Введение к работе
Актуальность проблемы
В настоящее время одну из основных загрязняющих субстанций окружающей среды образует азот и его соединения. Азотные загрязнения среды являются результатом чрезмерного сброса человеком примесей производных азота в атмосферу, открытые и подземные природные водные источники.
Охрана окружающей среды требует разработки прогрессивных технико-технологических мероприятий, нацеленных на защиту водных и почвенных объектов от азотсодержащих загрязнений стоков предприятий и городов. Решение этой задачи требует увеличения производительности биореакторов, снижения стоимости и продолжительности природоохранных мероприятий, интенсификации процессов биологического окисления аммония и сокращения затрат на реализацию технологических процессов каждого этапа очистки.
В настоящее время большое внимание привлекают новые методы удаления азотных загрязнений из стоков предприятий и населенных пунктов, в частности, такие как применение погружных фильтрующих мембран и организация в аэротенках парциальной нитрификации с помощью соответствующих родов микроорганизмов.
Существенный вклад в развитие методов парциальной нитрификуции аммонийного стока внесли: С.В. Яковлев, И.В. Репин, В.И. Баженов, Т.А. Карюхина, И.Н. Чурбанова, А.А. Денисов, И.И. Павлинова и другие.
Выполненные к настоящему времени работы показали, что парциальная нитрификация является наивыгоднейшим методом обработки азотосодержащих сточных вод, т.к. позволяет снизить затраты энергии на аэрацию, ускоряет процесс денитрификации, уменьшает количество избыточного активного ила и исключает токсическое действие ингредиентов на микроорганизмы. Процесс сопровождается аккумулированием большого количества нитритов на начальном этапе, которые в дальнейшем практически исключают ингибирование микроорганизмов, участвующих в процессе биологической обработки. Однако необходимо отметить, что управление процессами парциальной нитрификации представляет собой значительные трудности, если не принять научно-обоснованных мер по поддержанию стабильной нитритной микрофлоры в течение длительного периода времени.
Цели и задачи исследований
Целью настоящей работы являлась разработка и оптимизация технологических режимов мембранного биореактора, функционирующего на режиме парциальной нитрификации аммонийного стока.
При выполнении работы были поставлены следующие задачи:
- изучить характеристики кольматации активно-иловой смеси и реологии активного ила аэрационных сооружений, оборудованных погружными фильтрационными мембранами;
- изучить зависимость между различными параметрами кольматациии и взаимодействие между гидродинамикой и флоккуляцией взвешенных частиц;
- исследовать влияние аэрации водно-иловой смеси на процессы фильтрации и степень очистки сточной воды в биологическом реакторе;
- исследовать гидродинамические характеристики и разработать конструктивные параметры и эксплуатационные режимы погружного мембранного модуля;
- исследовать механизм протекания парциальной нитрификации аммонийного стока в мембранном реакторе;
- определить влияние концентрации растворенного кислорода, гидравлического времени пребывания водно-иловой смеси и ее температуры на параметры процессов парциальной нитрификации;
- провести моделирование процессов парциальной нитрификации и проверить сходимость расчетных и экспериментальных данных;
- определить оптимальные режимы парциальной нитрификации в реакторе мембранного типа.
Научная новизна
Исследованы физико–химические характеристики процессов кольматации активно-иловой смеси в реакторах с погружными мембранными пластинами. Установлены факторы, влияющие на фильтрационную способность мембран и эффективность работы мембранного реактора, функционирующего на режиме парциальной нитрификации.
Определено влияние на кольматацию процессов флоккулирования активного ила, аэрации и степени рециркуляции водно-иловой смеси.
Определен критерий влияния микроорганизмов на коэффициент массопереноса вещества в реакторе, зависящий от площади поверхности раздела фаз, коэффициента массопередачи кислорода, состава биоценоза и физиологического состояния микроорганизмов.
Установлено распределение биомассы, иммобилизованной на твердых поверхностях реактора с погружными фильтрующими мембранами, и возможность формирования на них аноксических зон, способствующих денитрификации, отрыву пленки и снижению фильтрующей способности мембранного модуля.
Установлено, что наиболее эффективными факторами управления процессами мембранного реактора являются: концентрация растворенного кислорода, гидравлическое время пребывания биологической смеси и температура окружающей среды.
Разработана математическая модель процессов кольматации мембран реактора, работающего на режиме парциальной нитрификации, и показана адекватность модельных и экспериментальных данных, полученных в процессе испытаний.
Проведен широкий спектр расчетно-экспериментальных исследований процессов парциальной нитрификации аммонийного стока в мембранном реакторе.
Установлено влияние на процесс нитрификации физических факторов (концентрации растворенного кислорода, рН, концентрации продуктов окисления, содержание органических составляющих, возраста активного ила и размеров флоккул). Изучена микробиология процессов нитрификации, характеристики нитрифицирующих штаммов и факторы, влияющие на рост и активность нитрифицирующих бактерий.
Разработана конфигурация биологических процессов, в том числе факторы и условия аккумуляции NO2- в процессе нитрификации, влияние штаммов микроорганизмов, концентраций NH3 и азотистой кислоты, рН, температуры растворенного кислорода, времени гидравлического пребывания и возраста активного ила.
Создана математическая модель биологических процессов парциальной нитрификации в биореакторах с фильтрующими мембранами и проведено сравнение модельных и экспериментальных данных, показавшее высокую степень их сходимости, что свидетельствует о надежности разработанной модели и возможности ее использования в практике создания перспективных систем биологической очистки.
.
Практическая ценность
Полученные результаты и выводы базируются на материалах теоретических, модельных и натурных исследований биологических систем обработки концентрированных азотосодержащих жидких отходов и позволяют с высокой степенью надежности рекомендовать их к практическому использованию в промышленных масштабах при создании новых и реконструкции действующих систем очистки сточных вод.
Апробация работы
Материалы диссертационной работы доложены на Международном конгрессе "Вода: экология и технология – Экватек». Москва, июнь, 2010; Международной научно-практической конференции «Водоснабжение и водоотведение мегаполиса» Москва, 12-13 марта 2009; Международной конференции «Научные основы производства ветеринарных биологических препаратов» 9-11 декабря 2009 г, Международной конференции «Научные основы производства ветеринарных биологических препаратов» посвященной 40-летию ВНИТИБП. Щелково, 2009; Международной конференции «Качество воздуха и окружающей среды», 17-21 мая 2010, Самарканд; IV Всероссийской научно-практической конференции «Мониторинг природных экосистем», май 2010, Пенза.
Структура и объем диссертации.