Введение к работе
Актуальность проблемы удаления из сточных вод соединений азота обусловлена все более возрастающей степенью эвтрофикации поверхностных водоемов, которая в значительной мере определяет напряженную экологическую ситуацию с источниками водоснабжения, как в России, так и за рубежом.
Экологическая безопасность водных источников оценивается степенью достижения нормативных показателей, в том числе по содержанию соединений азота. Высокий уровень загрязнения российских водоемов биогенными элементами, прежде всего, аммонийным азотом не позволяет рассчитывать на процессы самоочищения, поэтому при утверждении проектов вновь строящихся очистных сооружений и на действующих станциях очистки к сбрасываемым сточным водам предъявляются требования, как правило, на уровне ПДК водоемов рыбохозяйственного назначения.
Приоритетным направлением в технологии очистки сточных вод является комплексный подход к решению проблемы очистки сточных вод от биогенных элементов, выявлению основных закономерностей и разработке новых эффективных технологий, таких как биофильтрация на основе многообразия модульных компактных малогабаритных реакторов.
Работа выполнена в рамках государственного контракта № 02.442.11.7384 с Федеральным агентством по науке и инновациям на выполнение НИР по теме «Комплексная биотрансформация соединений азота в системах биофильтрации сточных вод» (2006 год) в рамках федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 годы».
Цель работы состояла в исследовании эффективности процесса нитрификации и анализе путей биотрансформации соединений азота микробными ассоциациями на поверхности различных материалов-носителей биомассы в аэрируемом биофильтре для очистки сточных вод с достижением нормативов предельно допустимого сброса и снижением нагрузки по аммонийному и общему азоту на водоемы.
Для достижения поставленных целей необходимо было решить следующие задачи:
дать сравнительную оценку процесса очистки хозбытового стока и его модельного раствора иммобилизованными и суспендированными микроорганизмами и охарактеризовать процессы биотрансформации соединений азота;
исследовать непрерывный процесс биологической очистки хозяйственно-бытового стока и его модельного раствора от органических загрязнителей и аммонийного азота с анализом биоценоза биопленки;
на основании полученных экспериментальных данных рассчитать предотвращенный экологический ущерб по результатам достижения норм для сброса соединений азота и БПК в водоем рыбохозяйственного назначения.
Научная новизна. Экспериментально определены количественные соотношения между соединениями азота в результате его биотрансформации в процессе непрерывной очистки хозяйственно-бытовых сточных вод в аэробных биофильтрах с затопленным слоем загрузки. Показано, что глубокое удаление аммонийного азота из сточных вод осуществляется вследствие биотрансформации соединений азота в процессах конструктивного обмена (от 64 до 90 %) , а также нитрификации (от 10 до 36 %).
Для процесса фильтрации сточных вод в аэрируемом биореакторе получены новые экспериментальные данные, свидетельствующие об одновременном протекании процессов нитрификации и денитрификации, вследствие чего было обеспечено комплексное удаление аммонийного, нитритного и нитратного азота из сточных вод.
Впервые для загрузки биофильтров был использован оригинальный материал – угольное органическое волокно, развитая поверхность которого обусловила значительное накопление биомассы и ее высокую активность, а также обеспечила условия для развития всех основных бактериальных групп в микробном сообществе.
Для идентификации нитрифицирующих микроорганизмов в пробах биопленки из биофильтров был использован метод флуоресцентной in-situ гибридизации, на основании данных которого был сделан вывод о развитии нитрифицирующих бактерий внутри микробных агрегатов (биопленки).
Практическая значимость. Полученные результаты использованы в разработке компактного высокоэффективного биологического фильтра как основной ступени для локальной биологической очистки хозяйственно-бытовых стоков с глубоким удалением соединений азота.
Разработаны технические условия на установку биологической очистки «Блик-БФ», изготовлен опытный образец установки в составе технологической схемы, проведены промышленные испытания.
Повышение качества очистки сточных вод по азоту аммония, нитритов и нитратов позволяет сократить поступление соединений азота в водоемы, обеспечивая снижение антропогенной нагрузки и экономический ущерб окружающей среде, и, как следствие, снизить платежи за сброс загрязняющих веществ. Рассчитанный предотвращенный экономический ущерб от сброса очищенного хозяйственно-бытового стока объемом 700 м3/сут по показателям БПК и соединений азота составил 85,7 тыс. руб в год. При этом снижение платежей за сброс сточных вод, очищенных от указанных примесей, составит 71,7 %.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены на 1-ой Всероссийской научной конференции «Ресурсосберегающие, водо- и почвоохранные биотехнологии, основанные на использовании живых экосистем» ( г. Казань, май 2006 г.), IV-м Московском международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (г. Москва 2007 г.), VII-й республиканской научной конференции «Актуальные проблемы Республики Татарстан» (г. Казань, 2007 г.), III-й молодежной Международной научной конференции «Тинчуринские чтения», посвященной 40-летию КГЭУ (г. Казань, 2008 г.), на ежегодных научно-практических конференциях Казанского государственного технологического университета 2006-2008 гг.
Результаты работы отмечены золотой медалью Биотехнологической выставки-ярмарки «РосБиоТех-2007» за разработку и внедрение высокоэффективной биофильтрации сточных вод с комплексным удалением соединений азота.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, из них - 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России и тезисы 10 докладов в материалах международных и российских конференций.
Личный вклад автора в работу состоит в непосредственном участии на всех этапах работы и обсуждения полученных результатов, подборе методик, написании статей и тезисов, участии в конференциях. Соавторами публикаций является научный руководитель д.т.н. профессор, заведующий кафедрой промышленной биотехнологии КГТУ А.С. Сироткин, а также сотрудники и студенты указанной кафедры.
Структура и объем диссертации. Работа изложена на 111 страницах машинописного текста, содержит 27 таблиц и 40 рисунков. Диссертация состоит из следующих разделов: введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Список литературы включает 142 наименования работ отечественных и зарубежных авторов.
Похожие диссертации на Микробная трансформация соединений азота в процессе биофильтрации сточных вод
