Оценка эффективности иммобилизации активного ила на композитных материалах "полиэтилен:полисахариды"

DOI:

В связи с непрерывно возрастающим антропогенным воздействием на окружающую среду количество загрязняющих веществ, поступающих в природные объекты, постоянно увеличивается. Основными источниками крупномасштабного поступления ксенобиотиков в водные компоненты биосферы являются сбросы производственных и хозяйственно-бытовых сточных вод. Одним из самых распространенных способов удаления из сточных вод загрязнителей является биохимическая очистка с помощью активного ила (АИ).

Традиционно применяемые установки биологической очистки сточных вод предусматривают обработку стоков суспензией АИ (свободноплавающим илом). Такой способ малоэффективен при постоянно возрастающей нагрузке на очистные сооружения, а также влечет за собой необходимость утилизации большого количества избыточного АИ, образование которого вынуждает природопользователя проводить тщательную доочистку биологически очищенных сточных вод перед их сбросом или дальнейшей обработкой.

В ходе реконструкции станций очистных сооружений все чаще встречается применение на стадии биологической очистки плавающей в кипящем слое загрузки с целью иммобилизации (фиксации) на ней организмов АИ, что приводит к повышению эффективности очистки и снижению количества осадка избыточного ила. Однако материалы, используемые для производства носителей биомассы, имеют ряд недостатков: низкая адсорбционная способность, дороговизна, недолговечность, повышенные эксплуатационные требования, которые неизбежно влекут за собой дополнительные эксплуатационные затраты, а по истечении короткого промежутка времени – снижение эффективности очистки.

В качестве носителя биомассы возможно использование керамзита, кварцевого песка, активированного угля, полиэтилена и полипропилена и пр. При этом гранулированный вид материалов-носителей, имеющих плотность меньше плотности сточных вод, позволяет обеспечить создание кипящего слоя, что приводит к увеличению площади контакта между микроорганизмами-деструкторами и загрязнителями [1].

В последнее время все больше внимания уделяется разработке способов повышения иммобилизационной способности биологических загрузок путем изменения их геометрической формы, структуры и состава. Так, например, наполнение полиэтиленовой матрицы микроцеллюлозой позволяет увеличить биологическую адсорбционную емкость материала до 30% [2].

В исследованиях [3–6] обосновано внедрение «ершей» и волокнисто-пористых носителей в аэротенки, что позволяет повысить концентрацию биомассы, снизить ее вымываемость из биологических очистных сооружений, не оказывая влияния на видовой состав биоценоза АИ. В работе [7] в качестве носителей микрофлоры предлагается использовать полиамидные волокнистые материалы (нейлон), что позволит создать альтернативу полиэтилену и полипропилену, повысить концентрацию ила в аэротенках относительно свободноплавающего биоценоза, проводить воздушную регенерацию носителей. В работе [8] изучено использование сетчатых капроновых носителей биомассы и установлено, что сетчатый вид позволяет организмам АИ внедриться непосредственно в структуру носителя, однако автор отмечает, что инертность капронового материала приводит к обеднению видового состава АИ, снижению численности микроорганизмов, прекращению роста в случае недостатка питательных веществ в биореакторе.

Разработка и внедрение новых материалов, обладающих иммобилизационной способностью, является перспективным направлением не только в очистке сточных вод, но и в обезвреживании газовых выбросов. Основными задачами при этом являются снижение стоимости носителей биомассы за счет использования вторичных сырьевых ресурсов и отходов различного производства (например, углеродсодержащих отходов – карбо-низатов [9]), а также повышение эффективности очистки выбросов, так, например, установлено, что минеральные носители биомассы из фосфогипсов повышают эффективность обессеривания выбросов теплоэлектростанций [10].

В зарубежных исследованиях, направленных на повышение качества работы сооружений искусственной биологической очистки сточных вод, также прослеживается тенденция к использованию материалов с повышенными иммоби-лизационными свойствами [11].

Цель работы – установление влияния морфологических характеристик композиции «полиэтилен (ПЭ): полисахарид (ПС)» на эффективность иммобилизации микрофлоры АИ.

В задачи исследования входило определение основных морфологических показателей новых композитов (пористость, шероховатость, плотность), оценка гидрохимического и гидробиологического состояния АИ (иловый индекс, массовая концентрация ила, видовой состав) до фиксации на композитах, оценка иммобилизационной способности исследуемых материалов по привесу биомассы, контроль состояния АИ после фиксации.

Материалы и методы

Объектами исследования были выбраны новые композитные материалы следующего состава: ПЭ:микроцеллюлоза чистая (МЦч), ПЭ:микроцеллюлоза отработанная (МЦо), ПЭ:крахмал (К), при соотношении компонентов ПЭ:ПС = 70:30 мас.%. Отработанная микроцеллюлоза – отход производства растительных масел, содержащий в составе жирные кислоты, воск и др. [2]. В качестве образца для сравнения был выбран чистый полиэтилен, из которого в настоящее время производится большинство представленных на рынке загрузок для биологической очистки сточных вод.

Морфологические свойства изучаемых материалов были определены в соответствии с утвержденными методиками. Плотность композитов определяли по ГОСТ 15139-69. Шероховатость поверхности оценивали по отношению максимальной и минимальной толщины образца с учетом ГОСТ 2789-73. Определение пористости проводили по стандартной методике расчета через массы образца в насыщенном водой и сухом состоянии. Гидрохимические показатели проб АИ определяли согласно «Методике определения массовой концентрации активного ила» ФР 1.31.2008.04397. Видовое разнообразие организмов АИ было определено электронным микроскопированием с использованием «Рекомендаций по проведению гидробиологического контроля на сооружениях биологической очистки», «Атласа Академии наук СССР «Фауна аэротенков», «Краткого определителя водных беспозвоночных животных». Прирост биомассы АИ определяли весовым методом с использованием аналитических весов.

Результаты и обсуждение

Результаты оценки морфологических свойств новых композитов представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Морфологические характеристики новых композитных материалов

Table 1.

Morphological characteristics of the new composite materials

Показатель | Indicator	ПЭ: МЦч PE : МСс	ПЭ: МЦо PE : МСw	ПЭ: К PE : ST	ПЭ PE
Пористость, % (Porosity, %)	60	40	50	0,0
Шероховатость поверхности (Surfасе roughness)	3,5	2,0	2,5	0,0
Плотность, кг/м3 (Density, kg / m3)	410	590	640	860

Важнейшим условием получения достоверных результатов исследования эффективности иммобилизации АИ на новых композитных материалах является использование качественной биомассы. В работе использовали АИ, имеющий иловый индекс 95 см3/1 г ила и массовую концентрацию 5,2 г/дм3. В результате гидробиологического анализа было установлено, что АИ визуализируется как хорошо сформированный плотный хлопок бактериальной слизи. Видовое разнообразие АИ представлено основными укрупненными группами таких организмов, как прикрепленные инфузории, коловратки, тихоходки, нематоды, раковинные амебы, нитчатые бактерии и др. Результаты гидробиологического контроля АИ согласуются с известными данными [12].

Для определения иммобилизационной способности новых композитных материалов был использован лабораторный опытный иммобилизатор, представляющий собой емкость, заполненную на 70 % полезного объема суспензией АИ и на 30% образцами плавающей загрузки. Иммобилизация проводилась в условиях аэрации в течение 2, 4, 8, 12, 24, 48, 72 ч. Оценка эффективности иммобилизации проводилась сравнением привеса после высушивания до постоянной массы образца с иммобилизованной биомассой. Высушивание иммобилизованных образцов проводилось в сушильном шкафу при температуре 50 °Cв течение 120 мин. Результаты эффективности проведенной иммобилизации на исследуемых материалах представлены на рисунке 1.

Рисунок 1. Оценка эффективности иммобилизации АИ на композитных материалах

• Figure 1.    Evaluation of the effectiveness of immobilization of activated sludge on composite materials

Следует отметить, что при продолжительности иммобилизации менее 8 ч не наблюдалось привеса биомассы у всех исследуемых образцов.

Не менее важным показателем эффективности иммобилизации АИ является оценка состояния организмов после фиксации. Для того чтобы осуществить оценку уже иммобилизованных микроорганизмов техникой микроскопирования, были сделаны смывы дистиллированной водой с каждого вида загрузки. В смывной воде с плавающей загрузки из композитного материала ПЭ: МЦч отмечено значительное количество живых подвижных микроорганизмов, отчетливо видна микробная слизь. Смывы с плавающей загрузки состава ПЭ:МЦо и ПЭ:К характеризуются среднечисленным содержанием живых подвижных микроорганизмов, незначительным количеством микробной слизи. В смыве образца из чистого ПЭ обнаружены единичные представители биоценоза.

Новые композитные материалы с иммобилизованным биоценозом представлены на рисунке 2.

b

c

■ * er

d

Рисунок 2. Образцы композитных материалов с иммобилизованным биоценозом: a – ПЭ:МЦч; b – ПЭ:МЦо; c –ПЭ:К; d – ПЭ

• Figure 2.    Samples of composite materials with immobilized biocenosis: a – PE:МСс; b – PE:МСw; c – PE:ST; d – PE

Заключение

На основании анализа полученных данных об эффективности иммобилизации биоценоза АИ можно утверждать, что наилучшие результаты показывает композитный материал ПЭ:МЦч, что обусловлено высокоразвитой структурой материала, шероховатостью поверхности, наличием гидрофильного наполнителя.