устранение нитчатого вспухания активного ила в условиях

©БГУ
УСТРАНЕНИЕ НИТЧАТОГО ВСПУХАНИЯ АКТИВНОГО ИЛА
В УСЛОВИЯХ ЭКСПЕРИМЕНТА
К. В. УСАЧЕВА, Ю. К. ВЕРЕС
Results of the research showed occurence of bulking of activated sludge at wastewater treatment plants. It was initiated by filamentous sulfur bacteria Thiothrix nivea and Eikelboom type 0961. Optimal conditions for bulking suppression
and activated sludge quality regeneration were selected experimentally. They include unit sewage load decrease to the pro65
portion of activated sludge and wastewater by volume as 3 to 1 (in small-scale) or 2 to 1 (in large-scale experiments); and
oxygen concentration increase in sludge mixture to 5,5…7,7 mg/dm3. Filamentous bacteria disappeared from activated
sludge by 6–17th day of laboratory experiment. Recovery of activated sludge and its flocculated structure took 14–17 days.
Species diversity increased from 4–7 to 16–20. Based on the original laboratory equipment used in experiments, a modified useful model was created and later on patented. It can be used for scientific and practical purpose. The technique allowing bulking activated sludge regeneration was later applied into industrial process and proved efficient. The research
gives economical and ecological benefit
Ключевые слова: активный ил, нитчатые микроорганизмы, вспухание, регенерация, оптимальные условия
1. ВВЕДЕНИЕ
Городские сточные воды, поступающие на очистные сооружения, на заключительной стадии
удаления загрязняющих веществ подвергаются биологической очистке. Она осуществляется антропогенно созданным биоценозом микроорганизмов – активным илом.
С течением времени может происходить увеличение объема поступающих на очистку сточных
вод до величин, превышающих проектируемые для данных очистных сооружений. Кроме того, непрерывно происходит существенное изменение химического состава сточных вод. При этом могут
изменяться режим удельной нагрузки на ил, соотношение важнейших компонентов сточных вод
(БПК5 : N : Р), концентрация отдельных поллютантов, а также появляться токсичные для микроорганизмов активного ила вещества [1].
Нередко подобные изменения приводят к сукцессии биоценоза ила и развитию так называемого
процесса вспухания активного ила.
Вспухание ила – это следствие нарушения внутреннего динамического равновесия в экосистеме
ила, когда при изменении экологических условий в аэротенках формируется более примитивный, но
устойчивый к данным условиям биоценоз с невысоким видовым разнообразием. В результате
обеднения видового состава значительно ухудшается качества очистки сточных вод [2]. Как правило,
1–2 вида микроорганизмов вытесняют других обитателей. Вспухание может быть вызвано разными
организмами, поэтому всегда важно выявить организмы-инициаторы этого процесса. В настоящее
время нитчатое вспухание ила является наиболее распространенной в мировой практике проблемой
биологической очистки сточных вод [3].
Вспухание представляет собой сложный процесс, который приводит к снижению эффективности
биологической очистки сточных вод в аэротенках, а также механической в процессе разделения
смеси во вторичных отстойниках. В результате нарушения важнейших физических свойств ила
(увеличивается его объем, ухудшаются седиментационные свойства) происходит флотация и вместо
осаждения – вынос ила из вторичных отстойников. Как следствие, сокращается необходимый
прирост биомассы ила. Это, в свою очередь, также приводит к снижению эффективности
биохимического окисления загрязняющих веществ и дополнительному ухудшению качества
биологической очистки сточных вод. Борьба с возникшим вспуханием активного ила чрезвычайно
затруднительна, поскольку не существует удовлетворительных конструкций отстойников,
позволяющих отделить вспухший ил от очищенной воды [4].
В конечном итоге вспухание ила в аэротенках вызывает проблему экологического характера –
загрязнение природных водоемов [3].
Описанная проблема возникла в процессе эксплуатации городских очистных сооружений, где
произошло ухудшение процесса очистки сточных вод из-за изменения качества активного ила.
2. ЦЕЛЬ И ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Целью работы являлась оценка состояния активного ила городских очистных сооружений, разработка методики устранения процесса вспухания и определение оптимальных условий регенерации
ила в модельном эксперименте.
Объектами исследования служили смесь активного ила и сточных вод в различных соотношениях
при проведении лабораторного эксперимента сначала с малым, а затем с большим объемом жидкостей. В качестве контроля использовали возвратный (циркуляционный) активный ил, поступающий в
промышленные очистные сооружения. Также объектами являлись нитчатые организмы иловой смеси и
другие микроорганизмы.
3. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Для проведения физико-химических исследований качества активного ила применяли стандартные методы определения концентрации молекулярного кислорода в иловой смеси, илового индекса и
дозы ила [4; 5].
Для изучения влияния режима нагрузки активного ила сточными водами и влияния концентрации
кислорода на качество активного ила использовали специально созданную опытную лабораторную
66
установку с системой принудительной аэрации. Была разработана методика использования этой установки [6].
Для проведения гидробиологического анализа активного ила готовили временные препараты методом раздавленной капли, а также фиксированные окрашенные препараты. Регистрацию исследуемых объектов проводили с использованием цифровой фотокамеры.
Идентификацию гидробионтов Eucaryota проводили с помощью определителей [5]. В ходе идентификации Procaryota пошагово анализировали характеристики всех морфологически отличных нитчатых организмов, находящихся в активном иле. При этом была использована схема-ключ, предложенная Д. Эйкельбумом [7].
4. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Проведенные исследования позволили сделать оценку состояния активного ила городских очистных сооружений, выявить организмы-инициаторы вспухания, создать лабораторную установку и разработать методику регенерации вспухшего ила.
Активный ил городских очистных сооружений, взятый для проведения эксперимента, имел неудовлетворительные качественные показатели – темно-серый, ближе к черному, цвет, гнилостный
запах, слабые седиментационные свойства: осадок занимал до 82%; надосадочная жидкость была
мутной, с опалесценцией.
Микроскопическое исследование иловых хлопьев подтвердило негативную характеристику: все
хлопья были диспергированными, имели мелкие размеры, размытые границы и малую плотность.
Было хорошо заметно, что хлопья связаны между собой множеством нитчатых организмов, что вносило вклад в ухудшение седиментации илового осадка.
Дальнейшие испытания и идентификация организмов выявили присутствие в биоценозе активного ила восьми видов нитчатых бактерий: Thiothrix nivea, Eikelboom type 0961, type 1863, type 1701, type
021 N, Haliscomenobacter hydrossis, Sphaerotilus natans и Beggiatoa alba, которые являются обычными
обитателями аэротенков и присутствуют в незначительных количествах, однако в подходящих для
них условиях при массовом размножении могут вызвать вспухание активного ила. В исследуемом
иле доминировали два вида нитчатых организмов – серобактерии Thiothrix nivea и филаменты Eikelboom type 0961. Численность Thiothrix nivea достигала 14000–19000 нитей в 1 г абсолютно сухого ила,
Eikelboom type 0961 – 5700…7600 нитей/г.
Важным информативным показателем оценки качества активного ила служит иловый индекс.
Значения илового индекса проб возвратного ила аэротенков лежали в пределах 745,5…846,2 см3/г,
что более чем в 7 раз превышало показатели, принятые за норму. В то же время доза ила была невысокой – 1,10 г/дм3. Концентрация кислорода в аэротенках поддерживалась в пределах рекомендуемых
технологических значений – 2,0…3,0 мг/дм3, однако этого оказалось недостаточно для улучшения
состояния биоценоза активного ила в период вспухания.
Биоценоз активного ила имел низкое видовое разнообразие и оценивался как бедный. На начальных этапах исследования было обнаружено лишь 7–8 видов гидробионтов, причем два вида относились к нитчатым бактериям, ухудшающим состояние активного ила, поскольку вытесняли других организмов в биоценозе.
По совокупности всех изученных физико-химических, микробиологических и гидробиологических параметров, исследуемый активный ил городских очистных сооружений был оценен как деградированный, вспухший, находящийся в кризисном состоянии.
Были проведены лабораторные эксперименты по поиску оптимальных условий жизнедеятельности гидробионтов активного ила при минимальных сроках регенерации и экономических затратах.
Для проведения модельного эксперимента использовали специально разработанную опытную лабораторную установку с принудительной системой аэрации. Опытным путем были подобраны оптимальные условия восстановления качества деградированного активного ила испытуемых городских
очистных сооружений. Установили, что на начальных этапах необходимо снижение нагрузки активного ила сточными водами; причем при работе с малыми объемами жидкостей предпочтительно первоначальное соотношение вспухшего активного ила и сточных вод 3:1 (низкая удельная нагрузка), а
для больших объемов – 2:1 (средняя). В этих условиях при повышении концентрации молекулярного
кислорода в иловой смеси до 5,5…7,7 мг/дм3 регенерация активного ила и восстановление нормальной структуры иловых хлопьев произошли в течение 14–17 суток. Иловый индекс во всех опытных
сосудах снизился в 7,1…16,2 раза и стал соответствовать технологическим критериям.
Кроме восстановления физико-химических параметров, в ходе проведения опыта была отмечена и
регенерация биоценоза активного ила. Бактерии вида Eikelboom type 0961 и другие нитчатые бактерии, присутствовавшие в иле в меньшем количестве, в созданных условиях исчезли из биоценоза на
67
4–6 сутки культивирования. В то же время, для удаления серобактерий Thiothrix nivea из активного
ила аэротенков потребовался больший промежуток времени – до 10–14 суток.
Кроме нитчатых прокариот, в иловой смеси всех опытных резервуаров в 9,2–12,7 раза уменьшилась численность бесцветных жгутиконосцев Bodo и Oicomonas, а также исчезли виды Vorticella microstoma и Lionotus lamella; все перечисленные виды обычно служат индикаторами плохого качества
ила. С течением времени они сменились прикрепленными инфузориями (V. convalaria, Epistylis sp., Opercularia sp., Carchesium sp.), коловратками родов Philodina, Notommata, Lecane, раковинными амебами
Сentropyxis aculeatа и Аrcella vulgaris, сосущими инфузориями Tokophrya quadripartitе и Podophria
fixa, диатомовыми водорослями и т.д. Эти организмы считаются индикаторами удовлетворительного
состояния и работы активного ила, и их появление в ходе опыта свидетельствовало об улучшении
условий существования гидробионтов и усилении процесса очистки сточных вод. Разнообразие биоценоза было увеличено с 4–7 видов (начальное состояние) до 13–14 видов в малых сосудах и до 16–
20 видов при работе с большим объемом жидкостей.
По результатам проведенного опыта с большим объемом иловой смеси была предложена и впоследствии запатентована усовершенствованная полезная модель [8]. Разработанная установка позволяет устранить вспухание активного ила, восстановить его основные характеристики, подобрав при
этом оптимальные условия для регенерации. Главным достоинством полезной модели является то, что
наличие особой системы выводных патрубков исключает возможность выноса активного ила с низкой
способностью к седиментации вместе с очищенной сточной водой.
Установка позволяет определить необходимые концентрации растворенного кислорода в иловой
смеси и оптимальные значения удельной нагрузки сточных вод в каждом конкретном случае нарушения режима работы очистных сооружений, а также установить минимальные сроки для регенерации
активного ила. С ее помощью можно проводить четкий контроль изменения параметров, вносить необходимые корректировки в эксперимент по устранению вспухания активного ила. Установка служит
для моделирования оптимальных условий с последующим внедрением их в производство, а также
для восстановления качества вспухшего активного ила в небольших объемах. Полезная модель проста в исполнении и использовании, а также выгодно отличается малой стоимостью отдельных компонентов, изготовления и эксплуатации, занимает ограниченное пространство.
Проведенные исследования имеют научную и практическую значимость. По результатам проведенных экспериментальных работ были даны рекомендации по устранению вспухания и восстановлению основных свойств активного ила в промышленных условиях: на начальных этапах использовать соотношение активного ила и сточных вод 3:1, затем 2:1 при поддержании концентрации молекулярного кислорода в аэротенках от 5,0 до 8,0 мг/дм3. Спустя несколько дней необходимо постепенное снижение дозы кислорода до значений, рекомендуемых для работы аэротенков.
Предложенная методика впоследствии стала основой для проведения системы мероприятий по
устранению вспухания на городских очистных сооружениях, которая дала положительные результаты. Моделирование разработанных условий функционирования активного ила в аэротенках привело к
подавлению нитчатого вспухания и восстановлению рабочих качеств активного ила в течение месяца.
Однако для полной регенерации ила и достижения устойчивого состояния биоценоза аэротенков потребовался более значительный промежуток времени.
Полное восстановление хлопьеобразной структуры и седиментационных свойств ила было отмечено спустя несколько месяцев. В исследуемых пробах и в аэротенках ил приобрел коричневую окраску, супернатант оставался прозрачным. Эти изменения сопровождались постепенным повышением
биоразнообразия, увеличением численности микроорганизмов, наращиванием рабочей массы активного
ила и значительным улучшением эффективности биологической очистки сточных вод, что подтверждалось химическими показателями.
Наблюдение за состоянием ила и поддержанием условий, благоприятных для его жизнедеятельности продолжали в течение года. После чего констатировали полную регенерацию активного ила и
стабилизацию его состояния.
Разработанная в ходе экспериментов методика восстановления качества активного ила может
быть использована другими организациями в схожих ситуациях. Полезная модель установки для восстановления активного ила может быть применена в научных и практических целях.
Выполненная работа имеет экономический и экологический эффект.
5. ВЫВОДЫ
На основании результатов проведенной научно-исследовательской работы были сделаны следующие выводы:
68
1) Дана оценка состояния активного ила городских очистных сооружений – ил характеризовался
как деградированный, вспухший, находящийся в кризисном состоянии.
2) Установлен нитчатый характер вспухания активного ила; произведена количественная оценка
нитчатых организмов, выявлены доминантные виды и идентифицированы организмы-инициаторы
вспухания ила – Thiothrix nivea и Eikelboom type 0961.
3) Разработана лабораторная установка, позволяющая создать условия для регенерации деградированного ила.
4) Разработана методика проведения лабораторного опыта и определены оптимальные условия,
позволяющие ликвидировать вспухание и восстановить качество активного ила.
5) На основе используемой в опыте установки создана усовершенствованная полезная модель для
регенерации вспухшего активного ила.
Литература
1. Fourest, E. Occurrence and control of filamentous bulking in aerated wastewater treatment plants of the French paper industry /
E. Fourest, D. Craperi, C. Deschamps–Roupert et al. // Water Sci Technol., 2004. – Vol. 4. – № 50(3). – Р. 29–37.
2. Jenkins, D. Manual on Cases and Control of Activated Sludge Bulking and Foaming / D. Jenkins, M. Richard, G. Daigger –
2nd ed. Chelsea. – MI : Lewis Publishers, 1993.
3. Nemeth-Katona, J. The Environmental Significance of Bioindicators in Sewage Treatment / J. Nemeth-Katona // Acta
Polytechnica Hungarica, 2008. – Vol. 5. – № 3. – Р. 117–124.
4. Жмур, Н.С. Технологические и биохимические процессы очистки сточных вод на сооружениях с аэротенками /
Н.С. Жмур. – М. : АКВАРОС, 2003. – 512 с.
5. Фауна аэротенков (Атлас) / Под ред. Л.А. Кутиковой. – Л. : Наука, 1984. – 264 с.
6. Usachova, K. The development and manufacturing application of the methods of activated sludge quality regeneration / K.
Usachova // The Мaterial of 16 International Environmental Project Olympiad, Turkey, Istanbul, 1–4 June 2008. – Istanbul,
2008. – P. 55.
7. Eikelboom, D.H. Filamentous organisms observed in activated sludge / D.H. Eikelboom // Water Resourses, 1975. – Vol. 9. –
P. 365–388.
8. Пат. BY 6829 U 2010.12.30, МКИ C 02 F 3/00. Установка для восстановления вспухшего активного ила и очистки сточных вод / К.В. Усачева; заявитель и патентообладатель БГУ (BY). – № u 20100335, заявл. 05.04.10, опубл. 30.12.10. –
Бюл. № 6. – С. 183. – 1 с. : ил.
69