К. т. н. Корнієнко І. М., к. т. н., Крюковська О. А., Бондаренко С. С.

Дніпродзержинський державний технічний університет, Україна

ДОСЛІДЖЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ БІОХІМІЧНОЇ ОЧИСТКИ СТІЧНИХ ВОД ІЗ ЗАСТОСУВАННЯМ БІОТЕХНОЛОГІЧНИХ ПІДХОДІВ

(на прикладі очисних споруд м. Дніпродзержинська)

Збільшення об’ємів скидань промислових та господарчо-побутових стічних вод до водних об’єктів спричинює еколого-токсикологічну небезпеку для навколишнього природного середовища та населення України. Моніторинг якості поверхневих вод свідчить, що по деяких інгредієнтах (азоту амонійному, фосфатах та завислих речовинах) погіршено їх стан, зумовлений скиданням зворотних вод, склад яких не відповідає встановленим нормативам. Зростаючим процесом сучасного лімногенезу є інтенсивна евтрофікація поверхневих вод внаслідок біогенного навантаження, яка призводить до погіршення процесів самоочищення вод та мору риби через низьку якість очистки стічної води. Особливу занепокоєність викликає стан річки Дніпро, яка забезпечує питною водою 75% населення України.

Місто Дніпродзержинськ відноситься до промислової частини регіону. Цей фактор зумовлює інтеграцію великого спектру різноманітних токсикантів, які надходять до міської станції біоочищення зі стічною водою підприємств: ПАТ «ДМКД», ОАО «АЗОТ», УПП « Утог », птахофабрика та ін. Очисні споруди збудовані у 1979 р., тому не розраховані на сучасні умови роботи та вимоги до якісних показників зворотних вод. Головними недоліками роботи очисних споруд м. Дніпродзержинська є відхилення від встановлених нормативів по азоту амонійному, фосфатам та завислим речовинам. Важливою причиною погіршення умов роботи для біоценозу аеротенків є подача дренажної стічної води, отриманої внаслідок бродіння та відстоювання відпрацьованого мулу, з мулового майданчику до аеротенків. Дренажна стічна вода має великі концентрації азоту амонійного та фосфатів, а саме 150,0 та 75,0 мг/дм ³ відповідно, що є небезпечним для біоценозу активного мулу. Подача дренажної води супроводжується значним погіршенням біоочищення стічної води, яка характеризується підвищенням кількості нитчастих бактерій, котрі призводять до виносу біомаси, а саме збільшенню кількості завислих речовин у зворотних водах. Н итчасті бактерії мають розвинену поверхню і відповідно велику окислювальну здатність. Нитчастий мул погано осідає, виноситься з аеротенків і тому остаточний вміст забруднюючих речовин в зворотних водах залишається високим.

Біохімічні методи очищення застосовуються для очищення господарсько -побутових і промислових стічних вод від багатьох органічних і деяких неорганічних сполук ( сірководню, фенолу , сульфідів , аміаку , нітратів та ін.) [1 ]. Процес очищення заснований на тому , що деякі мікроорганізми використовують забруднюючі речовини в їжу в процесі своєї життєдіяльності. Більшість стічних вод не містять отруйних домішок важких металів , і концентрація біологічно неокисляючих речовин не перевищує певних значень .

На практиці використовуються аеробні та анаеробні методи біохімічного очищення . При аеробному методі використовуються мікроорганізми , для життя яких необхідний кисень і температура 20–40 °С. Анаеробні методи протікають без кисню , їх використовують в основному для знезараження опадів. Біорозкладність стічних вод характеризується через їх біохімічний пока зник (побутові стічні води мають показник > 0,5 , промислові 0,05–0,3 ). Для успішного протікання біохімічного окислення в стічних водах повинні бути присутні: N, P, K, S, Mg , Ca , NaCl , Fe , Mn , Mo , Ni , Co , Zn , Cu [2].

Аеробне очищення може протікати в природних і штучних спорудах . У природних умовах очищення відбувається на полях зрошення , полях фільтрації і біологічних ставках . Штучним є біофільтри , аеротенки і оксітенки . Вибір споруд залежить від кліматичних умов , обсягу і складу стоків , концентрації забруднювачів. У штучних спорудах очищення йде швидше , ніж у природних умовах.

Найбільш універсальним способом обробки стічних вод є обробка активним мулом. Мул являє собою величезну популяцію різних бактерій , грибків та іншої флори , додавання якої до стічних вод призводить до швидкого встановлення рівноваги , сприяючого розкладанню органічних речовин , в результаті якого утворюються   і . Бактерії , що входять до складу активного мулу , здатні переробляти лише ті стічні води, з яких сформувався цей активний мул. Тому , якщо до складу очисних промислових стоків будуть введені нові речовини , наприклад при зміні технології виробництва , то буде потрібно час , щоб бактерії, здатні окислити саме ці речовини , розмножилися в достатній кількості і змогли забезпечити найкраще очищення [ 3]. Іноді навіть доводиться завозити на знову створюване підприємство активний мул з іншого підприємства , де очищаються аналогічні за складом води і де в активному мулі поширені потрібні види бактерій. Зазвичай концентрацію активного мулу підтримують рівною 2–4 г/л. У ході очищення активний мул час від часу виводять з очисних споруд , так як його кількість зростає. Частину його при цьому використовують як цінне добриво , якщо немає важких металів , частину стабілізують , тобто обробляють надлишком кисню для видалення всілякої органіки , запобігаючи таким чином гниття . Частина надходить на анаеробне розкладання .

Дані методи вивчалися на прикладі Дніпровського промислового регіону , (зокрема на прикладі міських очисних споруд Дніпродзержинська, рисунок 1 ).

Аеротенки являють собою резервуари , в яких очищається стічна вода і активний мул насичуються повітрям і перемішуються. Для забезпечення нормального ходу безперервно подається повітря .

Рис. 1. Аеротенк очисних споруд м. Дніпродзержинськ

Головною проблемою очисних споруд міста Дніпродзержинська є недостатньо ефективна біохімічна очистка від азоту амонійного , фосфатів , важких металів і нафтопродуктів. Результати проведених досліджень якісних та кількісних характеристик стічних вод очисних споруд м. Дніпродзержинська наведено у табл. 1. Визначення аналітичних показників проводились по стандартним атестованим методикам, наведеним у табл. 2.

Таблиця 1. Якісний склад очищених стічних вод

Контрольний показник	ГДК рибо- господарського водокористу­вання	ГДК культурно-побутового водокористування	Очищенні стічні води м. Дніпродзержинська
Завислі речовини, мг/дм 3	0,25	0,75	4,0
Амоній сольовий, мг/дм 3	0,5	2,57	3,5–5,5
Нітрати, мг/дм 3	40	45	50–65
Нітрити, мг/дм 3	0,08	3,3	4,0–5,0
Фосфати, мг/дм 3	0,17	3.5	6,0–10,0
Загальне залізо, мг/дм 3	0,10	0,3	0,35–0,5
Нафтопродукти, мг/дм 3	0,05	0,3	0,4–0,9
АПАР, мг/дм 3	0,028	0,4	0,45–0,6

Таблиця 2. Методики визначення якісних показників стічних вод

Контрольний показник	МВВ (шифр) методики
Показник, рН	ДСТУ 4077 – 2001 Вимірювання водневого показника
Загальне залізо, мг/дм 3	КНД 211. 1. 4. 034 – 95 Фотометричне визначення заліза в стічних водах
Амоній сольовий, мг/дм 3	КНД 211. 1. 4. 030 – 95 Фотометричне визначення амоній – іонів з реактивом Неслера
Нітрити, мг/дм 3	КНД 211. 1. 4. 027 – 95 Фотометричне визначення нітрит – іонів з реактивом Грісса
Нітрати, мг/дм 3	КНД 211. 1. 4. 023 – 95 Фотометричне визначення нітратів з саліциловою кислотою
Фосфати, мг/дм 3	РНД 09 – 05 – 2002 Фотометричне визначення фосфатів у стічних водах
Хлориди, мг/дм 3	КНД 211. 1. 4. 037 – 95 Меркурометричне визначення хлоридів
Нафтопродукти,   мг/дм 3	РНД 01 – 05 – 2002 Вимірювання масової концентрації нафтопродуктів
Сульфати, мг/дм 3	РНД 15 – 05 – 2002 Вимірювання сульфатів
Завислі речо­ви­ни, мг/дм 3	КНД 211. 1. 4. 040 – 95 Гравіметричне визначення завислих речовин в стічних водах
ХСК, мг/дм 3	КНД 211. 1. 4. 021 – 95 Визначення хімічного споживання кисню
АПАР, мг/дм 3	КНД 211. 1. 4. 017 – 95 Екстракційно-фотометричного визначення аніонних поверхнево-активних речовин (АПАР)
Сухий залишок, мг/дм 3	КНД 211. 1. 4. 042 – 95 Гравіметричного визначення сухого залишку в стічних водах
Розчинений кисень, мг/дм 3	РНД 13 – 05 – 2002 Вимірювання розчиненого кисню
БСК, мг/дм 3	КНД 211. 1. 4. 024 – 95 Визначення біохімічного споживання кисню
ЛКП, ЗМЧ	РНД 27 – 05 – 2002 Выполнения измерений санитарно-микробиоло-гических показателей сточных вод, разработанной ТК УВКХ и экологии Госстроя Украины

В досконалити біохімічні окислення шляхом послідовного використання процесів нітрит- денітрифікації, що істотно дозволить знизити концентрацію окислених форм азоту (азот амонійного , азот нітритнного ) з наступним біорозкладеням азот нітритного . Вказані закономірності окислення стандартних рівнянь нітрит- денітрифікації.

Прикладом окислення автотрофами може бути процес нітрифікації:

;

.

Анаеробний процес денітрифікації відбувається у дві стадії:

;

.

У табл. 3 представлені результати проведення досліджень ступеня акумуляції важких металів біоценозом активного мулу за допомогою атомно - абсорбційних методів.

Таблиця 3. Статистичні показники біоакумуляції важких металів

Статистичні показники	Метали
	Fe	Cd	Mn	Cu	Co	Zn	Pb
Середнє значення, мг/дм 3	25,9	0,007	4,4	0,480	1,600	1,700	–
Визначена розбіжність ре­зуль­татів, мг/дм 3	0,380	0,0004	0,24	0,03	0,13	0,1	–
Допустима розбіжність резуль­татів, мг/дм 3	2,084	0,0071	0,755	0,0866	0,218	0,446	–
Абсолютна похибка,%	1,467	5,714	5,455	6,25	8,125	5,882	–

Отримані результаті досліджень важких металів в активному мулі свідчать про можливість застосування сирого осаду у якості домішок у виготовленні складної рецептурі органо-мінерального добрива.

З метою вирішення проблеми високої концентрації органічних сполук і нафтопродуктів у стічних водах пропонуємо внести до гідробіоценозу активного мулу специфічні види мікроорганізмів: Nocardia opacus , Nocardia corallina , Nocardia fareinica , Achromobacter centropuntatum , Bacterium aliphaticum , Bacteria benzoli , які утилізують ці органічні з’єднання. Також краще застосовувати для зброджування опадів анаеробні методи.

За результатами проведених досліджень були розроблені технічні рекомендації , а саме:

- поставлено в актуальність проблему відхилення від норм ГДК забруднюючих речовин у стічних водах промислового регіону;

- рекомендовано проведення гідробіологічної оцінки мулу з визначенням основного виду бактеріальних скупчень, а саме Nocardia opacus , Nocardia corallina , Nocardia fareinica , Achromobacter centropuntatum , Bacterium aliphaticum , Bacteria benzoli , які володіють специфічними властивостями відносно біорозкладання важкоокислюємих з’єднань;

- запропоновано сучасні підході щодо використання сирого осаду в напрямках: отримання біогазу в метантенках та у якості домішок у рецептурі органо-мінерального добрива.

Список використаних джерел:

1. Гуляєв В. М. Екологічна біотехнологія / В. М. Гуляєв, М. Д. Волошин. –Дніпропетровськ: Системні технології, 2002. – 127 с.

2. Поруцкий Г. В. Биохимическая очистка сточных вод органических производств / Г. В. Поруцкий . – М.: Химия , 1975. – 256 с.

3. Яковлев С. В. Очистка производственных сточных вод / [С. В. Яковлев , Я. А. Карелин , Ю. М. Ласков , Ю. В . Воронов ] . – М.: Стройиздат , 1985. – 335 с.