В П Стабніков, Л Р Решетняк - Вплив додавання заліза на процес виділення фосфату при анаеробномузброджуванні активного мулу - страница 1

Страницы:
1 

УДК 612.3:576.8

e-mail: stab@svitonline.com

 

 

Вплив додавання заліза на процес виділення фосфату при анаеробному

зброджуванні активного мулу Стабніков В. П., Решетняк Л.Р.

Національний университет харчових технологій, Київ

 

Проведено дослідження впливу додавання нерозчиненних сполук трьохвалентного заліза на процес виділення фосфату при анаеробном зброджуванні активного мулу. Показано, що для ефективного видалення фосфату співвідношення кількісті відновленого заліза до фосфату повинна становити 1,4 - 1,6. Ефективність видалення фосфату при високій дозі внесенного заліза складала 95% від початкового значення. При концентрації Fe(III) 75 -150 мг/л все внесене залізо було відновлено за 10 діб анаеробного процесу. При підвищенні вмісту внесенного Fe(III) знижувалася кількість біогазі, але підвищувалося співвідношення СН4:СО2. Дані можуть бути застосовано підстави для розробки нової технології анаеробного зброджування активного мулу.

Ключеві слова: залізовідновлювальні бактерії; стічна вода; фосфор; процес анаеробного очищення; залізо.

 

 

Надлишкова концентрація фосфату є основною причиною евтрофікації природних водних систем, тобто надлишкового росту водних рослин,водоростів та фотобактерій, що призводить до зниження концентрації кисеню та якості пресної води. Одним з джерел фосфору є очищена стічна вода, з якої не повністю видалено фосфати. Середня концентрація загального фосфору в стічних водах становить 10 - 20 мг/л. Фосфор у господарчо-побутовій стічній воді знаходиться у формі фосфату PO43- (до 70 % фосфору), поліфосфатів, та фосфору, який входить до складу органічних компонентів. Для видалення фосфату із стічних вод найчастіше застосовуються хімічне осадження солями Ca, Fe та Al [Fytianos et al., 1998]. Концентрація фосфату може бути також знижена за допомогою біологічних способів шляхом його акумуляції мікробними клітинами у вигляді поліфосфатних гранул або екстрацелюлярних екзополімерів [Maurer and et al., 1999]. Однак, концентрація розчиненного фосфату зростає при його звільнені з поліфосфатного пулу мікробних клітин у анаеробних умовах.

Для видалення фосфату із стічних вод теоретично можна застосувувати залізовідновлювальні бактерії (ЗВБ). Залізовідновювальні бактерії можуть використовувати Fe(III) як акцептор електронів та відовлювати його до Fe(II) при окисленні водню та органічних субстратів в анаеробних умовах (Lovley, 2000). ЗВБ можуть існувати в умовах анаеробного реактору та входити до складу анаеробного мулу, якщо стічні води містять достатню кількость Fe(III) (Rasmussen та Nielsen, 1996; Nielsen et al., 2002). Можливим об'ектомдля практичного застосування процесу відновлення заліза залізовідновлювальними бактеріями може стати анаеробна переробка стічних вод або зброджування активного мулу.

Встановлено позитивний вплив додавання заліза на процес метанового бродіння стічних вод, що містили жири або продукти їх розпаду -довголанцюгові жирні кислоти (Иванов та інші, 2002), сульфати та білки (Стабнікова та інші, 2002). Застосування мікробного відновлення Fe(III) залізобактеріями та ко-преціпітації фосфату утворенними іонами Fe(II) може бути покладено в основу нового біологічно-хімічного спосібу видалення фосфату із стічних вод. Позитивно або негативно заряджені гідроокисі Fe(II), що утворилися після відновлення Fe(III), можуть преціпітувати фосфат і, таким чином, значно покращувати біовиділення поживних речовин із стічних

вод.

Метою даної роботи було вивчення впливу додавання нерозчиненних сполук трьохвалентного заліза на процес виділення фосфору при анаеробном зброджуванні активного мулу.

 

 

Матеріали та методи

Основою експериментів було моделювання процесу анаеробного зброджування надлишкового активного мулу, що утворюються при очищенністічних вод на аеробній стадії. Експеріменти проводилися різномасштабно: від 100-мл бутильочків до 12 л пілотного реактора. Як джерело залізовідновлювальних бактерій використовували анаеробний мул промислово-битових очисних споруд. При вивченні впливу відновлення заліза залізовідновлювальними бактеріями на процес виділення фосфатів при зброджуванні надлишкового аеробного мулу в реактор вносили анаеробний мул, активний мул та дістільовану воду у співвідношенні 5:4:1. Початкова концентрація розчиненного фосфату у реакційної суміші складала 210 мг Кількість заліза, що додавалося у формі гідроксиду Fe(III) [Fe(OH)3] визначалася згідно рівнення:

Fe2+ + HPO42- -- FeH(PO4)^ Середня доза (150 мг/л) заліза була близька до стехіометричної кількость заліза, що необхідно для преципітації фосфату, при умові, що все внесене залізо буде відновлено, низька доза становила половину середньої дози (75 мг/л) і висока доза була взята чотикратно відносно середньої (600 мг/л). Суспензію гідроксіду заліза Fe(OH)3 застосовували як джерело Fe(III). Гідроокись заліза готувалася повільною нейтралізацією 250 мМ розчину FeCL3 2 M NaOH, утворений преципітат промивався дістільованою водою 6 разів до повного віддалення хлору та натру (Lovely, Phillips, 1988).

Анаеробний процес проводився у закритих гумовими пробками 100 мл реакторах при температурі 25оС у темряві на протязі 10 діб. Відбір зразків проводився шприцом. На 10 добу реактори були відкриті і в них було додано інокулят залізоокислювальних бактерій. Аеробна стадія процесу тривала наступні 10 діб.

Контроль концентрації загального органічного вуглецю (ЗОВ) та утворення біогазу проводили стандартними методами (AHPA, 1998). Концентрація загального та розчиненного Fe(II) визначалась фенантроліновим методом (AHPA, 1998). Визначення розчиненного Fe(II) проводили у суспензії після її розведення дістільованою водою, фільтрації через мембрану з порами 0,2 цм та обробки 1N HCl (1:1). Відразу ж змішували розчин фенантроліну, ацетатно-аммонійний буфер та аналізуємий зразок у співвідношенні 2:1:5. Для визначення загального Fe(II) проводили його попередню екстракцію на протязі 30 хвилин при додаванні 1 N HCl (1:1). Після розведення та фільтрації через мембрану з порами 0,2 мкм проводили визначення загального Fe(II) як описано вище. Для виготовлення калібрувальної кривої застосовували серійні розведення стандартного розчину Fe(II) з концентрацією 1000 мг/л, який виготовували розчином 0,355г FeCl2-4H2O в 100 мл дістільованої води. Розведення стандартного розчину відразу ж змішувалися з фенантроліном.

Концентрація загального та розчиненного фосфату визначалася колометричним методом за інтенсівностю жовтого забарвлення розчину, обумовленного утворенням ванадіймолібденфосфорної кислоти, на спектрофотометрі UV-1201V (Shimadzu Corporation, Japan) при 510 нм

(APHA, 1998).

Сухі речовини в мулі визначалися висушуванням до постійної маси при 103 - 105оС, органічні речовини визначалися за витратою маси після спалювання зразку при 550оС (АРНА, 1998).

 

 

Результати та їх обговорення

Суміш анаеробного та аеробного мулів, що була застосована у експерименті мала слідуючі характеристики: pH 7,4; загальні суспендовані річовини 16,1+1,3 г/л (середне арифметичне + стандартне відхилення); летучі суспендовані речовини 5,9+0,7 г/л; загальне залізо(П) - 258 мг/л; розчиненне залізо(П) - 1 мг/л; фосфат - 210 мг/л. Загальне залізо в анаеробному мулі складало 1,6% від загальних суспендованих речовин. Наявність заліза в анаеробному мулі створювала умови для росту залізовідновлювальних бактерій в мікробному консорціумі, і, як видно з наведених нижче даних, він був здатним до відновлення Fe(III).

При внесенні гідроксиду заліза загальна кількість Fe(II) збільшувалася на 4 добу експерименту (рис. 1). Для експериментів з додаванням низької та середньої дози гідроксиду заліза, концентрація загального Fe(II) залишалася майже постійною з 4 до 10 доби, в той час як при додаванні високої дози гідроксиду заліза кількість загального Fe(II) продовжувала зростати. У контролі, де не було внесено гідроксид заліза, концентрація Fe(II) практично не змінювалася на протязі усіх 10 діб анаеробної обробки. Концентрації Fe(II) у контролі та експериментах з низькою, середньою та високою дозою внесенного заліза на 10 добу були 245 мг/л, 337 мг/л, 390 мг/л та 704 мг/л, відповідно. Тобто при низькому вмісті Fe(III), воно повністю відновлювалося до Fe(II) (експерименти з низької та середньою дозами заліза), а ефективність відновлення при високій дозі складала тільки 79%.

У контролі, без додавання гідроксиду заліза, концентрація фосфату поступово зростала на протязі анаеробної обробки, досягаючи максимума 268 мг/л на 10 добу (рис. 2). Концентрація фосфату при високій дозі заліза знижувалася при анаеробній обробці до 10 мг/л, але в експериментах з низькою та середньою дозами Fe(III) залишалася досить високою, 208 та 1 66 мг/л, відповідно (рис.2). Вірогідно, що кількості Fe(III) у експериментах з низькою та середньою дозами заліза було недостатньо, щоб преціпітувати надлишковий фосфат, що звільнювався     при анаеробному зброджуванніаеробного мулу. При збільшенні кількості внесенного Fe(III), що обумовлювала більш високу концентрацію відновленного заліза, кількість видаленного фосфату збільшувалася. Згідно нашим попереднім даним (Гванов та інші, 2003), співвідношення біологічно відновленого Fe(II) та фосфату, що може бути видалений з активного мулу становить близько 1,4. Якщо прийняти це припущення, то кількість фосфату, що звільнилася у середовище під час анаеробної обробки буде   248/1,4 + (268 - 210) = 235 мг/л, а

2-

співвідношення Fe(II) та віддаленного PO42- у експериментах з низькою, середнюю та високую дозою внесенного заліза відповідно становлять:

337 : (210 + 235 - 208) = 321 : 237 = 1,42;

390 : (210 + 235 - 166) = 390 : 279 = 1,40;

704 : (210 + 235 - 10) = 704 : 435 = 1,62.

Таким чином, для ефективного видалення фосфату співвідношення кількісті відновленого заліза до фосфату повинна становити 1,4 - 1,6. Ефективність видалення фосфату при високій дозі внесенного заліза складала 95% від початкового значення. При низьких концентраціях Fe(III) (75 -150 мг/л), можливо вважати, що все внесене залізо буде відновлено за 10 діб анаеробного процесу, при дозі Fe(III) відсоток відновденого заліза становить

 

біля 75%.

Анаеробні умови процесу були змінені на аеробні після перших 10 діб. Реактори було відкрито і культура залізоокислювальних бактерій додана на 10 добу експерименту. Наступні 10 діб процес обробки відбувався в аеробних умовах. На протязі 11 - 20 діб кількість загального Fe(II) зменьшилося до значення багато нижчего, ніж вихідна концентрація Fe(II) і складала 28 - 35 мг/л (рис.1). Концентрація розчиненного фосфату також зменшувалася, вірогідно, внаслідок біологічного споживання надлишкового фосфату. Так, в контролі без внесення заліза концентрація розчиненного фосфату зростала на протязі обробки в анаеробних умовах до 268 мг/л і знижувалася протягом аеробної експозиції до 67 мг/л. Ефективність віддалення розчиненного фосфату відносно його початкової концентрації при анаеробній - аеробній обробці у експерименті з високою дозою заліза була 97,5% та досягала рівня 4,5 мг Р04/л.

Зміну рН протягом експерименту показано на рис. 3. Значення рН в екмпериментах з більшою кількостю внесенного заліза було трошки вище, ніж при нижчому вмісті заліза в середовищі, можливо завдяки підвищення концентрації дісоціьованих гідроксил іонів. Протягом анаеробної обробки значення рН зменшувалося, що вказує на те, що відбувався процес відновлення заліза (Tay et al, 2001), який супроводжується зниженням рН. рН підвищувалося в усіх зразках наприкінці аеробної стадії.

Збільшення дози внесенного заліза знижувало загальну кількість біогазу, що утворювався за 10 діб анаеробної обробки, але покращувало співвідношення вмісту СН4 до СО2 в біогазі (рис. 4, 5). Так загальна кількість утворенного біогазу становила 343 мл/л, 336 мл/л, 329 мл/л та 243 мл/л, а співвідношення СН4:СО2 2,7, 2,3, 2,5 та 3,9 наприкінці 10 доби анаеробної обробки активного мулу у контролі, в експериментах з низькою, середньою та високою дозами заліза, відповідно.

Таким чином, додавання Fe(III) при анаеробному зброджуванні активного мулу анаеробним мулом, що має залізовідновальну активність, веде до утворення іонів двохвалентного заліза, що преціпітує фосфат. Показано, що для ефективного видалення фосфату співвідношення кількісті відновленого заліза до фосфату повинна становити 1,4 - 1,6. Ефективність видалення фосфату при високій дозі внесенного заліза складала 95% від початкового значення. При низьких концентраціях Fe(III) (75 -150 мг/л), можливо вважати, що все внесене залізо буде відновлено за 10 діб анаеробного процесу, при дозі Fe(III) відсоток відновденого заліза становить біля 75%. При підвищенні вмісту внесенного Fe(III) знижувалася кількість біогазі, але підвищувалося співвідношення СН4:СО2. Проведене дослідження

дає підстави для розробки нової анаеробної технології зброджування активного мулу.

ШТЕРАТУРА

 

Иванов В.Н., Стабникова Е.В, Стабников В.П., Ким И.С., Зубер А. Влияние препартов железа на обработку жиросодержащих сточных вод // Прикладная микробиология и биохимия. - 2002. - Т. 38, № 3. - С. 295 - 299.

Иванов В.Н., В.П. Стабников, С. Т.-Л. Тэй , Д.-Х. Тэй. Влияние гидроокиси железа на удаление фосфата при анаэробном сбраживании активного ила // Прикладная микробиология и биохимия. - 2003 ( в печати).

Стабнікова О.В., Красінько В.О., !ванов В.М. Вплив заліза на анаеробну обробку білок- та сульфатовмісних стічних вод // Наукові праці НУХТ. -2002. - № 11. - С. 35-37.

American Public Health Association. (1998). Standard Methods for the examination of Water and Wastewater (1998). 20th edn, American Public Health Association/American Water Works Association/Water Environmental Federation, Washington DC, USA.

Fytianos K., Voudrias E., Raikos N. Modeling of phosphorus removal from aqueous and wastewater sample using ferric iron // Environmental Pollution. -

1998.     - V. 101, № 1. - P. 123 - 130.

Maurer M., Abramovich D., Siegrist H., Gujer W. Kinetics of biological induced phosphorus precipitation in waste-water treatment // Water Research. -

1999.     - V. 33, № 2. - P. 484 - 493.

Lovley D.R. Fe(III) and Mn(IV) reduction. In: Environmental microbe-metal interactions. D. R. Lovley (ed). ASM Press, Washington, D.C. 993. - 2000. - V.

47. - P. 3 -30.

Lovley D. R., Phillips E. J. P. Competitive machanisms for inhibition of sulfate reduction and methane production in the zone of ferric iron reduction in sediments// Applied Environmental Microbiology. - 1987. - V.53. - P. 2636-2641.

Nielsen J.L., Juretschko S., Wagner M., Nielsen P.H. Abundance and phylogenetic affiliation of iron reducers in activated sludge as assessed by fluorescence   in  situ  hybridization  and  microautoradiography  // Applied

 

Environmental Microbiology. - 2002. - V. 68, № 9. - P. 4629 - 4636.

Rasmussen H., Nielson P.H. Iron reduction in activated sludge measured with different extraction techniques // Water Resource. - 1996. - V. 30, № 3. - P. 551 -

 

558.

 

Подписи до рисунків

 

Рис. 1. Зміна концентрації Fe(II) на протязі анаеробної - аеробної обробки Рис. 2. Зміна концентрації фосфату при різних дозах Fe(III) на протязі анаеробної - аеробної обробки

Рис. 3. Зміна рН при різних дозах Fe(III) на протязі анаеробної - аеробної обробки

Рис. 4. Утворення біогазу при різних дозах Fe(III) на протязі анаеробної -аеробної обробки

Рис. 5. Співвідношення метану та вуглецю в біогазі при різних дозах Fe(III)

Страницы:
1 


Похожие статьи

В П Стабніков, Л Р Решетняк - Вплив додавання заліза на процес виділення фосфату при анаеробномузброджуванні активного мулу