CC BY
37
УДК 504.4
Наделяева Нина Николаевна
Nina Nadelayeva
Заслоновский Валерий Николаевич
Valery Zaslonovskii
СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЙ ВОДОТОКОВ - ПРИЕМНИКОВ БИООРГАНИЧЕСКИМ МАТЕРИАЛОМ АДВЕКТИВНО ВЫНОСИМОГО АКТИВНОГО ИЛА
MITIGATION MEASURES FOR WATER COURSES (HEADERS) POLLUTED BY BIOORGANIC MATERIAL OF ADVECTIVELY FLOWN ACTIVE SLUDGE
Описываются результаты экспериментов по The authors describe the results of the experiments выбору флокулянта и его оптимальной дозы ме- concerning the choice of flocculant and its optimal dose
тодом пробного флокулирования частиц актив- by the method of trial flocculation of activated sludge
ного ила, выводимых из системы очистных со- particles removed out of the biological treatment plants
оружений биологической очистки адвективным by means of the advective flow into the water bodies
выносом в водные объекты
Ключевые слова: флокулирование, водоток, активный ил, биологическая очистка
Значительная территория РФ, в том числе Забайкальский край, относятся к регионам с резко континентальным климатом, где природно-климатические условия характеризуются резкими сезонными и суточными перепадами температур, длительным периодом отрицательных температур, глубоким промерзанием грунтов в холодное время года, значительным (порой до полного) перемерза-нием водотоков. Перечисленные факторы обуславливают в этих регионах особую ранимость водных объектов.
Для водотоков Забайкальского края характерно преимущественное питание рек за
Key words: flocculation, water flow, active sludge, biological treatment
счет поверхностных вод, которые наиболее подвержены влиянию антропогенного фактора [1].
Основной причиной антропогенной трансформации водотоков являются сбросы недостаточно очищенных сточных вод с очистных сооружений, особенно в периоды межени на локальных участках большинства рек вблизи выпусков сточных вод [2, 3].
В настоящее время для очистки городских сточных вод самое широкое распространение имеет биохимический метод очистки.
Большинство эксплутационных затруднений при очистке городских сточных вод био-
логическим методом возникает из-за снижения способности активного ила к осаждению, что приводит к увеличению взвешенных веществ в очищенной жидкости, а следовательно, к ухудшению ее качества.
На основе достижений физико-химии дисперсных сред стало возможным применение реагентных добавок для интенсификации процесса и скорости осаждения и повышения качества очистки сточных вод. К положительным качествам реагентных методов можно отнести то, что эффективность реагентных процессов зависит от законов физики и химии, а не от благополучия громадной популяции живых организмов с различными требованиями к окружающим условиям [4].
В результате анализа литературы выявлено, что очень незначительное количество публикаций и технических решений посвящено вопросам интенсификации процессов биологической очистки с учетом факторов резко континентального климата. При этом использование известных путей (фильтрация, использование иммобилизованных микроорганизмов и др.) затруднено в условиях сурового климата или (биореакторы, ионообменные смолы и др.) связано с большими капитальными и эксплу-тационными затратами. Таким образом, авторы пришли к выводу о том, что в указанных климатических условиях наиболее эффективным способом для уменьшения выноса активного ила в переходные сезоны года может служить применение флокулянтов.
Проведено множество практических исследований по оптимизации параметров флокуляции суспензий, но в настоящее время нет единого мнения о механизме флокуляции и доминирующих факторах, определяющих оптимальные условия протекания процесса, не до конца раскрыты процессы образования флокуляционной структуры частиц.
Флокуляция биологических систем - более сложный процесс, чем флокуляция неорганических дисперсий. Она включает явление полимеризации межклеточного вещества, нейтрализацию поверхностных клеточных зарядов, образование ионных мостиков между клетками и другие реакции. На взаимодействие флокулянт - клетка влияют: физиологическое состояние клеток и изменения в процессе роста и развития; сложный, изменяющийся в процессе культивирования характер клеточной поверхности; компоненты культуральной жидкости.
В результате проведенных экспериментов с адвективно выносимым активным илом, сложившимся под влиянием экстремальных условий резко континентального климата, установлено, что флокуляция активного ила с участием полимеров проходит по различным схемам.
По данным лабораторных исследований, электрокинетический механизм процесса флокуляции с преобладанием радиуса действия электрических сил отталкивания доминирует в экспериментах при внесении анионоактивного флокулянта ПАА - ГС. Наличие в сточной жидкости значительного количества низкомолекулярных электролитов не оказывает действия, нейтрализующего заряд, на поверхности частиц ила (рис. 1).
Эффект воздействия катионоактивного флокулянта ВПК - 402 проявляется в агрегации грязевых включений и в повышении гид-рофобности зооглейно-мицеллярных конгломератов хлопка активного ила без уплотнения и улучшения его седиментационных свойств. Рыхлость хлопьев сохраняется во всем диапазоне применяемых концентраций, при увеличении концентрации отмечается частичная флотация из-за неравномерности натяжения различных участков цепи (рис. 2).
Рис. 1. Схема зависимости показателя коэффициента пропускания от концентрации флокулянта ПАА-ГС
Концентрация ВПК мг/дм
-опыт —•— контроль
Рис. 2. Схема зависимости значений коэффициента пропускания от концентрации флокулянта ВПК
Модель взаимодействия полиакриламидного флокулянта ПАА-суперфлока (сан-флок N 520 Р) с адвективно выносимым активным илом включает адсорбцию полимера на зооглейно-мицелярном конгломерате за счет нейтральных групп. При этом адсорбируется не вся макромолекула, а часть ее сегментов. Процесс происходит с изменением структуры макромолекул и образования полимерных мостиков между микроорганизмами и бактериальными клетками.
Причиной дестабилизации данной системы является вероятность образования мос-тичных связей между частицами активного ила через адсорбированные макроионы. С увеличением дозы флокулянта (в области малых доз) возрастает прочность хлопьев вследствие увеличения сил сцепления, в дальнейшем увеличение дозы полимера вызывает появление более слабых связей между молекулярными клубками, и наблюдается частичная флотация (рис. 3).
14
и
>.
с
о
а.
ф
З1
5
-8-
-8-
п
о
ь:
90 80 70 60 50 ^ 40 30 20 10
:::::::::: ; ; ; ; ; ! ! !
!!!!!! ; 1 -гч'*
і і і ; 1 : :
"Г
_ _ у*_ _ _ і - \ - \ - \ - ■
—, _ а __1 _ _ г - т - - _ _ г _ т - - ■ -,— - - г - ■; - - г - ■ _ _г _ т - - _ _.
! ! !
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Концентрация флокулянта ПААсф мг/дм3
- опыт —•— контроль
Рис. 3. Схема зависимости значений коэффициента пропускания от концентрации флокулянта ПАА сф
По кинетике оседания, коэффициенту пропускания осветленного слоя надиловой жидкости после отстаивания, плотности сфло-кулированного агрегата, оптимальной дозе наиболее эффективной является смесь фло-кулянтов ВПК + ПАА сф.
Модель взаимодействия смеси флоку-лянтов с адвективно выносимым активным илом включает полимер-полимерное комплек-сообразование адсорбированных полимеров и образование мостичных связей между микроорганизмами и бактериальными клетками активного ила через адсорбированные макроионы.
Полимер-полимерные комплексы из-за уменьшения количества гидрофильных групп как основных, так и кислотных более гидро-фобны, что способствует образованию и выделению отдельных укрупненных агрегатов с хорошей седиментационной способностью. Образование комплексов при использовании такой смеси происходит быстро, а сближение макромолекул, которое необходимо для осуществления химической реакции, обеспечивается диффузией и конформационными изменениями самой молекулы. В результате образуется вторичная надмицеллярная структура,
представляющая собой глобулу, состоящую из свернутых макромолекул полиэлектролитов, бактерий и простейших хлопка активного ила. Сформировавшиеся комплексы обладают достаточной прочностью и не разрушаются во время перемешивания. Компактность и прочность структуры объясняется возникновением разветвленных связей.
По данным экспериментов с катионным флокулянтом ВПК установлено, что, начиная с концентрации 0,25 мг/дм3, объем осевшего ила практически не зависит от концентрации данного флокулянта. Исходя из этого, концентрацию ВПК, равную 0,25 мг/дм3, рекомендуется выдерживать постоянной, а изменять только концентрацию ПАА сф.
В результатах опытов при воздействии смеси флокулянтов отмечено стягивание растянутых древовидно-разветвленных тяжей рыхлых хлопков ила и образование клубкообразного агрегата, имеющего отчетливо выраженную поверхность раздела фаз.
При концентрациях 0,25 мг/дм3 ВПК+ 1,5 мг/дм3 ПАА сф образуется плотный хлопок ила, в то время как при работе только с флокулянтом ПАА сф аналогичный результат был получен только при концентрации ПАА сф,
равной 7,5 мг/дм3. При повышении концентрации ПАА сф до 2,0 мг/дм3 отмечается частичная флотация вследствие роста сверхмицел-лярных агрегатов и увеличения неравномерных напряжений в отдельных участках структуры хлопьев. Вероятной причиной образования явления флотации можно считать разру-
шение агрегатов при повышении концентрации полиэлектролитов.
Результаты сравнения эффективности смеси флокулянтов по изменению коэффициента пропускания при заданных расходах смеси представлены на рис. 4.
3 3
Концентрации0,25 мг/дм ВПК+ПАА сф мг/.дм
> Опыт » Контроль
Рис. 4. Схема зависимости значений коэффициента пропускания от концентрации
смеси флокулянтов ВПК + ПАА сф
Скорость оседания сформированного осадка максимальна при заданной дозировке флокулянтов 0,25 мг/дм3 ВПК + 5,0 мг/дм3 ПАА сф. Но следует учитывать, что при такой дозировке отмечается частичная флотация, кото-
рая на действующих очистных сооружениях биологической очистки влечет за собой вынос конгломератов в водный объект. Поэтому оптимальной следует считать концентрацию 0,25 мг/дм3 ВПК+ 1,5 мг/дм3 ПАА сф. _________________________________Литература
1. Заслоновский В.Н. Водные ресурсы Читинской области: состояние, проблемы, пути решения / В.Н. Заслоновский // под ред. д-ра техн. наук проф. В.Н. Заслоновского и канд. техн. наук А.В. Шаликовского. - Чита: ЧитГУ, 1998. - 111 с.
2. Государственный доклад о состоянии и
использовании водных ресурсов Российской федерации в 2002 году. - Чита, 2003 г, Гпавное управление природных ресурсов и охраны окружающей среды МПР России по Читинской области.
3. Ежегодная справка состояние загрязнения окружающей среды на территории Читинской области в 2005 году. - Чита, 2006 г.: Забайкальское УГМС Читинский центр по мониторингу загрязнения окружающей среды на территории Читинской области в 2005 году.
4. Запольский, А.К. Коагулянты и флоку-лянты в процессе очистки воды / А.К. Запольский, А.А. Баран. - Ленинград: Химия. Ленинградское отделение, 1987. - 203 с.
Коротко об авторах______________________________________
Наделяева Н.Н., зав. гидрохимической лабораторией, Читинский государственный университет (ЧитГУ) [email protected]
Научные интересы: процессы флокуляции зооглейно-мицеллярных конгломератов частиц активного ила с преобладанием психрофильных микроорганизмов, образованных в естественных условиях под воздействием длительного периода низких температур и их резких суточных колебаний
Заслоновский В.Н., д-р техн. наук, профессор, Читинский государственный университет (ЧитГУ) [email protected]
Научные интересы: управление водными ресурсами; формирование гидрохимического режима водных объектов
__________________________Briefly about the authors
N. Nadelayeva, The manager оf the hydrochemical laboratory, Chita State University
Areas of expertise: flocculation processes of zooglea-micellar conglomerates of activated sludge particles with the predominance of psychrophiles generated in natural conditions by lonq-term low temperatures and their sharp diurnal variations
V. Zaslonovskii, Doctor of Technical Sciences, Professor, Chita State University
Areas of expertise: water resource management, formation of hydrochemical regime of water bodies
