1

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

1

1

1

Автореферат

Диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА ПОВЕРХНОСТНЫХ СТОЧНЫХ ВОД ОТ ОРГАНИЧЕСКИХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ И СОЕДИНЕНИЙ АЗОТА

05.23.04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

Семенов Михаил Юрьевич

Москва - 2007

Работа выполнена в Федеральном Унитарном Государственном Предприятии Ордена Трудового Красного Знамени комплексном научно-исследовательском и конструкторско-технологическом институте водоснабжения, канализации, гидротехнических сооружений и инженерной гидрогеологии «НИИ ВОДГЕО» (ФГУП «НИИ ВОДГЕО»)

Официальные оппоненты:доктор технических наук

Драгинский Виктор Львович,

ОАО «НИИКВОВ», г. Москва

кандидат технических наук

Верещагина Лидия Михайловна,

ОАО «НИИ ВОДГЕО», г. Москва

Защита состоится «25» апреля 2007 г. в 10-30, на заседании диссертационного совета Д 303.004.01 при ОАО «НИИ ВОДГЕО» по адресу: Комсомольский проспект, 42, стр. 2, г. Москва, Г-48, ГСП-2, 119048.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «НИИ ВОДГЕО», тел. (495) 245-97-87, (495) 245-95-56, факс (495) 245-96-27.

Автореферат разослан "__" ______ 2007 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Сброс поверхностных стоков промышленных предприятия и селитебных зон является существенным фактором, вызвавшим серьезное загрязнение водоемов. Поверхностные сточные воды могут характеризуются значительными концентрациями нефтепродуктов до 100 мг/л (в среднем 0,5 - 2 мг/л); органических загрязнений по БПК до 300 мг/л, по ХПК до 500 мг/л; содержание биогенных элементов в этом случае составляет до 70 мг/л аммонийного азота.

Для очистки поверхностного стока применяются в основном физико-химические методы очистки, недостаточно эффективные для удаления растворенных органических веществ и соединений азота. Очистка поверхностного стока биологическими методами имеет ряд преимуществ так как практически не требует применения дорогостоящих расходных материалов.

Актуальность работы вызвана необходимостью развития технологий и эффективных сооружений для очистки поверхностных сточных вод от органических веществ и соединений азота биологическим методом, а так же создания методики расчета сооружений биологической очистки, учитывающей качественные и количественные характеристики поверхностного стока.

Вопросы биологической очистки поверхностного стока освещены недостаточно. Современная литература на тему удаления соединений азота и растворенных органических веществ из поверхностных сточных вод практически отсутствует. Из-за ряда особенностей поверхностных сточных вод отсутствуют эффективные сооружения для удаления соединений азота и специфических органических соединений из поверхностного стока.

Цели и задачи работы.

Цель настоящей работы состояла в создании эффективной технологии биологической очистки поверхностных сточных вод, в полной мере учитывающей их особенности. Для реализации поставленной цели были определены следующие задачи:

- обосновать целесообразность и эффективность применения биосорбционной технологии для очистки поверхностного стока;

- обосновать применение наиболее эффективных загрузочных материалов в биосорберах, определить их технологические и гидравлические характеристики;

- исследовать основные закономерности очистки поверхностного стока от соединений азота и растворенных органических соединений;

- исследовать влияние температуры на интенсивность биосорбционных процессов при очистке поверхностного стока;

- определить кинетические характеристики процессов биологической очистки ливневых и талых сточных вод в проточных условиях;

- исследовать и обосновать оптимальные технологические параметры биосорберов при очистке поверхностного стока;

- разработать методику расчета биосорберов для очистки поверхностного стока от растворенных органических соединений, в том числе и специфических (нефтепродукты, этиленгликоль и др.) и соединений азота;

- выполнить технико-экономическую оценку разработанной технологии биосорбционной очистки поверхностных сточных вод от растворенных органических соединений и азота.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- научно обоснована и экспериментально подтверждена целесообразность и условия применения биосорберов для очистки поверхностных сточных вод с территорий промышленных предприятий и городов от соединений азота и специфических органических загрязнений;

- показано, что в биосорберах процессы биологического окисления органических соединений (нефтепродукты, этиленгликоль, формальдегид и др.) и соединений азота адекватно описываются уравнениями ферментативной кинетики; впервые экспериментально получены кинетические характеристики для этих ингредиентов поверхностных сточных вод;

- исследована кинетика окисления нефтепродуктов, формальдегида, этиленгликоля и азота аммонийного, содержащихся в поверхностных сточных водах. Установлен механизм процесса окисления и кинетические константы уравнений ферментативной кинетики, описывающих эти процессы;

- получены зависимости удельной скорости окисления загрязнений и процесса нитрификации от температуры, в диапазоне от 5^оС до 20^оС. Экспериментально показано, что процессы нитрификации и окисления органических загрязнений на биосорберах достаточно эффективно протекают при температурах 5-6^оС

Практическая ценность работы состоит в следующем:

- по результатам исследований разработана методика расчета биосорберов для очистки поверхностного стока от растворенных органических соединений, в том числе и специфических (нефтепродукты, этиленгликоль и др.) и соединений азота с учетом сезонного изменения температуры сточных вод;

- на основе проведенных исследований разработан раздел "8.6. Биологическая очистка", "Рекомендаций по расчету систем сбора, отведения и очистки поверхностного стока с селитебных территорий городов, промышленных предприятий и расчету условий выпуска его в водные объекты"

- определены оптимальные схемы очистки поверхностного стока, включающие ступень биологической очистки на биосорберах, разработано их конструктивное оформление.

- в результате исследований установлена целесообразность очистки поверхностного стока от органических соединений и азота биологическим (биосорбционным) методом. Разработанная технология позволяет отказаться от сложных и дорогостоящих физико-химических методов очистки для удаления этих загрязнений из поверхностного стока. Разработанная технология и метод расчета сооружений могут быть использованы проектными и эксплуатирующими организациями при проектировании и реконструкции систем очистки поверхностного стока с территорий городов и промпредприятий. Внедрение разработанной технологии биологической очистки поверхностного стока существенно улучшит санитарное и экологическое состояние водоемов - приемников сточных вод.

Достоверность полученных результатов подтверждается большим объемом и длительностью экспериментальных исследований на лабораторных и пилотных установках с реальными сточными водами в различные сезоны года, сходимостью расчетных и экспериментальных результатов, применением стандартизированных методов измерений и анализа, статистической обработкой результатов.

Обоснованность предлагаемых технологических и конструктивных решений подтверждена лабораторными и полупроизводственными испытаниями с реальными сточными водами.

Апробация работы и публикации:

Основные результаты данной работы докладывались на научно-практическом семинаре НИИ «ВОДГЕО» (Москва, апрель 2004 г., май 2006г.) и на 6-ом Международном конгрессе "ЭКВАТЕК-2004" (июнь-2004г).

По теме выполненных исследований опубликовано 4 работы.

Реализация результатов исследований:

Результаты исследований использованы при разработке раздела "8.6. Биологическая очистка" новых "Рекомендаций по расчету систем сбора, отведения и очистки поверхностного стока с селитебных территорий городов, промышленных предприятий и расчету условий выпуска его в водные объекты"

По разработанным рекомендациям выполнены проекты очистных сооружений обработки поверхностного стока с территорий аэропортов Домодедово и Шереметьево.

На защиту выносятся:

Результаты теоретических и экспериментальных исследований по:

- обоснованию целесообразности и эффективность применения биосорбционной технологии для очистки поверхностного стока;

- обоснованию применения наиболее эффективных загрузочных материалов в биосорберах, определению их технологических и гидравлических характеристик;

- результаты исследований основных закономерностей очистки поверхностного стока от соединений азота и растворенных органических соединений биосорбционным методом;

- результаты исследований влияния температуры на интенсивность биосорбционных процессов при очистке поверхностного стока;

- исследования кинетических характеристик процессов биологической очистки ливневых и талых сточных вод;

- оптимальные технологические параметры биосорберов при очистке поверхностного стока;

- методика расчета биосорберов для очистки поверхностного стока от растворенных органических соединений, в том числе и специфических (нефтепродукты, этиленгликоль и др.) и соединений азота;

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка литературы из 136 наименований и приложений. Общий объем диссертации 133 страницы, 54.рисунка и 13 таблиц.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель и задачи исследований, ее научная новизна и практическая значимость, а также основные положения диссертации, вынесенные на защиту.

В первой главе диссертации приведены характеристики поверхностного стока с территорий городов и промышленных площадок, представлен анализ литературных данных по существующим методам очистки поверхностного стока.

Показано, что поверхностный сток с селитебных территорий городов и промышленных предприятий представляет собой особый вид сточных вод с присущими только ему особенностями формирования и режима поступления в водные объекты и характеризуется крайней нестационарностью во времени как по расходам, так и по концентрациям загрязнений. Особую сложность представляет удаление из поверхностного стока соединений азота, нефтепродуктов, СПАВ и других специфических растворенных органических загрязнений.

Отмечены особенности биологической очистки поверхностных сточных вод. Для самостоятельной очистки поверхностного стока в России настоящее время в основном используются сооружения механической и физико-химической очистки, а для доочистки - сорбция на синтетических или природных сорбентах. Недостатком физико-химических методов очистки является и то, что они не эффективны для удаления из сточных вод соединений азота, растворенных специфических загрязнений, таких как фенол, СПАВ, нефтепродукты и др. Для этих целей перспективно применение биологических методов очистки, однако крайняя нестационарность ливневого стока по расходам, концентрациям и температуре, а также относительно низкие концентрации органических загрязнений не позволяют эффективно использовать обычные сооружения биологической очистки с активным илом.

Показана перспективность и целесообразность применения для очистки поверхностных стоков биосорбционного метода, реализованного в аппаратах с псевдоожиженным слоем активированного угля или цеолитов, либо в биомембранных реакторах с порошкообразной загрузкой. Однако недостаточная теоретическая изученность вопросов, ограниченность данных по биосорбционной очистке поверхностных сточных вод, в том числе в условиях низких температур, потребовало проведения специальных исследований.

Во второй главе представлен анализ теоретических предпосылок использования биосорбционного метода для очистки поверхностного стока, а также методов их математического описания.

Процессы биологической очистки сточных вод, протекающие в свободном объеме или на поверхности носителя, являются результатом метаболической деятельности микроорганизмов, основу которых составляют реакции, катализируемые ферментами как внутри клетки, так и за ее пределами. Математическое описание кинетики ферментативных реакций основано на предположении существования комплекса фермента с субстратом и зависимости скорости реакции от скорости распада этого комплекса с образованием продукта реакции и свободного фермента. Согласно этой гипотезе для ферментативных реакций, протекающих по схеме:

Е+S ? Е S ? E +P(2-1)

Михаэлисом и Ментен выведено известное уравнение:

(2-2)

Согласно этому уравнению зависимость скорости реакции от концентрации органического вещества выражается гиперболической функцией.

Для описания более сложных ферментативных реакций было разработано множество соответствующих модификаций этого уравнения, отражающих механизмы взаимодействия фермента, субстрата, ингибиторов и других компонентов реакции.

Показана важная роль отбора видов микроорганизмов в процессе формирования биопленки в зависимости от качественного состава субстрата и условий проведения процесса очистки. Важнейшей характеристикой процесса биологической очистки является скорость прироста микроорганизмов.

В популяции микроорганизмов имеется целый спектр исходных медленнорастущих видов. Замещение ими исходных форм приводит к перестройке популяции. Согласно анализу Мозера, один вид (А) вытесняет другой (В) при условии _а> _в. Давление отбора () характеризуется как разница в удельных скоростях роста рассматриваемых видов:

= _а - _в ,(2-15)

При отсутствии лимитирования процесса концентрацией субстрата, скорости роста и скорости окисления близки к максимальным и отбор происходит в пользу микроорганизмов, растущих с максимальной скоростью (_max).

При окислении трудноокисляемых органических веществ или при работе реактора в режиме глубокой очистки автоселекция и отбор видов направлен на уменьшение константы K_m, на снижение концентрации субстрата, лимитирующего рост.

Сущность биосорбционного метода состоит в совмещении в пространстве и во времени процессов адсорбции органических загрязнений из обрабатываемой воды с их биологическим окислением микроорганизмами и их экзоферментами, иммобилизованными на поверхности и в микропористой структуре пористого гранулированного носителя. Это позволяет непрерывно осуществлять эффективную и глубокую очистку воды от органических трудноокисляемых и токсичных соединений без необходимости термической регенерации или замены сорбента. Принципы данного метода защищены патентами. Разработана концептуальная модель процесса биосорбционного окисления.

В зависимости от качественного состава окисляемых субстратов и физико-химических свойств материалов-носителей форма кинетических зависимостей в соответствии с этой моделью имеют различный характер. При одновременном присутствии в составе субстрата биоразлагаемых и биорезистентных компонент и использовании в качестве материала-носителя гранулированного активированного угля эта зависимость должна иметь S - образный характер, отражающий кинетику окисления биорезистентных веществ в стадии глубокой доочистки (зона 1) при минимальной толщине биопленки и питании ее с внутренней стороны. Кинетика окисления в этой зоне должна описываться (в простейшем случае) уравнением типа Михаэлиса-Ментен с кинетическими параметрами, зависящими о природы экзоферментов, иммобилизованных в микропористой структуре активированного угля, с учетом влияния на эти параметры специфических сорбционных взаимодействий и диффузионных ограничений.

В зоне 3 этой кривой, характеризующей окисление биоразлагаемых компонент, окисление протекает по механизму, характерному для биофильтров или аэротенков, а кинетика аналогична модели; Ритмана и Мак-Карти.

В переходной зоны 2 происходит резкое изменение толщины биопленки, а также другие сложные явления, связанные с возможными переходами системы от диффузионного режима к кинетического и наоборот.

Основным механизмом удаления биорезистентных компонентов сточных вод является их модификация в биоразлагаемую форму в адсорбированном состоянии экзоферментами микроорганизмов, иммобилизованными в микропористой структуре сорбента с последующей десорбцией биоразлагаемых продуктов в биопленку и окислением.

Одним из существенных факторов, влияющих на кинетику ферментативных реакций, является температура. Изменение температуры влияет на ферментативную реакцию или на торможение потому, что при этом изменяются константы скорости отдельных стадий, например константы образования и диссоциации комплексов. Процесс биологической очистки сточных вод, как регулируемая ферментами реакция достаточно четко описывается уравнением Аррениуса, определяющим зависимость скорости химической реакции от температуры.

(2-47)

где: k - константа скорости реакции;

А - константа специфическая для данной реакции;

Е_а -энергия активации;

R -газовая постоянная;

Т -абсолютная температура.

Величину энергии активации можно определить для систем с любой степенью сложности. Для упрощенной оценки влияния температуры на процесс биологической очистки сточных вод часто используют уравнение Ван-Гоффа:

(2-56)

где ч - константа в уравнении Ван-Гоффа, характеризующая вид субстрата.

Анализ теоретических закономерностей технологии биологической очистки применительно к особенностям поверхностных сточных вод показал, что фундаментальные закономерности ферментативной кинетики наиболее полно отражают физическую сущность процессов биологической очистки. Использование этих закономерностей для исследования, описания и анализа процессов биологической очистки может дать необходимую информацию для разработки на научной основе технологических схем очистки поверхностного стока и методики расчета сооружений с иммобилизованной микрофлорой. Процессы автоселекции играют существенную роль в формировании биохимических и кинетических характеристик биоценозов. Температура оказывает существенное влияние на процессы биохимического окисления. Учет этого фактора крайне важен при очистке поверхностного стока в условиях сезонных изменений температуры.

В третьей главе изложены результаты исследований основных закономерностей процессов очистки разных типов поверхностных сточных вод.

Исследования проводилась в непрерывно-проточных условиях на лабораторных и пилотной установках биосорберов и на мембранном биореакторе с реальными поверхностными стоками с территорий аэропортов Шереметьево и Домодедово, мебельной фабрики, третьего транспортного кольца г. Москвы. Были разработаны и испытаны три вида лабораторных установок: биосорбер с гранулированной загрузкой (БС); мембранные биореакторы со свободноплавающей микрофлорой (МБ) и с порошкообразным углем марки (МБ с ПАУ), оборудованные половолоконными микрофильтрационными мембранами с размером пор 0,22 мкм.

Длительность экспериментов составляла от 50 до 250 дней, что обеспечивало необходимые промежутки времени для формирования на поверхности загрузки устойчивых биоценозов и исключало влияние на результаты экспериментов начальной сорбционной емкости загрузки. Контроль за работой установок осуществлялся на основе стандартных методов анализа, результаты которых подвергались статистической обработке. Кинетические параметры зависимостей определялись графо-аналитическим методом.

Приведены характеристики экспериментальных установок. Установки работали при температуре 20^оС, за исключением специальных исследований при исследовании влияния на процесс очистки низких температур.

В ходе исследований контролировалось качество исходной и очищенной воды по следующим показателям: ХПК, БПК, азот аммонийный, нитриты, нитраты, фосфор, нефтепродуктов.

Процесс биосорбционной очистки основан на совмещении процессов сорбции и биологического окисления загрязнений на поверхности загрузки. Поэтому для подбора загрузочного материала биосорберов были проведены исследования, направленные на определение сорбционных и гидравлических характеристик различных марок цеолитов и гранулированного активированного угля, выпускаемых промышленностью.

В качестве исследуемых материалов были выбраны синтетический цеолит марки NаА, природные цеолиты Чанканайского (Сев. Казакстан) и Приморского месторождений.

Технологическая оценка применения биосорбционной технологи для очистки поверхностных сточных вод.

Особенностью поверхностного стока с территории аэропорта «Домодедово» является значительное загрязнение органическими веществами (по ХПК)- до 220 мг/л, нефтепродуктами до 15 мг/л, этиленгликолем. Соотношение БПК/ХПК исходной воды составляло 0,55 мг/л. Концентрация азота аммонийного в стоке составляла до 8 мг/л, рH воды 7,7.

В процессе работы биосорбера в четырех режимах с постепенным увеличением нагрузки по нефтепродуктам с 0,1 до 1 мг/г.сут (рис 3.2.4.) снижение эффективности удаления нефтепродуктов было незначительным: с 98 до 96 % . При этом при нагрузках менее 0,5 мг/г.сут очистка производилась с 1,54 -3,7 мг/л до 0,03 -0,04 мг/л (ПДКр.х. - 0,05 мг/л).

Наличие нефтепродуктов в сточной воде не сказывалась неблагоприятным образом на эффективности процессов нитрификации. При работе с нагрузкой 0,2 мгN/г.сут (рис. 3.2.6) концентрация азота аммонийного снижалась с 4,8 до 0,27 мг/л (ПДКр.х. - 0,39мг/л).

Исследования на реальном поверхностном стоке с территории аэропорта «Домодедово» показали возможность глубокой очистки поверхностного стока в аппаратах с псевдоожиженным слоем загрузочного материала от органических веществ, соединений азота и специфических загрязнений, в том числе нефтепродуктов, до нормативов ПДК рыбохозяйственного назначения.

Поверхностный сток с территории аэропорта «Шереметьево» содержит азот аммонийный в концентрациях до 30 мг/л (в весенний период), органические вещества по ХПК до 500 мг/л. В стоке присутствовали нефтепродукты, этиленгликоль. Соотношение БПК/ХПК исходной воды составляло 0,6 мг/л, рH - 7,5. На лабораторных биосорберах, загруженных цеолитом и активированным углем, были проведены сравнительные исследования эффективности материалов-носителей.

Снижение концентраций органических загрязнений по ХПК при различных нагрузках представлено на рис. 3.2.8. Эффективность удаления органических загрязнений по ХПК, при одинаковых нагрузках, составляет для биосорбера с цеолитом 30 - 70 %, для биосорбера с активированным углем 48-76 % (рис. 3.2.9.).

При содержании аммонийного азота в исходной воде от 5,2 до 16,7 мг/л (рис. 3.2.10.) его содержание в очищенном стоке при нагрузке 0,15 мг/г.сут. составляло 0,1 и 0,2 мг/л для биосорбера с цеолитом и углем соответственно (ПДК_р.х.- 0,39 мг/л). Эффективность очистки составляла соответственно 95 - 96 %, и 93-94% (рис. 3.2.11) .

Таким образом, при очистке поверхностного стока от аммонийного азота несколько более эффективны биосорберы с цеолитом, а от органических загрязнений - с активированным углем.

Поверхностный сток с территории мебельной фабрики «Сходнямебель» характеризуется содержанием органических веществ по БПК с максимальными значениями осенью и зимой до 42 мг/л, и средних значениях в зимний период 20 мг/л. В стоке содержатся нефтепродукты в концентрациях до 2,5 мг/л, формальдегид до 0,5 мг/л, фенол. Средняя концентрация азота аммонийного 7 мг/л, рH - 8.

Исследования по очистке поверхностного стока с территории мебельной фабрики были проведены в условиях промышленного предприятия на пилотных биосорберах, загруженных цеолитом и активированным углем. Время пребывания воды в активной зоне биосорберов составляло 25-90 минут.

При нагрузке на цеолит 0,6 мг/г.сут, нагрузке на уголь 1 мг/г/сут и концентрации органических веществ в исходной воде 16,7 мг/л (по БПК) концентрация загрязнений в очищенной воде составляла 2,2-2,4 мг/л (ПДКр.х.- 3 мг/л), эффективность очистки при этом составляла 84-85 %. Во втором режиме при нагрузках на цеолит 2,4 мг/л и на уголь 3,8 мг/л эффективность очистки составляла, соответственно, 72 и 80 % (рис. 3.2.12.).

Как видно из графика (рис.3.2.13.), при нагрузках менее 0,03 мг/г/сут концентрация нефтепродуктов снижается с 0,41 мг/л до 0,04 - 0,06 мг/л (ПДКр.х.- 0,05 мг/л). Эффективность очистки при этом составляет порядка 87 % для биосорбера с углем и 82 % для биосорбера с цеолитом.

Концентрация азота аммонийного в очищенном стоке при нагрузке 0,1 мг/г.сут составляла 0,29 и 0,32 мг/л для биосорбера с цеолитом и углем (ПДКр.х.- 0,39 мг/л), а эффективность очистки 81 - 94 % и 80-91% соответственно (рис. 3.2.15).

При нагрузках по формальдегиду менее 0,005 мг/г/сут. (рис. 3.2.16.) его концентрация снижается с 0,121 мг/л до 0,064 - 0,056 мг/л (ПДКр.х.- 0,05 мг/л). Эффективность очистки при этом составляет 63 % для биосорбера с углем и 57 % для биосорбера с цеолитом.

Таким образом, исследования с поверхностным стоком с территории мебельной фабрики подтвердили возможность глубокой очистки данного стока биосорбционным методом от органических веществ, соединений азота и специфических загрязнений, на примере нефтепродуктов и формальдегида, до нормативов ПДК рыбохозяйственного водоема. Сравнение двух загрузочных материалов в биосорберах выявило преимущества активированного угля для удаления трудноокисляемых органических веществ и специфических загрязнений, а цеолита - для процесса нитрификации

Кинетика окисления загрязняющих веществ в биосорберах.

Основой технологического расчета любого сооружения биологической очистки является кинетика процесса, определяющая взаимосвязь удельной скорости окисления примесей сточных вод с их концентрацией в реакторе (очищенной воде).

На рисунке 3.3.1 представлена кинетика окисления органических загрязнений поверхностного стока аэропорта «Домодедово» по ХПК, которые демонстрируют работу биосорбера в двух различных режимах. Зависимости удельной скорости окисления от концентрации субстрата в очищенной воде имеют S-образный характер. На графиках можно выделить 3 зоны, отражающие работу биосорбера в режиме глубокой очистки, переходном, и режиме очистки воды.

Режим первой зоны поддерживается при ХПК до 40 мг/л и по БПК до 5 мг/л, соотношение БПК/ХПК составляет от 0,15 до 0,24, что соответствует максимальной степени окисления как биоразлагаемых, так и биорезистентных соединений. Зона 2 характеризует переходный режим, с нестабильным состоянием биопленки. соответствует режиму очистки. При переходе порогового значения (зона 3) происходит качественное изменение процессов в биопленке и в структуре сорбента. По мере увеличения нагрузки соотношение БПК/ХПК изменяется от 0,25 до 0,5 и происходит переход в режим очистки и удаления в основном легкоокисляемых органических веществ.

Различия режимов очистки и глубокой доочистки представлены на рис 3.3.3., демонстрирующем изменение соотношений БПК/ХПК при смене режимов.

Методом двойных обратных величин определены кинетические константы: К_м и V_max, приведенные в табл. 3.1. В режиме глубокой очистки скорость окисления органических загрязнений в стоке с территорий аэропортов Шереметьево и Домодедово практически идентичны. Удельная скорость окисления в биосорбере с цеолитом ниже и составляет 1,2 мг/г.сут. при К_m=18,2 мг/л.

График (рис 3.3.6.) показывает, что удельная скорость окисления аммонийного азота в биосорберах с цеолитом (V_max=0,4 мг/г/сут) несколько больше, чем в биосорберах с активированным углем (V_max=0,34 - 0,35 мг/г/сут).



Поверхностный сток с мебельной фабрики «Сходнямебель» значительно отличается от стока с территорий аэропортов, однако, несмотря на сложный состав и наличие в нем смол и формальдегида общая скорость окисления органических загрязнений остается достаточно высокой (табл. 3.1.). Максимальные скорости окисления (по БПК) составляют для цеолита 1,17 и для угля 2,63 мг/г.сут.

Скорость окисления нефтепродуктов в биосорбере с углем в 2,2 раза выше, чем в биосорбере с цеолитом (рис. 3.3.9). Можно отметить, что удельная скорость окисления нефтепродуктов с территории аэропортов и мебельной фабрики отличается практически на порядок, что обусловлено, вероятно, тем, что на каждом из объектов преобладают различные фракции нефтепродуктов обладающие, соответственно, различными свойствами.

Скорость окисления формальдегида (Рис. 3.3.10.) в биосорбере с углем в 1,3 раза выше, чем в биосорбере с цеолитом.

Полученные значения кинетических констант в уравнении Михаэлиса-Ментен для различных видов поверхностного стока в биосорберах загруженных углем АГМ и цеолитом представлены в таблице 3.1.

Таблица 3.1. Значение кинетических констант окисления веществ-загрязнителей поверхностного стока в биосорберах

Объект исследования и тип загрузки биосорбера	Vmax, мг/г.сут	Km, мг/л
Органические загрязнения по ХПК
Аэропорт Шереметьево- уголь (доочистка)	2,43	17,7
Аэропорт Шереметьево- цеолит (доочистка)	1,2	18,2
Аэропорт Домодедово- уголь (доочистка)	2,27	11,2
Аэропорт Домодедово- уголь (очистка)	32,7	10,7
Органические загрязнения по БПК
Аэропорт Домодедово- уголь (доочистка)	2,15	1,83
Аэропорт Домодедово- уголь (очистка)	29,9	6
Фабрика Сходнямебель - уголь (доочистка)	2,63	3,9
Фабрика Сходнямебель - цеолит (доочистка)	1,17	2,03
Нефтепродукты
Аэропорт Домодедово- уголь	2,4	0,35
Фабрика Сходнямебель- уголь	0,18	0,21
Фабрика Сходнямебель- цеолит	0,15	0,24
Формальдегид
Фабрика Сходнямебель- уголь	0,053	0,14
Фабрика Сходнямебель- цеолит	0,04	0,1
Нитрификация
Аэропорт Шереметьево- уголь	0,35	0,15
Аэропорт Шереметьево- цеолит	0,4	0,15
Аэропорт Домодедово- уголь	0,34	0,1

Нестационарность температуры поверхностного стока по сезонам потребовала проведения исследований влияния температуры на интенсивность процессов биологической очистки в биосорберах.

Кинетика окисления органических загрязнений по БПК при температурах от 5 до 17 ⁰С представлена на рис 3.4.2. Температурная характеристика Е_а (энергия активации) были определены графическим методом.

Влияние температуры на скорость окисления органических веществ в биосорбере приведено на рис. 3.4.2., который показывает что при снижении температуры с 18 ⁰С до 8 ⁰С значения Еа в выражении (2-26) составляет ~ 39 - kJ/mol, что соответствует температурному коэффициенту ч =0,053 в уравнении Ван-Гоффа (2-35). Для процесса нитрификации значения Еа составляет ~ 41 - kJ/mol, коэффициент ч - 0,055.

В результате поведенных исследований подтверждено, что биосорбционный процесс протекает достаточно эффективно при температурах до 5^оС, полученные данные обеспечивают учет температуры поверхностного стока при технологическом расчете биосорберов. Полученные коэффициенты и константы позволяют рассчитать биосорбер на очистку воды от органических загрязнений, соединений азота и специфических ингредиентов (нефтепродуктов, формальдегида и др.) до нормативов, предъявляемых к воде, сбрасываемой в водоемы рыбохозяйственного назначения, с учетом температуры обрабатываемой воды. биосорбер сток очистка ливневый

Исследования очистка поверхностного стока проведены на установке с порошкообразным активированным углем с отстойником.

Работа биореактора с порошкообразным углем (при отделении угольной смеси в отстойнике) продемонстрировала, что максимальная удельная скорость окисления (V_max) по ХПК составляла для биореактора с ПАУ 13 мг/г.сут, в то время как биосорберах с ГАУ в режиме доочистки составляла 2,27-2,43 мг/г.сут (таблица 3.1.).

Кинетика нитрификации также демонстрирует значительное увеличение скорости окисления загрязнений на порошкообразном активированном угле. Максимальная удельная скорость нитрификации (V_max) составляет для ПАУ 1,84 мг/г.сут; в то время как на биосорберах с углем в режиме доочистки (таблица 3.1.) она составляла 0,35 мг/г.сут.

Эти данные продемонстрировали перспективность применения порошкообразных носителей для интенсификации процесса биосорбции, удельная скорость окисления органических веществ и скорость нитрификации на порошкообразной загрузке в 5-6 раз выше, чем на гранулированной. В то же время возможность выноса ПАУ из отстойника ограничивает применение метода для очистки поверхностного стока, решением этой проблемы может быть применение половолоконных мембран для разделения очищенной воды и суспензии ПАУ.

Мембранная технология, совмещенная с адсорбционной очисткой на порошкообразном угле, может рассматриваться как дальнейшее развитее биосорбционного метода. На поверхностном стоке с территории аэропорта Домодедово параллельно с биосорбционной установкой были запущены два мембранных биореактора.

Из рис. 3.5.3 видно, что самый высокий эффект очистки по ХПК до 70 % получен на мембранном биореакторе с ПАУ. Эффективность очистки по БПК в мембранном биореакторе с ПАУ достигала 97% и в среднем БПК снижалось с 41,5 мг/л до 1,4 мг/л. (рис. 3.5.4.)

Эффективность очистки поверхностного стока от нефтепродуктов достигала 98-99% (рис. 3.5.5.) в МБР с активированным углем и концентрация нефтепродуктов в очищенной воде не превышала 0,05мг/л, т.е. ПДК. Концентрация азота аммонийного в мембранном биореакторе с ПАУ снижалась с 7, 5 мг/л до 0,4 мг/л, на 96% (рис. 3.5.6.).



Удельная скорость окисления органических загрязнений по БПК на порошкообразном активированном угле в 5-6 раз (рис 3.5.7.), нефтепродуктов в 2-3 раза выше, чем на ГАУ (рис. 3.5.8.).

Проведенные исследования с реальным поверхностным стоком продемонстрировали, что в мембранных биореакторах практически полностью удаляются взвешенные вещества, а в присутствии порошкообразного активированного угля нефтепродукты снижаются до нормативом ПДК (0,05 мг/л) и ниже, снижение ХПК достигает 70%, а БПК -98%, удельная скорость окисления субстрата в биореакторах с порошкообразной загрузкой в 2-8 раза выше, чем в биореакторах с гранулированной загрузкой.

Глава 4 посвящена разработке технологической схемы очистки поверхностного стока на биосорберах и методике расчета очистных сооружений, технико-экономическому обоснованию применения биосорбционной технологии.

В технологической схеме очистных сооружений поверхностного стока стадию биологической очистки следует включать после механической очистки. При этом содержание взвешенных веществ при их поступлении на биосорберы не должно превышать 25-30 мг/л, нефтепродуктов - 5,0 мг/л, других специфических загрязнений - в концентрациях, не превышающих максимально допустимые для сооружений биологической очистки. В случае превышения этих показателей, технологическая схема очистки поверхностного стока должна включать другие сооружения предварительной физико-химической очистки.

При удалении органических загрязнений (СПАВ, нефтепродукты и т.д.) в качестве загрузочного материала целесообразно использовать активированный угль (гранулированный фракцией 1-3 мм или порошкообразный

Технологическая схема рассчитана на очистку поверхностного стока от растворенных органических примесей, нефтепродуктов и соединений азота до нормативов на сброс в водоем рыбохозяйственного назначения.

Основу технологического расчета биосорбера составляет определение требуемого количества активированного угля (или клиноптилолита) на основе экспериментально определенной или рассчитанной удельной скорости окисления (? ) по заданному лимитирующему показателю (БПК, азот аммонийный или другие лимитирующие компоненты) в зависимости от требований, предъявляемых к качеству очищенной воды.?

Необходимое количество загрузочного материла P (т) определяется по формуле:

,(4.1)

Где: S₀ и S_t - расчетная концентрация загрязнений в исходной и очищенной воде (г/м3);

Q - расход очищаемой воды (м³/сут.)

?₂₀ - удельная скорость окисления загрязнения при температуре стока 20 ⁰С (г загрязнения/кг угля (цеолита) в сут.).

? - константа уравнения Ван-Гоффа

t - температура поверхностного стока ⁰С

Величина ? для любой степени очистки рассчитывается на основе кинетики окисления для каждого компонента загрязнений сточных вод. Кинетические параметры уравнения ферментативной кинетики (2-2) полученные в процессе исследований приведены в таблице 3.1.

Расчет требуемого количества загрузочного материала (активированный уголь или цеолит) следует проводить для каждого вида загрязнений и принимать в качестве расчетного максимальное значение.

При расчете следует рассматривать целесообразность очистки в двухступенчатых биосорберах. При этом расчет каждой ступени проводится по данным кинетики окисления компонентов загрязнений. В ряде случаев при высоких исходных концентрациях такие оптимизационные расчеты позволяют существенно снизить требуемые объемы очистных сооружений.

Полученное в результате расчетов требуемое количество и тип загрузочного материала достаточны для полного технологического расчета ступени биологической очистки. Конструктивные параметры биосорберов (диаметр реактора и его высота, высота псевдоожиженного слоя сорбента, скорость восходящего потока жидкости в реакторе, высота и диаметр аэрационной колонны, требуемый расход воздуха на аэрацию, водораспределительные системы и др.) рассчитываются на основе гидравлических характеристик загрузочного материала - оптимальная степень расширения псевдоожиженного слоя, требуемая скорость восходящего потока в реакторе (V м/с), удельные потери напора в псевдоожиженном слое загрузочного материала (?H, м.в.ст.).

Расчетные концентрации целесообразно определять с помощью гистограмм плотности распределения концентраций с вероятностью превышения 15 % (85 % обеспеченности).

В качестве примера приведен технологический расчет линии биосорбционной очистки для ЗАО аэропорт «Домодедово». На сооружения биологической очистки сток поступает после ступени физико-химической очистки. Расчет требуемого количества загрузочного материала (т) показал, что при данных условиях наиболее эффективно осуществлять процесс в две ступени (биосорберы 1 и 2 ступени). Результаты расчетов представлены в таблице 4.2 .

Рассчитаны основные конструктивные параметры биосорберов.

Схема выполнена на базе установок полной заводской готовности и предполагает наличие двух технологических линий с биосорбером первой ступени и биосорбером второй ступени в каждой. Биосорбер первой ступени работает в режиме повышенных нагрузок и в нем происходит окисление 85 % органических загрязнений с высокой скоростью; биосорбер второй ступени работает в режиме низких нагрузок (окисление около 10 % органических загрязнений) и обеспечивает доочистку до требуемых нормативов.

Таблица 4.2. Технологические параметры биосорберов 1 и 2 ступени для очистки поверхностного стока.

Исходные данные и технологические параметры	Биосорбер 1 ступени	Биосорбер 2 ступени
Расход воды на биосорберы, м3/ч	35
Количество биосорберов, шт.	2	2
Расход воды на одну линию, м3/ч.	17,5	17,5
БПК поступающей воды, мг/л.	60	8,65
БПК воды после биосорберов, мг/л.	8,65	3
Нефтепродукты в поступающей воде, мг/л.	6	0,43
Нефтепродукты в очищенной воде, мг/л.	0,43	0,015-0,05
Азот аммонийный пост. воды, мг/л.	10,6	0,65
Азот аммонийный в очищенной. воде, мг/л .	0,65	0,2-0,39
Количество угля в биосорбере, т.	2,89	2,89
Общее количество угля во всех биосорберах, т	11,58
Общее количество биосорберов, шт.	4

Технологический расчет мембранного биореактора с порошкообразным активированным углем заключается в определении количества загрузочного материала, объема биореактора и требуемой площади мембран. Количество загрузочного материала P_ПАУ, т. определяется по формуле 4.11.

Объем зоны окисления W_реак, м³ определяется по формуле:

(4.11.)

С_ПАУ - концентрация порошкообразного активированного угля г/л;

Требуемая площадь фильтрации (м²) половолоконных микрофильтрационных мембран определяется как отношение расхода воды на сооружение (м³/сут.) и оптимальной скорости фильтрования через мембраны от 0,3 до 0,5 м³/м².сут.

Для технико-экономической оценки применения биосорбционной технологии при очистке поверхностного стока рассмотрена технологическая схема очистки поверхностных сточных вод аэропорта, включающая предварительную очистку (нефтесборное устройство, отстойник комбинированный секционный ОКС-65, флотатор ФлКС, сатуратор СФлР) и глубокую очистку стока, по одной из трех технологических схем:

- очистка на осветлительных фильтрах, сорбционных фильтрах с ГАУ, установке УФ-обеззараживания;

- очистка на биосорберах первой и второй ступени, установке УФ-обеззараживания;

- очистка в биосорбционно-мембранном биореакторе, установке УФ-обеззараживания.

Расчет производился для всей технологической схемы с альтернативными вариантами блока глубокой очистки стока. При расчете не учитывались расходы на здание, отопление и заработную плату обслуживающего персонала очистных сооружений.

Критерием сравнительной экономической эффективности является годовой экономический эффект:

Э=(C₁+En*K₁)-(C₂+En*K₂)(5.1.)

где:

C₁ и C₂ - годовые эксплуатационные затраты по сравниваемым вариантам;

K₁ и K₂ - капитальные затраты по вариантам технологии обработки поверхностного стока.

En - нормативный коэффициент, принимаемый 0,12.

Результаты расчетов экономической эффективности системы очистки поверхностного стока при применении различных технологий глубокой доочистки для станции, производительностью 840 м³/сут. представлены в таблице 4.6.

Таблица 4.6. Сравнительная экономическая оценка альтернативных методов очистки поверхностного стока.

Метод глубокой очистки	Себестоимость 1 м3 воды*, руб.	Экономический эффект, тыс.руб./год
Сорбционная доочистка	17,36	базовый вариант
Биосорбционная доочистка	13,32	1260
Биосорбционно-мембранная доочистка	13,19	1449

· при сроке эксплуатации 10 лет

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Впервые теоретически и экспериментально обоснована целесообразность и условия применения биосорбционного метода для очистки поверхностных сточных вод, характеризующихся значительной загрязненностью органическими веществами и соединениями азота, в том числе в условиях низких температур.

1. Анализ отечественных и зарубежных источников показал, что для очистки поверхностного стока от органических загрязнений и соединений азота целесообразно применять биологические методы. Наиболее эффективно реализовывать биологическую очистку поверхностного стока в биологических реакторах на носителях, обладающих сорбционной активностью по отношению к удаляемым загрязнениям и не требующих регенерации.

2. Исследования с поверхностным стоком с территорий аэропортов Домодедово, Шереметьево, третьего транспортного кольца г.Москвы и мебельной фабрики подтвердили высокую эффективность биосорбционного метода для глубокой очистки поверхностного стока от растворенных органических веществ, соединений азота и специфических органических загрязнений (нефтепродуктов и формальдегида этиленгликоля и др.) до нормативов ПДК рыбохозяйственного водоема.

3. Сравнение двух загрузочных материалов в биосорберах выявило преимущества активированного угля для удаления трудноокисляемых органических веществ и специфических загрязнений, а цеолита - для процесса нитрификации.

4. Исследования влияния температуры на процесс биосорбционной очистки поверхностного стока позволили впервые определить кинетические зависимости и константы, позволяющие рассчитывать скорость окисления загрязнений в широком диапазоне температур. Получены зависимости удельной скорости окисления органических загрязнений и процесса нитрификации от температуры в диапазоне от 5 до 20 ^оС. Экспериментально показано, что процессы нитрификации и окисления органических загрязнений на биосорберах достаточно эффективно протекают при температурах 5-6^оС.

5. Исследована кинетика окисления нефтепродуктов, фенола, этиленгликоля и азота аммонийного, содержащихся в поверхностных сточных водах. Установлен механизм окисления и кинетические константы уравнений ферментативной кинетики, описывающих эти процессы. Показано, что в биосорберах процессы биологического окисления органических соединений (нефтепродукты, этиленгликоль, формальдегид и др.) и соединений азота адекватно описываются уравнениями ферментативной кинетики. Впервые экспериментально получены кинетические характеристики окисления этих ингредиентов, которые позволяют рассчитывать очистные сооружения в широком диапазоне варьирования характеристик сточных вод при их очистке до нормативов ПДК.

6. Впервые в отечественной практике показана перспективность применения биореакторов с использованием порошкообразных сорбентов и половолоконных микрофильтрационных мембран.

7. По результатам исследований разработана методика расчета биосорберов для глубокой очистки поверхностного стока от растворенных органических соединений, в том числе специфических (нефтепродукты, этиленгликоль и др.) и соединений азота с учетом сезонного изменения температуры сточных вод.

8. Экономический эффект от применения биосорберов на станциях очистки (производительностью 840 м³/сут) поверхностного стока с территории аэропорта составит 1260 тыс.руб., а биосорбционно-мембранной технологии -1449 тыс.руб.по сравнению с сорбционным методом доочистки.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Швецов В.Н., Пушников М.Ю., Семенов М.Ю. Очистка поверхностного стока биологическим методом. // Сборник научных трудов НИИ ВОДГЕО «Очистка сточных вод» выпуск 7, Москва 2004 г.

2. Швецов В.Н., Морозова К.М., Семенов М.Ю. Биологическая очистка поверхностного стока. // Журнал «Водоснабжение и санитарная техника», 2005 г №7.

3. Швецов В.Н., Морозова К.М., Пушников М.Ю., Киристаев А.В., Семенов М.Ю. Перспективные технологии биологической очистки сточных и природных вод. // Журнал «Водоснабжение и санитарная техника», 2005 г. №12.

4. Швецов В.Н., Морозова К.М., Семенов М.Ю. Биологическая очистка поверхностного стока. // Тезисы докладов «Вода: экология и технология Акватэк-2006» Москва, 2006 г

Размещено на Allbest.ru

...