ОСОБЕННОСТИ ПУСКА СООРУЖЕНИЙ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД В РЕЖИМАХ НИТРИФИКАЦИИ И ДЕНИТРИФИКАЦИИ

Полный текст

Сооружения биологической очистки сточных вод являются основным узлом для большинства очистных сооружений централизованной системы водоотведения городов и поселений. Традиционные аэротенки должны обеспечивать снижение загрязнений по органическим веществам. В настоящее время к очистным сооружениям предъявляются требования по удалению не только органических веществ, но и биогенных соединений. При биологическом удалении биогенных веществ удельная скорость нитрификации и денитрификации значительно ниже удельной скорости окисления органических веществ [1]. Пусковые работы на сооружениях биологической очистки сточных вод являются основой эффективной работы в стационарном режиме, так как именно в этот период происходит формирование активного ила, определяются оптимальные технологические режимы очистки сточных вод. При запуске новых систем очистки часто используют активный ил, привезенный с других действующих очистных сооружений [2]. Успешный ввод в строй таких сооружений требует формирования специфического микробного сообщества в короткие сроки [3]. Естественно выращенные биоценозы активного ила, используемые в биологических очистных сооружениях, обладают наилучшей сопротивляемостью нагрузкам и высокой скоростью окисления [4]. Для адаптации активного ила необходимо время, равное не менее трем его возрастам, для успешной нитрификации необходимо поддерживать возраст ила 15-20 суток, это значит, что он может сформироваться не менее чем через полтора месяца [5]. Время формирования адаптированного биоценоза и расчетной дозы активного ила может составить несколько месяцев до выхода на расчетные технологические показатели. Данная проблема связана со многими факторами: качественными и количественными характеристиками поступающих сточных вод, конструктивными особенностями сооружений. Для повышения концентрации активного ила в действующих сооружениях можно использовать контактные носители биомассы [6]. Ускорение процесса формирования биомассы активного ила как по качественным, так и по количественным показателям осуществляют внешним воздействием физических, химических и биологических факторов [7, 8]. Известно, что интенсификация биологических процессов очистки сточных вод возможна при воздействии на микроорганизмы ультразвука и электромагнитных полей [9]. Умеренное воздействие электрического поля стимулирует рост и жизнедеятельность микроорганизмов, осуществляющих Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 3 56 ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ биологическую очистку сточных вод, увеличивая окислительную способность органических веществ, находящихся в воде. Ультразвук небольшой интенсивности (3 Вт/см2) и частоты ультразвуковых волн (22 - 44 кГц) вызывают в контактных условиях степень увеличения дегидрогеназной активности ила до 70 - 100 %, удельной скорости потребления кислорода - 25 - 50 %, ускорения процесса биологического окисления субстрата - 50 - 80 % [10]. Одним из способов повысить эффективность биологической очистки сточных вод является подача озоно-воздушной смеси в аэротенк. Например, при концентрации озона 1 мг/л увеличивается степень очистки по БПК с 70 до 95 %. При подаче озоно-воздушной смеси в импульсном режиме (10-15 мин/ч) остаточная ХПК в 1,3 раза меньше, чем при обычной (воздушной), при одинаковом времени аэрации [11]. Добавление в иловую смесь небольших доз 3 % пероксида водорода с концентрацией на уровне 2·10-4 моль/л существенно изменяет физиологическое состояние активного ила в течение двух суток и способствует улучшению окислительной обстановки в системе, при которой микроорганизмы лучше усваивают кислород [12]. Для повышения аэробности системы и увеличения концентрации кислорода, особенно в темное время суток, целесообразно применять освещение светодиодами, закрепленными в аэрируемой зоне биореактора [13]. Красные и синие спектры света интенсифицируют активность активного ила и улучшают эффективность биологической очистки сточных вод. Ускорение выхода на расчетные режимы происходит при добавлении в иловую смесь биологически активного вещества (БАВ) - мелафен, который представляет собой меламиновую соль бис(оксиметил) фосфиновой кислоты и обладает высокой эффективностью и широким спектром действия при чрезвычайно низких концентрациях. При введении мелафена в концентрациях от 10-4 до 10-8 мг/дм3 в иловую смесь аэротенков, практически в течение суток установлена более высокая способность активного ила к оседанию и предупреждению явления его «вспухания» [14]. В настоящее время разработано большое количество биопрепаратов, ускоряющих процесс биологической очистки сточных вод [15, 16]. Это консорциумы микроорганизмов, выделенные методом накопительных культур обычно из активного ила аэротенков городских сооружений очистки сточных вод. Они используются для очистки сточных вод местного значения, например, в селах, дачных и коттеджных поселках, небольших поселках городского типа, мини-заводах и т. п. Биопрепараты, содержащие ограниченное число видов микроорганизмов, по спектру разлагаемых веществ уступают свежему активному илу. Однако они содержат быстро растущие штаммы, которые инициируют процессы разложения органических загрязнений. В нестерильном процессе развиваются также микроорганизмы, содержащиеся в отходах, и в микробное сообщество включаются недостающие звенья. Действие микроорганизмов биопрепаратов заключается в том, что в процессе своей жизнедеятельности они вырабатывают ферменты, которые способны расщеплять жиры, белки и другие сложные вещества органического происхождения на более простые органические вещества, которые легко разлагаются ими до углекислоты и простых соединений азота [17]. После добавления препарата возрастает концентрация микроорганизмов, а следовательно, и степень очистки. Клетки микроорганизмов иногда иммобилизуют на твердом дисперсном носителе, который может служить дополнительным источником азота и фосфора. Препараты содержат ассоциации 6-12 штаммов аэробных и факультативно анаэробных микроорганизмов, обеспечивающих комплексную очистку сточной воды от органических загрязнителей: жиров, белков, сложных углеводов и даже (специализированные) от нефтепродуктов. В качестве питательных элементов биопрепараты содержат соли азота и фосфора, которые стимулируют рост микроорганизмов и выработку микроорганизмами липолитических, амилазолитических, карбогидразных и других ферментов, максимально облегчающих разложение органики. Аналогичные биоактиваторы, но с несколько другим составом, применяются также при производстве компоста, в биотуалетах и т. п. В настоящее время препараты применяются для анаэробных, аноксидных и аэробных условий очистки сточных вод, для обработки осадка. Для разрушения различных сложных биологических материалов бактерии, как установлено в результате исследований, вырабатывают ферменты-энзимы, разлагающие крупные молекулы на простые. Технологии с ферментами эффективны для наращивания биомассы, деструкции определенных типов загрязнений. Особенно они эффективны при первоначальном пуске биологических очистных сооружений в условиях, когда нет возможности иметь посевного активного ила из работающих сооружений (большие расстояния, или вообще их отсутствие). В случае применения биопрепаратов выход на рабочий режим сооружений биологической очистки существенно сокращается. Выбор биопрепарата осуществляется в зависимости от состава сточных вод и выбранного режима работы очистных сооружений. Например, с целью интенсификации развития денитрифицирующих бактерий (уменьшения времени «выращивания» и развития бактериальной среды) был применен препарат Микропан R.N. производства компании Eurovix. Установлено, что применение биоактиватора позволяет ускорить процесс денитрификации. Время, необходимое для развития денитрифициру- Н. С. Серпокрылов, Е. В. Вильсон,л. А. Долженко, М. А. Саийд 57 Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 3 ющих бактерий и полного снижения концентрации нитрат-ионов с 13-15 до 1,0 мг/дм3, сократилось в 1,5 раза и составило 5 суток [15]. Такой большой выбор способов интенсификации биологической очистки ограничивается при пусконаладочных работах универсальностью и эффективностью применения при малых капитальных вложениях. Поиск и анализ вариантов выхода на рабочий режим систем биологической очистки сточных вод в кратчайшие сроки, особенно при реализации процессов нитрификации и денитрификации, является актуальной проблемой и требует более глубокого и детального изучения. Целью нашей работы являлось исследование возможности ускорения процесса формирования адаптированных илов для биологической очистки сточных вод в режимах нитрификации и денитрификации с помощью биолого-ферментных препаратов и электровоздействий. Выбор магнитного воздействия на микроорганизмы активного ила сделан исходя из достаточной простоты реализации данных устройств для обработки иловых систем в производственных условиях. Влияние магнитного поля способствует значительному увеличению скорости окисления органических и выделению биогенных веществ, снижению величины илового индекса в условиях образования разных симбиозов микроорганизмов. Для проверки влияния дополнительных физических и биохимических воздействий на процесс интенсификации биологической очистки вод в лабораторных условиях была сконструирована пилотная установка - модель биореактора с активным илом. Активный ил и поступающие сточные воды отобраны на действующих очистных сооружениях мкр. Суворовский г. Ростова-на-Дону. Состав поступающих сточных вод соответствовал среднеконцентрированным городским сточным водам. Анализ работы действующих очистных сооружений показал, что активный ил находится в неудовлетворительном состоянии [18]. В денитрификаторе сформирована восстановительная среда (анаэробиоз), непригодная для жизни аэробных бактерий. В зоне денитрификации аэробные бактерии находятся около 23 часов, следовательно, облигатные аэробы, к которым относятся нитрификаторы, погибают в таких условиях. Кроме того, в аэротенке такая окислительно-восстановительная обстановка также представляет угрозу для жизнедеятельности аэробных микроорганизмов. Из этого следует, что в сооружении биологической очистки сформировалось специфическое бактериальное сообщество, адаптированное к данным условиям, однако не приспособленное окислять органические вещества до остаточных концентраций по БПКп, равным 2-3 мг О2/л, и осуществлять процессы деазотизации. Исследования проводились в два этапа. На первом - изучали влияние биолого-ферментных препаратов и омагничивания на окислительно-восстановительные свойства иловых смесей в пилотных моделях биореакторов. Оценка условий биотрансформации загрязнений проводилась по окислительно-восстановительному потенциалу (ОВП), поскольку он является экспрессным и достоверным показателем режимов нитрификации и денитрификации [19]. Пилотная установка состояла из 8 моделей биореакторов, в каждом из которых создавались особые условия воздействия на иловую смесь. Иловая смесь отбиралась из реальных очистных сооружений, находящихся в режиме пусконаладки технологической схемы: нитрификация с предшествующей денитрификацией. В качестве добавок применялись биолого-ферментные препараты Би-ХЕМ Цесклин и Bacti-Bio 9500, которые используются на практике для быстрого образования эффективной биомассы и, соответственно, деструкции органических загрязнений [20]. Биопрепарат Би-ХЕМ Цесклин состоит из трофически увязанной смеси штаммов бактерий, активных в условиях минимального присутствия кислорода, что соответствует аноксидным и анаэробным условиям. Каждая популяция сообщества культивировалась в специальных условиях, собрана и сохранена при определенных температурных и влажностных характеристиках. Биопрепарат Bacti-Bio 9500 представляет собой гранулированный бактериальный концентрат для полного и интенсивного разложения органических веществ и осадков [21]. Биопрепарат создан на основе ферментов, поверхностно-активных веществ (ПАВ) и высокоактивных микроорганизмов, способных разлагать углеводороды, жиры, белки и углеводы (в том числе крахмал и целлюлозу). Биопрепарат содержит смесь специальных анаэробных и аэробных штаммов микроорганизмов. Выбор биопрепаратов определялся тем, что после их пуска сооружения биологической очистки должны работать в режиме нитрификации и денитрификации. Наложение электромагнитного поля осуществлялось различными способами: постоянными магнитами, а также магнитными лентами, постоянное освещение осуществлялось с помощью светодиодов, аэрация моделей производилась воздухом через керамические аэраторы. Усредненные показатели ОВП режима работы биореакторов за 14 суток наблюдений приведены в табл. 1. Контроль эмиссии газов от модельных биореакторов показал, что при аэробном окислении происходит выделение диоксида углерода СО2, по количеству которого возможно судить о потреблении кислорода активным илом и, соответственно, о степени деструкции загрязнений, т. е. его окислительной способности (рис. 1). Интенсивность аэрации в моделях биореакторов находилась в пределах нормативных величин, Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 3 58 ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ Таблица 1 Усредненные показатели режима биореакторов при воздействии на биомассу различных факторов № модели Описание внешнего фактора рН T, 0C ОВП, мВ 1 Добавление биопрепарата Би-ХЕМ Цесклин 8 23 180 2 Добавление препарата Bacti-Bio 9500 8 23 60 3 Добавление смеси биопрепаратов Би-ХЕМ Цесклин и Bacti-Bio 9500 8 23,5 70 4 Воздействие постоянного магнитного поля 8 23 -30 5 Воздействие узкой магнитной ленты 8 23,5 -30 6 Воздействие широкой магнитной ленты 8,5 25 170 7 Воздействие постоянного освещения 8 23,9 -10 8 Контрольный образец (только аэрация воздухом) 8 23,5 200 Рис. 1. Сравнительный график окислительно-восстановительного потенциала биореакторов (еН) с подачей кислорода воздуха для моделей 1-8 (ряды 1-8) Рис. 2. Сравнительный график окислительно-восстановительного потенциала биореакторов без подачи кислорода воздуха для моделей 1-7 (ряды 1-7) Н. С. Серпокрылов, Е. В. Вильсон,л. А. Долженко, М. А. Саийд 59 Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 3 в то же время она не должна быть ниже определенного предела, чтобы обеспечить поддержание активного ила во взвешенном состоянии независимо от его потребности в кислороде. Минимальная интенсивность лежит в пределах 48 м3/(м2ч) при глубине погружения аэратора ha = 0,5 м и 2,5 м3/(м2 ч) - при ha = 6 м. С другой стороны, интенсивность аэрации не должна превышать определенных значений, так как из-за повышенного содержания воздуха в жидкости фактическая эффективность аэрации понизится по сравнению с расчетными ее значениями. Следует отметить, что бактерии, входящие в состав биопрепаратов, по своему происхождению относятся к факультативно аэробным микроорганизмам, т. е. могут работать в условиях низкой концентрации растворенного кислорода (рис. 2), иными словами, деструкцию загрязняющих веществ можно проводить без постоянной подачи кислорода, но в присутствии освещения и препарата Би-ХЕМ Цесклин (ряд 1). Из анализа графиков (рис. 1 и 2) следует, что биопрепараты, предназначенные для нитрификации, работают в аэробных условиях и успешно применяются как в жидкой среде, так и в осадках и илах, возникающих в отстойниках и модифицированных узлах очистных сооружений в зоне высоких значений окислительно-восстановительного потенциала при аэробном режиме. При постоянном освещении и без подачи кислорода воздуха идет процесс денитрификации, о чем свидетельствуют отрицательные величины окислительно-восстановительного потенциала. На втором этапе исследований оценивалась эффективность биологической очистки сточных вод под воздействием биопрепарата Bacti-Bio 9500 на моделях биореакторов в режимах нитрификации и денитрификации. Навеска 1,5 (+/- 0,01) г препарата растворяется в 0,25 л водопроводной воды, т. е. концентрация равна 6 г/л. В модель биореактора объемом 1 л (1000 мл) вносится 60 или 120 мг препарата, что составляет концентрацию 60 и 120 мг/л соответственно. Периодичность внесения биопрепарата - один раз в 3-4 суток, при снижении ОВП обрабатываемых вод. Освещение светодиодами синим и красным цветом солнечного спектра велось круглосуточно. Характеристика моделей биореакторов: 1 - денитрификатор с периодическим перемешиванием и нитратным рециклом без введения биопрепаратов; 2 - нитрификатор с аэрацией без введения биопрепаратов (аэратор Min jiung BL 758, расход воздуха - 3 л/мин); 3 - денитрификатор с ежедневной подачей 100 мл сточной воды после нитрификатора и периодическим перемешиванием с введением биопрепарата; 4 - нитрификатор с аэрацией, с подачей 100 мл воды из денитрификатора - с введением биопрепарата 1 (аэратор, Barbus 108 SB, расход воздуха - 3 л/мин). После 14 суток наблюдений из биореакторов отбирались пробы по 500 мл вод из каждого на анализ в аккредитованную лабораторию. Показатели очистки сточных вод при воздействии синего и красного цвета спектра с использованием биолого-ферментного препарата Bacti-Bio 9500 приведены в табл.2. Если вычесть из значений ХПК во взболтанной пробе (табл. 2) показатели в отстоенной, то получим концентрацию биомассы по сухому веществу. Тогда концентрация биомассы без введения биопрепарата составляет, г/л: в ДНФ - 1,45, в НФ - 1,04; соответственно с введением: в ДНФ - 1,12, в НФ - 0,97. Это указывает на тот факт, что в режиме очистки сточных вод с введением биопрепарата объем избыточной биомассы меньше, чем без введения, %: в ДНФ (1,12/1,45) - на 23, в НФ - на 7. В итоге уменьшатся требуемые площади и эксплуатационные расходы на стабилизацию и обезвоживание биомассы. Выводы. 1. Рассмотрены физические, химические и биологические способы интенсификации работы сооружений биологической очистки сточных вод. Показано, что при наращивании активного ила в период пуска сооружений биологической очистки имеются свои особенности, и наиболее перспективным является применение биотехнологических методов, основанных на использовании биолого-ферментных препаратов. 2. Эксперимент, проведенный в полупроизводственных условиях на пилотной установке, показал, Таблица 2 Выборочные усредненные показатели очистки сточных вод с использованием биолого-ферментного препарата Bacti-Bio 9500 Показатели качества сточных вод после очистки Без биопрепарата С добавлением биопрепарата ДНФ НФ ДНФ НФ ХПК, взболтанная проба 1614 1100 1215 1058 ХПК, отстоенная проба 167 62 98 90 NH4 +, мг/л 61.6 72 4,84 5,5 NO3 -, мг/л 1,3 0,4 60 70 РО4 3-, мг/л 11 7,7 0,7 0,26 ОВП, мВ - 60 80 - 120 100 Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 3 60 ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ что выбранные биолого-ферментные препараты Би- ХЕМ Цесклин и Bacti-Bio 9500 применимы в режимах нитрификации и денитрификации, так как работают в условиях подачи кислорода и без подачи. Такой прием может быть использован на смешанных илах в аноксидно-аэробных условиях. 3. Эффективность очистки сточных вод с использованием биолого-ферментного препарата Bacti-Bio 9500 в полупроизводственных условиях за 14 суток с момента запуска установки составила в денитрификаторе по трудноокисляемым органическим веществам около 25 %, в нитрификаторе происходит глубокая нитрификация, снижение азота аммонийного с 72 до 5,5 мг/л. Отмечено снижение фосфатов с 7,7 до 0, 26 мг/л; уменьшаются объемы избыточной биомассы в денитрификаторе на 23 %, в нитрификаторе - на 7 % . Результаты проведенной работы показали возможность формирования адаптируемого активного ила с использованием биолого-ферментных препаратов в кратчайшие сроки и использованы с положительным эффектом при пуске производственных очистных сооружений суточным расходом 2000 м3/ сут, время пуска составило 18 суток.

Об авторах

Николай Сергеевич СЕРПОКРЫЛОВ

Донской государственный технический университет

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Елена Владимировна ВИЛЬСОН

Донской государственный технический университет

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Лидия Алексеевна ДОЛЖЕНКО

Донской государственный технический университет

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Марам Али САИЙД

Донской государственный технический университет

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Список литературы

Дополнительные файлы