УДК 628.353:628.356.1:677.494.7
Ключевые слова: высоконагруженные стоки, полимерный волокнисто- пористый материал, аэратор, биофильтр, биомасса, радионуклиды.
Очистка высоконагруженных сложносоставных сточных вод от опасных загрязнений относится к числу наиболее острых и актуальных проблем индустриально насыщенных регионов [1, 2, 3]. Промышленные и бытовые стоки содержат спектр загрязнений разной природы, находящихся в различных фазовых состояниях.
Для очистки стоков используют многоступенчатые и многоуровневые системы, предполагающие последовательное отделение загрязнений, отличающихся по свойствам и размерам. Основные физические процессы, реализуемые на первых стадиях очистки - флотация, коагуляция, коалесценция частиц загрязнений. На последующих стадиях осуществляют сорбционную очистку с помощью высокодисперсных сорбентов и сепарацию при пропускании очищаемой среды через пористые перегородки.
Для наиболее тонкой очистки высоконагруженных сложносоставных стоков могут быть применены химические реагенты, ионообменные элементы, облучение УФ-светом, а также биомасса -активный ил и микроорганизмы, способные к селективной утилизации токсичных органических соединений.
Биофильтрация является примером практической реализации биотехнологии, средствами которой создаётся комплекс условий для жизнедеятельности, самовоспроизводства и функционирования биомассы. Двумя факторами, определяющими успех биофильтрации, являются (1) выбор оптимального носителя для биомассы и (2) выбор эффективного способа аэрации, т.е. подачи в очищаемую среду окислителя - воздуха или кислорода, необходимого для обеспечения метаболизма микроорганизмов и окислительной трансформации загрязнений.
Авторами настоящей работы налажено многолетнее продуктивное сотрудничество по разработке средств инженерной экологии - многофункциональных полимерных волокнисто-пористых материалов для тонкой очистки многофазных сред от загрязнений. Разные конструкционные исполнения этих материалов применяются в виде пневмоаэраторов, фильтров, а также носителей биомассы. Внедрение разработок проведено в ряде регионов РФ (Калужская область - г. Калуга, г. Сухиничи, г. Людиново, п. Сосновый бор; Брянская область - п. Белые Берега, и др.), а также в РБ (Брестская область - г. Ивацевичи). Для обеспечения высококачественной очистки сточных вод ведется совместная последовательная работа производственников, технологов и ученых России и Беларуси.
ООО «Монтаж-Проект» (Россия) занимается внедрением технических и конструкционных решений по биоочистке в условиях Российской Федерации, в том числе осуществляет строительно-монтажные работы по организации систем многоступенчатой очистки высоконагруженных сточных вод (населенные пункты, промышленные предприятия, подразделения ЖКХ и т.п.). ООО «Гефлис» (Ркспублика Беларусь) выполняет опытно-конструкторские работы в области систем комплексной очистки сточных вод, предполагающих использование волокнисто<пористых элементов на ряде стадий фильтрования. В ООО «Полимер» (Республика Беларусь) отработаны и адаптированы технологические режимы получения в различных конструкционных исполнениях волокнисто-пористых материалов для пневмоаэраторов и биофильтров, ведется их опытно-промышленный выпуск. В государственном научном учреждении «Институт механики металлополимерных систем им. В.А. Белого Национальной академии наук Беларуси» разработана номенклатура волокнист-пористых фильтроматериалов на основе полиолефинов, изучена волокнистая структура, предложены технологические приемы придания волокнам функциональной активности. В государственном научном учреждении «Институт радиобиологии Национальной академии наук Беларуси» начаты исследования эффективности электретных и магнитных полимерных волокон по селективной сорбции из воздуха и воды радиоактивных частиц, содержащих долгоживущие радионуклиды. В настоящей работе авторами будут проиллюстрированы совместно полученные результаты практического применения разработок.
Аэрация в аэротенках и сущность технического решения
Процесс аэрации проводят в закрытых аппаратах - аэротенках или окситенках. Предпочтительным является пропускание кислорода (воздуха) в сточную воду через систему отверстий, что позволяет диспергировать газовый поток на мелкие пузырьки, распределяющиеся в очищаемой среде. Требуемый результат - эффективная мелкопузырчатая аэрация при достаточной жесткости и оптимальной геометрии воздушного потока - обычно достигается за счет комплексных конструкционных решений, многие из которых сопряжены с трудностью технического исполнения, сложностью монтажа, высокой материалоемкостью аэрационной системы, низкой экономичностью. Наиболее приемлемым материалом для аэраторов представляются полимеры.
Авторами данной работы создан полимерный пневмоаэратор с оптимальной конструкцией [4], позволивший обеспечить эффективную мелкопузырчатую аэрацию. В работе [5] описан многолетний опыт использования на канализационных очистных сооружениях ГП «Калугаоблводоканал» таких мелкопузырчатых пненвмоаэраторов производства ООО «Гефлис» (марка ПАТ-39-11-650). Проиллюстрированы примеры площадного расположения аэрационной системы, показаны визуальные результаты её работы, продемонстрирована эффективность очистки стоков, включая изменение показателей качества очистки на станции аэрации и состав сточных вод до очистки и после очистки. Обоснован вывод, что характеристики аэраторов и их расположение в объеме аэротенка определяют эффективность работы аэрационной системы в целом. При любых нагрузках по загрязняющим веществам пневмоаэраторы ПАТ-39-11-650 обеспечивают равномерное и стабильное распределение кислорода в системе.
Пневмоаэратор ПАТ-39-11-650, обнаруживший столь высокую эффективность, представляет собой жесткий трубчатый элемент из волокнисто-пористого материала, изготовленный по технологии аэродинамического формирования волокон из расплава полиэтилена или полипропилена (melt- blowing [6]). Он снабжен заглушкой и рассекатель воздуха, направляющий воздушный поток вдоль оси трубы. Рис. 1 иллюстрирует внешний вид аэратора, принцип работы и достигаемый результат.
Высокоэффективная мелкопузырчатая аэрация обеспечивается за счет оптимальной геометрии воздушного потока: реализуется равномерное заполнение воздухом внутренней полости аэратора, используется по назначению вся рабочая поверхность аэратора. Эти эффекты достигаются благодаря уникальным свойствам melt-blown материала, из которого выполнен аэратор. Материал представляет собой волокнист-пористую систему, образованную полиолефиновыми волокнами (диаметр 10-200 мкм), когезионно скрепленными в местах взаимных контактов, обладает плотностью 0,40-0,50 г/см3, имеет общую пористость 40-60%, размер пор 65-100 мкм. Пример структуры приведен на рис. 2.
Межволоконное пространство представляет собой совокупность пор, причем все поры являются сквозными, но не прямыми, а извитыми в соответствии с взаимным расположением волокон. Это практически идеальная полупроницаемая система, способная пропускать через межволоконное пространство текучую фазу, тем или иным способом распределяя её в пространстве на выходе из элемента. Волокнисто-пористый материал с равномерной структурой и упорядоченным взаимным расположением основной массы волокон обеспечивает наилучшие условия для равномерного пропускания через него воздуха (кислорода) в процессе аэрации. Накопленный исследователями РБ и РФ опыт по адаптации технологии melt-blowing для получения высокоупорядоченных полимерных волокнисто-пористых структур с регулируемым комплексом свойств описан в работах [1, 2, 6] и использовался при создании описанного выше технического решения. Немаловажно, что технологические возможности процесса melt-blowing позволяют в широких пределах варьировать толщину волокон, параметры пористой системы и жесткость конструкции в целом.
Инновационные средства биофильтрации сточных вод
Роль биотехнологических систем очистки воды возрастает ввиду усложнения состава стоков. Ряд загрязнений не может быть утилизирован иначе, чем путем поглощения (утилизации) биомассой в качестве источника питания и энергии. Размещение биомассы (активный ил) в биофильтрах предполагает использование носителя - специального элемента, который должен обеспечить достаточную степень продуктивного взаимодействия биомассы с фильтруемыми средами.
В работе [7] рассмотрены возможности по интенсификации работы очистных сооружений с использованием волокнисто-пористых melt-blown носителей биомассы, приведены результаты исследований особенностей биоценоза активного ила, определена динамика изменения илового индекса в аэротенках, исследованы процессы биоценоза иммобилизованного на носителях активного ила.
Установлено, что биоценоз, адаптированный к составу поступающих сточных вод, способен повысить глубину очистки от трудноокисляемых органических веществ. Полимерные melt-blown носители сочетают химическую инертность с эргономичностью использования. В системах, оснащенных такими носителями, можно поддерживать концентрацию активного ила в 3-4 раза большую, чем в традиционных. Наращивание дополнительной массы ила на носителях приводит к увеличению возраста ила и, как следствие, улучшению качества очистки, повышению седиментационных и влагоотдающих свойств ила. Зрелый ил обеспечивает высокую ферментативную активность, более глубокую нитрификацию, что позволяет интенсифицировать процесс биологической очистки от соединений азота. Возможно обеспечить одновременное протекание биологической нитрификации и денитрификации в аэробных и анаэробных условиях путем создания оптимального сообщества популяций микроорганизмов, обеспечения постоянного возраста ила с целью поддержания микроорганизмов в определенной фазе их развития. При иммобилизации повышается устойчивость организмов ила к воздействию токсикантов. При гибели активного ила в результате попадания в систему токсичных веществ в таких системах происходит быстрое восстановление его деятельности. Иммобилизованная биомасса обеспечивает эффективное сбраживание органических веществ сточных вод до летучих соединений в анаэробной зоне биофильтров. Биоценоз иммобилизованного активного ила по видовому составу идентичен биоценозу свободноплавающего, но характеризуется гораздо более высокой концентрацией бактериальной массы и организмов высших трофических уровней. При испытаниях в условиях г. Ивацевичи (Брестская обл., РБ) установлено, что суммарная доза свободноплавающего и иммобилизованного активного ила в зонах нитрификации достигала 4,1-4,8 г/дм3 (таблица 1, оригинальная рецептура состава биомассы и метод иммобилизации составляют know-how изготовителя).
В работе [7] также показано, что волокна полимерного носителя имеют достаточно гладкую поверхность, плохо способствующую наращиванию на ней плотной бактериальной пленки, однако высокая пористость носителя и малый размер пор позволяют удерживать большое количество биомассы в объеме элемента. Извлечении элементов носителя из аэротенка показывает, что значительная часть иммобилизованной биомассы продолжает находиться в порах носителя [7]. Суммируя эти результаты, можно утверждать, что использование melt-blown носителя, обладающего уникальной волокнисто-пористой структурой, способствует повышению эффективности функционирования очистных сооружений.
Эти соображения получили развитие при разработке инновационных средств биологической очистки, в которых структура полупроницаемой волокнисто-пористой среды дополняется комплексом особых физических свойств полимерных волокон, а именно их физической активностью [8]. Известно, что биохимические процессы, обусловливающие жизнедеятельность активного ила и микробных клеток, связаны с переносом электронов и ионов. Микроорганизмы могут быть адекватно представлены как системы с комплексом связанных зарядов, обладающие специфической конфигурацией электрического и магнитного полей. Функционирование микроорганизмов, сопровождаемое меж- и внутриклеточным движением заряженных частиц, обусловливает изменение магнитных и электрических характеристик клеточных структур, ввиду чего может стимулироваться внешними воздействиями, в том числе физическими полями. Ввиду вышеизложенного, полимерные волокнисто-пористые материалы, обладающие магнитной и электрической активностью, являются одним из наиболее привлекательных типов носителей биомассы. С участием авторов настоящей статьи разработаны такие разновидности полимерных волокнисто-пористых носителей биомассы для биофильтров, как электретные и магнитные [8-10].
При формировании носителей аэродинамическое формирование волокон из расплавов полиэтилена или полипропилена совмещали со следующими видами физического модифицирования полимеров: электризация; наполнение волокон магнетиками и последующее намагничивание; адгезионное закрепление на поверхности волокон дисперсных селективных адсорбентов; введение в поверхностный слой волокон минеральных питательных элементов для микроорганизмов. Носители изготавливали в виде волокнисто-пористых элементов цилиндрической или кольцеобразной формы с учетом того, что толщина аэробной пленки микроорганизмов в условиях стандартного метаболизма обычно составляет 2-4 мм. Плотная волокнисто-пористая структура обеспечивает сбалансированный и быстродействующий массообмен в объеме биореактора, хорошую проницаемость для потоков жидкости и воздуха по всем направлениям, равномерное распределение механических нагрузок на несущих конструкциях, а также упрощает замену и регенерацию носителя. Модификаторами являлись магнитотвердый феррит бария, активный уголь, сульфат аммония (NH4)2SO4, гидрофосфат аммония (NH4)2HPO4, дигидрофосфат калия KH2PO4. На примере бактерий-деструкторов дизельного топлива (культура Rhodococcus ruber) показаны оптимальное по временному фактору (1-5 сут.) формирование сплошной биопленки, оптимальную гидрофобность поверхности носителя и эффект повторного биообрастания после отторжения внешних слоев.
По этим показателям разработанные melt-blown носители превосходят капроновые волокна типа «вия». Наибольшая эффективность иммобилизации микроорганизмов достигнута на электретных носителях со стабильным в водной среде объемным зарядом с поверхностной плотностью 7,1 нК/см2 и магнитных носителях с величиной остаточной магнитной индукции Вr = 0,32±0,07 мТл.
Очистка сточных вод, загрязненных дизельным топливом, показала возможность достижения с помощью волокнисто-пористых носителей 95%-ой эффективности биоутилизации токсичной органики в зависимости от удельного расхода стоков в пределах 0,34-0,65 л/дм3 носителя • ч. Дополнительно установлено, что сочетание электретных и слабомагнитных свойств стабилизирует комплекс эксплуатационных свойств носителя: по-видимому, в таком бифункциональном носителе имеют место взаимодействие двух физических процессов - «электроудерживания» при воздействии электрического поля на иммобилизованную биомассу и «магнетобиологического эффекта» при взаимодействии магнитного поля с парамагнитными молекулярными объектами клеточных структур биомассы. Вид, в котором используются носители биомассы, показан на рис. 3.
Перспективные волокнисто-пористые системы в радиоэкологии
Одними из наиболее опасных загрязнителей воды являются частицы, содержащие долгоживущие радионуклиды. Они могут быть найдены в следующих жидких средах:
- водоемы на территориях, подвергшихся воздействию аварийных ситуаций, связанных с выбросом или сливом радиоактивных веществ (в Беларуси - зона Полесского государственного радиационно-экологического заповедника, на Украине - территории, непосредственно прилегающие к Чернобыльской АЭС, в России - ряд территорий Брянской, Челябинской областей, в т.ч. бассейн р. Теча, в Японии - территория вблизи АЭС «Фукусима»);
- сточные воды и несанкционированные сбросы некоторых предприятий оборонного и атомно-энергетического комплекса.
Опасность представляет высокая способность радионуклидов мигрировать с надземными и подземными водами, расширяя ареал своей экспансии на значительные территории. Процессы естественного самоочищения водоемов, как видно на примере пострадавших после Чернобыльской катастрофы регионов Гомельской области (РБ), по истечении 25 лет критически замедлились и в ряде случаев можно утверждать об их прекращении [11]. В то же время период полураспада долгоживущих радионуклидов, включая трансурановые элементы (ТУЭ), составляет от нескольких десятилетий до столетий. Поиск путей решения этой проблемы пока не привел к единому научному пониманию механизмов, которые ответственны за вывод радионуклидов из водных сред.
Авторами разработан комбинированный сорбент радионуклидов [12]. Сорбент состоит из полимерного волокнисто-пористого пористого melt-blown элемента и биоактивного компонента. Биоактивный компонент (гуминовые вещества, зеленые водоросли Ch. Vulgaris) импрегнирован в поры и частично закреплены на волокнах носителя. Определяли удельную активность (УА) методами альфа-, гамма-, бета-спектрометрии и дозиметрии: для 239+240Pu и 241Am - на альф-спектрометре «AlphaAnalyst», для 137Cs - на гамм-спектрометрическом комплексе «Canberra». Комбинированный сорбент погружали в воду объемом 1 л, взятую из оз. Персток (30-километровая зона вблизи ЧАЭС), после чего анализировали эту воду (фильтрат) по показателю УА долгоживущих радионуклидов. В таблице 2 приведены экспериментальные данные, характеризующие извлечение из воды долгоживущих радионуклидов.
Полимерный элемент обладает стабильным в водной среде электретным зарядом [8] с эффективной поверхностной плотностью 15 нКл/см2 и имеет магнитный наполнитель в виде феррита бария, благодаря чему в материале создана остаточная магнитная индукция Вr = 0,4 мТл. Очевидно, снижение УА в воде, контактировавшей с сорбентом, обеспечивается за счет того, что последний реализует комбинированный эффект [11, 12]. Роль биоактивного компонента состоит в специфическом накоплении радионуклидов, а также в обезвреживании загрязнителей и токсикантов. Тем не менее, роль полимерного волокнисто-пористого элемента также является достаточно важной и в некоторых аспектах решающей.
Система, состоящая из переплетенных волокон с микронными диаметрами, сама по себе является неселективным сорбентом дисперсных частиц загрязнений. В объеме полимерного элемента содержатся осажденные на волокнах и размещенные в межволоконном пространстве частицы гуминовых веществ. Полимерный волокнисто-пористый элемент полностью проницаем для воды, вследствие чего обеспечивается контакт всего объема комбинированного сорбента с поверхностью очищаемого водоема и, тем самым, - биодобавки с радионуклидами.
Предположительно, поле электретного заряда и магнитное поле волокон способствуют физическому захвату частиц загрязнений, ионному транспорту растворенных загрязнений, а также иммобилизации биодобавок. Кроме того, частицы, содержащие радионуклиды, с большой вероятностью являются электрически неравновесными объектами ввиду ионизирующего излучения содержащихся в них нестабильных радиоактивных ионов. Можно предположить, что электретные и/или магнитные волокна способны инициировать поглощение таких частиц иммобилизованными биодобавками.
Заключение
Творческая кооперация и координация усилий ученых академических институтов и научно-внедренческих организаций Беларуси и России позволила выполнить комплекс исследований на стыке направлений - инженерной экологии, полимерного материаловедения, технологии синтетических волокон. Продемонстрирована высокая эффективность очистки воды с использованием методов аэрации и биофильтрации, основанных на применении полимерных волокнисто-пористых материалов и выполненных их них конструкционных элементов. Разработки защищены рядом охранных документов на объекты промышленной собственности [4, 9, 10, 12, 13, 14]. Коллектив авторов с благодарностью примет предложения о научно-техническом сотрудничестве.
Литература:
1. Полимерные волокнисто-пористые фильтрующие материалы / А.Г. Кравцов, С.А. Марченко, С.В. Зотов, В.М. Станкевич, А.Д. Наумов; под общ. ред. Ю. М. Плескачевского. - Гомель: БелГУТ, 2012. - 319 с.
2. Кравцов, А.Г. Волокнистые фильтры / А.Г. Кравцов. - Электронное издание (монография). - Saarbrucken: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2015 (рус.). - 212 с.
3. Попкович, Г.С. Системы аэрации сточных вод / Г.С. Попкович, Б.Н. Репин. - М.: Стройиздат, 1986. - 136 с.
4. Трубчатый пневмоаэратор: пат. 2238914 РФ, МПК7 С 02 F 3/20, С 2 F 1/74 / Н.Е. Савицкий, В.Л. Лисицин, А.Г. Кравцов. - № 2003102529; заявл. 30.01.03; опубл. 27.10.04 // Офиц. бюл. № 30.
5. Торцева, И.М. Опыт использования ГП «Калугаоблводоканал» мелкопузырчатых пненвмоаэраторов на канализационных очистных сооружениях / И.М. Торцева, А.В. Роденко, М.А. Бессольнова // Вода Magazine. - 2015. - №11 (99). - С.10-13.
6. Полимерные волокнистые melt-blown материалы / В.А. Гольдаде, А.В. Макаревич, Л.С, Пинчук, А.В. Сиканевич, А.И. Чернору- башкин; под науч. ред. Л.С. Пинчука. - Гомель: ИММС НАНБ, 2000. - 260 с.
6. Вострова, Р.Н. Использование кассет с носителем биомассы на сооружениях очистки сточных вод / Р.Н. Вострова, А.В. Роденко, Д.В. Макаров // Вода Magazine. - 2015. - № 8 (96). - С.20-23.
7. Кравцов, А.Г. Электрические и магнитные поля в полимерных волокнистых фильтроматериалах для тонкой очистки многофазных сред: автореф. дис. ... д-ра техн. наук / А.Г. Кравцов; ИММС НАН Беларуси. - Гомель, 2007. - 44 с.
8. Магнитный носитель биомассы фильтра для биологической очистки сточных вод: пат. 6928 Респ. Беларусь, МКИ7 С 02 F 3/02, С 02 F 3/08, B 01 D 39/16 / Л.С. Пинчук, А.В. Макаревич, А.Г. Кравцов, М.В. Короткий, А.С. Самсонова, З.М. Алещенкова, Ю. Ли, С.В. Хван. - № 20020103; заявл. 08.02.02; опубл. 30.03.05 // Афiцыйны бюлетэнь. / Нац. цэнтр інтэлектуал. уласнасці Рэспублiкi Беларусь. - 2005. - № 1.
9. Носитель биомассы фильтра для биологической очистки сточных вод и способ его изготовления: пат. 7228 Респ. Беларусь, МКИ7 С 02 F 3/02, В 29 С 41/02 / Л.С. Пинчук, А.В. Макаревич, А.Г. Кравцов, М.В. Короткий, А.С. Самсонова, З.М. Алещенкова, Ю. Ли, С.В. Хван. - № 20020071; заявл. 29.01.02; опубл. 30.09.05 // Афiцыйны бюлетэнь. / Нац. цэнтр інтэлектуал. уласнасці Рэспублiкi Беларусь. - 2005. - № 3.
10. Зубарева, А.В. Проблема реабилитации водных объектов Гомельской области после аварии на ЧАЭС / А.В. Зубарева, А.Г. Кравцов // Международный научно-практический журнал «Чрезвычайные ситуации: образование и наука». - 2012. - Т. 7, № 2. - С. 86-89.
11. Сорбент для очистки замкнутых водоемов от долгоживущих радионуклидов: пат. № 18923 Респ. Беларусь, МПК B 01 D 39/16, G 21 F 9/12 / А.В. Зубарева, А.Г. Кравцов, С.В. Зотов, А.Д. Наумов. - № 20121246; заявл. 27.08.12; опубл. 28.02.15 // Афiцыйны бюлетэнь. / Нац. цэнтр інтэлектуал. уласнасці Рэспублiкi Беларусь. - 2015. - № 1.
12. Пневмоаэратор трубчатый комбинированный: пат. на полезную модель 142779 РФ, МПК C 02 F 3/18 / В.Л. Лисицын, Н.Е. Савицкий. - № 2013150414; заявл. 12.11.13; опубл. 10.07.14 // Офиц. бюл. № 16.
13. Объемный модуль загрузки биофильтров: пат. на полезную модель № 153768 РФ, МПК C 02 F 3/08 / А.В. Роденко, Н.Е, Савицкий, В.Л. Лисицын, В.Н. Новиков. - № 2014152392; заявл. 23.12.14; опубл. 06.07.15 // Офиц. бюл. № 16.
Experience in water and high loaded wastewaters purification: achievements and prospects of aeration and biofiltration
The own experience of using of water aeration and bio/filtration methods has been summed up. Shown the effectiveness of innovative means of treated water aeration and the essence of technical solutions, information presented about physically active polymeric biomass carriers for biofilters, and the prospects for application of fibrous/porous systems for water purification from long/lived radionuclides.
Keywords: High-loaded wastewaters, polymer fibrous-porous material, aerator, biofilter, biomass, radionuclides
Lisitsyn Victor Leonidovich, Deputy Director of «Montazh<Project».
Savitsky Nikolay Egorovich, Director of «Polymer».
Rodenko Alexey Vladimirovich, Director of «Geflis».
Kravtsov Alexander Gennadyevich, D. Sci., Prof., Professor of Department of the State educational institution «Gomel Engineer<ing Institute of the Ministry of Emergency Situations of Republic of Belarus».
Zotov Sergey Valentinovich, Ph. D., Leading researcher of the State scientific institution «Metal<Polymer Research Institute named after V.A. Belyi of Na<tional Academy of Sciences of Belarus».
Zubareva Alesya Valeryevna, Researcher of the State scientific institution «The Institute of Radiobiology of National Academy of Sciences of Belarus».
Журнал «Вода Magazine», №12 (100), 2015 г.