Материал: Комплексные проблемы техносферной безопасности. материалы Международной научно-практической конференции. Колодяжный С.А., Небольсин В.А

Сточные воды зачастую содержат значительное количество органических загрязнителей, которые могут быть утилизированы на сооружениях биологической очистки. Известные схемы классических очистных сооружений биологической очистки основаны на применении аэротенков коридорного типа. Утилизация загрязнений в них осуществл я- ется активным илом, содержащим биоценоз микроорганизмов, чувствительных к целому ряду параметров окружающей среды (температуре, pH, токсическим веществам, высокой концентрации загрязнителей). Это приводит к определѐнным сложностям, связанным с необходимостью строгого соблюдения технологического режима очистки, предварительного разбавления концентрированных стоков, увеличения объѐмов сточной воды. П ри этом отмечается относительно низкая скорость разложения загрязнений, а так же п о- требность в больших площадях под очистные сооружения [1-7].

Альтернативой классической технологии биологической очистки является применение сооружений башенного типа, позволяющих значительно сократить занимаемые очистными сооружениями площади и при этом вписаться в любую многоэтажную жилую и промышленную застройку.

Наибольший эффект при использовании аэротенков колонного типа дает примен е- ние вспухшего активного ила. В классических аэротенках вспухание ила возникает вследствие низкой способности активного ила к осаждению. Вспухание ила обычно вызвано такими причинами, как низкое значение рН или высокой концентрацией жиров (более 25 мг/л). В таких условиях формируется биоценоз с микроорганизмами нитчатой структуры или размножением мицелиальных форм микроскопических грибов, которые снижают с е- диментационные свойства ила и повышают иловый индекс до 150 см3/г, что является неблагоприятным фактором для биологической очистки сточной воды. При этом происходит нарушение режима эксплуатации очистных сооружений и загрязнение природных в о- доемов в результате выноса с очищенной водой практически всей массы активного ила в водный объект. Во всем мире ведется борьба с проявлениями вспухания активного ила, которая не дает ощутимых результатов.

В то же время всплытие активного ила происходит в результате прикрепления к его хлопьям пузырьков воздуха, который является источником кислорода, необходимого для активного роста микроорганизмов и эффективной утилизации ими органических загрязнений сточной воды. Вспухший активный ил имеет большую окислительную мощность, не подвержен отрицательному влиянию перепадов биохимических нагрузок и сложного гидравлического режима. Вспухший ил проводит глубокую минерализацию органических загрязнений, что позволяет обеспечить:

-высокое качество очищенной воды до требований сброса в рыбохозяйственный водоем без применения химических реагентов;

-нулевую эмиссию вредных выбросов в атмосферу, благодаря чему происходит е е оздоровление;

Применение вспухшего активного ила возможно при использовании сооружений башенного типа, при этом давление водяного столба может быть повышено более 0,1 МПа, что увеличивает количество растворѐнного кислорода (более 10 мг/л).

При биологической очистке сточных вод обеззараживание очищенной воды осуществляется при помощи различных реагентных или безреагентных способов, например, хлорированием, обработкой гипохлоритом натрия, ультрафиолетовым облучением или озонированием. Несмотря на высокую бактерицидную поражаемость (99,8 %), вышеперечисленные способы имеют серьезные недостатки. Это опасность для обслуживающего персонала, использование дорогостоящего оборудования, необходимость утилизации отработавших свой ресурс расходных материалов (ртутных ламп, отходов электролиза). Для обработки и обеззараживания илового осадка на большинстве очистных сооружений в нашей стране и за рубежом применяется метод анаэробного сбраживания в метантенках. Однако этот процесс характеризуется высокой энергоемкостью, длительностью обработ-

166

ки осадка и выделением метана, двуоксида углерода и других газов.

Целью данной работы явилось использование кавитации низкой интенсивности для уничтожения патогенной микрофлоры в башенных сооружениях аэробной биологической очистки.

Кавитация до настоящего времени ассоциируется с искусственно созданным воздействием, который разрушает живые и неживые объекты. Однако при уменьшении интенсивности кавитации в тысячи раз она превращается в эффективное избирательное средство подавления патогенной микрофлоры и надежно защищает твердые тела, например, лопасти гидравлических машин, от разрушения. При этом интенсивность (число к а- витации G) является безразмерным параметром и характеризует скоростное кавитационное течение:

G2 (P P3 ) ,

V 2

где Р - гидравлическое давление набегающего потока, Па; Р3 - давление насыщенных паров жидкости при температуре окружающей жидкости, Па; ρ - плотность среды, кг/м3; V - скорость потока на входе в систему, м/с.

В зависимости от величины G различают четыре вида скоростных потока:

-при G > 1 - докавитационный сплошной (однофазный) поток;

-при G ≈ 1 - среднекавитационный (двухфазный) поток;

-при G < 1 – пленочный поток, с устойчивым отделением кавитационной полости от остального сплошного потока, соответствующий числу кавитации низкой интенсивности;

-при G << 1 – суперкавитационный поток, соответствующий числу кавитации высокой интенсивности.

Для получения кавитации высокой интенсивности необходимо обеспечить большую прямолинейную скорость жидкости и еѐ надежную дисперсность за счет распыления, дробления и других способов местного понижения давления в потоке жидкости при обтекании твердого тела. При этом образуются кавитационные каверны (множества), з а- полненные паром и газом, называемые полостями, пузырьками или сферами. В моментах их схлопывания давление и температура газа достигают значительных величин (до 100

МПа, 10000 оС) 3 . При схлопывании пузырьков газа распространяется ударная волна, в результате чего при кавитации высокой интенсивности наблюдаются разрушительные процессы, воздействующие на объекты, находящиеся в «распыленном» потоке жидкости.

При кавитации низкой интенсивности жидкость также перемещается с большой скоростью, но направление движения поступательно-вращательное, по ходу движения часовой стрелки. Направление движения обеспечивается при помощи специальных «спиралей Архимеда», создающих заданный вектор движения и дискретный пленочный р е- жим разделения жидкости. При этом значительно увеличиваются размеры образующихся линзообразных пузырей, которые при сжатии потока создают микроточечные электрические разряды высокого напряжения - центры кавитации. В результате такой кавитации находящиеся в ее центре крупные включения, например, яйца и личинки гельминтов, мгновенно разрушаются. Сапрофитные (рабочие) бактерии, например, рода Bacillus, Pseudomonas, приобретают за счет воздействия электрических разрядов дополнительную ростовую и ферментативную активность. При этом правосторонний вектор движения жидкости, обеспеченный «спиралями Архимеда», и гидравлическое сжатие потока полностью предотвращают разрыв потока жидкости и придают ему вращательное движение, стимулируя интенсивный рост рабочих микроорганизмов и окончательное подавление патогенной микрофлоры.

Технологически достижение кавитации низкой интенсивности с числом G = 0,01- 0,05, до уровня, необходимого для подавления патогенной микрофлоры, предотвращения расслоения потока жидкости и нарушения работы насоса, достигается при устано влении

167

на трубопроводе эксцентрически суженного участка, где размещены с наклоном по часовой стрелке к потоку профилированные элементы сопротивления - спирали Архимеда. Благодаря этому скорость движения очищаемой жидкости достигает скорости вращ ения рабочего колеса насоса, обеспечивая неразрывность потока. Таким образом, входящ ий для очистки поток жидкости «закручивается», оставаясь таковым и после насоса, что сп о- собствует генерации микрокаверн.

В последние годы для очистки сточных вод все шире используются системы вертикального типа - башенные, или колонные, биореакторы, позволяющие в сотни раз сократить занимаемые очистными сооружениями площади и при этом вписаться в любую многоэтажную жилую и промышленную застройку. С целью интенсификации биоочистки в систему вертикального типа устанавливают насосы, снабженные устройством г енерирования низкой кавитации - турбуджетом, в результате чего активный ил переходит во вспухшую форму с высокой окислительной способностью.

Для обеззараживания водно-иловой смеси на выходе из биоректора было установлено дополнительное устройство генерирования кавитации низкой интенсивности - кавитационный пастеризатор. Учитывая, что общее количество микрофлоры в обрабатываемой смеси значительно выше, чем в очищаемой воде, в кавитационном пастеризаторе вдвое увеличивали количество спиралей Архимеда. При этом обеспечивается эффективное уничтожение патогенной микрофлоры и обеззараживание очищенной воды и акти в- ного ила. Кроме того, образующиеся в результате кавитации электрические разряды ни з- кой напряженности интенсифицируют ростовые и ферментативные свойства р абочих микроорганизмов, что позволяет подавать возвратный активный ил без потери окислительной мощности сооружений.

Проведенные исследования показали, что использование колонных аэротенков с вспухшим активным илом позволяет решить задачу уменьшения площадей, занимаемых очистными сооружениями. На основании разработанных технологических решений уд а- ется вести не только эффективную очистку сточных вод, но и проводить глубокую мин е- рализацию как вновь образующегося, так и депонированного илового осадка.

Литература

1.Яковлев, С.В. Биологические процессы в очистке сточных вод [Текст]: монография

/С.В. Яковлев, Т.А. Карюхина. - М.: Изд-во «Стройиздат», 1981. - 200 с. - С. 92-93.

2.Пирсол, И.С. Кавитация [Текст] / И.С. Пирсол; под ред., с предисл. и доп. Л.А. Эпштейна; перевод с англ. Ю.Ф. Журавлѐва. - М.: Изд-во «Мир», 1975. - 95 с. - С. 14-15.

3.Перник, А.Д. Проблемы кавитации [Текст] / А.Д. Перник. - 2-е изд.- Л.: Изд-во «Судостроение», 1966. - 493 с. - С. 10-14.

4.Патент 2260716 Российская Федерация МПК 7 F 04 D 29/66, F 04 B 11/04. Способ снижения кавитации в гидравлических машинах и устройство для его осуществления [Текст]

/А.А. Степкин, Ю.А. Степкина. - Заявители и патентообладатели: Степкин А.А., Степкина Ю.А.; заявл. 24.12.03; опубл. 20.09.05, Бюл. №7. - 6 с.

5.Степкина, Ю.А. Совершенствование технологий и систем обработки осадка при очистке сточных вод [Текст]: дис…. канд. техн. наук / Ю.А. Степкина / Диссертация. 06.01.02: Мелиорация, рекультивация и охрана земель. - Волгоград: [Место защиты: Волгогр. гос. с.-х. акад.], 2009. - 137 с. - С. 77-79.

6.Тихонова, А.А. Перспективы использования колонных аэротенков с вспухшим активным илом для очистки сточных вод химических предприятий [Текст] / А.А. Тихонова, И.В. Владимцева, В.А. Черненко // V Международная конференция-школа по химической технологии ХТ`16: сб. тез. докл. сателлитной конф. XX Менделеевского съезда по общей и прикладной химии (г. Волгоград, 16-20 мая 2016 г.): в 3-х томах. - Т. 3. / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград: Изд-во «Волгоградский государственный технический университет», 2016. - 361

с. - C. 231-233.

168

7. Тихонова, А.А. Применение кавитации низкой интенсивности для подавления патогенной микрофлоры в башенных сооружениях биологической очистки [Текст] / А.А. Тихонова, Ю.А. Чернова, И.В. Владимцева // Естественные и технические науки. - М.: Изд-во «ООО «Издательство «Спутник+», 2016. - № 5. - C. 19-22.

ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный технический университет»

A.A. Tikhonova, I.V. Vladimtseva

RESOURCE-SAVING TECHNOLOGY OF BIOLOGICAL WASTEWATER TREATMENT WITH RECYCLING OF SLUDGE ENZYME-CAVITATION METHOD

There has been offered an efficient method of disinfecting water-sludge at biological wastewater treatment in tower-shaped bioreactors. The method provides a high degree of suppression of pathogenic organisms through the use of low intensity with cavitation number 0,01-0,05. When this happens, the intensification of growth and enzyme activity of microorganisms carrying out further biodegradation of organic contaminants, which gives the opportunity to lodge a refundable active sludge without loss of oxidative capacity of installations. The method allows improving the quality of purified water and reducing the amount of solid waste generated

Key words: biological treatment, tower-shaped aerotencs, cavitation of low intensity, sludge disinfection

Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «The Volgograd State

Technical University»

УДК 628.355.2:579.017.8

В.С. Шевцова, О.В. Колотова, Л.А. Шевченко, П.С. Слюсарева

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА БАКТЕРИАЛЬНОЙ ДЕСТРУКЦИИ ЖИРОВ ЖИВОТНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ - ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД

Входе лабораторного исследования определены оптимальные условия получения биомассы бактериального штамма - продуцента липазы: температура культивирования, потребности в источниках питания и микроэлементах. Изучена динамика роста микроорганизма на модельных средах, содержащих различные жировые субстраты

Ключевые слова: сточные воды, бактериальные штаммы, биопрепараты, жировые загрязнения, источники питания, микроэлементы

Входе производства пищевой продукции образуется огромное количество отходов, в

том числе и загрязненные сточные воды. Проблемы создают жировые вещества животного происхождения, трудно извлекаемые из стоков, а при сбросе недостаточно очищенных сточных вод в поверхностные водоѐмы, существенно ухудшающие экологическую ситуацию. Использование отходов мясопереработки было и остается одним из наиболее важных вопросов, связанных с загрязнением окружающей среды. Актуальна разработка технологий по разложению и утилизации жиров в сточных водах, основанных на использовании микробных липаз и микроорганизмов, способных к их продуцированию.

Поэтому поиск активных продуцентов липаз, которые могли бы стать основой биопрепаратов для локальной очистки жиросодержащих сточных вод, является весьма важной задачей [1]. В России биопрепараты в основном представлены импортными аналогами, однако отечественными исследователями активно развивается данное направление, что объясняется и ростом перерабатывающей промышленности в стране, и интересом к промышленному применению микробных липаз [2].

Целью исследования стало определение оптимальных условий получения биомассы (температуры и состава питательных сред) липолитически активного бактериального штамма - основы биопрепарата для очистки жиросодержащих сточных вод и переработки жировых отходов.

В результате экспериментов, проведенных с музейными культурами из коллекции ла-

169

боратории биотехнологии кафедры ПЭБЖ ВолгГТУ, с целью разработки основы биопрепарата был отобран липидоокисляющий бактериальный штамм ВГТУ-03, который был выделен из донных отложений Северного Каспия, представляющий собой грамположительные подвижные бесспоровые палочки, одиночные и соединенные в короткие цепочки [3].

Для определения оптимального температурного режима лабораторного культивирования и дальнейшего применения в практике очистки сточных вод изучаемые штаммы выращивали при различных температурах. Для этого 0,1 мл суспензий микроорганизмов с концентрацией 109 м.к./мл, приготовленных из суточных культур, засевали в 5 мл жидкой питательной среды (№1), содержащей 1 % глюкозы, 1 % пептона, 0,2 % KH2PO4, 0,3 % NH4NO3, 0,05 % MgSO4 и 0,01 % FeSO4. Посевы инкубировали в течение 24 ч при температурах: 5, 16, 22, 30, 37, 40, 45 °С. Для оценки способности роста микроорганизмов при различных температурах применяли фотометрический метод, регистрируя оптическую плотность суточных бактериальных суспензий на приборе КФК-2-УХЛ-4.2, используя светофильтр 490 нм и кюветы с длиной оптического пути 5 мм. В качестве контроля использовали незасеянную микроорганизмами питательную среду [4].

Анализ полученных данных свидетельствует о том, что оптимальной температурой для роста и накопления биомассы ВГТУ-03 является 30 ̊С (рис. 1).

Рис. 1. Оптические плотности суточной бактериальной суспензии при различной температуре культивирования липидоокисляющего штамма

В ходе дальнейших экспериментов было изучено влияние различных источников питания и микроэлементов на интенсивность роста и накопления биомассы исследуемыми микроорганизмами. Для этого в состав питательной среды вводили или исключали отдельные химические элементы. Составы использованных питательных сред приведены в таблице.

Интенсивность роста бактерий в экспериментальных средах сравнивали с ростом в полной питательной среде №1. Применяя фотометрический метод, определяли оптические плотности бактериальных суспензий в экспериментальных средах (в качестве контроля использовали соответствующую стерильную питательную среду) и рассчитывали коэффициент прироста биомассы по формуле:

где Dэксп. - оптическая плотность бактериальной суспензии в экспериментальной среде, Dконтр. - оптическая плотность бактериальной суспензии в контрольной среде.

Зависимости коэффициента К от состава питательных сред для штамма ВГТУ-03 графически отображена на рис. 2.

Результаты культивирования бактерий на средах различного состава показывают, что для роста и накопления биомассы штаммом ВГТУ-03 необходима питательная среда № 11, содержащая серу, калий и хлорид натрия, а фосфор, марганец и кальций не относятся к обязательным для них элементам. Цинк и железо в указанных концентрациях тормозят рост исследуемого штамма.

170