Введение к работе
Актуальность проблемы.
Вода является одной из первостепенных и необходимых условий существования человечества, требующих защиты для будущих поколений. Интенсификация активности человека приводит все к большему загрязнению естественной среды. В настоящее время законодательно пересматривается нормирование загрязненных и очищенных вод во всех формах. Эта касается как урбанизационных, так и промышленных сбросов.
Для сточных вод предприятий АПК установлены нормы, определяющие концентрации веществ (взвешенные вещества, ХПК, БПК5, азот, фосфор и др ), требующих обязательного удаления на станциях очистки перед сбросом их в открытые водоемы.
С точки зрения существующих технологий, сооружения функционирующие по действующим нормам биологической очистки сточных вод, требуют увеличения в 3-4 раза строительных объемов для повышения степени очистки по биогенным элементам. Увеличение размера инфраструктур очистки стоков в большей части урбанизационных зон создает проблемы строительных площадей, требуя умножить число сооружений и длину канализационной сети. Для повышенной степени очистки сточных вод на действующих сооружениях биологической очистки требуется разработка и внедрение более эффективных и производительных технологических процессов обработки сточных вод.
Существенный вклад в развитие биологических методов обработки органосодержащих отходов внесли: С.В. Яковлев, Я.А. Карелин, Е.И. Гюнтер, И.И. Павлинова, Ю.В. Воронов, И.В. Скирдов, В.Н. Швецов, В.Г. Тюрин, В.И. Баженов, М.А. Евилевич, Р.Ш. Непаридзе, С.М. Шифрин, Ю.Ф. Эль, Т.А. Карюхина, И.Н. Чурбанова, А.А. Денисов и другие. Разработка эффективных промышленных технологий обработки жидких отходов требует проведения широких экспериментальных и теоретических исследований физико-химических и микробиологических процессов, как в лабораторных, так и в производственных условиях.
Биофильтрация сточных вод, по сравнению с процессами, использущими иммобилизованные аэрируемые культуры, представляет собой эффективный прием интенсификации вторичной и третичной обработки стоков предприятий АПК от основного загрязнителя азота. Этот способ биофильтрационной очистки позволяет парировать залповые нагрузки на входе в очистные сооружения и повысить устойчивость их работы в условиях резких и часто меняющихся нагрузок. Эффективность такой системы очистки сточных вод позволяет осуществить ее использование на предприятиях со стоками, имеющими высокую степень загрязненности по биогеным элементам: животноводческие и птицеводческие комплексы, предприятия перерабатывающей промышленности АПК.
Настоящая работа посвящена разработке модели процесса, обеспечивающей осуществление прогнозирования комплекса характеристик систем очистки в реальных условиях их функционирования.
Диссертационная работа выполнялась на полупромышленных установках и промышленных объектах, а также в отделе производственной санитарии и охраны окружающей среды ГНУ ВНИТИБП РАСХН в соответствии с планами государственной тематики (РК №01201169494).
Цель и задачи исследований.
Целью настоящей работы являлась разработка модели технологической системы биологической обработки жидких отходов предприятий АПК от азотных загрязнений на основе процессов биофильтрации.
При выполнении работы были поставлены следующие задачи:
- исследование функционирования нитрифицирующего биофильтра в условиях максимального удаления азота в непрерывном и динамическом режиме псевдоожижения;
- исследование динамики поведения нитрифицирующей биомассы в зависимости от факторов, влияющих на управление концентрацией автотрофной биомассы, на ее кинетику и распределение вдоль фильтрующего массива;
- дать характеристику автотрофной биомассы по оценке ее активности и распределения внутри массива в зависимости от условий, использованных в системе;
- дать характеристику автотрофной биомассы по оценке ее распределения вдоль массива, полученную по профилям кинетики N-NH4+ в жидкости;
- разработать математическую модель процессов очистки сточных вод в аэробных погружных биофильтрах с использованием расчетных и экспериментальных коэффициентов, полученных в лабораторных условиях;
- определить степень корреляции расчетных и экспериментальных результатов.
Научная новизна.
1. Определены параметры, влияющие на удаление азота, активность и возраст автотрофной биомассы.
2. Определена плотность и толщина биопленки в зависимости от различных условий функционирования на входе и на различных этапах цикла «фильтрация-промывка»;
3. Произведена оценка распределения автотрофной биомассы по профилям кинетики N-NH4+ в жидкости вдоль массива при различных гидравлических нагруках на входе в систему;
4. На основе комплекса проведенных экспериментальных работ разработана математическая модель нитрификации, описывающая динамику изменения концентрации иммобилизованной автотрофной биомассы, усвоение субстрата в биопленке, динамику нитрификации и прогнозирование процессов биофильтрации жидких отходов предприятий АПК;
5. Разработаны практические рекомендации по выбору характеристик реакторов с погружной прикрепленной биопленкой, функционирующих на сильно- и слабозагрязненных сточных водах, а также рекомендации по разработке комбинированных систем обработки сточных вод с рециркуляцией активного ила.
Практическая значимость.
Работа охватывает широкий диапазон технологических и конструктивных решений, обеспечивающих возможность оптимального функционирования производственного цикла аэробной погружной биофильтрации, и включающих обработку жидких отходов предприятий АПК в аэробных условиях автотрофной бактериальной массой, находящейся в иммобилизованном состоянии.
Полученные результаты и выводы базируются на материалах теоретических, модельных и экспериментальных исследований аэробных систем обработки органосодержащих отходов с высоким содержанием азота и позволяют с высокой степенью надежности рекомендовать их к практическому использованию в промышленных масштабах при создании новых и реконструкции действующих систем биологической очистки сточных вод. Разработанные рекомендации и предложения подтверждены материалами теоретических и экспериментальных работ, показавших высокую степень сходимости, что обеспечивает возможность их надежного использования в производственных условиях с учетом особенностей конкретных видов сточных вод и характеристик очистных сооружений.
Апробация работы.
На основании проведенных исследований разработаны:
Техническое задание на проведение опытно-конструкторских работ: Очистка сточных вод с использованием иммобилизационно-фильтрующих систем, повышающих надежность и производительность функционирования очистных сооружений предприятий АПК». (Утв. Отделением ветеринарной медицины РАСХН 09.11.2012г.).
Методические положения Моделирование процессов массопередачи кислорода и усвоение субстрата в барботажных реакторах с иммобилизованной биопленкой. (Утв. Отделением ветеринарной медицины РАСХН 14.04.2011г.)
Методические рекомендации по определению влияния фильтрационных условий на результаты очистки сточных вод в биологическом реакторе с погружными мембранами. (Утв. Отделением ветеринарной медицины РАСХН 07.12.2009г.)
Методические рекомендации по созданию комплексной системы биологической обработки жидких органосодержащих отходов. (Утв. Отделением ветеринарной медицины РАСХН 26.09.2008г.)
Результаты и материалы выполненной работы использованы: ОАО «МосводоканалНИИпроект» при разработке проектов «Реконструкция канализационных очистных сооружений левого берега г. Иркутска» и «Реконструкция канализационных очистных сооружений правого берега г. Иркутска» г. Иркутск, 2013г.; ЗАО «Водоснабжение и водоотведение» г. Москва при проведении проектно-конструкторских работ по реконструкции ГСА г.Кирова с высокой долей сточных вод предприятий АПК г. Киров, 2013г. ОАО «ВОДОКАНАЛ» Тюменская обл. г. Ишим при проведении проектных работ по реконструкции очистки сточных вод ОАО Водоканал г. Ишим, 2013 г.;
Материалы диссертационной работы доложены на: Х Международной конференции «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды». г. Будапешт, 13-20 мая 2012г.; Международной научно-практической конференции «Научные основы производства биологических препаратов для АПК». Щелково. 5-7 декабря 2012;
Структура и объем диссертации.
Работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 196 страницах машинописного текста, содержит 31 рисунков, 10 таблиц, 7 приложения. Библиография включает 229 наименований, из которых 143 на иностранных языках.
