Voronezh, Voronezh, Russian Federation
The study of the effect of protein-lipid components on the vital functions of activated sludge is promising from the standpoint of developing recommendations for preliminary treatment of highly concentrated effluents entering the biological oxidation line. Objects of research: 1. Active sludge (sludge index 92.0-125.0 cm3/g; mass concentration 4.0-5.5 g/dm3; sedimentation rate 0.5-0.6 cm3/min), 2. Enzymatic dry peptone for bacteriological purposes (13805-76 State Standard). Research methods: FR 1.31.2008.04397, FR 1.31.2008.04398, FR 1.31.2008.04400, microscopic examination of specimens for the purpose of hydrobiological research, laboratory installation, including a container for dosing waste water, aeration tank - mixer, a container for settling excess activated sludge, a compressor. The conditions under which the biooxidation was carried out were as follows: the flow rate into the aeration tank was 0.5 dm3/h, the air consumption for aeration of one aeration tank was 2 dm3/min, the operating mode was continuous, the aeration was fine-bubble, uniform, intensive, the study time was 5 weeks. The study of the effect of the content of the protein-lipid component in the effluents on the main hydrochemical and hydrobiological indicators of the state of the activated sludge biocenosis was carried out using model waste water containing enzymatic peptone C = 500 mg/dm3, C = 1000 mg/dm3, C = 2000 mg/dm3, C = 3000 mg/dm3, C = 4000 mg/dm3. The data obtained indicate an irreversible negative effect on the hydrochemical and hydrobiological parameters of activated sludge biocenosis with a protein-lipid component content of 3000 mg/dm3 and more. However, when the content of the protein-lipid component is less than 1000 mg/dm3, stable dynamics is observed both in hydrochemical and hydrobiological indicators
activated sludge, biocenosis, proteins, fats, protein-lipid component
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. Noskova T. V., Panina M. S., Labuzova O. M. (i dr.) Ocenka antropogennoy nagruzki na vodnye ob'ekty v gorodskoy cherte. Teoreticheskaya i prikladnaya ekologiya. 2021. № 3. S. 98-103. DOI:https://doi.org/10.25750/1995-4301-2021-3-098-103.
2. Korchagin V. I., Dochkina Yu. N., Denisova-Barabash E. A., Plyakina A. A. Sravnitel'naya ocenka effektivnosti koagulyacionnyh metodov pri izvlechenii biologicheski aktivnyh komponentov iz vysokokoncentrirovannyh stokov. Vestnik VGUIT. 2020. № 1. S. 213-218. DOI:https://doi.org/10.20914/2310-1202-2020-1-213-218.
3. Shlekova, I. Yu., Knysh A. I. Povyshenie effektivnosti aerobnoy biologicheskoy ochistki neftesoderzhaschih stochnyh vod. Teoreticheskaya i prikladnaya ekologiya. 2021. № 1. S. 203-209. DOI:https://doi.org/10.25750/1995-4301-2021-1-203-209.
4. Polivanova T. V., Chernyshev M. A., Grigor'eva E. V. Optimizaciya tehnologii ochistki stochnyh vod zhivotnovodcheskih kompleksov. Yunost' i Znaniya - Garantiya Uspeha. Kursk, 2017. S. 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. A. 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. Sagitov R. F., Korotkov V. G., Bykov A. V. i dr. Elektrofizicheskiy sposob ochistki stochnyh vod drozhzhevyh i hlebopekarnyh predpriyatiy. Ekologiya i promyshlennost' Rossii. 2017. № 9. S. 48-52. DOI:https://doi.org/10.18412/1816-0395-2017-9-48-52.
11. Obuzdina M. V., Rush E. A., Shalunc L. V. Reshenie ekologicheskih problem ochistki stochnyh vod putem sozdaniya sorbenta na osnove ceolita. Ekologiya i promyshlennost' Rossii. 2017. № 8. S. 20-25. DOI:https://doi.org/10.18412/1816-0395-2017-8-20-25.
12. Krasnova, T. A. Adsorbcionnye tehnologii ochistki vody pri proizvodstve fruktovo-syvorotochnyh napitkov / T. A. Krasnova, I. V. Timoschuk, A. K. Gorelkina i dr. // Ekologiya i promyshlennost' Rossii. - 2018. - № 10. - S. 4-10. - DOI:https://doi.org/10.18412/1816-0395-2018-10-4-10.
13. Krasnova T. A., Gorelkina A. K., Kirsanov M. P. Ispol'zovanie adsorbcii dlya snizheniya zagryazneniya vodnyh resursov. Ekologiya i promyshlennost' Rossii. 2018. № 1. S. 44-49. DOI:https://doi.org/10.18412/1816-0395-2018-1-44-49.
14. Shlekova I. Yu., Knysh A. I. Intensifikaciya biologicheskoy ochistki proizvodstvennyh stochnyh vod v aerotenkah s pomosch'yu adsorbentov. Ekologiya i promyshlennost' Rossii. 2018. № 6. S. 20-25. DOI:https://doi.org/10.18412/1816-0395-2018-6-20-25.
15. Ksenofontov B. S., Kozodaev A. S., Taranov R. A. i dr. Fiziko-himicheskaya ochistka stochnyh vod ot slozhnyh organicheskih veschestv s ispol'zovaniem flotokombaynov. Ekologiya i promyshlennost' Rossii. 2019. № 12. S. 4-8. DOI:https://doi.org/10.18412/1816-0395-2019-12-4-8.
16. Gal'chenko S. V., Vorob'eva E. V., Cherdakova A. S. Ekologicheskie aspekty ochistki stochnyh vod ot nefteproduktov metodom pnevmoseparacii pri vnesenii gumata kaliya. Ekologiya i promyshlennost' Rossii. 2018. № 1. S. 38-43. DOI:https://doi.org/10.18412/1816-0395-2018-1-38-43.
17. Vlasova E. A., Kuleshova N. K., Afanas'eva A. V. Primenenie karkasnyh soedineniy dlya ochistki okrashennyh stochnyh vod pischevyh proizvodstv. Ekologiya i promyshlennost' Rossii. 2019. № 1. S. 15-19. DOI:https://doi.org/10.18412/1816-0395-2019-1-15-19.
18. Zubareva G. I. Glubokaya ochistka stochnyh vod s chrezmerno vysokim soderzhaniem zhira. Ekologiya i promyshlennost' Rossii. 2019. № 10. S. 34-38. DOI:https://doi.org/10.18412/1816-0395-2019-10-34-38.
19. Suhanov E. V., Sapronova Zh. A., Sverguzova S. V. i dr. Nekotorye osobennosti koagulyacionnoy ochistki vody s pomosch'yu pyli elektrostaleplavil'nogo proizvodstva. Ekologiya i promyshlennost' Rossii. 2017. № 1. S. 24-29. DOI:https://doi.org/10.18412/1816-0395-2017-1-24-29.
20. Zibarev N. V., Zhazhkov V. V., Adrianova M. Yu. i dr. Kompleksnoe ispol'zovanie mikrovodorosley v ochistke stochnyh vod i pererabotke othodov pischevoy promyshlennosti. Ekologiya i promyshlennost' Rossii. 2021. № 11. S. 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. Domracheva L. I., Skugoreva S. G., Ashihmina T. Ya. i dr. Ispol'zovanie otrabotannogo aktivnogo ila dlya ochistki stochnyh vod, zagryaznennyh tyazhelymi metallami. Teoreticheskaya i prikladnaya ekologiya. 2020. № 4. S. 176-184. DOI:https://doi.org/10.25750/1995-4301-2020-4-176-184.
27. Dochkina Yu. N., Korchagin V. I. Osobennosti biologicheskoy ochistki vysokokoncentrirovannyh stokov, proshedshih elektroflotacionnuyu obrabotku. Materialy LIX otchetnoy nauchnoy konferencii prepodavateley i nauchnyh sotrudnikov VGUIT za 2020 god. Voronezh, 2021. S. 113.
28. Plyakina A. A., Zakablukova Yu. V., Dochkina Yu. N. Ocenka sostoyaniya biocenoza aktivnogo ila pri biologicheskoy ochistke vysokokoncentrirovannyh stochnyh vod. Materialy studencheskoy nauchnoy konferencii za 2020 god. Voronezh, 2020. S. 93.
29. Plyakina A. A., Dochkina Yu. N., Korchagin V. I. Issledovanie gidrohimicheskih i gidrobiologicheskih pokazateley biocenoza aktivnogo ila v processe podkormki substratom, soderzhaschim biologicheski aktivnye komponenty. Materialy studencheskoy nauchnoy konferencii za 2021 god. Voronezh, 2021. S. 283.
