БИОХИМИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА ВОДЫ ЗАМКНУТЫХ ОБОРОТНЫХ СИСТЕМ

Жизнедеятельность микроорганизмов нарушает работу водоводов, усиливает коррозию стали, алюминия и латуни, отрицательно влияет на состав воды.

Сточные воды различных промышленных производств, существенно различающиеся по своему химическому составу, могут быть успешно очищены с помощью ПАГов. В любом случае их использование обеззараживает сточные воды, подавляет процессы брожения, гниения, биообрастания и коррозии.

Даже небольшие концентрации ПАВ в водоемах вызывают обильное пенообразование, нарушают кислородный обмен и отрицательно действуют на животные и растительные организмы.

ПРОМЫШЛЕННЫЕ СТОЧНЫЕ ВОДЫ

Одной из разновидностей безотходных производств различного профиля являются технологические схемы с замкнутым оборотом воды. Для нормального функционирования таких систем необходимо обеспечить достаточную степень очистки производственных сточных вод, а также предотвратить биообрастание, коррозию и солеотложение.

Для подготовки производственной сточной воды к повторному использованию обычно применяют обработку воды минеральными коагулянтами и органическими флокулянтами. Однако в очищенной таким образом воде сохраняется большое количество микроорганизмов, способных образовывать отложения и вызывать коррозию водопроводных систем.

В нашей стране наибольшее распространение получили хлорирование воды для уничтожения микроорганизмов и обработка воды медным купоросом для подавления развития водорослей.

Применение этих препаратов имеет ряд существенных недостатков: высокая токсичность, малый срок последействия в воде, рост солеотложения, повышение коррозионной активности воды, что представляет значительную угрозу при работе замкнутой системы водоснабжения.

Весьма перспективными препаратами для очистки и обеззараживания промышленных сточных вод являются разработанные в Институте эколого-технологических проблем высокомолекулярные биоцидные препараты полиалкиленгуанидины (ПАГи) - Биопаг и Фосфопаг.

Эти растворимые в воде полимеры обладают свойствами антисептика с широким спектром биоцидного действия и катионного флокулянта.

В отличие от хлора они малотоксичны, нелетучи, стабильны при хранении, не придают воде постороннего запаха и привкуса. В процессе приготовления рабочих растворов и дозирования ПАГи не требуют (в отличие от хлора) специальных сооружений и мер безопасности.

Полиалкиленгуанидины (Биопаг и Фосфопаг) обладают длительным бактерицидным действием в водной среде: вызывают гибель грамположительных и грамотрицательных бактерий, грибов, водорослей.

Полное обеззараживание воды достигается через 30-60 минут после введения препарата. Повторный очаг заражения, внесенный через двое-трое суток в однократно обеззараженную Биопагом воду, также исчезает без каких-либо добавок реагента.

Помимо биоцидного действия Биопаг и Фосфопаг могут выступать также в качестве флокулянта. Их флоккулирующее действие основано на катионной активности входящей в их состав гуанидиновой группировки, которая имеет положительный заряд.

В процессе флокуляции воды Биопаг и Фосфопаг могут быть применены как самостоятельно, так и в сочетании с коагулянтом.

Одним из научных подразделений «Мосводоканала» в лабораторных и опытно-промышленных условиях машиностроительного завода «ЗИЛ» были проведены эксперименты по замене традиционного флокулянта - полиакриламида - на Биопаг и разработана технологическая схема замкнутого цикла водоснабжения этого предприятия.

В схему включена очистка производственных сточных вод, подготовка подпиточной воды, локальная очистка отработавших смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) с применением Биопага на всех участках системы в качестве биоцида, флокулянта и деэмульгатора.

Это позволило на некоторых стадиях очистки воды в 2-3 раза уменьшить дозу коагулянта (сульфата алюминия). При этом в производственной сточной воде, обработанной по предложенной схеме, содержание нефтепродуктов снижается с 180 до ~2 мг/л, а взвешенных частиц - с 200 до 3-4 мг/л.

Следует отметить, что используемый Биопаг практически полностью вовлекается в процесс флокуляции, оседая на дно вместе с содержащимися в воде примесями. Его остаточная концентрация в отстойной воде очень мала.

Использование Биопага на стадии подготовки поступающей из реки подпиточной воды надежно защищает от биообрастания систему забора, очистки и подачи в сеть речной воды, а также обеспечивает необходимое качество воды по всем показателям, включая санитарно­гигиенический.

На машиностроительных предприятиях в ряде технологических операций (резание, шлифование, штамповка) применяются смазочно-охлаждающие жидкости, которые в процессе работы загрязняются пылевыми частицами микронного размера, сажей, маслами, а также начинают гнить в результате жизнедеятельности микроорганизмов.

Сброс таких контаминированных водно­масляных эмульсий в канализацию недопустим, поскольку нарушает процесс очистки производственных сточных вод активным илом. Наиболее трудной задачей при сбросе отработанных смазочно-охлаждающих жидкостей является разрушение устойчивых эмульсий и обеззараживание осветленной воды и осадка.

В качестве флокулянта и деэмульгатора смазочно-охлаждающие жидкости чаще всего используют полиэтиленимин или четвертичные аммониевые соли (ЧАС). Это позволяет достигнуть глубины разрушения смазочно-охлаждающие жидкости на 96-98%, однако не обеспечивает санитарную безопасность воды.

В этом отношении весьма перспективным является использование полиалкиленгуанидинов (Биопага и Фосфопага) в качестве биоцидного катионного флокулянта.

Например, введение Биопага в отработанную эмульсию, содержащую «Укринол-1М», в 2-3 раза повышает степень разделения фаз и обеспечивает полное антисептирование воды. Образующаяся при разрушении смазочно-охлаждающей жидкости вода почти прозрачная, имеет светло-желтый оттенок, не нарушает работу заводских очистных сооружений и поэтому может быть сброшена в систему заводской канализации.

Практически в любой оборотной системе технического водоснабжения существуют условия для развития биоценозов.

Их жизнедеятельность нарушает работу водоводов, усиливает коррозию стали, алюминия и латуни, отрицательно влияет на состав воды. Основными источниками биологического загрязнения производственных оборотных систем является заражение воды микроорганизмами, содержащимися в воздухе, а также поступающими вместе с подпиточной природной водой из реки.

Полиалкиленгуанидины (Биопаг и Фосфопаг) обладают высокой биоцидной активностью в отношении таких компонентов биоценоза, как хлорелла, сине-зеленые водоросли, грибы рода Aspеrgillus, Cladosporium, Mucor, которые образуют скопления в оборотных системах водоснабжения. Это позволяет использовать полимеры для борьбы с биообрастанием технологического оборудования.

Легче всего предотвратить биообрастание в оборотной системе до накопления механических примесей и обрастателей. Для этого рекомендуется периодически заполнять систему водой, содержащей полимер. При такой обработке общее содержание микробов в оборотной системе снижается с 8х10⁹ до 10² КОЕ/мл, биообрастание не наблюдается в течение, по крайней мере, 36 суток (после обработки воды хлором видимое развитие биообрастания начинается через 8-9 суток).

Для уничтожения уже существующих в оборотной системе биообрастаний необходимо значительное увеличение концентрации препарата или времени его воздействия.

Полиалкиленгуанидины успешно применяются для очистки сточных вод, образующихся в процессе производства кинофотоматериалов.

При этом сточную воду, содержащую весьма ценные соли серебра, обрабатывают сначала катионным флокулянтом (полидиметиламмоний гидрофосфатом, ВПК-фосфатом), а затем анионным флокулянтом (карбоксиметилцеллюлозой). При этом катионный флокулянт нейтрализует отрицательный заряд высокодисперсных частиц серебра, образуя мелкие агрегаты, а анионный флокулянт связывает эти агрегаты в легко осаждающиеся грубодисперсные частицы и крупные хлопья.

После отстаивания в воду вводят полимер и фильтруют. Степень извлечения серебра из сточных вод при такой обработке составляет практически 100 %. Одновременно происходит комплексная очистка сточных вод от взвешенных частиц на 70 %, снижение цветности на 70 % и ХПК - на 65-70 %.

Сточные воды кожевенных и меховых производств легкой промышленности, а также красильно-отделочных предприятий текстильной промышленности относятся к высококонцентрированным и содержат многочисленные загрязнения.

Грубые взвешенные примеси (мездра, шерсть, волокна, обрывки полуфабриката и т. д.) удаляют из сточных вод механической очисткой.

Учитывая санитарные и технологические требования, предъявляемые к очищенным производственным сточным водам, и их большой объем, в кожевенной, меховой и текстильной отраслях промышленности чаще всего используют методы коагуляции, флокуляции и флотации. При этом в качестве коагулянтов, как правило, используют сульфат или оксихлорид алюминия; в качестве флокулянта - катионный полимер ВПК-402 (поли-N’N-диметил­N’N-диал-лиламмоний хлорид).

Из неионных и анионных флокулянтов наиболее эффективными являются полиакриламид и частично гидролизованный полиакриламид (гипан).

На кафедре процессов и аппаратов Академии легкой промышленности разработаны способы очистки сточных вод кожевенного и текстильного производств с использованием Биопага.

Содержание поверхностно-активных веществ (ПАВ), сернистых соединений, солей хрома, фенола и красителей в сточных водах таких производств может достигать 250-300 мг/л, тогда как их предельно допустимая концентрация (ПДК) при сбросе сточных вод в водоемы составляет всего лишь 0,5-1,0 мг/л.

Присутствие сульфидов в сточной воде вызывает коррозию труб и коллекторов, выделение сероводорода и развитие тионовых бактерий, вырабатывающих серную кислоту.

При введении в сточные воды Биопага содержание сульфидов уменьшается в 3-6 раз, а при совместном действии коагулянта (сульфат алюминия) и Биопага их содержание в сточных водах уменьшается в 24-110 раз (в зависимости от концентраций реагентов).

При оптимальном расходе реагентов содержание сульфидов в воде можно снизить до 5-10 мг/л. Кроме того, использование Биопага позволяет одновременно, и продезинфицировать стоки, и предотвратить гниение белков в отстойниках, уменьшая выделение в них сероводорода.

Поверхностно-активные вещества в больших количествах поступают в сточные воды кожевенного производства, а также красильно-отделочных производств текстильной промышленности.

Даже небольшие концентрации поверхностно-активных веществ в водоемах вызывают обильное пенообразование, нарушают кислородный обмен и отрицательно действуют на животные и растительные организмы, вызывают гибель рыб.

При использовании Биопага в сочетании с сульфатом алюминия содержание поверхностно-активных веществ в сточных водах удалось понизить с 270-330 мг/л до 3-5 мг/л.

По существующей в настоящее время технологии в промышленные стоки красильно-отделочных производств текстильных предприятий попадают красители различных классов в концентрации до 1000 мг/л, причем некоторые из них являются ядами локального действия, обладают токсичным и угнетающим действием на микроорганизмы и поэтому с трудом окисляются биохимически.

Использование Биопага в качестве флокулянта позволяет снизить концентрацию красителей: до 6-10 мг/л - для прямого черного, до 0,4-1,0 мг/л - для хромового зеленого и до 0,2-0,3 мг/л - для вофалана бордового. Содержание фенолов в сточных водах кожевенного производства снижается с 270-330 мг/л до величин, не превышающих ПДК.

Высокая токсичность сточных вод гальванического производства обуславливает опасность загрязнения природных водоемов, а при сбросе на городские очистные сооружения ведет к нарушению процессов биологической очистки хозяйственно-бытовых сточных вод.

Существующие физико-химические методы очистки сточных вод гальванических производств являются многостадийными и дорогостоящими, так как требуют применения большого количества реагентов.

Разработанная Институтом бесцианистая технология цинкования и кадмирования предполагает замену высокотоксичных цианистых солей на добавку ГЕК.

Это существенным образом улучшило условия труда рабочих и экологическую обстановку на предприятии, а также позволило исключить из производственного процесса токсичный фенол.

Обладая свойствами катионного полиэлектролита, ГЕК способствует эффективной очистке отработанных электролитов и загрязненной солями тяжелых металлов промывной воды в гальваническом производстве.

При производстве бумаги использование Биопага уменьшает потери сырья и обеспечивает значительное (пятикратное) снижение загрязнения производственных сточных вод.

Этот эффект достигается за счет взаимодействия катиона Биопага с отрицательно заряженными целлюлозными волокнами, в первую очередь мелкими, имеющими наибольшую удельную поверхность. Снижая отрицательный заряд мелких волокон, Биопаг способствует их осаждению на крупные волокна и образованию хлопьев, быстро оседающих на сетке бумагоделательной машины.

Приведенные примеры показывают, что сточные воды различных промышленных производств, существенно различающиеся по своему химическому составу, могут быть успешно очищены с помощью полиалкиленгуанидинов (Биопага и Фосфопага).

В любом случае их использование обеззараживает сточные воды, подавляет процессы брожения, гниения, биообрастания и коррозии.

СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ

Проблемы, связанные с жизнедеятельностью микроорганизмов, зачастую возникают в системах охлаждения электронных приборов, где в качестве теплоносителя используется обычная дистиллированная вода.

Охлаждающий контур, по которому циркулирует вода, включает алюминиевые трубки и резиновые шланги. Он сообщается с атмосферным воздухом, который и является основным источником загрязнения системы микрофлорой.

Развитие микроорганизмов в таких системах охлаждения сопровождается уменьшением внутреннего диаметра трубопроводов за счет накопления биомассы на его внутренней поверхности. В результате нарушается нормальное функционирование системы охлаждения, и возникают биоповреждения конструкционных материалов продуктами метаболизма микрофлоры, например образование питтингов - локальных глубоких повреждений металла.

При исследовании с помощью электронной микроскопии срезов внутренней и внешней поверхностей алюминиевых трубок охлаждающего контура были обнаружены явственные следы биокоррозии. Из системы охлаждения были выделены и идентифицированы 45 микроорганизмов, вызывающих биодеструкцию - бактерии, микромицеты и дрожжи (см. таблицу).

МИКРООРГАНИЗМЫ, ВЫДЕЛЕННЫЕ ИЗ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ И
РАЗРУШЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ КОНТУРА ОХЛАЖДЕНИЯ

Бактерии	Число штаммов	Микромицеты и дрожжи	Число штаммов
Pseudomonas aeruginosa	4	Penicillium chrysogen	1
Pseudomonas lemoignei	1	Penicillium sp	6
Pseudomonas ruhlandii	1	Aspergillus sp	2
Proteus mirabilis	1	Cladosporium sp	1
Proteus sp	7	Candida	1
Proteus inconstans	2	Aureobasidium sp	1
Enterobacter cloacae	2	Saccharomycetales	1
Paracoccus denitrificans	1
Bacillus megaterium	2
Bacillus sp	2
Alcaligenes faecalis	2
Azomonas insignis	1
Staphylococcus aureus	5
Bacillus polimyxa	1

Прямое доказательство агрессивности ассоциации микрофлоры в отношении алюминия было получено при инкубировании алюминиевых пластин в течение 10 суток в колбах с представителями микрофлоры, выделенной из системы охлаждения.

При микроскопии таких пластин наблюдали колонии грибов в виде веток коралла на поверхности металла, его пигментацию и выделение газа в местах расположения колоний.

После удаления колоний механическим путем в местах их прикрепления обнаружены дефекты поверхности металла в виде круглых раковин, на дне которых имеются микротрещины, уходящие в толщу образца.

Многочисленность и разнообразие микрофлоры систем охлаждения требует применения для ее защиты биоцидных препаратов широкого спектра действия, не повреждающих конструкционные материалы систем охлаждения. Кроме того, биоциды должны работать при низких температурах и в течение длительного времени.

Используемые в настоящее время ингибиторы коррозии металлов либо работают в узком диапазоне концентраций, либо труднодоступны, являются токсичными для высших животных и человека, либо способствуют биообрастанию в системах оборотного водоснабжения.

Отбор биоцидных препаратов для защиты систем охлаждения среди 20 соединений различных химических классов, включающих следующие препараты: Прогресс, Твин­40, Тритон Х-100, Синтанол ДС-10, додецилсульфат натрия, глутаровый альдегид, дихлорглиоксим, N-цетилпиридиний хлорид, Катамин АБ и Биопаг, позволил рекомендовать для защиты систем охлаждения только три из них, в том числе Биопаг.

Для комплексной защиты систем оборотного водоснабжения от коррозии, биообрастания и солеотложения предложено использовать полиалкиленгуанидины (Биопаг и Фосфопаг).