Возможность оценки работоспособности активного ила очистных сооружений с помощью биотопливных элементов

Авторами настоящей статьи исследована зависимость между способностью активного ила городских канализационных очистных сооружений г. Иркутск генерировать электрический ток в биотопливных элементах (БТЭ) и его иловым индексом, дегидрогеназной активностью, скоростью элиминирования активным илом глюкозы и ионов аммония. Электрогенную активность ила исследовали в двухкамерных конструкциях БТЭ. Камеры БТЭ были разделены между собой протонообменной мембраной МФ-4СК (ЗАО «Пластполимер», г. Санкт-Петербург). Отбор проб ила осуществляли при помощи стерильного шприца через специальную резиновую заглушку в боковой части анодной камеры. Предложенная модификация ячейки позволяет осуществлять отбор проб или внесение субстратов и биоагентов без нарушения анаэробных условий в анолите. Электродами в исследуемых БТЭ служила углеродная ткань Урал Т-22Р А (ОАО «СветлогорскХимволокно», Республика Беларусь). Активный ил подвергали температурной обработке – нагревали в течение 5, 10 и 15 мин при 80 °С, а также инактивировали автоклавированием при 1 атм в течение 30 мин (120 °С). Иловый индекс определяли стандартным методом по соотношению дозы ила по объему и массе. Дегидрогеназную активность ила оценивали по восстановлению 2,3,5-трифенилтетразолия хлорида. С применением фотометрических методов исследовали динамику элиминирования активным илом глюкозы (по восстановлению 2,3,5-трифенилтетразолия хлорида) и аммония (с реактивом Несслера). Обработка ила повышенной температурой и инактивация ила автоклавированием негативно сказывались на электрических параметрах БТЭ на основе ила и скорости трансформации им субстратов – глюкозы и аммонийного азота. Определена электрогенная активность в БТЭ проб ила, отобранных из разных аэротенков, отличающихся друг от друга по показателям илового индекса и дегидрогеназной активности. Показано наличие прямой зависимости между исследуемыми параметрами, что позволило предложить использовать биотопливные элементы для экспрессной оценки физиологического состояния и работоспособности активного ила.

биотопливные элементы, активный ил, очистные сооружения, электрогенная активность, биоагент, оценка состояния ила

1. Mesut S. Variation of sludge volume index with activated sludge characteristics // Water Research. 1982. Vol. 16. Issue 1. P. 83–88. DOI: 10.1016/0043-1354(82)90056-2

2. Lovett D.A., Kavanagh B.V., Herbert L.S. Effect of sludge age and substrate composition on the settling and dewatering characteristics of activated sludge // Water Research. 1983. Vol. 17. Issue 11. P. 1511–1515. DOI: 10.1016/0043-1354(83)90006-4

3. Dilek S.F., Vatansever A., Turtin I., Kara F., Durmaz B., Sesay M.L. Operational conditions of activated sludge: Influence on flocculation and dewaterability // Drying Technology. 2006. Vol. 24. Issue 10. P. 1297–1306.

4. Cardete M.A., Mata-Álvarez J., Dosta J., Nieto-Sánchez R. Effect of the mixed liquor parameters on sludge settling for a petrochemical activated sludge system including an aerobic selector // Journal of Environmental Chemical Engineering. 2018. Vol. 6. Issue 1. P. 1062–1071. DOI: 10.1016/j.jece.2018.01.025

5. Chen R., Ren L.-F., Shao J., He Y., Zhang X. Changes in degrading ability, populations and metabolism of microbes in activated sludge in the treatment of phenol wastewater // RSC Advances. 2017. Vol. 7. Issue 83. P. 52841–5281. DOI: 10.1039/C7RA09225C

6. Mesdaghinia A., Ghahremani M.H., Nabizadeh R., Nasseri S., Rafiee M. Role of COD PCP / COD Total ratio on p -chlorophenol toxicity towards aerobic granular sludge // Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 2017. Vol. 54. P. 440–446. DOI: 10.1016/j.jiec.2017.06.025

7. Воротникова А.В., Турнаева Е.А. Влияние поверхностно-активных веществ на систему «активный ил – сточная вода» // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2018. Т. 8. N 3. С. 78–87. DOI: 10.21285/2227-2917-2018-3-78-87

8. Pedrazzani R., Menoni L., Nembrini S., Manili L., Bertanza G. Suitability of Sludge Biotic Index (SBI), Sludge Index (SI) and filamentous bacteria analysis for assessing activated sludge process performance: the case of piggery slaughterhouse wastewater // Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology. 2016. Vol. 43. Issue 7. P. 953–964. DOI: 10.1007/s10295-016-1767-1

9. Arregui L., Liébana R., Rodríguez E., Murciano A., Conejero F., Pérez-Uza B., Serrano S. Analysis of the usefulness of biological parameters for the control of activated sludge wastewater treatment plants in an interlaboratory study context // Journal of Environmental Monitoring. 2012. Vol. 14. Issue 5. P. 1444–1452. DOI: 10.1039/c2em10861e

10. Jin B., Wilén B.-M., Lant P. Impacts of morphological, physical and chemical properties of sludge flocs on dewater ability of activated sludge // The Chemical Engineering Journal. 2004. Vol. 98. Issues 1-2. P. 115–126. DOI: 10.1016/j.cej.2003.05.002

11. Kupchishin A.I., Niyazov M.N., Taipova B.G., Voronova N.A., Khodarina N.N. Study of the effect of electron irradiation on the density of the activated sludge in aqueous solution // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018. Vol. 289. No. 1. P. 012034. DOI: 10.1088/1757-899X/289/1/012034

12. Bensaid A, Thierie J, Penninckx M. The use of the tetrazolium salt XTT for the estimation of biological activity of activated sludge cultivated under steady-state and transient regimes // Journal of Microbiological Methods. 2000. Vol. 40. Issue 3. P. 255–263. https://doi.org/10.1016/S0167-7012(00)00130-5

13. Feng Q., Xiao Y., Li X., Xue Zh., Fang F., Cao J., Oleyiblo J. O., Hu Zh. Using the dehydrogenase activity for alert of activated sludge system under different copper concentrations // Desalination and Water Treatment. 2016. Vol. 57. Issue 38. P. 17836–17843. DOI: 10.1080/19443994.2015.1087339

14. Yan G., Cai B., Chen Ch., Wang Q., Guo Sh. Biodegradability evaluation of pollutants in acrylonitrile wastewaters based on particle size distribution // Desalination and Water Treatment. 2015. Vol. 53. Issue 10. P. 2792–2798, DOI: 10.1080/19443994.2014.931530

15. Yuan J., Dong W., Sun F., Zhao K., Du Ch., Shao Y. Bacterial communities and enzymatic activities in the vegetation-activated sludge process (VASP) and related advantages by comparison with conventional constructed wetland // Bioresource Technology. 2016. Vol. 220. P. 341–348.

16. Qian G., Li L., Hu X., Yu X., Ye L. Enhancement of the biodegradability of activated sludge by the electric-coagulation multistage A/O membrane bioreactor treating low C/N industrial wastewater // International Biodeterioration & Biodegradation. 2017. Vol. 125. P. 1–12. DOI: 10.1016/j.ibiod.2017.08.004

17. Passos V.F., Aquino Neto S., Andrade A.R., Reginatto V. Energy generation in a Microbial Fuel Cell using anaerobic sludge from a wastewater // Scientia Agricola. 2016. Vol. 73. No. 5. P. 424–428. http://dx.doi.org/10.1590/0103-9016-2015-0194

18. Stom D.I., Konovalova E.Yu., Zhdanova G.O., Tolstoy M.Yu., Vyatchina O.F. Active sludge and strains isolated from it as bioagents in biofuel cells. 17th International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM 2017 (27 June – 5 July, 2017). Bulgaria. 2017. Vol. 17. Issue 42. P. 19–26. DOI: 10.55 93/sgem2017/42/S17.003

19. Пат. на полезную модель № 170868. Российская Федерация. Биоэлектрохимический элемент / А.Ф. Лашин, Н.Д. Борохоев, М.С. Красавцева, Д.И. Стом, О.Г. Жданова, М.Ю. Толстой; патентообладатель ФГБОУ ВО «Иркутский государственный университет»; заявл. 26.12.2016; опубл. 11.05.2017.

20. Пат. на полезную модель № 168093. Российская Федерация. Биоэлектрохимический элемент / Н.Д., Борохоев, Г.О. Жданова, В.М. Толстой, А.Э Ржечицкий; патентообладатель ФГБОУ ВО «Иркутский государственный университет»; заявл. 05.07.2016; опубл. 18.91.2918.

21. Miksch K. Auswahl einer optimalen Methodik für die Aktivitätsbestimmung des Belebtschlammes mit Hilfe des TTC-Testes // Vom Wasser. 1985. Vol. 64. P. 187–198.

22. Fairbridge R.A., Willis K.J., Booth R.G. The direct colorimetric estimation of reducing sugars and other reducing substances with tetrazolium salts // The Biochemical Journal. 1951. Vol. 49. Issue 4. P. 423–427. DOI: 10.1042/bj0490423

23. Meseguer-Lloret S., Molins-Legua C., Campins-Falco P. Ammonium Determination in Water Samples by Using Opa-Nac Reagent: A Comparative Study with Nessler and Ammonium Selective Electrode Methods // International Journal of Environmental Analytical Chemistry. 2002. Vol. 82. Issue 7. P. 475–489. DOI: 10.1080/0306731021000018107