Інтенсифікація процесу біологічного очищення стічних вод із застосуванням ультразвуку

Дичко А.О., Мінаєва Ю.Ю.,

З метою покращення якості біологічного очищення стічних вод шляхом стимулювання процесів життєдіяльності мікроорганізмів активного мулу застосовують вплив ультразвукових коливань на стічні води при їх підготовці до біологічного очищення або при доочищенні біохімічно очищених стоків, а також безпосередньо на біоценоз активного мулу.

В першому випадку здійснюється зменшення концентрації біорезистентних і токсичних забруднень стічних вод, що інгибують біохімічні процеси, перед їх надходженням в аеротенки або зниження їх до величини ГДК в очищених стоках за рахунок деструкції специфічних забруднень.

Ефект від застосування ультразвукового опромінення визначається тим, що при обробці стічних вод утворюються мікроцентри кавітації у вигляді пухирців і газу, в яких температура сягає більше 4700 ^оС і тиск – до 50 Мпа; при схлопуванні таких пухирців збуджуються хвилі гідроудару, що деструктують забруднення [Guo, Zheng, Yuan, Tang, 2003].

Вплив ультразвукових хвиль на мікроорганізми призводить до механічних розривів клітин або до зворотних чи повністю незворотних порушень фізико-хімічного стану клітинних структур. Характер і глибина біохімічних і функціональних змін залежать від чутливості біологічного об’єкту до даного фізичного агенту.

При обробці біомаси активного мулу ультразвуком в мулову суміш виділяються біологічно активні сполуки, такі як вітаміни, стероїди, біополімери, ферменти, які підвищують біохімічну активність мулу [Ткачук, 1987; Tesser, 2001; Fen, 2004]. Активацію незруйнованих клітин пояснюють підвищенням клітинної активності ферментів і поверхнево розташованих рецепторів клітини, а також змінами її генетичного апарату [Ельпінер, 1956].

Якість очищення стоків залежить від часу озвучування мулу, а обробка мулу ультразвуком з одночасним його контактом із стічними водами підсилює його сорбційні властивості та активність мікроорганізмів [Яковлєв, 1986; Ткачук, 1987]. Ультразвукова обробка мулової суміші в аеротенку запобігає також спуханню активного мулу [Hannelore, Annegret, Udo, 2000].

Вивчення впливу ультразвукової обробки на окремі мікроорганізми активного мулу (зокрема, мікроводорості, дріжджі, плеснові гриби) показало, що ультразвук викликає мікропотоки в клітині, підвищує проникність клітинних мембран і, таким чином, змінює склад внутрішньоклітинного середовища, інтенсифікує фізіологічні властивості мікроорганізмів, тим самим прискорюючи процес очищення стічних вод [Дворкін, Ельпінер, 1960].

Відомо, що ультразвукова обробка мулу без термостатування викликає його підігрівання. Оскільки підвищення температури при цьому відбувається в межах, припустимих для життєдіяльності бактерій, то температурний фактор може бути використаний також як один із складових стимулюючого ефекту ультразвуку [Ткачук, 1987].

Ультразвукові хвилі в залежності від потужності та тривалості впливу можуть викликати як стимулювання, так і пригнічення дихальної активності мулу. Поряд зі зміною загальної дихальної активності мулу змінюється ще й його ендогенна активність та відношення до субстрату, а при збільшенні споживання кисню мікроорганізмами прискорюються внутрішньоклітинні процеси окислення, а також окислення субстратів стічних вод [Ткачук, 1987].

При безпосередньому впливі ультразвуку високої частоти на мулові суспензії спостерігається збільшення дегідрогеназної активності на 70-100%, питомої швидкості споживання кисню – на 25-50%, а процес біологічного окислення субстрату прискорюється на 50-80% [Ткачук, 1987; Закіров, Сельментова, Ахмадулліна, Асадуллін, 2003]. За однакового ступеня очищення стічних вод окислювальна потужність активного мулу в 1,5-2,5 рази перевищує окислювальну потужність традиційних аеротенків за умов одночасного зниження енерговитрат на аерацію мулової суміші [Ткачук, 1994].

Використання ультразвукової обробки в процесі біологічного очищення багатокомпонентних стоків дозволяє підвищити ефективність методу за ХСК на 54,8 %, БСК – 99,8 %, СПАРами – 13,6%, приріст біомаси зменшується до 30%. В результаті ультразвукової обробки мулу покращується водовіддача осаду, що призводить до зменшення потреби у флокулянтах при його зневодненні [Бондарєв, Кулікова, Мельникова, 1988; Tesser, Osswald, Schulz, 2001; Закіров, Сельментова, Ахмадулліна, Асадуллін, 2003; Ning, Xu, Huang, 2003].

Дослідженнями впливу ультразвуку на активний мул було встановлено підвищення окисної здатності активного мулу і відповідно окисної потужності аеротенків в 1,5–3,2 рази [Дворкін, Ельпінер, 1960; Колесніков, Архангельський, Данилов, 1999]. Проте зазначається, що створення акустичних коливань за допомогою магнітострикційних або п’єзокварцових випромінювачів звуку призводить до збільшення енерговитрат за рахунок неефективного використання енергії при передачі її в рідину. Тому запропоновано використання гідродинамічних випромінювачів в якості джерела ультразвуку. При цьому окисна потужність очисних споруд збільшується в 2,2–2,5 рази та одночасно покращується якість очищеної рідини за вмістом сполук азоту, фосфору та зважених речовин [Бондарєв, Кулікова, Мельникова, 1988; Яковлєв, Троян, Свердліков, Горбунко, 2000].

Економічний ефект від впровадження ультразвуку для інтенсифікації процесу біологічного очищення стоків полягає в зменшенні об’єму та площ під очисні споруди, зниженні питомих витрат повітря на аерацію, зменшенні експлуатаційних витрат на процес очищення стоків за рахунок підвищення ступеня очищення стічних вод, зменшення часу обробки стоків, можливості збільшення навантаження на активний мул за органічними забрудниками із збереженням необхідного ступеня очищення води, підвищення сталості роботи очисних споруд, відсутності потреби в додаткових стадіях обробки стоків, покращенням органолептичних та токсикологічних показників очищення води.