Введение к работе
Актуальность темы. Очистка сточных вод продолжает являться актуальной проблемой современности, решение которой связано с развитием биотехнологий обезвреживания сточных вод в процессах биоокисления и биотрансформации их компонентов.
Применительно к очистке сточных вод речь идет о культивировании смешанных микробных сообществ активного ила или биопленки, потребляющих компоненты сточных вод в качестве питательных субстратов, тем самым удаляя их из сточной воды. Основным продуктом биоконверсии примесей сточных вод является биологически очищенная вода, побочным – биомасса активного ила или биопленки.
Помимо углерода в составе сточных вод выделяют два основных биогенных элемента - азот (N) и фосфор (P), присутствие которых в коммунальных или близких к ним по составу хозяйственно-бытовых сточных водах постоянно регистрируется.
Эксплуатируемые в настоящее время коммунальные очистные сооружения
часто не обеспечивают сбалансированного развития основных групп
микроорганизмов-деструкторов примесей сточных вод, не отвечают современным требованиям, предъявляемых к очищенной воде, и во многих случаях являются причиной попадания в природные водоемы органических загрязнений, в особенности биогенных элементов (азота и фосфора), тем самым вызывая процессы эвтрофирования водоемов.
Не менее важной проблемой эксплуатации микробиоценоза активного ила на биологических очистных сооружениях является обеспечение его устойчивого отделения от очищенной воды путем седиментации. Ухудшение осаждаемости ведет к нарушению работы вторичных отстойников, выносу биомассы активного ила из системы очистки и уменьшению его концентрации в аэротенке. Производительность очистных сооружений снижается, и качество очистки сточных вод ухудшается.
В мировой практике для глубокого удаления соединений фосфора, а также для улучшения седиментации биомассы в сочетании с биологической очисткой применяется реагентная обработка сточных вод. Совершенствование и модернизация биотехнологических схем водоотведения в указанном направлении продолжается в настоящее время. Актуальным является изыскание способов повышения эффективности применения реагентов, испытание новых и более
дешевых реагентов, в том числе отходов промышленности, определение влияния введения реагента в биологических процессах очистки сточных вод.
Целью работы являлось комплексное исследование процесса совместной биологической и реагентной очистки коммунально-бытовых сточных вод для эффективного культивирования микробиоценоза активного ила.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
-
Оценить эффективность процессов культивирования микроорганизмов активного ила в технологии биологической очистки коммунально-бытовых сточных вод и их модельных растворов с применением реагентных препаратов по биоокислению органических веществ, биотрансформации соединений азота и фосфора, улучшению эксплуатационных свойств активного ила;
-
Проанализировать состояние микроорганизмов активного ила и биоокислительную активность микроорганизмов активного ила в процессе очистки коммунально-бытовых сточных вод в присутствии дефосфотирующих коагулянтов и флокулянтов;
-
Определить номинальные дозировки реагентов и накопление исследуемого реагента в хлопьях активного ила;
-
Проанализировать влияние реагентного препарата на процессы хлопьеобразования и массопереноса кислорода в активном иле;
-
Провести опытно-промышленные испытания непрерывного культивирования микробного сообщества активного ила в процессе биологической очистки сточных вод с применением выбранного реагентного препарата.
Научная новизна работы. По результатам лабораторных исследований и опытно-промышленных испытаний разработаны научно-практические основы процесса биологической очистки коммунально-бытовых сточных вод с применением реагентного препарата комплексного действия.
Получен ряд новых научных результатов исследования совместного во времени и в пространстве биологического и реагентного процесса очистки коммунально-бытовых сточных вод. В частности, определена дозировка реагентного препарата, обеспечивающая в комплексе нормативы качества очищенной воды и устойчивое культивирование микроорганизмов активного ила в аэротенках, выявлены качественные и количественные закономерности между размером комплексов реагентных препаратов и диаметром микробных агрегатов (флокул активного ила).
Предложена оригинальная методика оценки микробного сообщества в
процессе его культивирования по комплексу показателей, включая
биоразнообразие, ферментативную и дыхательную активность микроорганизмов, а также эксплуатационные свойства активного ила.
Практическая значимость. На базе биологических очистных сооружений
АО «Чистополь-Водоканал» успешно проведены опытно-промышленные
испытания процесса совместной биологической и реагентной очистки сточных вод.
На основании анализа результатов проведенных испытаний показана эффективность процесса биологической очистки коммунально-бытовых сточных вод от соединений углерода, азота, фосфора и взвешенных веществ с применением реагентного препарата VTA Biokat P 500.
Разработана и апробирована методика комплексной оценки состояния активного ила при применении реагентов.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной
работы были представлены и доложены на научно-практической конференции
«Биотехнологии в решения экологических проблем природы, общества и человека
в Евразии: взгляд молодых ученых и специалистов" (г. Казань, 2013 г.);
Международной научно-практической конференции в рамках форума
"Безопасность и связь" (Казань, 2014 г.); ХIII и ХV Международных конференциях
молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии» (Казань, 2014, 2016 гг.);
Конкурсе на соискание именных стипендий Мэра г. Казани (Казань, 2014 г.);
Конкурсе научных докладов молодых ученых международного инновационного
форума «YOUNG ELPIT» в рамках пятого международного экологического
конгресса ELPIT-2015 (Самара, 2015 г.); Конкурсе инновационных
биотехнологических решений в рамках Петербургского международного форум
здоровья «Биоиндустрия» (Санкт-Петербург, 2015 г.); Конкурсе 9-й
международной форум-выставке «РосБиоТех -2015» (Москва, 2015 г.);
Всероссийской научной конференции с международным участием «Перспективы
развития химических и биологических технологий в 21-м веке» (Саранск, 2015 г.);
III Республиканском конкурсе научно-технических проектов
"Энергоэффективность и энергосбережение" (Казань, 2016 г.); 9-м международном Московском конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2017 г.), а также на ежегодных научно-практических конференциях Казанского национального исследовательского технологического университета в 2013-2017 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них 8 статьей в журналах, рекомендованных к изданию ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации.
Личный вклад автора заключается в обсуждении целей и задач диссертации, проведении аналитического обзора методов оценки состояния микробных сообществ активного ила в процессе очистки коммунально-бытовых сточных вод, проведении всех экспериментальных работ, обсуждении результатов исследований и формулировке выводов, написании научных статей и представлении результатов и положений диссертации на конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на144 страницах машинописного текста, состоит из введения, трех глав, заключения и библиографического списка, включающего 151 наименований работ отечественных и зарубежных авторов. Приложение занимает 3 страницы. Работа проиллюстрирована 57 рисунками и 23 таблицами. Во введении обоснована актуальность темы. В первой главе рассмотрен состав и характеристика коммунально-бытовых сточных вод, основы биологической очистки сточных вод, а также обсуждены факторы, влияющие на микробное сообщество активного ила и применение реагентных препаратов в процессах биологической очистки сточных вод. Во второй главе описаны исследованные объекты и использованные методы исследования. В качестве объектов исследований в диссертации были рассмотрены: микробные сообщества активного ила из биологических очистных сооружений канализации (БОСК) г. Чистополя и г. Казани; коммунально-бытовые сточные воды БОСК г. Чистополя и г. Казани, а также их модельные растворы; реагентные препараты: комплексный коагулянт-флокулянт VTA Biokat Р500 (комплексный коагулянт VTA Nanofloc А644, коагулянт Al2(S04)3xl8H20 и коагулянт FeCl3x6H20. Микроскопирование активного ила осуществляли методом микроскопирования препарата «раздавленная капля» в неокрашенных препаратах с использованием оптического микроскопа ЛОМО Микмед ВО-1 с применением фотоокуляра DCM 310. Образцы активного ила анализировались при увеличении 150, 600, 1000. Для проведения морфологического анализа активного ила проводили микроскопирование его образцов с помощью конфокального лазерного сканирующего микроскопа OLYMPUSLEXT 4000 на базе Центра коллективного пользования «Наноматериалы и нанотехнологии» КНИТУ. В работе оценивалось состояние активного ила по видовому разнообразию организмов в процессе