Использование ультразвуковой обработки для повышения флокулирующих свойств суспензии активного ила очистных сооружений канализации

В настоящее время в Беларуси эксплуатируется более 200 сооружений биологической очистки сточных вод, на которых очищается основное количество производственных и хозяйственно-бытовых сточных вод, отводимых в водные объекты. Контакту сточных вод с активной биомассой в процессе биологической очистки предшествует механическая очистка от взвешенных веществ, от эффективности которой зависит пропускная способность очистных сооружений.

Использование известных и хорошо апробированных на практике способов интенсификации и повышения степени очистки от взвешенных веществ с помощью минеральных коагулянтов и синтетических флокулянтов применительно к очистным сооружениям канализации затруднено вследствие больших расходов сточных вод, значительных колебаний концентрации загрязняющих веществ. Одним из перспективных и подходящих к условиям работы очистных сооружений канализации является использование для этих целей биофлокулянтов.

Биофлокулянты получают направленным культивированием определенных штаммов микроорганизмов в виде биомассы клеток или отдельных продуктов метаболизма, физико-химической обработкой клеток микроорганизмов. Больше всего подходящим для практической реализации является получение биомассы клеток микроорганизмов с определенными характеристиками [1]. Такие флокулянты дешевле синтетических, но менее эффективны, поэтому их расход больше. Применительно к очистным сооружениям канализации наибольший интерес представляет использование в качестве флокулянта биомассы активного ила. Известно, что в составе активного ила имеются бактерии, которые выделяют в окружающую их среду биополимерный гель, включающий аминокислоты, полисахариды и обладающий флокулирующими свойствами [2].

Предложен ряд способов обработки биомассы активного ила с целью повышения флокулирующих свойств. Большинство из них основано на различной степени дезинтеграции биомассы с целью выделения в жидкую фазу биополимеров. Известно использование гидродинамического воздействия на микроорганизмы, которое может осуществляться с помощью ультразвука. Режим обработки подбирается таким, чтобы обеспечивалось удаление с поверхностного слоя клеток «чехлов», образованных внеклеточными биополимерами, и стимулирование за счет этого выделения клетками биофлокулянтов [3]. К достоинствам ультразвуковой дезинтеграции биомассы можно отнести сравнительно простое аппаратурное оформление, возможность регулирования режима обработки в широких пределах.

Ультразвуковая обработка (УЗ-обработка) оказывает комплексное воздействие на биомассу. Наряду с дезинтеграцией надклеточных образований и выделением в жидкую фазу внеклеточных биополимеров, наблюдается изменение состава фаз за счет деструкции клеток биомассы, изменяются характеристики мембран и др. Известно использование УЗ-обработки для повышения выхода биогаза и увеличения скорости процесса при анаэробном сбраживании осадков [4,5], для интенсификации аэробной биологической очистки.

Достижение требуемого эффекта при УЗ-обработке требует подбора определенных условий ее проведения. Однако закономерности изменения состава и свойств фаз суспензии активного ила в зависимости от условий УЗ-обработки в настоящее время не установлены. В связи с этим цель работы состояла в установлении закономерностей изменения состава и свойств фаз суспензии активного ила при УЗ-обработке и выбора условий обработки, обеспечивающих увеличение флокулирующих свойств.

Ультразвуковую обработку суспензии активного ила (100 см3) проводили на установке ИЛ100-6 при частоте 22 кГц. Амплитуда колебаний изменялась в диапазоне 20-80 мкм, мощность излучателя – в диапазоне 215-630 Вт. Иловый индекс определяли как объем осадка, образующегося при отстаивании иловой суспензии в течение 30 минут в пересчете на концентрацию 1 г/дм3 и объем суспензии 1 дм3. ХПК определяли стандартным методом [6 с. 37–40]. Дзета-потенциал частиц активного ила (5±0,5 мкм) определяли методом микроэлектрофореза по электрофоретической подвижности [7]. Определение содержания углерода, азота, серы, водорода в органическом веществе проводили путем сжигания и последующего анализа продуктов окисления методом газовой хроматографии на анализаторе СНNS фирмы Elementar vario EL III с детектором по теплопроводности. Определение общего содержания углеводов в жидкой фазе суспензии активного ила проводили фенол-сернокислотным методом [8]. Содержание индивидуальных сахаров определяли методом газовой хроматографии и виде триметилсилильных производных, которые получали по методу [9]. Оценку флокулирующих свойств обработанной биомассы активного ила проводили: методом пробного коагулирования на модельных сточных водах с содержанием взвешенных веществ (глина) 200, 500 и 1000 мг/дм3; по содержанию взвешенных веществ в фугате после центрифугирования в течение 5 минут при 5000мин-1 обработанных проб активного ила. Содержание взвешенных частиц (мутность) оценивали по оптической плотности при длине волны 540 нм на КФК-2МП.

Объектом исследования была суспензия активного ила, отобранная после вторичных отстойников (содержание сухого вещества 5,98 г/дм3) и после илоуплотнителей (содержание сухого вещества 25,92 г/дм3) на Минской очистной станции аэрации в период март-апрель 2009 г.

Для оценки влияния продолжительности УЗ-обработки, мощности излучателя и амплитуды его колебаний на состав жидкой фазы, ее отделяли от обработанной иловой суспензии центрифугированием (фугат) и анализировали на содержание углеводов, ХПК, С, Н, N, S. Для фугата определяли мутность.

Как видно из данных, представленных в таблице 1, количество компонентов дисперсной фазы иловой суспензии, которое переходит в водную фазу при УЗ-обработке, зависит от энергозатрат на диспергирование, обработку и амплитуды колебаний. При амплитуде колебаний 20 мкм наблюдается более «мягкое» воздействие на биомассу. Зависимость мутности фугата от энергозатрат на диспергирование носит экстремальный характер с минимумом, положение которого зависит от амплитуды колебаний. Наибольший эффект достигается при энергозатратах 10 Дж/см3 суспензии и амплитуде 20 мкм.

Таблица 1 – Зависимость ХПК и мутности жидкой фазы иловой суспензии от условий УЗ-обработки

Показатель

Условия обработки

–

Мощность излучателя 215 Вт, амплитуда 20 мкм

Мощность излучателя 630 Вт, амплитуда 20 мкм

Мощность излучателя 215 Вт, амплитуда 80 мкм

Мощность излучателя 630 Вт, амплитуда 80 мкм

Продолжительность обработки, с

–

ю

о

LO

о со

о со

о о

LO

о

LO

о со

о со

о о

ю

о

LO

о со

о со

о о

ю

о

LO

о со

о со

о о

ХПК, мгО 2 /дм3

о CM со

о о

со Ю

со со ю

со о ю

со

со со о

о су

о со Ю

о со LO

00 со

со LO

о

о LO со

СМ о

со 00

о СМ

о 00 о

о су

СМ о

о LO

о о со

о 00 со

S о

см со

Мутность

00 o'

о o'

су o'

ю o'

00 со o'

ю 00 o'

о 00 o'

o'

о o'

00 со o'

LO 00 o'

со о o'

СМ о~

со со o'

00 o'

со LO o'

00 00 o'

со о o'

о (N

со o'

LO o'

со LO o'

о 00 o'

со о^

со

При таком режиме обработки, вероятно, наблюдается максимальный переход в водную фазу внеклеточных биополимеров в виде геля, который хорошо флокулирует частицы дисперсной фазы, обеспечивая формирование более плотной структуры осадка (кека) при центифугировании. Дальнейшее увеличение продолжительности обработки приводит к измельчению дисперсной фазы и биополимерного геля, способствуя его растворению. Это приводит к увеличению ХПК и мутности фугата.

В составе жидкой фазы обработанной ультразвуком суспензии активного ила возрастает содержание азотсодержащих соединений (полипептидов, аминокислот) и углеводов, о чем свидетельствуют результаты, представленные в таблицах 2,3.

Таблица 2 – Элементный состав фаз суспензии активного ила после УЗ-обработки (мощность 215 Вт, амплитуда 20мкм)

Фаза	Продолжительность обработки иловой суспензии, с	содержание элемента,%
		N	C	S	H
Фугат	0	0,923	3,729	0,515	2,317
Фугат	90	3,577	18,82	0,508	4,215
Кек	0	6,725	37,28	0,960	8,155
Кек	30	6,555	37,77	0,875	5,623
Кек	60	6,343	36,00	0,889	7,932
Кек	90	6,189	36,13	0,883	7,119

Таблица 3 – Содержание полисахаридов в жидкой фазе активного ила после УЗ-обработки (амплитуда 80 мкм, мощность 630 Вт)

Продолжительность обработки, с Содержание полисахаридов в фугате суспензии активного ила, мг/дм3 после илоуплотнителей после вторичного отстойника 51 8,4 12,3 151 9,0 11,0 301 6,5 8,0 901 8,5 8,0 52 7,0 5,0 152 10,0 8,5 602 11,5 7,0 902 25,0 20,0 амплитуда 20мкм, мощность 215 Вт; 2 амплитуда 80мкм, мощность 630 Вт

Несмотря на значительные различия в концентрациях сухого вещества в суспензии активного ила, отобранной после вторичных отстойников и после илоуплотнителей (5,98 г/дм3 и 25,92 г/дм3 соответственно), cодержание полисахаридов после УЗ-обработки в активном иле после вторичного отстойника выше, чем в активном иле после уплотнителей. Анализ состава полисахаридов показал, что в них представлены арабиноза, фруктоза и глюкоза в соотношении 13,3:1,0:3,0 для активного ила после вторичных отстойников и 10:1:3 для уплотненного избыточного активного ила.

Зависимость дзета-потенциала и илового индекса иловой суспензии от продолжительности УЗ-обработки, которая приведена в табл.4, свидетельствует об изменении свойств поверхности частиц дисперсной фазы. Несмотря на увеличение абсолютной величины дзета-потенциала при осаждении частицы суспензии дают более плотный осадок.

Проверка флокулирующих свойств обработанной суспензии активного ила на модельных сточных водах, содержащих 200, 500 и 1000мг/дм3 взвешенных веществ, показала, что скорость совместного осаждения взвешенных частиц обработанной суспензии активного ила и сточных вод при расходе обработанной суспензии активного ила 1 % об. на 17 – 20 % выше, чем для активного ила и сточных вод в отдельности. Скорость осаждения и степень очистки при отстаивании в течение 60 мин. зависит от концентрации взвешенных веществ в сточных водах и уменьшается с ее увеличением. Эффективность использования обработанной ультразвуком суспензии активного ила подтверждена на сточных водах, поступающих на Минскую очистную станцию аэрации.

Таблица 4 – Зависимость дзета-потенциала и илового индекса суспензии активного ила от продолжительности УЗ-обработки

Объект исследования	Продолжительно сть УЗ-обработки, с	Дзета-потенциал, мВ	Иловый индекс, см3/г
Необработанная иловая суспензия	0	-30,5	81
Активный ил после УЗ-обработки (амплитуда 20 мкм, мощность 215 Вт)	10	-40,2	35
	30	-35,9	50
	60	-40,0	63
	90	-39,0	71

Результаты исследований свидетельствуют о том, что ультразвуковая обработка при определенной мощности излучателя и амплитуде колебаний позволяет получить из суспензии активного ила биофлокулянт, который целесообразно использовать на очистных сооружениях канализации для увеличения степени очистки от взвешенных веществ и производительности оборудования механической очистки сточных вод.