Спосіб біологічної доочистки стічних вод

Спосіб біологічної доочистки стічних вод, що включає біологічне очищення шляхом використання водоростей, який відрізняється тим, що очищені стічні води направляють в систему доочистки стічних вод, де передбачено культивування водорості Spirulina platensis в басейнах, а при організації системи доочистки розраховують кількість біомаси, яку можна отримати з літра стоків для зниження рівня нітратів до гранично допустимих концентрацій (ГДК), за формулою: cN  cГДК , де b  N YN (19) (21) a200906723 (22) 26.06.2009 (24) 25.06.2011 (46) 25.06.2011, Бюл.№ 12, 2011 р. (72) ГОРБУНОВА СВІТЛАНА ЮРІЇВНА, БОРОВКОВ АНДРІЙ БОРИСОВИЧ, ТРЕНКЕНШУ РУДОЛЬФ ПАВЛОВИЧ (73) ІНСТИТУТ БІОЛОГІЇ ПІВДЕННИХ МОРІВ ІМ. О.О. КОВАЛЕВСЬКОГО НАН УКРАЇНИ (56) UA 17757 A 31.10.1997 RU 2288894 C1 10.12.2006 US 54776787 A 19.12.1995 US 6416993 B1 09.07.2002 R. Kaushik, R. Prasanna, H.C. Joshi. Utilization of anaerobically digested distillery effluent for the production or Spirulina platensis (ARM 730). Journal of Scientific & Industrial Research. Vol. 65. 2006, p. 521-525 Джаянт Док, Кальян Раман В., Голе В.С. Использование Spirulina Sp. для очистки анаэробно сброженных сточных вод. Альгология №2, 2005, реферат RU 2005789 C1 15.01.1994 P.N. Saxena, M.R. Ahmad, R. Shyam, D.V. Amla. Cultivation of Spirulina in sewage for poultry feed.Cellular and molecular life sciences № 10, vol. 39, 1983, реферат KR 20020057466 A 11.07.2002 EP 0523883 A1 20.01.1993 SU 1638124 A1 30.03.1991 SU 1214610 A 28.02.1986 Тренкеншу Р. П., Лелеков А. С. Простейшие модели роста микроводорослей. 3. Постребность микроводорослей в элементах минерального питания. // Экология моря. 2006. - Вып. 70. - С. 52-61 2 3 льності різних мікроорганізмів. Багато біологічних очисних споруд, запроектованих 40-45 років тому і відповідних природоохоронним нормативам того часу, в даний час по технічних причинах не можуть забезпечити дотримання гранично допустимих скидань (ГДС) забруднюючих речовин, у тому числі біогенних елементів (солей азоту і фосфору), в природні водоймища. Фактична ефективність очищення міських стічних вод від біогенних елементів не перевищує 20-40 % по фосфатах (у перерахунку на фосфор) і 30-90 % по азоту амонійному. Надходження біогенних елементів у природну водойму в концентраціях, що перевищують гранично допустимі, приводить до евтрофірування водойм та загибелі водної флори і фауни. У зв'язку з цим актуальною стає розробка методів і технологій по зниженню вмісту біогенних елементів в процесі біологічного очищення міських стічних вод. Відомий спосіб глибокого очищення стічних і поверхневих вод (Деклараційний патент № 17757, Україна, МПК С02f3/32, 11/00), в якому воду, що очищається, подають у фільтраційний басейн з вищими водними рослинами. Недоліком способу є низький ступінь очищення стічних вод. Відомий спосіб гідроботанічного очищення забруднених водних середовищ в кліматичних умовах водних широт (Пат. №2 288 894 С1, Російська Федерація, МПК C02f3/32). У способі біодеструкцію стічних вод здійснюють за допомогою водорості Ейхорнії, яку культивують в очисних ставках. Основним недоліком відомого способу є неефективне біологічне очищення стічних вод. В основу винаходу Спосіб біологічної доочистки стічних вод поставлено задачу підвищення ефективності способу шляхом створення і підтримки оптимальних умов для зниження вмісту біогенних елементів в стічних водах. Поставлена задача вирішується тим, що в способі біологічної доочистки стічних вод очищені стічні води направляють в систему доочистки стічних вод, що передбачає культивування водорості Spirulina platensis в басейнах. При організації системи доочистки розраховують кількість біомаси, яку можна отримати з літра стоків для зниження рівня нітратів до гранично допустимих концентрацій (ГДК), по формулі: cN  cГДК , де b  N YN CN - кількість нітратного азоту в стоках після біологічного очищення (за рік), т/ рік; CГДК - допустима кількість азоту, що скидається за рік у водойми, т/ рік; YN - дійсна потреба спіруліни в нітратному азоті, мг N/г АСР. Враховуючи цю величину, розраховують площу дзеркала культиватора для здобуття заданої кількості біомаси водоростей за добу при цілорічному культивуванні по формулі: B  k S  N , де Pm k - коефіцієнт перерахунку одиниць виміру; 94978 4 BN - кількість біомаси, яку можна отримати за рік при зменшенні концентрації азоту CN до ГДК; Pcp - продуктивність спіруліни за добу, г АСР/л  добу. В даний час проектування систем очищення стічних вод ґрунтується на результатах великого вітчизняного і зарубіжного досвіду [Гордин И. В. Технологические системы водообработки. Динамическая оптимизация. - Л.: Химия, 1987. - 287 с]. Зокрема, широко обговорюється здатність водоростей знижувати рівень нітратного азоту до заданого рівня і можливість використовувати цю здатність для доочистки стічних вод від нітратів. Розрахуємо кількість біомаси, яку можна виростати для доочистки стічних вод від біогенних елементів на прикладі нітратного азоту. У наших розрахунках прийняті наступні умовні позначення: c N - концентрація нітратного азоту в стоках після біологічної очистки, мг/л; c P - концентрація фосфору в стоках після біологічного очищення, мг/л; c C - концентрація вуглецю в стоках після біологічного очищення, мг/л; CN - кількість нітратного азоту в стоках після біологічного очищення (за рік), т/ рік; CP - кількість фосфору в стоках після біологічного очищення (за рік), т/ рік; CC - кількість вуглецю в стоках після біологічного очищення (за рік), т/ рік; cNГДК - ГДК нітратного азоту, мг/л; cРГДК - ГДК фосфору, мг/л; YN - дійсна потреба спіруліни в нітратному азоті, мг N/г АСР; YP - дійсна потреба спіруліни у фосфорі, мг N/г АСР; Yc - дійсна потреба спіруліни у вуглеці, мг N/г АСР; Pcp - середня продуктивність спіруліни за добу, г АСР/л  добу; bNm - кількість біомаси, яку можна отримати з літра стоків при початковій концентрації азоту CN ; BNm - кількість біомаси, яку можна отримати за рік при початковій концентрації азоту CN ; b - кількість біомаси, яку можна отримати N при зменшенні концентрації азоту CN ; до ГДК; BN - кількість біомаси, яку можна отримати за рік при зменшенні концентрації азоту CN ; до ГДК. Використовуючи поняття дійсної потреби [Тренкеншу Р. П., Лелеков А. С. Простейшие модели роста микроводорослей. 3. Потребность микроводорослей в элементах минерального питания. // Экология моря. 2006. - Вып. 70. - С. 52-60], розрахуємо кількість біомаси, яку можна отримати 5 з літра стічних вод: c m bN  N . YN 94978 (1) Аналогічно розраховуємо кількість біомаси, яку можна отримати за рік: C m BN  N . (2) YN Наведені вище рівняння дозволяють розрахувати кількість біомаси спіруліни при утилізації 100 % азоту, що міститься в стічних водах. При цьому концентрація на виході з системи доочистки знизиться до нуля. Якщо ж необхідно понизити рівень біогену до гранично допустимих концентрацій (ГДК), то слід організувати такі умови, при яких з середовища вилучатиметься лише частина біогену. Проведемо аналогічні розрахунки за умови, що рівень нітратного азоту має бути понижений до ГДК. Кількість біомаси, яку можна отримати з літра стоків, при зниженні рівня азоту до ГДК: cN  cГДК . b  (3) N YN Кількість біомаси, яку можна отримати за рік, при зниженні рівня нітратного азоту до ГДК: CN  CГДК . B  (4) N YN Кількість фосфору Ср, яка необхідна культурі S. platensis для доочистки стічних вод до CГДК : m СP  BN  YP . (5) 6 потрібно вносити: x C  Cp  Cp p (6) Кількість вуглецю CC , яка необхідна культурі S. platensis для доочистки стічних вод до CГДК : m (7) CC  BN  YC . Вуглець складає 50 % від абсолютно сухої речовини (АСР) маси клітин, тому: m CC  500  BN , (8) де 500 міліграм/г АСР - YC . Кількість газоподібного СО2: CCO2  CC  r (CO 2 ) 44  CC  3,67CC . r ( C ) 12 (9) При постачанні культури S. platensis газоподібним СО2, утилізованого клітками порядка 0,5 % від того, що подається при 3 % газоповітряній суміші, кількість СО2, що подається, буде: Cair  CCO2  100 0,5  200  CC . (10) При використанні NaHCO3: CNaHCO3  CC  r (NaHCO 3 ) 84  CC  7CC . r ( C ) 12 (11) Приклад. Розглянемо використання пропонованого способу на прикладі доочистки від нітратного азоту стоків північних очисних споруд м. Севастополя, після стадії біологічного очищення, і проведемо розрахунок організації системи доочистки стічних вод. Оскільки в стічних водах вже міститься деяка кількість неорганічного фосфору, то додатково Склад стічних вод Північних очисних споруд м. Севастополя після біологічного очищення (середні дані за 2007 рік) Таблиця 1 Найменування інгредієнта БПК5 (біохімічна потреба в кисні за 5 діб) Зважені речовини СПАР (синтетичні поверхнево активні речовини) Фосфати Азот амонійний Нафтопродукти Цинк Залізо Нітрит Нітрати ХПК (хімічна потреба кисню) Концентрація інгредієнта, мг/л 10,53 14,35 Кількість інгредієнта, що скидається, т/рік 50,7 69,0 0,1 493,8 7,16 0,92 0,09 0,0018 0,43 0,79 60,5 28,4 34,5 4,4 356,3 9,0 2100,5 3,8 246,2 136,7 ГДК нітратів у воді водоймищ і питній воді складає не більше 45 мг/л (або 10 мг/л по азоту). Вміст нітратів в стоках Північних очисних споруд м. Севастополя - 246,2 т/рік (при перерахунку на нітратний азот - 55,59 т/рік) або 60,5 мг/л (або 13,66 мг/л по азоту). Відомо, що дійсна потреба S. platensis по азоту YN складає 81,54 мг N/г АСР. Розрахуємо кількість біомаси, яку можна отримати з літра стоків, при зниженні рівня нітратів до ГДК. Підставимо у вираз (3) величину концентрації стоків, значення ГДК нітратного азоту і дійсну потребу S. platensis в азоті: 13,66  10,16 b   0,043 . (12) N 8154 , Оскільки, вміст нітратів в стоках складає 246,2 т/рік, розрахуємо кількість літрів стоків за рік (n): 7 n CN 60,5  109 94978  4069421488 л. 8 (13) Знаючи ГДК азоту в 1 літрі стічних вод і кількість літрів стоків за рік, визначимо величину допустимої кількості азоту, що скидається за рік у водоймища: CГДК  10,16  4069421488  4135 т . 8 , (14) Розрахуємо кількість біомаси S. platensis, яку можна отримати за рік при зниженні рівня нітратного азоту в стоках до ГДК. Для цього підставимо у вираз (4) значення концентрації нітратного азоту, що скидається, величину його ГДК за рік і значення дійсної потреби S. platensis, в азоті: B  N 55,59  4135 ,  174,6 т 8154 / 1000 , (15) Визначимо продуктивність (B ) системи доN очистки стічних вод при зниженні концентрації азоту до ГДК: 8 174,6  0,479 т / доб. (16) 365 2 Позначивши продуктивність спіруліни на 1 м 2 за Рср (г АСР / добу), яка складає 12,8 г/м добу (а b  N 2 середня з врахуванням погодних умов - 10 г/м добу), ми можемо знайти площу дзеркала культиватора для здобуття заданої кількості біомаси водоростей в добу при їх цілорічному культивуванні: B  k 0,479  1000000 S N   3,74 га , (17) Pcp 12,8 де k - коефіцієнт перерахунку одиниць виміру. Наведені розрахунки виконані нами для літніх погодних умов, тому для організації системи доочистки необхідне будівництво відстійниківнакопичувачів для збору стоків в зимовий період. Враховуючи, що час інтенсивного зростання водоростей складає 183 діб (1/2 роки), площу культиваторів необхідно збільшити в 2 рази: S  3,74  2  7,48га . (18) Склад стічних вод Північних очисних споруд м. Севастополя до і після доочистки Таблиця 2 Найменування інгредієнта БПК5 (біохімічна потреба в кисні за 5 діб) Зважені речовини СПАР (синтетичні поверхнево активні речовини) Фосфати Азот амонійний Нафтопродукти Цинк Залізо Нітрит Нітрати ХПК (хімічна потреба кисню) Концентрація інгредієнта до очистки, мг/л 10,53 14,35 Концентрація інгредієнта після доочистки, мг/л 3,9 1,44 0,1 0,08 7,16 0,92 0,09 0,0018 0,43 0,79 60,5 28,4 2,57 0,02 0,08 0,00 0,19 0,79 40,5 16 Біомасу спіруліни, отриману при доочистці стічних вод, можна використовувати різними способами. По-перше, біомаса може використовуватися як мінерально-вітамінна добавка в корм худобі, птиці і домашнім тваринам. По-друге, біомаса може використовуватися в рибному господарстві з тими ж цілями або в акваріумі для додання декоративним рибкам неповторного і яскравого забарвлення. По-третє, біомаса спіруліни є цінним добривом для сільськогосподарських культур рослин. Вона характеризується більш вираженим ефектом і більшою активністю в порівнянні з більшістю органічних добрив. По-четверте, біомаса може бути Комп’ютерна верстка Л. Купенко сировиною для здобуття рентабельного біопалива. По-п'яте, біомаса може бути сировиною для здобуття деяких біологічно активних речовин в чистому вигляді. Пропонований спосіб доочистки стічних вод, після стадії біологічного очищення, має ряд переваг: - підвищується ефективність системи за рахунок видалення біогенних елементів; - спосіб відповідає вимогам практичної значущості, простий, універсальний і може застосовуватися для різних систем, що використовують меліоративні властивості фототрофів. Підписне Тираж 24 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601