Воронеж, Воронежская область, Россия
Изучение влияния белково-липидных компонентов на показатели жизнедеятельности активного ила является перспективным с позиции выработки рекомендаций по предварительной очистке высококонцентрированных стоков, поступающих на линию биологического окисления. Объекты исследования: 1. Активный ил (иловый индекс 92,0-125,0 см3/г; массовая концентрация 4,0-5,5 г/дм3; скорость оседания 0,5-0,6 см3/мин), 2. Пептон сухой ферментативный для бактериологических целей (ГОСТ 13805-76). Методы исследования: ФР 1.31.2008.04397, ФР 1.31.2008.04398, ФР 1.31.2008.04400, микроскопирование образцов с целью гидробиологического исследования, лабораторная установка, включающая емкость для дозирования сточной воды, аэротенк – смеситель, емкость для отстаивания избыточного активного ила, компрессор. Условия, при которых осуществляли биоокисление, следующие: скорость подачи стока в аэротенк 0,5 дм3/час, расход воздуха на аэрацию одного аэротенка 2 дм3/мин, режим работы непрерывный, аэрация мелкопузырчатая, равномерная, интенсивная, время проведения исследования 5 недель. Изучение влияния содержания белково-липидного компонента в стоках на основные гидрохимические и гидробиологические показатели состояния биоценоза активного ила проводили с использованием модельной сточной воды с содержанием пептона ферментативного С = 500 мг/дм3, С = 1000 мг/дм3, С = 2000 мг/дм3, С = 3000 мг/дм3, С = 4000 мг/дм3. Полученные данные свидетельствуют о необратимом негативном влиянии на гидрохимические и гидробиологические показатели биоценоза активного ила стока с содержанием белково-липидного компонента 3000 мг/дм3 и более. Однако, при содержании белково-липидного компонента менее 1000 мг/дм3 наблюдается стабильная динамика как по гидрохимическим, так и по гидробиологическим показателям
активный ил, биоценоз, белки, жиры, белково-липидный компонент
Введение
В настоящее время достаточно остро стоит вопрос антропогенного загрязнения водных объектов, важнейших компонентов окружающей природной среды, поллютантами недостаточно очищенных производственных и бытовых сточных вод [1]. Эффективность очистки стоков на технологической линии обезвреживания преимущественно зависит от работы блока биохимического окисления, однако, загрязнители, содержащиеся в сточных водах в высоких концентрациях, способны частично «проскакивать» в поверхностные водные объекты, приводя к их деградации [2].
Производственные сточные воды являются многокомпонентной системой непостоянного качественно-количественного состава [3], а сточные воды предприятий пищевой отрасли являются в свою очередь, высококонцентри-рованными и требуют дополнительной обработки [4].
В настоящее время применяются различные способы снижения содержания поллютантов в производственных стоках: реагентная обработка под ультразвуком [5], обработка бинарными системами (коагулянт + флокулянт) [6], очистка электрокоагуляционными методами [7], различные способы обработки в электрических полях [8], электрофлотация [9], ультразвуковая кавитация [10], сорбция с использованием различных сорбентов, в том числе цеолитов [11], адсорбция [12-14], флотация с использованием флотокомбайнов [15], пневмосепарация с использованием гумата калия [16], различные металлоорганические каркасные соединения [17], комбинированные методы типа: напорная флотация или электрофлотация совместно с анаэробно - аэробным обезвреживанием» [18], коагуляция с использованием в качестве реагента промышленных отходов [19], внедрение микроводорослей [20].
Производственный сток предприятий по переработке птицы содержит кровь, жиры, белки, углеводы, частицы мяса, кожи, перья. Кроме того, в воде присутствуют неорганические вещества, грязь и песок. Концентрация загрязнителей может достигать по показателям БПК и ХПК до 5100 мг/дм3 и до 12500 мгО2/дм3 соответственно, по взвешенным веществам до 12000 мг/дм3 [2].
На сегодняшний день проблема очистки жиро- и белоксодержащих сточных вод стоит достаточно остро и активно изучается за рубежом [21-25]. В свою очередь биологическая очистка возможна только для сточных вод, загрязненных веществами, которые могут быть окислены биоценозом активного ила – сообществом водорослей, беспозвоночных микроорганизмов различных систематических групп [26].
Как показывает практика, для того, чтобы эффективно извлечь белково-липидные компоненты из высококонцентрированных стоков на предшествующих биологической очистке стадиях зачастую требуется добавление различных реагентов, изменяющих химический состав стоков или их рН [27], соответственно приводя к вторичному загрязнению, что влечет за собой необходимость дополнительной обработки сточных вод перед их сбросом в поверхностный водный объект или в централизованную канализационную сеть.
Широко используемый в настоящее время способ обработки сточных вод на птицеперерабатывающих предприятиях напорной флотацией не позволяет снизить содержание загрязнителей до допустимых значений, и недостаточно очищенный сток, поступая на линию биоокисления, приводит к критическому снижению основных гидрохимических и гидробиологических показателей жизнедеятельности активного ила [28].
Однако, представленные исследования позволяют полагать, что извлеченные безреагентным способом белково-липидные компоненты высококонцентрированных стоков могут быть в дальнейшем использованы в области биологической очистки сточных вод в качестве питательного субстрата для биоценоза активного ила, испытывающего голод в обедненном стоке малочисленных населенных пунктов [29].
Таким образом, изучение влияния белково-липидных компонентов на показатели жизнедеятельности активного ила является перспективным как с позиции выработки рекомендаций по предварительной очистке высококонцентрированных стоков, так и с позиции их дальнейшего использования в качестве подкормки.
Материалы и методы
Объекты исследования
1. Активный ил очистных сооружений г. Воронежа. Гидрохимические показатели исходного активного ила: иловый индекс 92,0-125,0 см3/г; массовая концентрация 4,0-5,5 г/дм3; скорость оседания 0,5-0,6 см3/мин; надиловая вода прозрачная; хлопок плотный, компактный, гранулообразный.
Гидробиологические показатели представлены в таблице 1 с учетом следующей шкалы встречаемости: 1 – единичные представители, 2 - малочисленны, 3 – среднечисленны, 4 – многочисленны.
Микрофотографии проб исходного активного ила представлены на рис. 1.
Таблица 1
Гидробиологические показатели активного ила
Table 1
Hydrobiological indicators of active sludge
|
Укрупненные индикаторные группы Enlarged indicator groups |
Балл встречаемости Conditional occurrence score |
|
Euglypha |
3-4 |
|
Kinetophragminophora |
3-4 |
|
Spirotrihida |
3-4 |
|
Peritricha |
3-4 |
|
Rotifera (Rotaria, Philodina, Cephalodella) |
3-4 |
|
Testacealobsia |
3-4 |
|
Zoogloea ramigera |
2-3 |
|
Gymnamoebia |
1-2 |
|
Phytomastigophorea |
1-2 |
Источник: собственные экспериментальные данные
Source: own experimental data
2. Пептон сухой ферментативный для бактериологических целей (ГОСТ 13805-76) получаемый из рубцов и летошки крупного рогатого скота, овец, коз, а также желудков свиней с использованием слизистой оболочки желудков и поджелудочной железы. Является источником белково-липидного компонента.
Методы исследования
- Изучение гидрохимических показателей активного ила осуществляли по комплекту методик: «Определение массовой концентрации активного ила, илового индекса, прозрачности надиловой воды» ФР 1.31.2008.04397, ФР 1.31.2008.04398, ФР 1.31.2008.04400.
- Гидробиологические показатели активного ила определяли посредством микроскопирования электронным микроскопом Livenhuk G670T с использованием определителя видового разнообразия микроорганизмов.
- Экспериментальные исследования проводились на лабораторной установке, моделирующей работу проточного аэротенка-вытеснителя, представленной на рисунке 2.
- Лабораторная установка включает в себя емкость для дозирования сточной воды, аэротенк – смеситель, емкость для отстаивания избыточного активного ила, компрессор.
- Условия, при которых осуществляли биоокисление, следующие: скорость подачи стока в аэротенк 0,5 дм3/ч, расход воздуха на аэрацию одного аэротенка 2 дм3/мин, режим работы непрерывный, аэрация мелкопузырчатая, равномерная, интенсивная, время проведения исследования 5 недель, количество параллельных опытов на каждое значение концентрации белково-липидного компонента – 3.
Рисунок 1. Микрофотографии исходного
активного ила
Figure 1. Micrographs of the initial
active sludge
Источник: собственные экспериментальные данные
Source: own experimental data
Рисунок 2. Экспериментальная установка
Figure 2. Experimental setup
Источник: собственная композиция авторов
Source: authors' composition
Результаты и обсуждение
Изучение влияния концентрации белково-липидного компонента в стоках на основные гидрохимические и гидробиологические показатели состояния биоценоза активного ила проводили с использованием модельной сточной воды с содержанием пептона ферментативного С = 500 мг/дм3, С = 1000 мг/дм3, С = 2000 мг/дм3, С = 3000 мг/дм3, С = 4000 мг/дм3.
Результаты, полученные по истечении 5 недель экспериментальных исследований, представлены в табл. 2. Графическое отображение динамики основных гидрохимических показателей состояния биоценоза активного ила: массовой концентрации, илового индекса и скорости оседания представлены на рис. 3, на рис. 4 представлена визуализация полученных данных в виде статических диаграмм и таблиц расчетных значений. Микрофотографии образцов активного ила, осуществлявшего очистку сточных вод с содержанием белково-липидного компонента С = 500 мг/дм3, С = 1000 мг/дм3, С = 2000 мг/дм3, С = 3000 мг/дм3, С = 4000 мг/дм3, представлены на рис. 5.
Таблица 2
Гидрохимические показатели активного ила при биологической очистке белково-липидного стока
Table 2
Hydrochemical parameters of active sludge in the biological treatment of protein-lipid wastewater
|
Показатель Indicator |
Концентрация пептона, С, мг/дм3 Peptone concentration, С, mg/dm3 |
|||||
|
500,0 |
1000,0 |
2000,0 |
3000,0 |
4000,0 |
||
|
Иловый индекс, см3/г Silt index, cm3/g |
78,18 |
135,1 |
462,5 |
212 |
48,2 |
|
|
Массовая концентрация, г/дм3 Mass concentration, g/dm3 |
3,76 |
2,66 |
1,16 |
0,92 |
0,28 |
|
|
Скорость оседания, см3/мин Settling rate, cm3/min |
0,63 |
0,53 |
0,16 |
0,71 |
0,82 |
|
|
Прозрачность надиловой воды Water transparency |
прозрачная transparent |
мутная muddy |
||||
|
Хлопок Accumulation |
крупный, компактный large, compact |
средний, компактный medium, compact |
диспергированный separated |
|||
Источник: собственные экспериментальные данные
Source: own experimental data
Рисунок 3. Динамика гидрохимических показателей при очистке стоков с различной концентрацией пептона
Figure 3. Dynamics of hydrochemical parameters during wastewater treatment with different concentrations of peptone
Источник: собственные экспериментальные данные
Source: own experimental data
|
значение value |
С=500 |
С=1000 |
С=2000 |
С=3000 |
С=4000 |
|
|
min |
3,44 |
2,66 |
1,16 |
0,92 |
0,28 |
|
|
Q1 |
3,6 |
2,72 |
1,36 |
1,32 |
0,98 |
|
|
Me |
3,76 |
2,8 |
1,48 |
1,64 |
1,32 |
|
|
Q3 |
4 |
3,04 |
1,48 |
2,2 |
1,44 |
|
|
max |
4,6 |
3,76 |
2,56 |
2,52 |
1,76 |
|
значение value |
С=500 |
С=1000 |
С=2000 |
С=3000 |
С=4000 |
1. Носкова Т. В., Панина М. С., Лабузова О. М. (и др.) Оценка антропогенной нагрузки на водные объекты в городской черте. Теоретическая и прикладная экология. 2021. № 3. С. 98-103. DOI:https://doi.org/10.25750/1995-4301-2021-3-098-103.
2. Корчагин В. И., Дочкина Ю. Н., Денисова-Барабаш Е. А., Плякина А. А. Сравнительная оценка эффективности коагуляционных методов при извлечении биологически активных компонентов из высококонцентрированных стоков. Вестник ВГУИТ. 2020. № 1. С. 213-218. DOI:https://doi.org/10.20914/2310-1202-2020-1-213-218.
3. Шлёкова, И. Ю., Кныш А. И. Повышение эффективности аэробной биологической очистки нефтесодержащих сточных вод. Теоретическая и прикладная экология. 2021. № 1. С. 203-209. DOI:https://doi.org/10.25750/1995-4301-2021-1-203-209.
4. Поливанова Т. В., Чернышев М. А., Григорьева Е. В. Оптимизация технологии очистки сточных вод животноводческих комплексов. Юность и Знания - Гарантия Успеха. Курск, 2017. С. 64-68.
5. Savchuk L., Znak Z., Kurylets O. [et al.] Research into processes of wastewater treatment at plants of meat processing industry by flotation and coagulation. Eastern-European journal of enterprise technologies. 2017. Vol. 3. P. 4-9. DOI:https://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.101736.
6. Makhlay, K., Tseitlin M., Raiko V. A study of wastewater treatment conditions for the poultry meat processing enter. Eastern-European journal of enterprise technologies. 2018. Vol. 3. P. 15-20. DOI:https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.131122.
7. Mervat A. Sadik. Removal of reactive dye from textile mill wastewater by leading electro-coagulation process using aluminum as a sacrificial anode. Scientific research publishing. 2019. Vol. 9. P. 182-193. DOIhttps://doi.org/10.4236/aces.2019.92014.
8. Ghernaout D., Elboughdir N. Electrochemical technology for wastewater treatment: dares and trends / D. Ghernaout. Open access library journal. 2020. Vol. 7. P. 1-17. DOI:https://doi.org/10.4236/oalib.1106020.
9. Korchagin V. I., Dochkina Yu. N., Popova L. V., Denisova-Barabash E. А. Extraction nutrient substrate from highly concentrated poultry processing plants effluents. Earth and environmental science. 2020. EESE6402062. DOI:https://doi.org/10.1088/1755-1315/640/2/022062.
10. Сагитов Р. Ф., Коротков В. Г., Быков А. В. и др. Электрофизический способ очистки сточных вод дрожжевых и хлебопекарных предприятий. Экология и промышленность России. 2017. № 9. С. 48-52. DOI:https://doi.org/10.18412/1816-0395-2017-9-48-52.
11. Обуздина М. В., Руш Е. А., Шалунц Л. В. Решение экологических проблем очистки сточных вод путем создания сорбента на основе цеолита. Экология и промышленность России. 2017. № 8. С. 20-25. DOI:https://doi.org/10.18412/1816-0395-2017-8-20-25.
12. Краснова, Т. А. Адсорбционные технологии очистки воды при производстве фруктово-сывороточных напитков / Т. А. Краснова, И. В. Тимощук, А. К. Горелкина и др. // Экология и промышленность России. - 2018. - № 10. - С. 4-10. - DOI:https://doi.org/10.18412/1816-0395-2018-10-4-10.
13. Краснова Т. А., Горелкина А. К., Кирсанов М. П. Использование адсорбции для снижения загрязнения водных ресурсов. Экология и промышленность России. 2018. № 1. С. 44-49. DOI:https://doi.org/10.18412/1816-0395-2018-1-44-49.
14. Шлёкова И. Ю., Кныш А. И. Интенсификация биологической очистки производственных сточных вод в аэротенках с помощью адсорбентов. Экология и промышленность России. 2018. № 6. С. 20-25. DOI:https://doi.org/10.18412/1816-0395-2018-6-20-25.
15. Ксенофонтов Б. С., Козодаев А. С., Таранов Р. А. и др. Физико-химическая очистка сточных вод от сложных органических веществ с использованием флотокомбайнов. Экология и промышленность России. 2019. № 12. С. 4-8. DOI:https://doi.org/10.18412/1816-0395-2019-12-4-8.
16. Гальченко С. В., Воробьева Е. В., Чердакова А. С. Экологические аспекты очистки сточных вод от нефтепродуктов методом пневмосепарации при внесении гумата калия. Экология и промышленность России. 2018. № 1. С. 38-43. DOI:https://doi.org/10.18412/1816-0395-2018-1-38-43.
17. Власова Е. А., Кулешова Н. К., Афанасьева А. В. Применение каркасных соединений для очистки окрашенных сточных вод пищевых производств. Экология и промышленность России. 2019. № 1. С. 15-19. DOI:https://doi.org/10.18412/1816-0395-2019-1-15-19.
18. Зубарева Г. И. Глубокая очистка сточных вод с чрезмерно высоким содержанием жира. Экология и промышленность России. 2019. № 10. С. 34-38. DOI:https://doi.org/10.18412/1816-0395-2019-10-34-38.
19. Суханов Е. В., Сапронова Ж. А., Свергузова С. В. и др. Некоторые особенности коагуляционной очистки воды с помощью пыли электросталеплавильного производства. Экология и промышленность России. 2017. № 1. С. 24-29. DOI:https://doi.org/10.18412/1816-0395-2017-1-24-29.
20. Зибарев Н. В., Жажков В. В., Адрианова М. Ю. и др. Комплексное использование микроводорослей в очистке сточных вод и переработке отходов пищевой промышленности. Экология и промышленность России. 2021. № 11. С. 18-23. DOI:https://doi.org/10.18412/1816-0395-2021-11.
21. Bingo M. N., Njoya M., Basitere M. [et al.] Performance evaluation of an integrated multi-stage poultry slaughterhouse wastewater treatment system. Journal of water process engineering. 2021. Vol. 43. P. 102309. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2021.102309.
22. Njoya M., Basitere M., Karabo Obed Ntwampe S. Performance evaluation and kinetic modeling of down-flow high-rate anaerobic bioreactors for poultry slaughterhouse wastewater treatment. Environmental science and pollution research. 2020. № 28. P. 9529-9541. DOI:https://doi.org/10.1007/s11356-020-11397-5.
23. Ilyasov O. R., Koshelev S. N., Khomyakova V. S. [et al.] Improvement of the biotechnology of wastewater treatment from livestock and poultry farms. Chief animal technician. 2020. № 9. P. 13-19. DOI:https://doi.org/10.33920/sel-03-2009-02.
24. Laca A., Laca A., Diaz M. Environmental impact of poultry farming and egg production. Environmental impact of agro-food industry and food consumption. 2021. P. 81-100. DOI:https://doi.org/10.1016/B978-0-12-821363-6.00010-2.
25. Bingo M. N., Basitere M., Ntwampe S. K. O. Poultry slaughterhouse wastewater treatment plant design advancements. 16th South Africa int'l conference on agricultural, chemical, biological & environmental sciences (ACBES-19) Nov. 18-19. Johannesburg (S.A.), 2019. P. 289-294. DOI:https://doi.org/10.17758/EARES8.EAP1119145.
26. Домрачева Л. И., Скугорева С. Г., Ашихмина Т. Я. и др. Использование отработанного активного ила для очистки сточных вод, загрязненных тяжелыми металлами. Теоретическая и прикладная экология. 2020. № 4. С. 176-184. DOI:https://doi.org/10.25750/1995-4301-2020-4-176-184.
27. Дочкина Ю. Н., Корчагин В. И. Особенности биологической очистки высококонцентрированных стоков, прошедших электрофлотационную обработку. Материалы LIX отчетной научной конференции преподавателей и научных сотрудников ВГУИТ за 2020 год. Воронеж, 2021. С. 113.
28. Плякина А. А., Закаблукова Ю. В., Дочкина Ю. Н. Оценка состояния биоценоза активного ила при биологической очистке высококонцентрированных сточных вод. Материалы студенческой научной конференции за 2020 год. Воронеж, 2020. С. 93.
29. Плякина А. А., Дочкина Ю. Н., Корчагин В. И. Исследование гидрохимических и гидробиологических показателей биоценоза активного ила в процессе подкормки субстратом, содержащим биологически активные компоненты. Материалы студенческой научной конференции за 2021 год. Воронеж, 2021. С. 283.
