в аэротенках отделением микробной биомассы активного ила в анаэробных условиях вторичных отстойников.

Для эффективного удаления фосфора из сточных вод традиционно используют их реагентную обработку [5], последовательно дополняющую биологическую очистку, реализуемую до или после неё. В качестве реагентов используются коагулянты, на-

пример, Al2(SO4)3, Fe(Cl)2, а также флоккулянты, такие как полиакриламид [6].

В отличие от традиционной последовательной физико-химической и биологической обработки сточных вод реагент Biokat P500 компании VTA Austria GmbH предполагает его внесение непосредственно в биологическую систему (активный ил) для получения максимального эффекта от его использования. Поскольку для российского рынка реагент-ных препаратов подобное применение является нетрадиционным, актуальным является исследование состояния микробного сообщества при внесении в биологическую среду реагентного препарата.

Целью данной работы являлась оценка влияния дефосфотирующего реагента Biokat P 500 на микробное сообщество активного ила в системах биологической очистки сточных вод.

Объекты и методы исследований.

В качестве объектов исследования выступали микробиоценоз активного ила, модельный раствор коммунально-бытовых сточных вод и реагентный препарат Biokat P500.

В процессе экспериментальных исследований осуществлялся контроль содержания ионов аммония, нитрит-ионов, нитрат-ионов, по стандартным методикам [8-10].

Химическое потребление кислорода (ХПК) определяли методом, основанным на окислении органических веществ бихроматом калия в серной кислоте [11].

Определение дегидрогеназной активности (ДГА) ила проводили фотометрическим методом с 2,3,5-трифенилтетразолийхлоридом на фотоколориметре КФК-2-УХЛ [12]. Для определения ДГА гетеротрофной микрофлоры в качестве субстрата выступал 1% раствор глюкозы, аммонийокисляющих микроорганизмов - 1% раствор хлорида аммония,

нитритокисляющих микроорганизмов - 1% раствор нитрита калия.

Концентрацию активного ила по массе измеряли гравиметрическим методом согласно стандартной методике [12].

Постановка эксперимента

Периодическое культивирование проводилось в пластиковых емкостях объемом 2 дм3 при непрерывной аэрации среды. Суспензию активного ила вносили в модельный раствор в количестве 2 г/дм3 биомассы по сухому веществу [13]. В среду вносили реагент Biokat P500 в количествах, обеспечивающих требуемую степень удаления фосфатов из сточных вод, а также из результатов предварительных исследований. В качестве контроля выступала система без реагента.

Активный ил аэрировался в течение 4 часов, что соответствовало времени пребывания сточной воды в аэротенках [4].

Модельный раствор имел постоянный состав и готовился с учетом содержания важнейших макро- и микроэлементов [3].

В процессе экспериментальных исследований оценивалась ферментативная активность гетеротрофных и автотрофных нитрифицирующих (аммо-нийокисляющих и нитритокисляющих) микроорганизмов в сообществе активного ила, а также эффективность протекания процессов нитрификации и удаления органических веществ в системе.

Результаты и их обсуждение

На рис. 1 представлены результаты изменения дегидрогеназной активности гетеротрофных и авто-трофных нитрифицирующих (аммонийокисляющих и нитритокисляющих) микроорганизмов в сообществе активного в процессе биологической очистки сточных вод при различных дозировках реагента Biokat P500 (рис. 1).

Здесь и далее определение значений концентраций измеряемых величин осуществлялось для проб в начальный момент времени и по истечении четырех часов процесса очистки сточных вод активным илом.

Поскольку дегидрогеназная активность является показателем общей окислительно-

восстановительной активности ферментов микроорганизмов активного ила, на основании полученных данных можно судить о состоянии активного ила.

Полученные результаты свидетельствуют о стимулировании как гетеротрофной, так и нитрифицирующей микрофлоры при применении дозировки 50 мкл/дм3 по сравнению с контролем. Наблюдается увеличение ферментативной активности для гетеротрофных и автотрофных нитритокисляющих микроорганизмов на 21% и 13%, соответственно. При дозировке реагента 30 мкл/дм3 значения дегидрогеназ-ной активности микроорганизмов практически не отличаются от активности микроорганизмов в контрольной пробе (рис. 1).

Результаты дегидрогеназной активности коррелируют с эффективностью удаления органических веществ (рис. 2) и закономерностями биотрансформации соединений азота (рис. 3).

Рис. 2 - Изменение химического потребления кислорода при различных дозировках реагента

Рис. 1 - Изменение дегидрогеназной активности микроорганизмов при различных концентрациях реагента

Рис. 3 - Изменение концентрации азота в процессе нитрификации при различных дозировках реагента

Высокая эффективность удаления органических веществ и протекания процесса нитрификации при дозировке реагентного препарата 50 мкл/дм3 обусловлена увеличением размера микробных агрегатов и увеличением доступности субстрата и кислорода, так как реагент Biokat P500 заявлен как комбинированный коагулянт и флоккулянт.

Данный факт, вероятно, связан с тем, что в процессе хлопьеобразования и взаимодействия с компонентами сточной воды с реагентом среда в агрегированных структурах насыщена субстратом и кислородом [15].

Далее было показано, что для дозировок реагента 75 и 100 мкл/дм3 характерна низкая эффективность процесса нитрификации. Очевидно, что реагент в дозировках 75 и 100 мкл/дм3 оказывает негативное действие на микробиоценоз активного ила, в частности, вследствие закисления среды (табл. 2).

Таблица 2 - Изменение pH раствора при различных дозировках реагента

Проба рН, ед.

Контроль 7,00

30 мкл/дм3 6,82

50 мкл/дм3 6,75

75 мкл/дм3 6,02

100 мкл/дм3 5,65

Известно, что оптимальным диапазоном для микроорганизмов активного ила являются значения рН в пределах 6,5 - 8,0, для нитрификации - от 7,5 до 8,5 [16]. Наиболее благоприятная реакция среды для аммонийокисляющих нитрификаторов соответствует рН от 7,2 до 8,5. При рН ниже 6,5 рост чистых культур автотрофных аммонийокислющих бактерий не отмечается.

Дисбаланс по азоту связанный с отсутствием соединений нитрит-ионов в системах с данными дозировками реагента, вероятно, связан с ранее обнаруженным фактом о снижении концентрации нитритов в сточной воде при применении реагента [9]. Подобные свойства реагентного препарата обусловлены его оригинальным составом, а именно наличием в составе железа в форме ферромагнетика [7].

Заключение

В результате проведенных экспериментальных исследований было показано, что применение реагента Biokat Р500 в дозировках выше 50 мкл/дм3 оказывает выраженное ингибирующее действие на активность микроорганизмов вследствие закисления среды ниже рН=6,02. Дозировка 75 мкл/дм3 приводит к снижению активности окислительно-восстановительных ферментов гетеротрофных и автотрофных аммонийокисляющих и нитритокис-ляющих микроорганизмов относительно контроля на 30%, 12% и 23%, соответственно; дозировка 100 мкл/дм3 - в среднем на 40%, 46% и 56%, соответственно.

Таким образом, выбор дозировки реагента 50 мкл/дм3 в качестве оптимальной обусловлен обеспече-

нием условий для эффективного удаления органических веществ, а также для процесса нитрификации.

Литература

1. Сорокина И. Д., Дресвянников А. Ф.. Синтез и оценка эффективности использования железо-алюминиевого коагулянта для очистки воды// Вестник Казан. технол. ун-та.2009№4. с.146-158

2. Долина Л.Ф., Очистка сточных вод от биогенных элементов: Монография, Континент, Днепропетровск, 2011, 198 с.

3. Жмур Н.С. Технологические и биохимические процессы очистки сточных вод на сооружениях с аэротенками / Н.С. Жмур. - М.: АКВАРОС, 2003. - 512 с.

4. Василенко Л.В. Методы очистки промышленных сточных вод: учеб. пособие / Л.В. Василенко, А.Ф. Никифоров, Т.В. Лобухина. - Екатеринбург: Урал. гос. ле-сотехн. университет, 2009. - 174 с.

5. Павлова Т. П. Интенсификация очистки сточных вод от фосфатов в биологических очистных сооружени-ях/Т.П. Павлова, Л.Ф. Галанцева, С.В. Фридланд // Вестник Казан. технол. ун-та.2011. № 18. с.134 -136.

6. Харькин С.В. Организация процессов удаления фосфора из сточных вод//Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение.2013№11.с.52-59.

7. Паспорт безопасности материала VTA Biokat P 500 / VTA Austria. - GmbH, 2013. - 8 с.

8. ПНД Ф 14.1:2.4-95. Количественный химический анализ вод. Методика выполнения измерений массовой концентрации нитрит-ионов в природных и сточных водах фотометрическим методом с салициловой кислотой: утв. Мин-во охраны окружающей среды и природных ресурсов РФ. - М., 1995. - 16 с.

9. ПНД Ф 14.1:2:4.4-95. Количественный химический анализ вод. Методика измерений массовой концентрации нитрат - ионов в питьевых, поверхностных и сточных водах фотометрическим методом с салициловой кислотой: утв. ФБУ Федеральный центр анализа и оценки техногенного воздействия. - М., 23.03.2011. - 18 с.

10. ПНД Ф 14.1:2.1-95. Количественный химический анализ вод. Методика выполнения измерений массовой концентрации ионов аммония в природных и сточных водах фотометрическим методом с реактивом Несслера: утв. Минприроды России. - М., 20.03.1995. - 22 с.

11. ПНД Ф 14.1:2.100-97 Количественный химический анализ вод. Методика выполнения измерений химического потребления кислорода в пробах природных и очищенных сточных вод титриметрическим методом.

12. Инструкция по лабораторному контролю очистных сооружений на животноводческих комплексах. Определение биогенных веществ. Анализ осадков ила: утв. Мин-ом сельского хозяйства СССР. - М., 1980. - 34 с.

13. Кобелева Й.В., Кирилина Т.В., Сибиева Л.М., Сирот-кин А.С., Оценка кислородного баланса в процессах совместной биологической и реагентной очистки сточных вод. / Вестник технологического университета. 2015, т.18, в.12, с.191-193

© Й. В. Кобелева, асп. каф. промышленной биотехнологии КНИТУ, ioldiz-ksu@mail.ru, А. С. Сироткин, д-р техн. наук, профессор, зав. каф. промышленной биотехнологии КНИТУ, asirotkin66@gmail.com; Т. В. Кирилина, канд. техн. наук, доц. той же кафедры, tvkirilina@gmail.com; Л. М. Сибиева - аспирант той же кафедры, liniza8@gmail.com; А. А. Гадыева, магистрант той же кафедры, gadyeva.alfia@gmail.com.

© Y. V. Kobeleva, Post-graduate student of the department of industrial biotechnology KNRTU, ioldiz-ksu@mail.ru, A. S. Sirotkin, Ph.D., Professor, Head of department of industrial biotechnology KNRTU, asirotkin66@gmail.com; T. V. Kirilina, Ph.D., assistant professor of the department of industrial biotechnology, KNRTU, tvkirilina@gmail.com; L. M. Sibieva - Post-graduate student of the department of industrial biotechnology KNRTU, liniza8@gmail.com; A. A. Gadyeva, master student of the department of industrial biotechnology KNRTU, gadyeva.alfia@gmail.com.