Совместная биологическая и физико-химическая очистка сточных вод с применением инновационного дефосфотирующего реагента. Часть 1. Оценка процесса дефосфотации 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 1.

ОЦЕНКА ПРОЦЕССА ДЕФОСФОТАЦИИ СТОЧНЫХ ВОД

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

Проведена комплексная оценка эффективности удаления соединений фосфора из сточной воды с его накоплением в активном иле с применением инновационного реагентного препарата VTA Biokat P500. В ходе экспериментальных исследований контролировали содержание минерального фосфора, а также фосфора ортофосфатов в сточной воде и в активном иле. Получены результаты о количестве удаленного фосфора из сточной воды и накопленного фосфора в активном иле при различных дозировках реагента.

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

The full assessment for efficiency of phosphor removal from wastewater also its accumulation in the active sludge by using the innovative reagent VTA Biokat P500 was conducted. In the experimental research the content of inorganic phosphor also orthophosphate in the waste water and in the active sludge simultaneously were controlled. The results on the amount of phosphor removed from the wastewater and the phosphorus accumulated in the active sludge with reagent in various doses were collected.

Введение

Известно [1,2], что биологическая очистка является малоэффективной для глубокого удаления фосфатов из сточных вод, в результате чего содержание фосфора в очищенных сточных водах достигает значительных величин и превышает установленные нормы для их регламентированного сброса в водоемы.

В коммунально-бытовые сточные воды фосфор может попадать двумя путями: из-за использования в составе моющих средств и как продукт метаболизма фосфора в организме человека [3].

Традиционно применяемые методы

дефосфотации сточных вод имеют ряд существенных недостатков, поэтому для эффективного удаления фосфора из сточных вод широко применяют реагентную обработку, последовательно дополняющую биологическую очистку, реализуемую до или после неё. В качестве реагентов используются коагулянты, например, Al2(SO4)3 или Fe(Cl)2, а также флоккулянты, такие как полиакриламид [4,5]. Наиболее перспективным в настоящее время является совместный во времени и в пространстве биологический и физико-химический метод удаления соединений фосфора из сточных вод (симультантная пресипитация) [6]. В связи с этим значительное внимание уделяется получению реагентов нового поколения. Одним из таких реагентов является продукт Biokat P 500 компании VTA Austria GmbH, рекомендованный для дефосфотации сточных вод и удаления взвешенных веществ. В отличие от традиционной последовательной физико-химической и биологической обработки сточных вод реагент Biokat P500 предполагает его внесение непосредственно в биологическую систему (активный ил) для получения максимального эффекта от его использования [7].

Целью данной работы являлось исследование совместного процесса биологической и физико-химической очистки сточных вод с применением реагентного препарата Biokat Р 500.

Задачами первой части работы являлись оценка эффективности процесса дефосфотации сточных вод и выявление путей трансформации соединений фосфора в системах биологической очистки сточных вод с применением реагента Biokat Р 500.

Объекты и методы исследований

В качестве объектов исследования выступали модельный раствор коммунально-бытовых сточных вод и реагентный препарат Biokat Р500.

В процессе экспериментальных исследований осуществлялся контроль содержания минерального фосфора, фосфора ортофосфатов и фосфор, накопленный в активном иле [8-10].

Постановка эксперимента

Периодическое культивирование проводилось в пластиковых емкостях объемом 2000 см3 при непрерывной аэрации системы очистки. Суспензию активного ила вносили в модельный раствор сточной воды в количестве 2 г/дм3 биомассы по сухому веществу [5]. В среду вносили реагент Biokat Р500 в количествах, обеспечивающих требуемую степень удаления фосфатов из сточных вод, а также определенных по результатам предварительных исследований. В качестве контроля выступала система без реагента.

Активный ил аэрировался в течение 4 часов, что соответствовало типовому времени пребывания коммунально-бытовой сточной воды в аэротенке.

Модельный раствор имел постоянный состав и готовился с учетом содержания важнейших макро- и микроэлементов (табл. 1).

Таблица 1 - Состав модельного раствора сточной воды

Компонент Количество, мг/дм

мн4а 40

К2НР04 15

Крахмал 50

Сахароза 125

Глицерин 50

В процессе экспериментальных исследований проводились измерения содержания соединений минерального фосфора, а также фосфора ортофосфатов в воде и в активном иле.

Результаты и их обсуждение

Реагент Вiokat Р500 заявлен как препарат для дефосфотации сточных вод и улучшающий седиментационные свойства активного ила. В его состав входят традиционные коагулянты и флоккулянты на основе солей железа и алюминия [7]. При его применении образуются прочные металлокомплексы, адсорбирующиеся на поверхности активного ила.

С увеличением дозировки применяемого реагента возрастает эффективность удаления фосфатов из сточной воды (рис. 1).

Рис. 1 - Содержание фосфора фосфат-ионов (в пересчете на молекулярный фосфор) в растворе при различных дозировках реагента

Дозировки реагентного препарата 30 мкл/дм3, 50 мкл/дм3, 75 мкл/дм3 и 100 мкл/дм3 обусловливают 63%, 74%, 77% и 92%-ю эффективность дефосфотации, соответственно.

Известно [11], что в составе коммунально-бытовых сточных вод фосфор может присутствовать в формах орто-, мета-, пиро- и полифосфатов.

Традиционно в очищенной сточной воде контролируют соединения фосфора в форме орто- и полифосфатов (минеральный фосфор) [12]. Результаты изменения концентрации фосфат-ионов и минерального фосфора представлены на рисунках 2 и 3.

Согласно полученным данным 50 мкл/дм3 реагента может связать в среднем 4,3 мг, 100 мкл/дм3 реагента - в среднем 5,4 мг фосфат-ионов (в пересчете на молекулярный фосфор) (рис. 2).

На рис. 3 представлены результаты изменения содержания минерального фосфора в процессе биологической очистки с применением реагента.

Рис. 2 - Изменение содержания фосфат-ионов (в пересчете на молекулярный фосфор) в процессе очистки модельного раствора сточных вод

Контроль 50 100 Дозировка реагента, мкл/дм5 Рис. 3 - Изменение содержания минерального фосфора (в пересчете на молекулярный фосфор) в процессе очистки модельного раствора сточных вод

По полученным экспериментальным данным рассчитано, что 50 мкл/дм3 реагента может связать в среднем 5,8 мг фосфора, 100 мкл/дм3 реагента - в среднем 6,8 мг фосфора (рис. 3).

Согласно полученным данным, при применении реагентного препарата Вiokat Р 500 из сточной воды удаляется только фосфор в форме ортофосфатов (рис. 1-3) [13]. Таким образом, данный препарат неэффективен для снижения концентраций других форм фосфора.

Результаты изменения содержания соединений фосфора в активном иле в процессе 4-х часового времени пребывания раствора сточных вод в аэротенке представлены на рис. 4.

Контроль 50 100

Дозировка реагента, мкл/дм3 Рис. 4 - Изменение содержания фосфора в активном иле в процессе очистки модельного раствора сточных вод

На основании результатов, представленных на рис. 4, можно сделать вывод, что увеличение дозировки реагента способствует большему накоплению фосфора в составе активного ила, что может быть объяснено переводом растворимых соединений фосфора в нерастворимые комплексы и их дальнейшего осаждением на хлопьях активного ила.

Из полученных данных (рис. 3-4) видно, что количество минерального фосфора, удаляемого из сточных вод с применением реагента Biokat Р 500, практически соответствует количеству фосфора, накопленному в активном иле [12]. При дозировке 50 мкл/дм3 извлечение фосфора из сточной воды составило 5,8 мг/дм3, а в активном иле накапливалось 5,3 мг/дм3 фосфора. При дозировке 100 мкл/дм3 извлечение фосфора из сточной воды составило 6,8 мг/дм3, а в активном иле накапливалось 5,4 мг/дм3 фосфора.

Очевидно, что увеличение дозировки реагента способствует накоплению соединений фосфора в активном иле из сточной воды [6]. Поскольку реагентный препарат имеет свойство накапливаться в системе, через некоторый промежуток времени это позволит уменьшить используемую дозировку, и как следствие, снизить затраты на реагент.

Заключение

Показано, что при применении реагентного препарата Вiokat Р500 из сточной воды удаляется фосфор в форме ортофосфатов. Реагент в дозировке 50 мкл/дм3 может связать (в пересчете на молекулярный фосфор) в среднем 4,3 мг фосфат-ионов, 100 мкл/дм3 реагента - в среднем 5,4 мг.

Установлено, что применение реагента способствует накоплению фосфора в составе активного ила. При дозировке 50 мкл/дм3 и 100 мкл/дм3 извлечение фосфора из сточной воды составило 5,8 мг/дм3 и 6,8 мг/дм3, а его накопление в активном иле - 5,3 мг/дм3 и 5,4 фосфора, соответственно.

Литература

1. Жмур Н.С. Технологические и биохимические процессы очистки сточных вод на сооружениях с

аэротенками / Н.С. Жмур. - М.: АКВАРОС, 2003. - 512 с.

2. Nielsen P.H. Daims H., Lemmer H.,FISH Handbook for Biological Wastewater Treatment. Identification and quantification of microorganisms in activated sludge and biofilms by FISH. London: IWA Publishing, 2009. 123 p.

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

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

5. Павлова Т. П. Интенсификация очистки сточных вод от фосфатов в биологических очистных сооружениях/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 14.1:2.112-97. Количественный химический анализ вод. Методика выполнения измерений массовой концентрации фосфат-ионов в пробах природных и очищенных сточных вод фотометрическим методом восстановлением аскорбиновой кислотой.

9. РД 52.24.382-2006. Массовая концентрация фосфатов и полифосфатов в водах. Методика выполнения измерений фотометрическим методом.

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

11. Разумовский Э.С., Залетова Н.А. Удаление биогенных элементов из городских сточных вод // Водоснабжение и санитарная техника. - 1991. - №6. - С.28-30.

12. Прикладная экобиотехнология: учебное пособие: в 2 т. Т.1 / А. Е. Кузнецов [и др.]. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010. - 629 с.: ил.

13. Кобелева, Й.В. Оценка влияния перспективного реагента VTA Biokat P500 на эффективность процесса биологической очистки сточных вод / Й.В. Кобелева, К.В. Шерстнева, Т.В. Кирилина, А.С. Сироткин, А. Буттингер, В. Лейнвебер // Вода: химия и экология, в. 10,2014, с. 95-100.

© Й. В. Кобелева, аспирант кафедры промышленной биотехнологии КНИТУ, ioldiz-ksu@mail.ru, А. С. Сироткин, доктор технических наук, профессор, зав. каф. промышленной биотехнологии КНИТУ, asirotkin66@gmail.com; Т. В. Кирилина, кандидат технических наук, доцент кафедры промышленной биотехнологии, КНИТУ, tvkirilina@gmail.com; Л. М. Сибиева -аспирант кафедры промышленной биотехнологии КНИТУ, liniza8@gmail.com; А. А. Гадыева, магистрант кафедры промышленной биотехнологии КНИТУ, 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.