Сточные воды свинокомплексов характеризуются присутствием большого количества взвешенных веществ и сложных органических соединений, которые относятся в классу трудноокисляемых и, следовательно, требующих длительного времени для биодеструкции [1, табл.40]. После задержания грубодисперсных примесей применение анаэробного биореактора на первой ступени узла биологической очистки позволяет снизить нагрузку на аэрационные сооружения второй ступени очистки. Кроме того, в сточных водах снижается общая токсичность, что позволяет значительно увеличить удельную скорость окисления в аэрационных сооружениях. Это связано с тем, что сложные органические соединения в анаэробном реакторе подвергаются четырем стадиям разложения [2]. На первой стадии жиры, углеводы, липиды, протеины в процессе гидролиза расщепляются до жирных кислот, сахаров и аминокислот. На второй стадии в процессе ацитогенеза эти соединения разлагаются до низкомолекулярных органических соединений, спиртов и альдегидов. Как правило, эти соединения уже не относятся к токсичным веществам и могут быть далее направлены на доочистку в аэрационные сооружения, если объемы сточных вод не превышают 300 м3/сутки. Если объемы сточных вод более 300 м3/сутки, но менее 1000 м3/сутки, то необходимо проводить дальнейшее окисление в биореакторе до уксусной кислоты. Однако здесь необходимо учитывать, что одновременно образуется и молекулярный водород. На больших объемах сточных вод, как правило, используется и четвертая стадия – метаногенез, позволяющая получать метан, который направляется на сжигание.
Все стадии ферментативного разложения тесно взаимосвязаны и поэтому при выполнении проекта требуется четкое понимание особенностей классов органических загрязнений, характерных именно для данных сточных вод. При проектировании анаэробных биореакторов в технологической схеме очистки свинокомплексов необходимо учитывать суточную нагрузку по величине БПК5 на беззольное вещество всей биомассы, то есть иммобилизованного и свободноплавающего биоценоза. На второй ступени очистки и доочистки применение аэрационных сооружений являются гарантами получения значений контролируемых показателей на нормативном уровне.
Опыт эксплуатации анаэробных биореакторов показал, что нагрузка не должна превышать qi ≤ 260 мг БПКполн/(гила. сут.):
Концентрация свободноплавающего активного ила в аэротенке, работающего после биореактора на второй ступени в режиме доочистки, в зависимости от температурного режима в биореакторе меняется от 1,8 г/дм3 до 3,0 г/дм3. При проектировании следует принимать величину аi= 2,0 г/дм3, так как на территории России зимний период около 6 месяцев, а биореакторы строятся в основном на открытых площадках. Кроме того, в аэротенках используется биозагрузка «Водоросль», которая способствует максимальному закреплению биоценоза с возрастом до 8 суток, который характеризуется низкими значениями плотности ρ1,1г/см3 и зольности S 15-18%.
- II. Постановка задачи. Целью исследований являлось определение оптимального времени создания активных ассоциатов синтрофных бактерий и метаногенных архей для проведения анаэробного процесса биохимической деструкции коллоидных агломератов, присутствующих в сточных водах свинокомплексов.
III. Результаты исследований.
На первом этапе исследований необходимо было определить интервал значений величины БПК5 в воде, выходящей из биореактора, в зависимости от температуры поступающих сточных вод. Влияние температуры на эффективность очистки в биореакторе, работающем на первой стадии технологической схемы биодеструкции сложных органических веществ, представлены на рис. 1, 2.
Рисунок 1. Автоматическая запись изменений показателя температуры сточных вод, поступающих в распределительную чашу биореактора
Рисунок 2. Автоматическая запись изменений показателя БПК5 сточных вод, выходящих из биореактора, и поступающих на вторую стадия очистки в аэрационном сооружении
Полученные результаты показывают, что при температуре воды в биореакторе 25-30 получается достаточно стабильный результат величины БПК5 в выходящей воде на уровне 60-75 мг/дм3. Подогрев воды до температуры 32-35 позволяет повышать эффективность биоразложения и снижать величину БПК5 очищенной воды до 25-40 мг/дм3.
Снижение температуры в распределительной чаше ниже 20 и отсутствие подогрева воды приводит к падению суммарной активности биомассы по всей технологической цепочке биореактор-аэротенк-вторичный отстойник на 40-54%. Но увеличение линейной скорости потока с помощью рецикла жидкости в 3 раза позволяет восстановить активность биоценоза.
Для увеличения эффективности процесса конверсии органических веществ, особенно находящихся в коллоидном состоянии, была использована методика последовательного подключения UASB-реакторов, позволившая разделить стадии биодеструкции. Одновременно это позволило создать более благоприятные условия для наращивания и развития биомассы синтрофных и метаногенных микроорганизмов, активность которых лимитирует эффективность очистки в биореакторе. Контроль проводился по показателям БПК5 и редокс-потенциалу (табл. 1).
Таблица 1.
Значения показателей БПК5 и Eh вод, выходящих из анаэробного реактора
|
№ п/п |
Время биообрастания,
сутки |
БПК5 очищенной воды, мг/дм3 |
Eh воды, мВ |
| 1 | Свободноплавающий биоценоз | 200…280 | — 70…(-80) |
| 2 | первые сутки | 190…220 | — 75…(- 85) |
| 3 | вторые сутки | 160…180 | — 75…(- 85) |
| 4 | третьи сутки | 140…160 | — 80…(- 90) |
| 5 | четвертые сутки | 127…150 | — 80…(- 90) |
| 6 | седьмые сутки | 100…120 | — 85…(- 97) |
| 7 | девятые сутки | 90…115 | — 90…(- 100) |
| 8 | одиннадцатые сутки | 80…100 | — 95…(- 100) |
| 9 | четырнадцатые сутки | 80…90 | — 100…(- 108) |
| 10 | шестнадцатые сутки | 80…90 | — 105…(- 110) |
Полученные результаты показали, что за одиннадцать суток практически формируется биомасса и наблюдается стабилизация контролируемых показателей, что говорит об отсутствии закисления среды в биореакторе при сбраживании сточных вод свинокомплекса. Следовательно, за этот промежуток времени формируются анаэробные сообщества, обладающие разнообразием ферментных систем и большой лабильностью метаболизма, способных разлагать не только широкий спектр химически устойчивых соединений, но и токсичных веществ, характерных для сточных вод свинокомплексов.
С целью увеличения концентрации биомассы в анаэробном биореакторе в работающем сооружении была закреплена кассета с биозагрузкой «Водоросль». Концентрация биомассы на этот момент в сооружении достигала С=6,1 г/л. Процесс закрепления и наращивания ила на загрузке отслеживался в течение 16 суток. Через каждые два дня от общей загрузки отрезался квадрат площадью 60*90 мм2, который и анализировался на прирост биомассы (табл. 2).
Таблица 2.
Динамика процесса биообрастания загрузки «Водоросль» в анаэробном биореакторе
| №
п/п |
Время биообрастания,
сутки |
Концентрация биомассы,
г/м2 |
| 1 | седьмые | 57,2 |
| 2 | девятые | 84,8 |
| 3 | десятые | 114,3 |
| 4 | двенадцатые | 121,6 |
| 5 | четырнадцатые | 127,8 |
| 6 | шестнадцатые | 129,0 |
| 7 | восемнадцатые | 130,2 |
Полученная динамика биообрастания позволяет сделать вывод о том, что на биозагрузке «Водоросль» максимально можно получить 128-130 г/м2 активной биомассы. При этой концентрации иммобилизованной биомассы наблюдались снижения значений органических соединений в воде, выходящей из биореактора, по величине ХПК с 1700…2100 мг/л в присутствии только свободноплавающей биомассы до 610…650 мг/л по мере наращивания активного ила на загрузке (табл. 3).
Если сравнивать скорости биохимической деструкции органических соединений по высоте анаэробного биореактора, то появляется возможность объяснить увеличение степени очистки в присутствии иммобилизованного биоценоза (рис.3). Таким образом, высокие концентрации иммобилизованной биомассы, умноженные на высокие скорости окисления по высоте сооружения, позволяют повышать не только скорость биоразложения, но и снимать суммарную токсичность воды (табл.4).
Таблица 3
Значения величины ХПК воды, выходящей из биореактора, в присутствии биозагрузкой «Водоросль»
|
№ п/п |
Время биообрастания,
сутки |
ХПК воды, выходящей из биореактора, мг/л |
| 1 | свободноплавающий биоценоз | 1800…2100 |
| 2 | первые сутки биообрастания | 1600…1720 |
| 3 | вторые сутки биообрастания | 1400…1540 |
| 4 | третьи сутки биообрастания | 1000…1320 |
| 5 | четвертые сутки биообрастания | 700…910 |
| 6 | седьмые сутки биообрастания | 680…770 |
| 7 | девятые сутки биообрастания | 650…700 |
| 8 | одиннадцатые сутки биообрастания | 630…700 |
| 9 | четырнадцатые сутки биообрастания | 620…670 |
| 10 | шестнадцатые сутки биообрастания | 610…650 |
Рисунок 3. Динамика изменения концентраций органических веществ в анаэробном биореакторе со свободноплавающей биомассой и иммобилизованным биоценозом
Таблица 4
Значения контролируемых показателей в воде, выходящей из анаэробного биореактора
|
Контролируемый показатель |
Среднее
арифметическое значение, |
Среднеквадратичное отклонение, s |
Дисперсия, s2 |
| ХПК, мг/л | 610,4 | ± 3,97 | 13,7 |
| N-NH4+ , мг/л | 32,7 | ± 1, 42 | 1,96 |
| -, мг/л | 19,8 | ± 0,29 | 0,08 |
| Еh, мВ | — 100,0 | ± 1,53 | 2,41 |
| r, мг БПК/ (гбз ила∙ч) | 21,2 | ± 1, 96 | 2,72 |
- Выводы.
- Доказано, что в анаэробных условиях имеется возможность достигать 80% деструкция органических соединений, присутствующих в сточных водах свинокомплексов.
- Показано, что увеличение биомассы на носителе «Водоросль» позволяет повышать окислительную мощность комплекса анаэробно-аэробных сооружений, что приводит к сокращению продолжительности обработки сточных вод, более глубокой их очистке и уменьшению объемов сооружений.
- Результаты исследований являются основой для планирования и формирования благоприятных условий, позволяющих совершенствоваться биосистемам, что приведет к трансформированию активности всей системы.
Список литературы:
- СП 32.13330.2012 Канализация. Наружные сети и сооружения. Актуализированная редакция СНиП 2.04.03-85.
- Дроздов А.А., Дядя Г.И., Осипова О.В. Общая биология: учеб. пособие. М: Эксмо, 2007.- 319 с. ISBN: 978-5-699-21462-4.[schema type=»book» name=»ПРИМЕНЕНИЕ АНАЭРОБНЫХ БИОРЕАКТОРОВ ПРИ ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД СВИНОКОМПЛЕКСОВ» description=»В статье представлены результаты исследований, полученные на промышленных анаэробных реакторах, которые позволили определить оптимальное время создания активных ассоциатов синтрофных бактерий и метаногенных архей при проведении анаэробного процесса биохимической деструкции коллоидных агломератов, присутствующих в сточных водах свинокомплексов. » author=»Белопольский Леонид Марксович» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-05-05″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 28.02.2015_02(11)» ebook=»yes» ]