Results of the application of aerobic thermophilic microorganisms for wastewater purification of the oil extraction industry

Full Text

Сточные воды маслоэкстракционных заводов характеризуются значительными концентрациями загрязнений (до 4800 мг/л по ХПК) и высокой температурой (до 55 °С). На данный момент очистка данной категории сточных вод осуществляется с охлаждением стоков разбавлением, что является экономически нецелесообразным.

Поэтому для эксперимента в аэробных условиях был выбран биоценоз микроорганизмов в составе биопрепаратов «Русский богатырь» с рабочим диапазоном температур от 5 до 55 °С (по данным производителя).

Эксперимент был проведен в лабораторном реакторе периодического действия (SBR) на сточных водах ООО «БоМЭЗ» с. Богатое при температуре сточных вод 23−25 °С и концентрации растворенного кислорода в реакторе 5−7 мг/л. Первый режим − время пребывания 4,79 сут, расход 1 л/сут; второй режим − 3,21 сут, расход 1,5 л/сут. Концентрация органических загрязнений исходной воды по ХПК в течение эксперимента изменялась от 498 до 440 мг/л. На первом режиме работы установки ХПК очищенной воды составляла в среднем для биопрепарата № 4 – 177 мг/л и для биопрепарата № 5 – 189 мг/л. На втором режиме в среднем получено ХПК очищенной воды для биопрепарата № 4 – 117 мг/л и для биопрепарата № 5 – 113 мг/л (рис. 1).

 

Рис. 1. Динамика изменения концентрации органических веществ по ХПК в лабораторном SBR

 

Средняя эффективность очистки органических веществ по ХПК при применении биопрепарата № 4 составила: 1-й режим – 64 %, 2-й режим – 73 %. При применении биопрепарата № 5: 1-й режим – 61 %, 2-й режим – 74 %. Эффективность очистки по жирам составила 100 % при концентрации жира в исходной сточной воде 14 мг/л.

На рис. 2 и 3 показано, что микроорганизмы в составе биопрепаратов хорошо закрепляются на загрузке.

 

Рис. 2. Биомасса, образованная при применении биоценоза микроорганизмов в составе биопрепарата «Русский Богатырь № 4» при температуре до 25 °С

 

Рис. 3. Биомасса, образованная при применении биоценоза микроорганизмов в составе биопрепарата «Русский Богатырь № 5» при температуре до 25 °С

 

Было проведено микроскопирование при 25 °С, которое подтвердило прирост иммобилизованной чистой культуры и развитие бактериального активного ила при использовании биопрепарата «Русский богатырь № 4» (рис. 4) и «Русский богатырь № 5» (рис. 5), однако бактериальный ил последнего был скудным.

 

Рис. 4. Структура образованной биомассы и организмы (notommata ansata, litonotus lamella), присутствующие при применении биопрепарата «Русский Богатырь № 4» при температуре 25 °С и увеличении 180×

 

Рис. 5. Структура образованной биомассы и организмы (litonotus lamella), присутствующие при применении биопрепарата «Русский Богатырь № 5» при температуре 25 °С и увеличении 180×

 

В конце лабораторного эксперимента был рассчитан прирост биомассы в SBR. Прирост общей биомассы в реакторе при введении биопрепарата «Русский Богатырь № 4» за 10 дней составил в среднем 0,24 г/л, что подтвердило перспективность его применения для биологической очистки. При использовании биопрепарата «Русский Богатырь №5», напротив, наблюдалось снижение общей биомассы, что коррелирует с фото на рис. 2 и 3.

При повышении температуры сточных вод до 45 °С в биореакторе с биокультурой «Русский Богатырь № 4» наблюдалось отсутствие бактериального ила и активный рост иммобилизованной биокультуры, также имело место заполнение сот ББЗ (рис. 6).

 

Рис. 6. Биомасса, образованная при использовании биопрепарата «Русский Богатырь № 4» при температуре 45 °С

 

Сравнение микроскопирования полученного биоценоза (рис. 7) и пищевых дрожжей (рис. 8) демонстрирует их идентичность, что дает возможность предположить, что биопрепарат имеет в своем составе одноклеточные низшие грибы.

 

Рис. 7. Микрокопирование биомассы при применении биопрепарата «Русский Богатырь № 4» (45 °С, увеличение 10×)

 

Рис. 8. Микрокопирование пищевых дрожжей (45 °С, увеличение 10×)

 

Исследования на пилотной установке проводились на территории маслоэкстракционного завода АО «Самараагропромпереработка» п.г.т. Безенчук в период с 30.06.2021 г. по 30.10.2021 г. Первоначально время пребывания в установке составляло 3 ч – режим 1. За весь период наблюдения температура поступающих сточных вод изменялась от 40 до 59 °С, концентрация растворенного кислорода в реакторе находилась в диапазоне от 0,34 до 2,31 мг/л. Концентрация жира в поступающих сточных водах изменялась от 22 до 198 мг/л, в среднем − 90 мг/л, в очищенных сточных водах – находилась в пределах от 2 до 48 мг/л, в среднем – 21 мг/л. Эффективность очистки по жирам составила 77 %. Содержание органических загрязнений по ХПК в исходной сточной воде изменялось от 226 до 728 мг/л, в среднем − 401 мг/л, в очищенной сточной воде – от 68 до 266 мг/л, в среднем – 164 мг/л. Эффективность очистки по ХПК достигала 60 % .

Во втором режиме время пребывания в установке было увеличено до 20 ч. Концентрация жиров в исходных сточных водах изменялась от 268 до 494 мг/л, составляла в среднем 395 мг/л, в очищенных сточных водах – от 4 до 43 мг/л, в среднем – 16 мг/л (рис. 9), эффективность очистки в среднем достигла 96 %. Концентрация органических веществ по БПК₅ в исходной сточной воде изменялась от 768 до 1532 мг/л, в среднем − 1035 мг/л, в очищенной сточной воде – от 68 до 192 мг/л, в среднем – 133 мг/л (рис. 10), эффективность очистки составила в среднем 87 %. ХПК исходных сточных вод изменялась от 883 до 4816 мг/л, в среднем − 2278 мг/л, в очищенной сточной воде – от 168 до 489 мг/л, в среднем − 279 мг/л, эффективность очистки в среднем составила 88 %.

 

Рис. 9. Динамика изменения концентрации жиров при продолжительности пребывания в пилотной установке 20 ч

 

Рис. 10. Динамика изменения БПК5 при продолжительности пребывания в пилотной установке 20 ч

 

Обработка результатов проведенных исследований на пилотной установке в широком диапазоне температур позволила определить температурную константу χ по уравнению Вант-Гоффа [1] для основных загрязняющих компонентов. Для жира χ составила 0,0478 °С^-1, для БПК₅ – 0,0496 °С^-1, для ХПК – 0,046 °С^-1 (рис. 11−13).

 

Рис. 11. Зависимость объемной скорости окисления по жирам от температуры

 

Рис. 12. Зависимость объемной скорости окисления по БПК5 от температуры

 

Рис. 13. Зависимость объемной скорости окисления по ХПК от температуры

 

Из графиков видно, что объемная скорость возрастает до 53 °С и описывается уравнением Вант-Гоффа, после 53 °С скорость падает, что соответствует данным производителя.

Результаты пилотного эксперимента позволили определить объемные скорости окисления диктующих компонентов (жиры, БПК₅, ХПК) от их концентрации в очищенной воде. С помощью полученных температурных констант эти значения были приведены к температуре 40 °С (принята за стандартную).

Получено, что кинетика окисления жиров и органических загрязнений по БПК₅ описывается уравнением Михаэлиса-Ментен, а кинетика снижения ХПК – модифицированным уравнением с наличием инертной составляющей [2]. Кинетические зависимости вместе с соответствующими уравнениями представлены на рис. 14−16.

 

Рис. 14. Кинетика окисления жиров

 

Рис. 15. Кинетика окисления органических веществ по БПК₅

 

Рис. 16. Кинетика окисления органических веществ по ХПК

 

Методом линеаризации – двойных обратных величин, были определены кинетические константы V_max и К_m для каждого из загрязнений [3, 4] (табл. 1).

 

Таблица 1. Значения кинетических констант процессов биологической очистки сточных вод предприятий маслоэкстракционного производства

Показатель	Жиры	БПК5	ХПК
Vmax, мг/(л·ч)	55,0	333,0	500,0
Кm, мг/л	51,0	217,0	553,0
χ, °С-1	0,0478	0,0496	0,046
Si, мг/л	−	−	52,0

 

Полученные температурные константы близки по значению, что позволяет применить среднее значение χ для всех показателей (0,048 °С^-1) для данного вида сточных вод.

Рекомендуемая технологическая схема сооружений представлена на рис. 17.

 

Рис. 17. Принципиальная схема биологической очистки сточных вод маслоэкстракционного производства: 1 − производственные сточные воды; 2 – жироуловитель; 3 – усреднитель; 4 – биореактор; 5 – отстойник; 6 − бак дозирования биопрепарата; 7 – воздуходувка

 

Расчет систем биологической очистки сточных вод с применением аэробных термофильных микроорганизмов основан на разработанной ранее методике [5−7] и полученных в ходе пилотного эксперимента значениях кинетических констант (см. табл. 1). Производительность очистных сооружений была принята 800 м³/сут (33 м³/ч) аналогично предприятию, на сточных водах которого проводился эксперимент. Расчет был выполнен на температуру 45 ^оС (среднесуточная температура в течение года) и концентрацию растворенного кислорода 1,5 мг/л.

Применив полученные в ходе эксперимента константы, объемная скорость окисления органических веществ V с учетом влияния температуры, при конкретном качестве очистки воды, определяется по формулам:

$V_{ЖИР, БПК}=\frac{V_{\text{ max}\left(ЖИР,БПК\right)}{\left[ЖИР, БПК\right]}_{вых}{e}^{\chi \left(t-t_{ст}\right)}}{\left(\left[ЖИР, БПК\right]+K_{m ЖИР,БПК}\right)},\left(1\right)$

 

$V_{ХПК}=\frac{V_{\text{ max}\left(ХПК\right)}\left[ХП{К}_{вых}-S_i\right]e^{\chi \left(t-t_{ст}\right) }}{\left(\left[ХПК-Si\right]+K_{m ХПК}\right)},\left(2\right)$

Продолжительность окисления органических веществ T, ч, в аэробной зоне может быть определена по формуле

$Т=\frac{\left[ЖИР,БПК,ХПК\right]вход-\left[ЖИР,БПК,ХПК\right]вых{.}_{.}}{{\text{V}}_{\text{жир,БПК,ХПК}}}$. (3)

Результаты расчета представлены в табл. 2. Лимитирующим показателем для расчета аэрационного сооружения, т. е. загрязнением, требующим более длительной очистки, оказались жиры.

 

Таблица 2. Результаты расчета биореактора для достижения норм сброса в сети города

Показатель	Жиры	БПК5	ХПК
Концентрация в исходной сточной воде, мг/л	400	1200	1500
Концентрация в очищенной воде, мг/л	50,0	300,0	500,0
Объемная скорость окисления V, мг/(л·ч)	34,61	248,10	223,78
Продолжительность аэрации Т, ч	10,1	3,6	4,3

 

При расчетной продолжительности пребывания 10,1 ч и достижении норм сброса по жирам процесс окисления органические вещества по БПК₅ и ХПК будет проходить глубже (табл. 3).

 

Таблица 3. Результаты расчета при времени пребывания Т = 10,1 ч для достижения норм сброса в сети городской канализации

Показатель	Жиры	БПК5	ХПК
Концентрация в очищенной воде, мг/л	50,0	76,0	220,0
Объемная скорость окисления, V, мг/(л·ч)	34,61	110,99	146,63

 

Объем аэрационного сооружения рассчитывается по формуле

V_аэр = q_расч · T. (4)

Технико-экономическое сравнение выполнено для двух вариантов нового строительства сооружений очистки сточных вод для условий маслоэкстракционного завода АО «Самараагропромпереработка»:

вариант 1 – биологическая очистка в биореакторах с иммобилизованным на ББЗ биоценозом аэробных термофильных микроорганизмов;

вариант 2 – физико-химическая очистка с охлаждением поступающих сточных вод до 25 °С и последующая доочистка фильтрованием и сорбцией.

Состав исходных и очищенных сточных вод по основным загрязнениям принят в соответствии с табл. 2. Концентрация биогенных элементов в исходной сточной воде, мг/л: азот аммонийный – 7,8, азот нитратов – 2,35, фосфор фосфатов – 0,57.

Сооружения механической очистки приняты одинаковыми для обоих вариантов и в расчете не учитывались. В сравниваемых вариантах приняты установки обезвоживания осадка до влажности 80 %. В варианте 1 количество задерживаемой биопленки по сухому веществу принято равным количеству дозируемого биопрепарата.

Технико-экономическая целесообразность применения предложенных схем очистки сточных вод осуществлена на основании расчета стоимости жизненного цикла (СЖЦ) (табл. 4). Данный анализ систем биологической очистки был выполнен по методике, разработанной В.И. Баженовым и Н.А. Краснощековой [7]. Согласно ГОСТ Р 58785-2019 с изменением №1, стоимость жизненного цикла определяется по формуле

$\text{СЖЦ}={\sum }_{t_1}^n\frac{КАПИТ\left(C_{ic}^{3+c}+C_{ic}^{ПР}+C_{ic}+C_{in}\right)}{{\left(1+r\right)}^n}+$${\sum }_{t_2}^n\frac{ЭКСПЛ\left(C_e+C_0+C_m+C_s+C_{env}\right)}{{\left(1+r\right)}^n}$, (5)

где КАПИТ(С_ic^з+c + С_ic^ПР + С_ic + С_in) – сумма капитальных затрат, тыс. руб.: С_ic^з+c – приобретение земельного участка; С_ic^ПР– проектные работы; С_ic – оборудование; С_in – монтаж и пусконаладочные работы; ЭКСПЛ(С_e + С_o + С_m + С_s + С_env) – сумма эксплуатационных затрат, тыс. руб.: С_e– стоимость электроэнергии; С_o – фонд оплаты труда (ФОТ); С_m – затраты на замену оборудования, текущий ремонт, прочие расходы, реагенты; С_s – потери от простоя; С_env – затраты на охрану окружающей среды; C_d – затраты на вывод объекта из эксплуатации; n – расчетный период, лет; r – ставка дисконтирования, доли ед.; t₁, t₂ – начало капитальных и эксплуатационных затрат, годы.

 

Таблица 4. Стоимость жизненного цикла, тыс. руб.

Показатель	Обозначение	Вариант 1 Биореактор + отстойник, 45 °С	Вариант 2 ФХО+ сооружения доочистки, ٢٥ °С
Сумма капитальных затрат	Сi	23 145, 69	51 339,49
Стоимость электроэнергии	Се	58 702, 25	53 290, 91
Текущие затраты (ФОТ)	Со	38 030, 42	38 030, 42
Замена оборудования, текущий ремонт, реагенты	Сm	67 185,22	100 881,87
Охрана окружающей среды	Сenv	376, 24	712, 87
Σ эксплуатационных затрат		164 294, 14	192 916, 08
Итого:	СЖЦ	187 439, 83	244 255, 58
Экономический эффект	∆ СЖЦ	56 815, 74
Стоимость ١ м3, руб./м3		25,68	33,47

 

Из табл. 4 следует, что наилучшим вариантом оказался первый – биологическая очистка с применением биоценоза аэробных термофильных микроорганизмов. Сумма финансирования по данному варианту, с учетом инвестирования на этапе строительства и 25-летней эксплуатации, меньше, чем по второму варианту, на 56,8 млн. руб.

Выводы.

1. Результаты сравнительных исследований на лабораторной установке SBR по очистке сточных вод ООО «БоМЭЗ» с. Богатое показали что средняя эффективность снижения ХПК при применении биоценоза микроорганизмов биопрепарата № 4 составила 68,6 % (с 469 до 147 мг/л), а для биопрепарата № 5 (с 469 до 151 мг/л) − 67,8 %.
2. Микрокопирование биомассы биореактора, в который был введен биопрепарат термофильных микроорганизмов, показало, что при температуре от 25 до 35 ^оС идет развитие бактериального активного ила и биоценоза микроорганизмов в составе биопрепарата (симбиоз), а при температуре от 35 до 55 ^оС биоценоз представлен только одноклеточными низшими грибами.
3. Исследования, проведенные на пилотной установке на сточных водах АО «Самараагропромпереработка» п.г.т. Безенчук, позволили определить основные кинетические константы биологической очистки сточных вод маслоэкстракционного производства с применением аэробных термофильных микроорганизмов: температурная константа χ составила 0,048 град^-1; максимальная скорость окисления V_max органических загрязнений по ХПК составила 500 мг/(л^.ч), K_m – 553 мг/л, S_i – 52 мг/л; по БПК₅ V_max – 333 мг/(л^.ч), K_m – 217 мг/л; для жиров V_max − 55 мг/(л^.ч), K_m – 51 мг/л.
4. Технико-экономическое сравнение предлагаемой технологии и существующей схемы с охлаждением, физико-химической очисткой и доочисткой показало экономическую целесообразность применения биологической очистки с иммобилизованными термофильными микроорганизмами. Экономический эффект, определенный по стоимости жизненного цикла 25 лет для очистных сооружений производительностью 800 м³/сут, составил 56,8 млн. руб., себестоимость очистки сточной воды по данному варианту – 25,68 руб./м³.

About the authors

Alexander K. Strelkov

Samara State Technical University

Email: a19400209@yandex.ru

Doctor of Engineering Science, Professor of the Watter Supply and Wastwater Chair

Russian Federation, Samara State Technical University; Academy of Civil Engineering and Architecture

Sergey V. Stepanov

Samara State Technical University

Email: a19400209@yandex.ru

Doctor of Engineering Science, Professor of the Water Supply and Sanitation Chair

Russian Federation, Samara; Samara

Ksenia M. Morozova

LLC “Trading House “EKOLOS”

Email: morozova06@inbox.ru

PhD in Engineering Science, Scientific Consultant

Russian Federation, Samara

Anastasya O. Bazarova

Samara State Technical University

Author for correspondence.
Email: bystranova14@mail.ru

Postgraduate Student of the Watter Supply and Wastwater Chair

Russian Federation, Samara; Samara

References

Supplementary files