Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Очистка сточных вод от соединений фосфора (литературный обзор) 7
Выводы 27
ГЛАВА 2 Исследование влияния армированного загрузочного материала на удаление фосфатов и процессы биологической очистки 28
2.1 Задачи исследований. 28
2.2 Методика проведения исследований 28
2.3 Результаты исследований 39
2.4 Анализ полученных результатов 63
2.5 Теоретическое обоснование процессов переноса железа и влияние его на удаление фосфатов 71
2.6 Расчёт необходимого количества стальной проволоки в загрузочном материале 77
Выводы 86
ГЛАВА 3 Результаты световой и электронной микроскопии ... 87
Выводы 110
ГЛАВА 4 Практическое применение армированного металлом загрузочного материала 111
4.1 Реконструкция очистных сооружений базы отдыха «Салют» посёлка Востряково 111
4.2 Реконструкция очистных сооружений посёлка Октябрьский 114
4.3 Реконструкция очистных сооружений города Унеча Брянской области 118
122
ГЛАВА 5 Технико-экономические расчеты 123
Выводы 126
Общие выводы 127
Список использованной литературы 129
- Теоретическое обоснование процессов переноса железа и влияние его на удаление фосфатов
- Расчёт необходимого количества стальной проволоки в загрузочном материале
- Реконструкция очистных сооружений базы отдыха «Салют» посёлка Востряково
- Реконструкция очистных сооружений города Унеча Брянской области
Введение к работе
В последние годы серьёзную угрозу для водных объектов представляют процессы эвтрофикации. В результате избыточного поступления с водосборных площадей биогенных веществ происходит ухудшение качества природных вод, которое, как правило, сопровождается изменением состояния структуры экосистем водных объектов.
Повышенная концентрация биогенных веществ приводит к бурному развитию сине-зелёных водорослей, снижению растворённого кислорода, заморам рыбы, зарастанию береговых зон, усложнению водоподготовки.
Ухудшение качества воды водных объектов напрямую связано с развитием процессов антропогенного эвтрофирования. Для решения этой сложной проблемы необходимо максимально снизить сброс в водные объекты биогенные вещества - соединения азота и фосфора.
В последние годы нормативы по сбросу биогенных веществ в водные объекты были значительно ужесточены (до 0,05 мгР/л для олиготрофных водоёмов) и в настоящее время существенно превышают мировые стандарты.
Городские сточные воды являются одним из основных источников поступления биогенных элементов в водоёмы. Большинство коммунальных очистных сооружений России не рассчитаны на удаление биогенных элементов до требуемых нормативов. В настоящее время учёные всего мира уделяют большое внимание разработке новых и усовершенствованию существующих методов очистки сточных вод от биогенных элементов.
Вопрос удаления биогенных веществ, в частности фосфора, является первоочередным шагом в направлении улучшения качества очищенных сточных вод и в наибольшей степени отвечает задачам улучшения экологического состояния водной среды.
Целью настоящей работы является: разработка и исследование метода глубокого удаления фосфатов с использованием армированного загрузочного материала в процессе биологической очистки хозяйственно-бытовых сточных вод.
Задачи работы:
Исследование метода биологической коррозии (биогальванического метода) для очистки сточных вод от фосфатов. Изучение закономерностей удаления фосфатов в процессе биологической очистки с использованием армированного стальной проволокой загрузочного материала.
Определение оптимальных условий процесса и технологических параметров для расчета необходимого количества металла в загрузочном материале.
Разработка технологических схем для интенсификации удаления фосфатов до норм ПДК рыбохозяйственного водоёма с использованием армированного загрузочного материала
Практическое применение разработанных технологических схем для реконструкции очистных сооружений.
Технико-экономическая оценка применения армированного загрузочного материала.
Научная новизна
Подтверждена возможность применения армированного стальной проволокой загрузочного материала в процессе биологической очистки для удаления фосфатов из сточных вод до норм ПДК для сброса в водоём рыбохозяйственного значения
Доказано интенсифицирующие влияние армированного загрузочного материала на процессы биологической очистки
Получены математические зависимости для описания процесса биологической очистки сточных вод в биореакторе с армированным загрузочным материалом с выведением коэффициента активации
Разработана методика расчета необходимого количества стальной проволоки в загрузочном материале для обеспечения удаления фосфатов до норм ПДК для сброса в водоём рыбохозяйственного значения
Экспериментально доказана стабильность и устойчивость биологической системы очистки сточных вод от фосфатов с использованием армированного загрузочного материала
Установлена специфика микронаселения биологической системы с применением армированного загрузочного материала
Получен патент РФ №2197436 на изобретение: «Способ биологической очистки сточных вод от фосфатов»
Практическая значимость
Разработаны новые технологические схемы глубокой очистки сточных вод от фосфатов с применением армированного загрузочного материала
Определены основные технологические параметры работы биореактора для обеспечения глубокого удаления фосфатов из сточных вод
Внедрение результатов
На основании результатов проведённых исследований выданы рекомендации на проектирование реконструкции очистных сооружений пос. Октябрьский Калужской области, базы отдыха «Салют» Московской области, г. Унеча Брянской области.
Теоретическое обоснование процессов переноса железа и влияние его на удаление фосфатов
В последнее время японские учёные разработали и запатентовали технологию получения поглощающего материала с мелкими порами для извлечения соединений фосфора из сточных вод и других жидкостей. Для изготовления использовали железо или соединения железа, цемент, воду ( 2%) и агент, улучшающий реологические свойства смеси.
В 1992 году была проведена работа по исследованию коррозии железа погружного железосодержащего контактора под действием сульфатредуци-рующих бактерий в лабораторных условиях на искусственно составленной сточной воде близкой по составу к хозяйственно-бытовым сточным водам. Отмечено, что коррозия железа погружного контактора под действием суль-фатредуцирующих бактерий зависит от нагрузки по БПК. В процессе исследований определилась зависимость между степенью удаления фосфора, нагрузкой по фосфору и концентрацией железа Выявлено, что при молярном отношении Fe:P близком к двум, степень удаления фосфатов 90%, избыточный активный ил легко обезвоживается и использование железа в качестве загрузки не снижает качество очистки сточной жидкости по БПК, ХПК, взвешенным веществам, отрицательного влияния на процесс нитрификации не было обнаружено [59].
Американские учёные запатентовали метод, обеспечивающий 95% степень удаления фосфатов и уменьшение илового индекса. Сущность данного метода заключается в использовании электрохимической коррозии в аэробных условиях и биологической коррозии в анаэробных условиях с применением сульфатредуцирующих бактерий. Для правильного проведения процесса необходимо поддержание концентрации растворённого кислорода не выше 3,2 мг/л в целях создания оптимальных условий для коррозии железа. В анаэробных условиях, для обеспечения биологической коррозии, необходимо соблюдение условий полного отсутствия кислорода с обязательным присутствием сульфатредуцирующих микроорганизмов в пределах 105 - 106 клеток на миллиметр [104]. Но этот способ трудно применим при концентрации растворённого кислорода выше 3,2 мг/л и положительном окислительно-восстановительном потенциале, свойственном городским хозяйственно-бытовым сточным водам. Кроме того, при использовании этого метода очистки не обеспечивается повышение удельных скоростей окисления органических соединений и требуется постоянный контроль за скоростью потока обрабатываемой воды для предотвращения обрастания железных контакторов биоплёнкой.
Отечественные учёные (Ю.Ф. Эль, А.С. Шеломков, Н.В. Захватаева) провели исследования направленные на упрощение данного способа, уменьшение эксплуатационных расходов за счёт сокращения количества стадий и отсутствия необходимости регулирования окислительно-восстановительного потенциала и концентрации кислорода, интенсификации процесса биологической очистки за счёт повышения удельных скоростей окисления органических соединений при одновременном сохранении высокой степени очистки [100, 101]. За основу метода исследователями принято, что в процессе своей жизнедеятельности микроорганизмы активного ила, окисляя органические вещества, продуцируют во внешнюю среду кислые продукты. Следовательно, на границе контакта биоплёнки и сточной воды образуется локальная зона, в которой создаётся кислая реакция среды. При помещении в микросферу биоплёнки металла за счёт разности потенциалов между металлом и раствором происходит процесс электрохимической коррозии, где ионы металла переходят в раствор и образуют с ионами ортофосфорной кислоты нерастворимые соли.
Исследования по влиянию коррозийного тока на эффективность удаления фосфатов из сточных вод и на активность микроорганизмов активного ила проводились в опытах на контакте. Активный ил из аэротенка помещали в колонки, снабжённые загрузочным материалом, армированным железом, и аэрировали в течение суток. Контрольными служили колонки без загрузоч ного материала. Через сутки отбирали активный ил и проводили исследования по кинетике окисления. Исследования показали, что коррозийный ток, возникающий в результате электрохимической реакции на границе биоплёнка - металл, положительно воздействует на микроорганизмы активного ила, в связи с чем удельная скорость биологического окисления загрязнений сточных вод значительно возрастает. Так максимальная удельная скорость окисления загрязнений без использования биогальвонического элемента составляет 11,76 мг/(г«ч), с использованием биогальвонического элемента — 41,7 и 58,8 мг/(г-ч) в зависимости от количества использованного в экспериментах железа. Исследователями отмечено, что в аэротенке с армированной загрузкой органические загрязнения окислялись быстрее, чем в аэротенке с неар-мированной загрузкой. Концентрация фосфатов в опытном аэротенке через сутки снизились до 0,24 мг/л, через двое суток до нуля, тогда как в контрольном аэротенке наблюдалось снижение фосфатов до 1,0 мг/л только через 5 суток. Кроме того, скорость окисления органических веществ в контрольном аэротенке была значительно ниже, чем в опытном [100]. Отмечено уменьшение илового индекса [101].
Анализ литературы показал перспективность использования метода биологической коррозии для удаления фосфатов из сточных вод. Однако этот метод недостаточно изучен, не определены концентрации растворённого железа в очищенной сточной жидкости, повышенное содержание которого в водоёме ведёт к эвтрофикации водоёма, строгие рамки по содержанию растворённого кислорода в биореакторе проводят к дополнительным затратам на перемешивающие устройства, а не выполнение этого условия приводит к снижению эффекта очистки по фосфатам. Поэтому данный метод требует усовершенствования и дополнительных глубоких исследований.
Расчёт необходимого количества стальной проволоки в загрузочном материале
Основной задачей данной работы являлось определение возможности удаления фосфатов из сточных вод с применением армированного загрузочного материала. Для решения этой задачи на первом этапе были проведены исследования в контактных условиях. Исследования проводились в два этапа.
На первом этапе шесть реакторов объёмом 2,0 л, оснащённых армированным загрузочным материалом с различным количеством стальной проволоки (0 - 0,75 — 1,4 - 2,2 - 3,1 - 3,7 г/л), заполнялись сточной жидкостью и аэрировались в течение суток. Проведенные на контакте исследования, результаты которых приведены на рис. 2.5., показывают принципиальную возможность удаления фосфатов из сточной воды с помощью армированного загрузочного материала.
Было определено, что эффективность удаления фосфатов из сточной воды зависит от количественного содержания металла в загрузочном материале (рис. 2.6). Чем больше стальной проволоки, тем соответственно выше эффект удаления фосфатов, который достигает своего максимального значения при использовании 7,4 г. металла на 2,0 л воды, т.е. 3,7 г/л.
Следует отметить, что сточная вода, помещённая в контрольный реактор с неармированным загрузочным материалом, оставалась мутная на протяжение всего эксперимента, в то время как в исследуемых реакторах с армированной загрузкой по мере увеличения количества содержания железа жидкость становилась прозрачной. Удаление фосфатов, а так же возрастающее осветление сточной воды объясняет физико-химическую природу коагуляции растворенных веществ ионами железа.
На втором этапе исследовалась возможность удаления фосфатов в процессе проведения биологической очистки с активным илом. Для проведения эксперимента было использовано так же шесть биореакторов объёмом 2,0 л оснащённых загрузочным материалом армированным различным количест вом стальной проволоки (0 - 2,2 - 3,1 - 3,7 - 6,9 - 17,4 г/л). Биореакторы заполнялись смесью сточной воды и активного ила и аэрировались в течение восьми часов. На следующие сутки в модели подавалась новая порция сточной жидкости. Результаты исследований представлены на рис. 2.7. и 2.8., из которых можно сделать вывод, что присутствие металла в загрузочном материале способствует удалению фосфатов из сточной воды и подтверждает, чем больше стальной проволоки в загрузочном материале, тем большего эффекта удаления фосфатов возможно достичь. (рис. 2.1.). В лабораторную модель аэротенка, стабильно работающего с не-армированным загрузочным материалом в течение трёх месяцев (принят как контрольный аэротенк), был установлен армированный стальной проволокой загрузочный материал. Площадь поверхности загрузочного материала в контрольном и исследуемом аэротенке составляла 0,2 м2 (2 стороны). Площадь поверхности стальной проволоки (диаметром 0,8 мм) в загрузочном материале исследуемого аэротенка составляла 0,0280172 м2, то есть 5,5 м м3 аэротенка, выполненного из оргстекла, объём 5,1 л. Очищенная сточная вода отводилась в канализацию. Осевший активный ил из осадочного конуса вторичного отстойника с помощью эрлифта направлялся в голову аэротенка. Расход поступающей сточной воды на установку изменялся в диапазоне от 0,0204 до 0,0306 м3/сут. Расход возвратного активного ила составлял 0,02 м /сут. Время пребывания сточной воды в аэротенке изменялось от 4 до 6 часов, в отстойнике от 0,8 до 1,5часов. Для достижения стабильных результатов исследования продолжались в течение 6 месяцев.
На протяжении всего эксперимента выполнялись санитарно-химические анализы, которые показали, что после помещения в аэротенк армированного загрузочного материала, при неизменных параметрах работы до и после его установки, резко возрастает доза свободноплавающего активного ила (рис. 2.9.). До установки армированного загрузочного материала доза взвешенного активного ила в аэротенке составляла « 2,0 г/л, а после « 4,0 г/л. Соответственно увеличению дозы ила снизился иловой индекс (рис. 2.9.).
После установки в аэротенк армированного загрузочного материала, эффект удаления фосфатов возрос до 99% (рис. 2.10.), но через 15 суток снизился до «60%.
Такое изменение дозы ила, илового индекса и эффективности удаления фосфатов можно объяснить резким увеличением концентрации растворённого железа общего в аэротенке (рис. 2.11). Ионы железа реагируя с фосфатами образуют основной фосфат железа (2 и 3) и ортофосфат железа (2) октагид-рат. Вместе с тем протекает реакция с образованием гидроокиси железа, ко торая сорбирует фосфаты и другие твёрдые частицы различного происхождения, кроме того, действует как адсорбент для других фосфорсодержащих соединений. В свою очередь активный ил, находящийся во взвешенном состоянии, сорбирует на себе частицы трудноосаждаемой гидроокиси железа, тем самым утяжеляя и укрупняя хлопок ила.
Реконструкция очистных сооружений базы отдыха «Салют» посёлка Востряково
Проведённые исследования показали, что стальная проволока, содержащаяся в загрузочном материале, приводит к интенсивному развитию Chlorella sp. Из литературных источников известно, что для выращивания и поддержания жизнедеятельности хлореллы необходимо железо, так для выращивания хлорелл обычно применяются концентрации железа 0,2 — 0,8 мг/л, а при интенсивном культивировании отмечена необходимость в увеличении концентрации железа до 2 (Кузнецова Е.Д. 1964г.) или 5 мг/л (Myers J. 1947г.).
Отечественные исследователи определили, что в хлоропластах сосредоточено около половины всего железа в основном в связанном виде. Увеличение в среде концентрации железа, увеличивает содержание хлорофилла у хлореллы. Содержание железа в клетке составляет от 200 до 1000 мг/кг, а в некоторых случаях его содержание достигает 3000 (Лебедева Е.К. 1968г.), а в отдельных случаях - 30000 мг/кг сухой биомассы (Грибовская И.В. 1979г.).
Наряду с железом, хлорелле необходим фосфор. Нормальное обеспечение хлореллы фосфором достигается как при содержании его в среде 10 — 100 мг/л (Упитис В.В. 1976г.), так и при больших концентрациях 100 — 300 мг/л (Мелешко Г.И. и др. 1966г.).
Исследования, проводимые в МГУ (Остроумов С.А., Ревкова Н.В. 2000г.) позволили выявить некоторые экологически важные особенности жизнедеятельности микроводоросли Chlorella vulgaris. Микроводоросли поглощали практически весь фосфор из среды (при его начальной концентрации 0,5 мг/л) за 1 - 3 суток, при этом отмечалось значительное повышение численности клеток. Выявлена зависимость между количественным содержанием фосфора в среде и увеличением численности клеток хлореллы.
Гэлловей и Краусс [165] обнаружили, что содержащийся в среде полифосфат, длина цепи которого составляет 53 остатка, поддерживает рост хлореллы с такой же скоростью, как и фосфат калия. Специальный фермент, связанный с клеточной стенкой, гидролизует пирофосфатные связи, а высвобождающийся ортофосфат поглощается клетками. Клетки хлореллы могут также деацилировать на своей поверхности фосфолипиды и поглощать высвобождающийся при этом фосфат.
Эзед и Борхард [165] изучали связь между поглощением фосфата и ростом популяции Chlorella, идентифицировав при этом несколько фосфатных фракций в клетках Chlorella. Исследователи определили, что клетки Chlorella могут аккумулировать до 10% фосфата (из расчёта на сухой вес), тогда как фракция ККФ (критическая концентрация фосфора - концентрация, необходимая для максимального роста в данных условиях культивирования) содержала всего лишь 3% сухого веса. Избыток фосфора использовался при дефиците фосфора в среде.
Хлореллы широко распространены, предпочитают загрязнённые водоёмы и интенсифицируют очистку сточных вод.
Согласно литературным данным, качественный и количественный состав водорослей на очистных сооружениях зависит от типа сооружений и состава сточной жидкости. Так в очистных сооружениях города Харькова в активном иле обнаружено 16 видов водорослей, доминирующим из них была Chlorella vulgaris. Культивирование культуры Chlorella на хозяйственно-бытовых сточных водах в лабораторных условиях увеличивает эффективность очистки, способствует исчезновению характерного запаха и отмиранию животных, представителей полисапробной зоны, таких как Nematodes, Paramecium и Vorticella [184, 187, 190]. Культивирование зелёных водорослей на хозяйственно-бытовых сточных водах усиливает процессы их очистки, что сопровождается снижением минеральных форм азота на 80 — 90% и фосфора на 50 - 90% [183]. В лабораторных условиях доказана возможность использования Chlorella для интенсификации процессов биологической очистки концентрированной сточной жидкости. При 2-х и 3-х ступенчатой очистки достигалась окислительная мощность 1,6 кгОг/м2 при эффективности очистки по ХГЖ 80 - 96%. Отмечено, что значительная часть растворённых органических загрязнений сорбировалась клетками водорослей, при этом обеспечивалось эффективное (50 — 60%) удаления соединений азота и фосфора [183,188,189].
Проведённые в данной работе исследования показали, что в исследуемом аэротенке эффективность удаления органических загрязнений значительно выше, чем в контрольном (рис. 2.12). Многие исследователи [183, 185] считают ускорение процесса очистки сточной воды по БПК в присутствии водоросли за счет интенсивного обеспечения среды растворённым кислородом, стимулируя тем самым деятельность бактерий, в результате чего ускоряется процесс минерализации взвешенных и растворённых органических веществ.
После установки армированного загрузочного материала в аэротенк и соответственно обнаружения представителей хлорококковых микроводорослей Chlorella sp. отмечалось (глава 2) влияние на вторую ступень нитрификации. Отечественные исследователи выявили тот факт, что в присутствии хлорококковых водорослей в сточной воде резко укорачивается анаэробный период и соответственно раньше наступает стадия нитрификации [186].
Поэтому процессы, проходящие в толще биоплёнки с присутствием в ней хлорококковых микроводорослей значительно отличаются от процессов, протекающих в толще биоплёнки, где хлорококковых микроводорослей нет, так как с помощью этих водорослей происходит снабжение бактериальной биомассы кислородом, вследствие чего в толще биоплёнки не образуется анаэробных зон.
Следует отметить, что кислород, выделяемый хлореллой, является деполяризующим фактором коррозии металла в загрузочном материале.
Реконструкция очистных сооружений города Унеча Брянской области
Типовой блок очистки сточных вод, принятый для строительства очистных сооружений г. Унеча, может обеспечивать только полную биологическую очистку до БПКполн =15 мг/л, что не удовлетворяет современным требованиям по качеству очищенных сточных вод, в том числе по концентрациям биогенных элементов. Следовательно, необходимо было разработать технологическую схему по очистке сточных вод, которая обеспечивала бы глубокую очистку с одновременным удалением биогенных элементов (азота и фосфора).
Таким образом, для осуществления глубокой биологической очистки сточных вод была предложена технологическая схема очистки (рис. 4.6), в состав которой входят следующие сооружения: - первичные отстойники; - реакторы-биоокислители (с аноксидными-аэробными зонами) и вторичные отстойники, составляющие единую одноиловую систему — для глубокого удаления азота аммонийного; - дефосфотатор - для глубокого удаления фосфатов; - биосорбер - для глубокой доочистки сточной жидкости; - стабилизатор осадка и активного ила. Сточные воды из городской канализации после очистки на решетках (1) перекачивается на песколовки (2) с круговым движением воды и далее поступает в первичные горизонтальные отстойники (3). Таким образом головная часть сооружений остаётся без изменения. Из первичных отстойников сточная жидкость распределяется на реакторы-биоокислители (4) с аноксидными-аэробными зонами, затем смесь активного ила и сточной жидкости направляется во вторичные отстойники (5). В дефосфотаторе (6), заполненном армированным загрузочным мате риалом происходит процесс доочистки сточных вод от фосфатов с одновре менным снижением концентрации органических загрязнений по БПКпод,. В результате проведённого расчёта необходимого количества металла в загрузочном материале на стадии доочистки, потребность в проволоке составит 1120 м2. В рекомендации представлены все необходимые данные для разработки нестандартного оборудования при толщине проволоки 2 мм. Из дефосфотатора сточная вода самотёком распределяется в три био сорбера (7) окончательной доочистки. Сточная вода подаётся в нижнюю часть биосорбера через водораспределительную систему и фильтруется снизу вверх через полимерный материал «КОНТУР». Доочищенная вода обеззараживается на бактерицидной установке (8) и сбрасывается в водоём. Промывные воды из дефосфотатора и биосорберов собираются в колодце промывных вод и перекачиваются погружным насосом в голову сооружения. В настоящее время заканчивается разработка рабочей документации для реконструкции очистных сооружений. 1. Разработанные в результате исследований технологии использования армированного металлом загрузочного материала для удаления фосфатов и интенсификации биологических процессов применены для реконструкции очистных сооружений базы отдыха Салют пос. Востряко-во, очистных сооружений пос. Октябрьский и г. Унеча Брянской области.
Проведённые исследования показали, что использование армированного загрузочного материала в процессе биологической очистки позволяет достичь качества очистки сточной жидкости, соответствующей нормам ПДК для водоёмов рыбохозяйственного значения. Исследования показали, что достичь аналогичных результатов по качеству очищенной воды возможно при использовании биолого-химического метода очистки сточной жидкости с применением реагентов.
Технико-экономический расчет проведён для проекта реконструкции очистных сооружений г. Унеча Брянской области. Для достижения нормативных показателей по сбросу очищенных сточных вод в водоём предложено: первый вариант - использование армированного загрузочного материала для очистки сточных вод от фосфатов; второй вариант - использование реа-гентного метода обработки сточной жидкости в процессе биологической очистки.
