Пилипенко Дмитрий Вадимович
Факультет
компьютерных информационных технологий
и автоматики
Кафедра электронной
техники
Специальность: Электронные
системы
Тема работы: Обоснование и исследование структуры электронной системы контроля растворенного кислорода аэротенка очистных сооружений
Руководитель:
доцент Коренев Валентин Дмитриевич
Обоснование и разработка методов и режима эксплуатации биологических очистных сооружений с использованием отходов производства и сорбентов для обеспечения экологической безопасности
Щербинин А.М.
Источник: Томский государственный архитектурно-строительный университет
ЩЕРБИНИН АЛЕКСАНДР МИХАЙЛОВИЧ
ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И РЕЖИМА
ЭКСПЛУАТАЦИИ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ С
ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА И СОРБЕНТОВ ДЛЯ
ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
Специальность
25.00.36 «Геоэкология»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Томск 2003
Работа выполнена в Томском государственном архитектурно - строительном университете, 000 «Проект-Сервис», ГУП «Уральский научно- исследовательский институт» Академии коммунального хозяйства им. К.Д. Памфилова
Научный руководитель: доктор геолого-минералогических наук,
профессор, заслуженный деятель
науки и
техники РФ
Рогов Г.М.
Официальные
оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Саркисов Ю.С.,
кандидат
технических наук,доцент
Лашкивский Б.П.
Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие
“Российский
научно - исследовательский институт
комплексного использования и охраны
водных ресурсов, г. Екатеринбург
Защита
диссертации состоится «19 декабря 2003
г.» в 1400 часов
на заседании Диссертационного совета Д
212.265.02 в Томском государственном
архитектурно-строительном университете
С
диссертацией можно ознакомиться в
библиотеке Томского государственного
архитектурно-строительного
университета
Автореферат разослан «12» ноября 2003 г.
Отзывы на автореферат, подписанные и заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2, ученому секретарю Диссертационного совета Щербаку Г.Г., тел/факс (8382-2) 65-38-81
Щербак ГГ.
Ученый
секретарь
Диссертационного совета
Д212.265.02
доктор геолого-минералогических
наук, профессор Щербак Г.Г.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Любой вид человеческой деятельности связан с поступлением в окружающую среду (главным образом на поверхность земли) загрязняющих веществ. С поверхности земли загрязняющие вещества мигрируют через зону аэрации в подземные воды. При этом вещество либо полностью обезвредится в зоне аэрации, либо достигнет подземных вод, в таком случае необходимо осуществлять мероприятия по охране вод. На Урале многолетняя горнодобывающая деятельность привела к существенным изменениям природного состояния геоэкологической среды, к снижению естественной защищенности подземных вод, активизации геохимических и геомеханических процессов. На Урале расположено немало промышленных и сельскохозяйственных предприятий, негативно влияющих на подземную гидросферу за счет сброса сточных вод.
Аналогичную отрицательную роль выполняют и урбанизированные территории.
Общей чертой подземных вод урбанизированных территорий является азональный тип вод, присутствие соединений азота и нефтепродуктов. Они неблагополучны в санитарно-экологическом отношении.
Одним из актуальных вопросов улучшения геоэкологической среды является необходимость повышения степени очистки сточных вод от загрязнений, сбрасываемых в поверхностные воды.
В связи с этим повышение эффективности работы очистных сооружений хозяйственно-бытовых сточных вод имеет исключительно большое значение. В настоящее время в России 80% всех городских сточных вод подвергаются биохимической (биологической) очистке. При этом на Урале и в Сибири только около 40% указанных сооружений работают в соответствии с нормативными показателями. Даже при полной биологической очистке из городских сточных вод не удается удалить до требуемых норм такие вредные и распространенные загрязнения, как СПАВ, нефтепродукты, соединения азота и фосфора, соли тяжелых металлов и другие растворенные вещества. Поэтому для глубокой очистки сточных вод необходима комбинация технологии биохимической очистки с использованием физико-химических методов. Разработке технологии очистки городских сточных вод посвящено много исследований и публикаций. Однако сохраняется актуальность создания новых эффективных и дешевых технологических решений.
Цель диссертационной работы. Разработка новых технологических решений и технических средств очистки хозяйственно-бытовых сточных вод химико-биологическим методом с использованием отходов производства и биосорбционным способом с применением дешевых сорбентов, позволяющих обеспечить экологическую безопасность геоэкологической среды.
В
соответствии с поставленной целью
определены следующие задачи:
- обосновать и разработать технологию и
определить оптимальные условия и режим
химико-биологической очистки городских
сточных вод с использованием отходов
производства;
- обосновать и разработать технологию и
определить оптимальные условия и режим
биосорбционной очистки городских
сточных вод с использованием дешевых
углеродсодержащих сорбентов;
- разработать модель биосорбционной
очистки сточных вод с использованием
порошкообразного утлеродсодержащего
сорбента на основе буроугольного
полукокса.
Объектом настоящего исследовании являются хозяйственно-бытовые сточные воды населенных пунктов, содержащие загрязняющие компоненты промышленных сточных вод (СПАВ, нефтепродукты, тяжелые металлы) и отходы производства -нейтрализованные известью кислые железосодержащие стоки станций нейтрализации.
Предметом исследования являются технологические процессы удаления загрязняющих примесей из хозяйственно-бытовых сточных вод населенных пунктов.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использован комплекс методов, включающий: анализ и обобщение данных научно-технической литературы по исследуемому направлению, математическое моделирование, экспериментальные исследования в лабораторных, опытно-промышленных и промышленных условиях, технико-экономический анализ.
Научная
новизна. Научная новизна работы заключается в
том, что в ней впервые:
- обоснована и экспериментально
подтверждена возможность использования
при биологической очистке городских
сточных вод железосодержащего
нейтрализованного шлама - отхода
производства металлургических,
машиностроительных и других
предприятий - взамен водных растворов
коагулянтов, для обеспечения
экологической безопасности
геоэкологической среды;
- установлено, что при химико-биологической
очистке сточных вод с применением
железосодержащего шлама меняются
физико-химические условия обработки
сточных вод в отдельных сооружениях, что
позволяет в целом улучшить качество
очищенной воды;
- обоснованы и разработаны технологии и
режимы химико-биологической очистки с
использованием отходов производства и
биосорбционной очистки сточных вод для
интенсификации и повышения
эффективности работы биологических
очистных сооружений, что позволяет
повысить их эффективность и обеспечить
экологическую безопасность
геоэкологической среды;
- разработана математическая модель процесса биосорбционной очистки сточных вод, основанная на предположении о независимости
процессов биохимического окисления и сорбции загрязнений полукоксом Модель учитывает 11 параметров, включая дозы активного ила и сорбента.
Обоснованность и достоверность результатов исследований подтверждается высокой сходимостью (более 90%) данных, полученных при проведении лабораторных опытов, с экспериментальными данными, полученными в опытно-промышленных и промышленных условиях, а также внедрением результатов на ряде очистных сооружений.
Практическая значимость работы заключается в разработке и обосновании технологий химико-биологической и биосорбционной очистки сточных вод. Внедрение разработанных технологий позволяет существенно улучшить качество очищенной воды, обеспечить экологическую безопасность геоэкологической среды и более высокую производительность очистных сооружений по сравнению с традиционными методами биологической очистки. Разработанные технологии могут быть рекомендованы для очистки городских и других близких к ним по составу сточных вод.
Реализация результатов исследований. Проведены производственные испытания химико-биологической и биосорбционной технологии очистки сточных вод на станции аэрации г. Первоуральска, на очистных сооружениях базы отдыха «Глухое», на станции аэрации пос. Крылосово и др. Экономический эффект от применения железосодержащего шлама при биологической очистке сточных вод на станции аэрации г. Первоуральска за счет сокращения платы за сброс загрязняющих веществ и уменьшения дозы катионного флокулянта при центрифугировании осадка равен 371 тыс, рублей.
Личный вклад автора состоял в обосновании направления исследований, в разработке методик проведения экспериментов и промышленных испытаний, разработке технических решений, обработке результатов исследований, в реализации новых технологических решений, подготовке материалов к печати.
Научные положения диссертации, выносимые на защиту:
1. Технология и режимы химико-биологической очистки городских сточных вод с использованием железосодержащего шлама - отхода производства, порядок обработки очищаемой воды, оптимальные дозы реагентов.
2. Технология и режимы биосорбционной очистки городских сточных вод, включающие выбор сорбента, места ввода сорбента в технологической схеме, оптимальных доз сорбента, времени контакта, режима перемешивания.
3. Математическая модель биосорбционной очистки городских сточных вод, основанная на анализе протекающих биохимических и сорбционных процессов, с учетом биохимического окисления, сорбции загрязнений из субстрата сорбентом, взаимодействия ионогенных групп загрязнений с заряженной поверхностью сорбента, иммобилизации микроорганизмов на пористой поверхности частиц сорбента.
Публикации и апробация работы
Основное содержание диссертации изложено в 1 монографии, 2 статьях и 1 тезисах.
Материалы диссертации представлены и обсуждены на международных, всероссийских и региональных конференциях, в том числе: на Международной научно-практической конференции «Российские города на пороге ХХI века: теория и практика стратегического управления. Жилье и инженерная инфраструктура города», 2000 г.; на научно-технической конференции «Перспективы развития российских городов: опыт Екатеринбурга», 2001 г.; на Всероссийской научно-технической конференции (с международным участием) «Стратегический план Екатеринбурга - взгляд в будущее», 2002 г.; на Всероссийской научно-технической конференции «Муниципальное хозяйство-2000», г. Екатеринбург, 2002 г.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и библиографического списка, включающего 132 наименования, содержит 164 с., в том числе 11 рис. и 21 таблицу.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи, а также основные положения диссертации, выносимые на защиту.
Глава 1. ВЛИЯНИЕ СТОЧНЫХ ВОД НА
КАЧЕСТВО
ПОДЗЕМНЫХ ВОД
В первой главе приведены данные о влиянии сточных вод на качество подземных вод. Отмечено, что миграция загрязняющих веществ в зоне аэрации почвы представляет собой сложный комплекс гидрохимических, физико-химических, гидродинамических и микробиологических процессов. Проведено сопоставление нагрузки по загрязнениям и относительной защищенности подземных вод на конкретных примерах: для территории калийного рудоуправления в Предуралье, Нижнесергинского металлургического завода, свиноводческого комплекса в Предуралье (Башкирия). для каждого случая проанализировано воздействие загрязнения на подземную гидросферу и предложены мероприятия по его предотвращению. Для урбанизированных территорий выделены два вида загрязнений: микробное и химическое, определены источники их поступления в подземные воды, выявлены характерные черты подземной гидросферы на примере уральских городов. Сделан вывод о необходимости повышения степени очистки сточных вод, что позволит более надежно защитить подземные воды этих территорий и улучшить геоэкологическую среду.
Глава 2. ПРОБЛЕМЫ ОЧИСТКИ ГОРОДСКИХ СТОЧНЫХ ВОД
В главе дана характеристика городских сточных вод. Показано, что качество очищенных сточных вод не во всех городах и поселках, в том числе я на Урале, соответствует нормативным требованиям. Анализ литературных и патентных источников показал, что, несмотря на множество существующих очистных сооружений, как правило, на них используются традиционные схемы биологической очистки. Такие схемы, с учетом того, что вместе с городскими сочными водами поступает значительное количество промышленных сточных вод и ливневые стоки, не позволяют обеспечить требуемое качество очищенных сточных вод. Выявлены причины низкого качества очистки городских сточных вод. Сделан вывод о том, что для повышения эффективности работы очистных сооружений и снижения загрязнения водных объектов необходимо использовать физико-химические методы очистки в сочетании с биологическими. Прежде всего, с этой точки зрения, следует выделить для изучения химико-биологическую очистку с использованием железосодержащих отходов производства (нейтрализованных шламов) и биолого-сорбционную очистку с использованием дешевых углеродсодержащих сорбентов.
Глава 3. ХИМИКО-БИОЛОГИЧЕСКАЯ
ОЧИСТКА
В главе поставлена задача исследований и дана характеристика объектов и методов исследования химико-биологической очистки сточных вод. В качестве коагулянта в данной части работы исследован железосодержащий шлам, являющийся отходом производства и образующийся на станциях нейтрализации кислых травильных и промывных сточных вод металлургических, трубных и машиностроительных предприятий.
В настоящее время эти отходы после нейтрализации известью направляются в шламоотстойники. Вода из указанных сооружений сливается в водотоки. а шлам остается в отстойнике.
Таким
образом происходит двойное загрязнение
геоэкологической среды:
за счет сливной воды, имеющей высокую
минерализацию, и за счет шлама из
отстойника. Кроме того, шламоотстойники
занимают значительные площади земли и
выводят их с системы эффективного
землепользования.
В лабораторных условиях проведены сравнительные исследования механической очистки сточных вод г. Екатеринбурга с применением железного купороса и железосодержащего шлама со станции нейтрализации цеха №45 Уралмашзавода. Процессы механического отстаивания и аэрации осуществляли в емкостях объемом 3 л. Анализы проводили по стандартизованным методикам. Результаты анализов усредняли по 4-6 значениям.
Введение шлама дозой 30 - 50 мг / л по железу перед первичным отстойником позволило снизить ХПК сточных вод на 63,0-66,7%, содержание взвешенных веществ - на 81,5-87,8%, удалить нефтепродукты на 100%, СПАВ – на 65%. Введение дозы шлама 50 мг/л по железу перед аэротенком позволило уменьшить ХПК на 95,5%. содержание взвешенных веществ на- 91,7%, фосфатов - на 72,3%, СПАВ - на 90%. Эффективность очистки при применении шлама выше, чем при введении аналогичных доз железного купороса. Шлам и купорос различно действуют на активный ил. Наличие в шламе взвешенных веществ приводит к утяжелению активного ила и увеличению его дозы, уменьшению илового индекса. Введение купороса такого влияния не оказывает. Зольность ила при добавлении шлама возрастает с 19 до 38%, введение купороса существенно не влияет на зольность ила.
Проверку результатов исследований, полученных в лабораторных условиях, а также технологической схемы биологической очистки городских сточных вод с использованием шлама станции нейтрализации Первоуральского новотрубного завода проводили на опытно-производственной установке с аэротенком, смонтированной на станции аэрации г. Первоуральска.
Опытно-производственная установка состояла из камеры смещения сточных вод и реагентов вихревого типа, вертикальных первичного и вторичного отстойников, односекционного двухкоридорного аэротенка, емкости для хранения и дозирования реагентов. Эту же установку использовали для исследований по биосорбционной очистке.
Сточная вода подавалась в камеру смещения, куда одновременно дозировали реагенты (шлам или полукокс). далее сточная вода в смеси с реагентом самотеком последовательно подавалась в первичный отстойник, аэротенк, вторичный отстойник.
Опытно-производственная установка эксплуатировалась круглосуточно. При нормальном режиме работы се производительность была равна 12 м3/сут. Время отстаивания сточной воды в первичном и вторичном отстойниках - 1,5 ч. Время аэрации - б ч с расходом воздуха в среднем 68 м3 /ч. Расход возвратного ила - 50% от расхода поступающих на установку сточных вод. Состав шлама по основным компонентам (в % к сухому веществу): кальций - 15,9, железо - 15,8, сульфаты -22,0, цинк -0,4, хром -0,2, алюминий -0,1, марганец -0,1, медь- 0,05.
Установку испытывали при расходах сточных вод 0,5 (нормальный режим работы) и 0,75 м3/ч (1 ,5-кратная перегрузка).
При смене режима работы установки проводили полную замену активного ила в системе и его адаптацию при новом режиме в течение суток
Исследования, проведенные на опытно-производственной установке, подтвердили результаты лабораторных исследований и работоспособность технологической схемы биологической очистки городских сточных вод с использованием шлама, а также возможность интенсификации работы станции аэрации в 1,5-2 раза при введении дозы шлама 10-20 мг/л по железу перед первичным отстойником.
Качество очищенной воды с применением шлама соответствует нормативным требованиям. При дозе шлама 20 мг/л по железу и перегрузке установки в 2 раза очищенная сточная вода характеризуется следующими
показателями: ХПК - 22 мг/л (против 98 мг/л без добавления шлама), БПК. 10,8 мг/л (16,5 мг/л), взвешенные вещества - 18 мг/л (92 мг/л), прозрачность 30 см (8,5 см), фосфаты - 0,8 мг/л (5,7 мг/л), СПАВ - 0,3 мг/л (1,2 мг/л), азот аммонийный -5,7 мг/л (27 мг/л).
Технологическая схема очистки сточных вод с использованием нейтрализованного железосодержащего шлама внедрена на станции аэрации в г. Первоуральске. Дозирование шлама средней дозой по железу 9,9-13,1 мг/ л в сточные воды позволило интенсифицировать процессы биологической очистки в 1,24-1,48 раза и улучшить качество очищенной воды по всем показателям. Эффект удаления загрязнений увеличился по взвешенным веществам с 81,0 до 92,7-95%, ХПК - с 58,0 до 85,7-88,0%, БПК, - с 91,0 До 96,1-97,9%, железу - с 30,0 до 96,9-98,3%, фосфатам - с 21,0 до 89,5-94,0%, СПАВ - с 33,3 до 71,2 96,8%, нефтепродуктам - с 63,7 до 70,0-87,5%, азоту аммонийному - с 52.3 л 72,6-87,5%.
Показано, что повышение эффективности очистки сточных вод на станции аэрации при введении железосодержащего шлама связано с изменением процессов обработки стоков в отдельных сооружениях.
В первичных отстойниках из-за улучшения седиментационных свойств происходит интенсивное осаждение скоагулированных хлопьев и одновременно с отстаиванием идет процесс хлопьеобразования и осаждения загрязнений. Эффект удаления взвешенных веществ при дозе шлама 10 мг/л по железу составил 70% против 58% без применения шлама. Полученные данные свидетельствуют об интенсификации процесса отстаивания загрязнений в первичных отстойниках при перегрузке по расходу в 1,5 раза. Поскольку количество загрязнений после отстаивания в первичных отстойниках с использованием шлама снижается, то уменьшается нагрузка по органическим загрязнениям на активный ил в аэротенках. Органические загрязнения в аэротенках представлены в основном низкомолекулярными и биохимически быстроокисляемыми соединениями.
Применение шлама изменило гидробиологический состав активного ила в сторону увеличения количества прикрепленных микроорганизмов в коловраток, что свидетельствует о хорошей работе очистных сооружений биологической очистки. Наличие в активном иле большого количества Е1isty1is, Сагсhеsium указывает на нитрифицирующий ил, а коловратки Рhilоdinа и Notommata развиваются при достаточно хорошем кислородном режиме. Виды микроорганизмов разнообразны. Активный ил имеет очень большую и развитую поверхность. Растворенный кислород в аэротенке составлял не менее 2-4 мг/л. Доза ила в среднем составляла 1,5-1,6 г/л.
Активный ил хорошо адаптируется к железосодержащему шламу и обладает хорошими седиментационными свойствами. Благодаря этим особенностям иловый индекс снижается при дозировании шлама со 117 до 92 см3/г. В активном иле происходят также незначительное накопление железа. Дозирование шлама приводит к смещению рН сточной воды до 7,2-7,4. что влечет за собой резкое увеличение скорости роста нитрифицирующих бактерий.
При повышении дозы шлама возрастает эффект очистки городских сточных вод по ХПIК, азоту аммонийному, СПАВ, взвешенным веществам.
Наиболее существенное влияние оказывает дозирование шлама на извлечение загрязнений по ХПК, аммонийного азота, СПАВ. На станции аэрации г. Первоуральска при биологической очистке для удаления органических загрязнений (по ХПК и БПК) оптимальными дозами шлама являются 10-15 мг/л по железу, для извлечения фосфатов оптимальные дозы шлама составляют 15-20 мг/л по железу.
Уравнения регрессии, полученные по методу корреляционного анализа, подтверждаются при использовании метода наименьших квадратов уравнениями типа Э = аДш + в, где Э эффект очистки (%), Дш доза шлама (мг/л по железу).
Высокое значение коэффициента корреляции по ХПК, азоту аммонийному и СПАВ (более 0,8) указывает на то, что эффективность очистки городских сточных вод от этих загрязнений прямо пропорциональна дозе шлама. Низкие значения коэффициента корреляции по БПК, и взвешенным веществам (менее 0,6) указывают на нелинейную зависимость этих параметров от дозы шлама.
Утилизация субстрата микроорганизмами в процессе биологической очистки осуществляется как путем упрощения структуры субстрата (загрязнений сточных вод) в результате окислительных процессов (катабомум), так и посредством синтеза новых структур (анаболизм), ведущих к образованию клеточных компонентов. Соединения железа участвуют в качестве катализаторов в обоих процессах. Кроме того, на развитой дополнительной поверхности хлопьев скоагулировавших соединений происходит иммобилизация микроорганизмов, имеющих высокую ферментативную активносгь.
Благодаря деятельности прикрепленных видов микроорганизмов повышается качество очистки сточных вод и степень удаления трудноокисляемых соединений.
Использование железосодержащего шлама при биологической очистке городских сточных вод позволяет повысить производительность станции аэрации, существенно улучшить качество очищенных сточных вод по всем показателям и значительно снизить загрязненность реки Чусовой. При этом токсичность химико-биологических очищенных сточных вод по отношению к микроорганизмам Дафния уменьшилось в 2 раза по сравнению с токсичностью воды реки Чусовая до их сброса, что подтверждает улучшение санитарно-эпидемиологического состояния воды в реке Чусовая и в целом геоэкологической обстановки бассейна р. Чусовая. Экономический эффект за счет сокращения платы за сброс загрязняющих веществ и уменьшения дозы катионного флокулянта Ргаеstol 85З-WC при центрифугировании равен 371 тыс. руб. в год.
Пятилетний опыт эксплуатации станции аэрации г. Первоуральска по технологии химико-биологической очистки городских сточных вод использованием железосодержащего шлама станции нейтрализации подтвердил высокие технико-экономические показатели работы станции аэрации и её высокую надежность.
Проведенный балансовый расчет по взвешенным веществам технологической схемы на станции аэрации г. Первоуральска показал, что общее количество осадка и ила при химико-биологической очистке возрастает с 8,58 до 11,22 т/сут. В го же время существенно сокращается сброс взвешенных веществ в реку Чусовую -с 1,53 (без дозирования шлама) до 1,02 т/сут, т.е. на 33,3% что значительно повышает экологическую безопасность водоема.
Глава 4. БИОЛОГО-СОРБЦИОННАЯ ОЧИСТКА
В главе приведены сведения о механизме процесса биосорбции и предложена модель биосорбционной очистки сточных вод.
Сущность процесса биосорбционной очистки городских сточных вод заключается в одновременном осуществлении в одном сооружении процессов химического взаимодействия соединений, сорбции их на поверхности активных частиц, биологического разложения веществ, а также физико-биологических взаимодействий микроорганизмов и носителей.
Биосорбционный
процесс протекает по следующим
механизмам:
- адсорбция соединений из субстрата в
частицы сорбента и ила за счет
диффузионного взаимодействия;
- взаимодействие ионогенных групп
соединений с заряженной поверхностью
адсорбента;
- увеличение ферментативной активности
ила в результате изменения биоценоза с
преобладанием медленно растущих видов,
специализирующихся на
переработке трудноокисляемых
субстратов;
- иммобилизация микроорганизмов на
пористых поверхностях. частиц
адсорбента.
Предполагая процесс диффузии основным при поглощении субстрата активным илом и сорбции его на частицах адсорбента, можно построить математическую модель биохимической и биосорбционной очистки сточных вод относительно величины константы полунасыщения, которая имеет смысл диффузного сопротивления для субстрата, проникающего в частицу.
Для построения диффузной модели необходимо принять ряд первоначальных гипотез о качественных характеристиках активного ила, сорбента и диффундирующего субстрата. Форма реальных хлопьев ила заметно отличается от сферической. Частицы дозируемого сорбента также имеют неправильную форму. Однако в качестве эквивалента можно выбрать радиус сферы. Эквивалентный радиус для различных илов составляет 20-50 мкм. При биосорбционной очистке городских сточных вод предполагается, что пористая среда сорбента однородна для диффундирующего субстрата, т.е. поры сорбента имеют одинаковый размер.
Субстрат однороден по составу.
Константу полунасыщения Ks с достаточной степенью точности по экспериментальным данным можно определить из зависимости
где р - скорость окисления органического вещества субстрата (при работе установки КУ-25 без дозирования сорбента составляет 2,96 мг БПК5 /дм3хч, или 6,43 сут-1 , при содержании активных микроорганизмов в хлопке 0,9%)
Sp - содержание органического вещества в субстрате в зоне культивации микроорганизмов (при работе установки КУ-25 без дозирования сорбента составляет 108,4- 36,5 = 71,59 мг/дм3);
pm - максимальная удельная скорость очистки для растворенной фракции бытовых сточных вод (составляет 8,0 сут-1, или 0,334 при температуре 20°с).
Коэффициент полунасыщения будет равен 17,56 мг/дм3.
Аппроксимируя
зависимость Моно, получим выражение
константы
полунасыщения хлопьев активного ила Ks
для случая
диффузии субстрата внутрь хлопка ила:
где dc - плотность сухой биомассы активного ила, г/см3 ;
Di - коэффициент молекулярной диффузии вещества внутри хлопьев. см2/с;
R - радиус частицы ила, cм;
Mm- удельная скорость роста чистой бактериальной культуры, ч-1
Y - экономический коэффициент удельной скорости роста.
Константа полунасыщения сильно зависит от размеров хлопка ила.
Эффективный радиус хлопьев активного ила составляет 50 мкм.
Плотность сухого вещества dc можно рассчитать по формуле
где d, db,g - плотность сухой биомассы, влажных хлопьев и среды, соответственно равная 1,8; 1,1; 1,0 г/см3.
Тогда
плотность сухого вещества активного ила
dc
составит 0,225 г/см3. Так как главным
компонентом сnочных
вод, поступающих на биологическую
очистку, являются аммиак и соли аммония,
обеспечивающие 50-70% удельной
скорости роста микроорганизмов, то
параметры диффузии можно принять для
ила равными Мm = 015 ч-1 , Y=0,05,
Dc.
=10, Di =
1710-6 cм2/с.
Подставляя полученные значения в формулу (2), определяем значения константы полунасыщения Кs = 19,85 г/дм3. Эта величина хорошо согласуется с экспериментальными данными при работе установки КУ-25 по биологической очистке хозбытовых сточных вод без использования сорбента. При биосорбционной очистке биохимическое окисление и сорбция загрязнений из субстрата порошкообразным буроугольным полукоксом осуществляется в одном сооружении (аэротенке) одновременно. Для построения диффузной модели биосорбционной очистки сточных вод в аэротенке можно считать процессы биохимического окисления активным илом и сорбции порошкообразным полукоксом протекающими независимо друг от друга.
Преобразуя
формулу диффузной модели для процесса
биосорбционной
очистки, получим выражение
где du, dc - плотность сухого ила и сорбента, равная соответственно 0,225 и 0,56 г/см3;
Ru и Rc- эффективные радиусы частицы ила и сорбента, равные соответственно 0,005 и 0,05 см;
Diu , Dic - коэффициенты молекулярной диффузии вещества в поры хлопьев ила и адсорбента, равные 17•10-7 и 1•10-5 см2/c;
Du ,Dc - дозы активного ила и сорбента в аэрационной зоне, г/дм3
Kc - коэффициент, зависящий от дозы сорбента, определяется на основе опытных данных по формуле
и является величиной безразмерной.
Расчетные и опытные коэффициенты полунасыщения при моделировании процессов биосорбционной очистки сточных вод показывают, что относительная ошибка при использовании диффузной модели биосорбционной очистки городских сточных вод не превышает 12%, т.е. эго подтверждает первоначальные гипотезы о независимом протекании процессов биохимического окисления и сорбции загрязнений полукоксом. Так как основная оценка процессов в аэротенках производится по показателю БПК5, то субстрат можно считать при бытовых сточных водах однородным с высокой степенью вероятности.
Преимуществом диффузной модели для описания механизмов процесса
биосорбционной
очистки является то, что она позволяет с
достаточной точностью определить
кинетические зависимости изъятия
загрязнений частицами с различными
сорбционными и физико-химическими
свойствами:
активным илом и порошкообразными
угольными адсорбентами. Модель
учитывает жизнеспособность бактерий
активного ила в различных условиях его
адаптации, что особенно важно для
биосорбционной очистки.
Для
понимания механизма процесса очистки
сточных вод в аэротенках
необходимо учитывать, и то что
сформированные конгломераты частиц
активного ила также обладают
сорбционными свойствами.
Глава 5. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ИСПЫТАНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ
В главе приведены основные результаты лабораторных. опытно-промышленных и промышленных исследований по биосорбционной очистке городских сточных вод. В качестве сорбента в работе изучен полукокс термоконтактного коксования, полученный из бурого угля Канско-Ачинского бассейна. Полукокс является макропористым сорбентом. Сравнительная физико-механическая и сорбционная характеристика полукокса представлена в табл. 1.
В качестве объекта исследования использовали модельные растворы сточных вод г. Первоуральска и г. Екатеринбурга.
Приведены
описания лабораторной установки и
методов выполнения
экспериментальных исследований, методы
анализа компонентов сточных вод и
обработки результатов исследований.
Зависимость
сорбции анионов из однокомпонентных
модельных
растворов полукоксом (рис. 1) показывает,
что процесс состоит из двух стадий:
сорбции и десорбции анионов в раствор.
Десорбция анионов объясняется тем, что сухой полукокс содержит в порах воздух и при добавлении в раствор угольный сорбент работает как кислородно-угольный электрод. В растворе происходит гидролитическая адсорбция, в результате которой поверхность сорбента заряжается положительно и на ней сорбируются отрицательные ионы. При постепенном растворении кислорода в воде положительный заряд с поверхности снимается. Длительность процесса сорбции составляет 25 мин для солей хрома (VI), 30 мин - для фосфора, 36 мин - для нитратов, 72 мин - для анионактивных СПАВ. В
первую очередь десорбируются анионы с меньшей мольной энтальпией химических связей.
Условные обозначения:
1 -. бихромат калия, исходная
концентрация 1,2 мг/л;
2 - нитрат калия, исходная концентрация
15,5 мг/л;
З - дигидроортофосфат калия, исходная
концентрация 100 мг/л;
4 - додецилбензолсульфонат натрия (СПАВ),
исходная концентрация 10 мг/ л.
Дозирование порошкообразного полукокса вызывает изменения в процессе сорбции катионов, который протекает иначе. На рис. 2 приведена зависимость сорбции катионов буроугольным полукоксом из модельных растворов. Сорбционное равновесие устанавливается через 30 мин для аммонийного азота, через 60 мин -для солей железа (III). Наиболее эффективно полукокс сорбирует ионы с большим зарядом. Сорбционное равновесие для ионов водорода устанавливается через 24 ч. Водородный показатель постепенно смещается в щелочную сторону. Сорбция положительных ионов на поверхности полукокса обусловлена наличием отрицательно заряженных центров, образующихся в процессе термообработки угля за счет возникновения окислов.
Условные обозначения:
1
- хлорид аммония,
исходная концентрация 10 мг/л
2 - вода с pH
6,5;
З - сульфат железа (III),
исходная концентрация 2 мг/л.
Полученные данные сорбционных свойств полукокса в статических условиях контакта сорбента с модельными растворами позволили определить оптимальное время, необходимое для сорбции загрязнений из реальных сточных вод. Время контакта для сорбции основных видов загрязнений из городских сточных вод полукоксом составляет 30 мин.
Эффект извлечения загрязнений из сточных вод зависит от дозы полукокса (рис. 3) и вида загрязнений. Оптимальной дозой полукокса для удаления взвешенных веществ, нефтепродуктов, СПАВ является 500 мг/дм3, а для органических веществ (в пересчете на ХПК) она превышает 4000 мг/дм3, однако доза полукокса сильно зависит от концентрации загрязнений.
Условные обозначения:
1 -
нефтепродукты, исходная концентрация 5
мг/дм3
2 - органические загрязнения, исходная
концентрация по ХПК 160 мг/дм3
З - взвешенные вещества, исходная
концентрация 80 мг/дм3
4 - СПАВ, исходная концентрация 2 г/дм3
(додецилбензолсульфонат натрия).
На эффективность механической очистки сточных вод с использованием буроугольного полукокса оказывает влияние режим перемешивания. Перемешивание в течение 60 мин Обеспечивает контакт всех частиц со сточными водами и растворение воздуха из пор сорбента. В результате происходит более полное окисление загрязнений и их сорбция полукоксом, вследствие чего при отстаивании сточных вод в течение 1,5 ч эффект очистки по ХПК повышается с 58,2 до 77%. Происходит также укрупнение взвешенных частиц, и эффект осветления возрастает с 58,1 до 87,7%. Буроугольный полукокс при отстаивании сорбирует фосфаты. Их содержание снижается при отстаивании без полукокса с 5,2 до 4,3 мг/дм3, а при использовании полукокса – с 5,2 до 1,2мг/дм3.
Введение полукокса приводит к тому, что соединения аммонийного азота удаляются при механической и биохимической очистке с эффективностью 93,5% (против 73% без использования полукокса). Уменьшается в воде содержание нитритов и нитратов.
При дозировании полукокса эффект удаления органических веществ в процессе механической и биохимической очистки составляет 76% по ХПК и 72% по БПК5 ( против соответственно 59,1% и 52,7% без использования полукокса). Рост эффекта указывает на улучшение работы микроорганизмов. Это связано в первую очередь с их иммобилизацией на частицах полукокса. Кроме того, введение буроугольного полукокса способствует интенсивному массопереносу кислорода из газовой среды в порах сорбента в жидкую - непосредственно сточную воду.
Дозирование порошкообразного буроугольного полукокса в городские сточные воды позволяет в процессе механической и биохимической очистки удалять 99% нефтепродуктов и 49% СПАВ.
При нормальном режиме работы установки ( 0,5 м3/ч ) использование полукокса приводит к существенному увеличению эффекта очистки по ХПК (при дозе сорбента 1000 мг/л) - с 61,0 до 93,1% по БПК, - соответственно с 83,4 до 95,3%, по азоту аммонийному - с 70,4 до 95,6%, по взвешенным веществам-с 66,1 до 96,6%, по железу общему - с 61,3 до 71,5%.
При расходе сточных вод 0,75 м3/ч (1,5-кратная перегрузка) улучшается процесс нитрификации: при дозе полукокса 200 мг/л эффективность очистки по азоту аммонийному составляет 70,4%, при дозе 500 мг/л - 79,3%. Повышается эффект очистки сточных вод по общему железу- с 48,2 до 66,8%.
Добавление буроугольного полукокса существенно сказывается на свойствах активного ила и на показателях работы аэротенка.
Дозирование сорбента способствует повышению скорости окисления с 12,0 до 18,3 мг/л при нормальном режиме и с 10,8 до 13,1 мг/л при перегрузке. Это позволяет сократить время аэрации в 1,40-1,45 раза (с 6 до 4,2 ч при дозе сорбента 1000 мг/л).
Активный ил, содержащий полукокс, быстрее уплотняется. Если активный ил оседает на 20% от общего объема за 30 мин, то активный ил, содержащий полукокс, при нормальном режиме с дозой 1000 мг/л оседает до такого же объема за 1,5 мин. Это позволяет сократить время отстаивания ила во вторичных отстойниках.
Исследования, проведенные на опытно - производственной установке,
подтвердили результаты лабораторных экспериментов и работоспособность технологической схемы биосорбционной очистки городских сточных вод с использованием полукокса, а также возможность интенсификации работы станции аэрации в 1,5 раза при введении полукокса дозой 500-1000 мг/л.
Технология биосорбционной очистки городских сточных вод была проверена в промышленных условиях на аэротенках различных конструкций (аэротенки-отстойники на базе отдыха “Глухое”, продленной аэрации на станции аэрации в пос. Крылосово, аэротенки-смесители на очистных сооружениях г. Рефт). Проведенные производственные исследования показали, что биосорбционная очистка сточных вод с введением буроугольного полукокса в аэротенки обеспечивает более глубокую очистку и повышает эффективность работы сооружений. Например, при дозировании буроугольного полукокса в аэротенки-смесители при дозе 471 мг/л очищенные сточные воды имеют следующие показатели качества: прозрачность более 30 см, взвешенные вещества - 10 мг/л, азот аммонийный - 0,16 мг/л, окисляемость перманганатная - 6,4 мг/л, ХПК - 33 мг/л, БПК5 - 3,8 мг/л.
Биосорбционная технология позволяет удалять из сточных вод в первую очередь трудноокисляемые органические соединения, характеризуемые показателем ХПК (коэффициент 13,2-18,5 от дозы сорбента). В аэротенке-отстойнике компактных установок происходит более устойчивое прикрепление микроорганизмов к поверхности частиц, чем в аэротенках-смесителях, что обусловлено большим возрастом активного ила. Поэтому при изъятии загрязнений, характеризуемых показателем БПК5, коэффициент зависимости от дозы вводимого сорбента выше в аэротенках с большим временем пребывания ила в системе (у аэротенка-отстойника - 11,8, а у аэротенка-смесителя - 0,8). В аэротенках-отстойниках и аэротенках продленной аэрации основным определяющим процессом биосорбции является иммобилизация (прикрепление) микроорганизмов. В аэротенке-смесителе основным процессом является адсорбция загрязнений. Удаление СПАВ зависит от дозы вводимого сорбента: в азротенке-смесителе коэффициент зависимости от дозы составляет 12,0, а в аэротенке-отстойнике - всего 0,9.
Итак, биосорбционная технология позволяет сделать процессы окисления загрязнений в аэротенках более эффективными и интенсивными.
В табл. 2 приведены показатели экономической эффективности биосорбционной технологии с использованием полукокса.
Метод биосорбции является не только эффективным, но и экономически целесообразным как для интенсификации работы действующих очистных сооружений, так и для повышения качества очищенных сточных вод на вновь проектируемых станциях аэрации.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
В
представленной работе на основании
выполненных автором
теоретических и экспериментальных
исследований разработаны
технологические и технические решения,
позволяющие существенно
повысить эффективность защиты водных
ресурсов от загрязнения хозяйственно-бытовыми
сточными водами. При этом достигается
более высокая производительность
очистных сооружений за счет комбинации
биохимической очистки с физико-химическими
методами, повышается эффективность
удаления загрязнений из городских
сточных вод и улучшается экологическая
безопасность водных объектов,
геоэкологическая обстановка в
водотоках, куда сбрасываются очищенные
сточные воды.
В
связи с использованием в качестве
коагулянта отходов производства
- железосодержащего шлама, при химико-биологической
очистке происходит значительное
улучшение геоэкологической среды.
Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем.
1. Обоснована и разработана технология, определены оптимальные условия в режим химико-биологической очистки городских сточных вод с использованием в качестве коагулянта отхода производства нейтрализованного железосодержащего шлама. Повышение эффективности очистки городских сточных вод при введении железосодержащего шлама связано с интенсификацией процессов отстаивания в отстойниках, изменением гидробиологического состава активного ила, смещением рН среды, лучшим развитием прикрепленных микроорганизмов. Оптимальная доза шлама составляет 10-15 мг/л (по железу). Эффект химико-биологической очистки по ХПК повышается на 7-10%, по БПК5 - на 20-22%, по фосфатам - на 50-70%, по нефтепродуктам - на 20-30%, по азоту нитритов - на 25-40%, по азоту аммонийному - на 20-30%.
2. Обоснована и экспериментально подтверждена целесообразность совместного применения биохимической и сорбционной очистки сточных вод с применением дешевых сорбентов, что позволяет расширить спектр удаляемых загрязнений, повысить качество очистки сточных вод, интенсифицировать работу очистных сооружений до 1,5 раза.
Положительный эффект применения биосорбционной технологии очистки получен на аэротенках различной конструкции. В аэротенках-отстойниках и аэротенках продленной аэрации основным определяющим процессом биосорбции является иммобилизация (прикрепление) микроорганизмов, а в аэротенках-смесителях адсорбция загрязнений.
3. Разработана математическая модель процесса биохимической и биосорбционной очистки городских сточных вод относительно константы полунасыщения, имеющей смысл диффузного сопротивления для субстрата проникающего в частицу адсорбента. Модель позволяет определить кинетические зависимости извлечения загрязнений активным илом и угольным адсорбентом, учитывает жизнеспособность активного ила в различных условиях его адаптации.
4. Экономическая эффективность внедрения химико-биологической очистки с использованием железосодержащего шлама на станции аэрации г. Первоуральска равна 371 тыс. руб. в год за счет снижения платы за сброс загрязняющих веществ в р. Чусовую и уменьшения дозы катионного флокулянта при центрифугировании осадка.
5. Экономическая эффективность внедрения биосорбционной технологии зависит от типа и мощности сооружений и за счет сокращения капитальных и эксплуатационных затрат составляет: на очистных сооружениях производительностью 25 м3/сут. (перегрузка 52%) - 9,9 тыс. руб. / год; производительностью 100 м3/сут. (перегрузка 300%) - 693,7 тыс. руб. / год; производительностью 11000 м3/сут. (перегрузка 18%) - 1105,0 тыс. руб. /год.
ОСНОВНЫЕ
ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В
СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:
1. Шаманаев Ш.Ш.,
Щербинин А.М., Рогов Е.М. Сокращение
нагрузки на природные воды - эффективный
путь их охраны. - Екатеринбург:
Изд-во АМБ, 2003. - 140 с.
2.
Щербинин А.М., Шаманаев Ш.Ш. Стратегия
подхода к экологически безопасному
отведению городских сточных вод // Материалы
Всероссийской научно-технической
конференции (с международным участием)
-Екатеринбург, 2002.-
С. 103-104.
3. Щербинин А.М., Шаманаев Ш.Ш. О механизме и модели биосорбционной очистки сточных вод // Вестник ТГАСУ. - 2003. - № 2. - С.30-36
4.
Щербинин А.М. Экспериментальные
исследования по
биосорбционной очистке сточных вод // Вестник
ТГАСУ. - 2003.- № 2. - С.36-42