Введение к работе
Актуальность проблемы. Проблемы, связанные с загрязнением водоемов, являются актуальными. Они обусловлены, в том числе, попаданием высокотоксичных жидких отходов в водоемы, что сопровождается перестройкой биоценоза и приводит к нарушению экологического равновесия.
Крупнейшими источниками загрязнения водной среды на сегодняшний день являются предприятия машиностроительной, химической и нефтехимической промышленности. Основными отходами машиностроения являются сточные воды гальванических цехов, содержащие ионы тяжелых металлов (ИТМ), а также отработанные смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ), шлаки, образующиеся при механической обработке металлических изделий.
Тяжелые металлы занимают одно из первых мест среди опасных факторов в общем загрязнении окружающей среды.
Соединения металлов весьма вредно влияют на живые объекты экосистем вследствие попадания в водоемы и почвы. Среди опасных характеристик ИТМ, таких, как токсическое, канцерогенное, мутагенное, тератогенное действие, особо можно выделить эффект кумуляции с накоплением ионов тяжелых металлов живыми организмами. Так, в тканях рыб кадмия обнаружено в 200 раз больше, чем в воде, где они обитают. Очевидно, что кумуляция вредных неорганических соединений тканями различных организмов, в частности рыб, создает угрозу отравления людей, употребляющих такую пищу.
С учетом губительного влияния ИТМ на флору и фауну наблюдается значительное торможение процессов самоочищения водоемов. Одним из наиболее токсичных является шестивалентный хром, содержание которого в стоках предприятий велико ввиду значительных объемов антикоррозионных покрытий.
Хромсодержащие стоки обрабатываются отдельно от других, и при их очистке химическими методами образуется большое количество шлама, утилизация которого также является важной научно-производственной задачей. В настоящее время шлам пытаются утилизировать, используя его в качестве добавок к строительным материалам.
Что касается отработанной СОЖ, то она относится к 3 классу опасности. ПДК одного из основных компонентов СОЖ - минерального масла - в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования составляет 5 мг/м3, а ЛД5о - 7000 мг/кг.
Республика Татарстан является крупнейшим машино- и авиастроительным центром РФ. В этой связи актуальность проблемы очистки сточных вод указанных производств является очевидной. В настоящее время наиболее широко применяют реагентные, физико-химические и электрохимические методы обработки сточных вод, а также термические методы обработки отработанной СОЖ. Однако с экологической точки зрения данные методы не являются оптимальными, так как при их использовании образуются вторичные отходы, требующие дополнительной очистки.
Так, при реагентной обработке одного объема отработанных СОЖ крупного машиностроительного предприятия г. Казани образуется сточная вода, которая составляет 95% этого объема, и она поступает на биологические очистные сооружения (БОС) города с ХПК в среднем 300 мг/л. Оставшиеся 5% отходов подвергаются захоронению в виде высокотоксичных шлаков.
Недостатком электрохимических методов является высокая энергоемкость процесса, что обуславливает дороговизну очистки.
На этом фоне перспективными выглядят биологические способы очистки, характеризующиеся отсутствием или значительным уменьшением вторичного загрязнения очищаемой воды, высокой эффективностью и низкой стоимостью процесса очистки.
Однако существующие традиционные биологические методы обработки в аэробных условиях не позволяют обезвреживать концентрированные стоки, содержащие ИТМ и трудноокисляемые органические вещества, входящие в состав СОЖ, из-за высокой чувствительности микроорганизмов активного ила к токсическому действию этих загрязнений. Поэтому повышение эффективности и надежности биологических методов очистки сточных вод является важной экологической задачей. Одним из способов повышения эффективности биологической очистки является внедрение метода биосорбции, основанного на совместной во времени и пространстве биологической и адсорбционной очистке сточных вод. Биосорбционный метод позволяет снизить количество образующегося шлама в десятки тысяч раз по сравнению с существующей реагентной очисткой.
В настоящей диссертационной работе проведено комплексное исследование биосорбционной обработки жидких отходов машиностроительных предприятий в анаэробных условиях.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с комплексной Программой по развитию приоритетных направлений науки в Республике Татарстан на 2001 - 2005 годы по направлению «Экологическая безопасность Республики Татарстан».
Цель работы состоит в повышении экологической безопасности предприятий машиностроительного комплекса на основе реализации концепции биосорбционной технологии и разработки оборудования для обезвреживания основных жидких отходов.
Научная новизна. Впервые разработан биосорбционный метод для обработки токсичных и объемных жидких отходов машиностроительных предприятий в анаэробных условиях с исследованием широкого спектра адсорбентов. Разработана технология и аппаратура для биосорбционной обработки сточных вод гальванических производств. Показано, что данный метод позволяет эффективно обезвреживать сточные воды, содержащие ИТМ совместно с отработанными СОЖ, до нормативных значений для сброса в водоемы, благодаря чему повышается экологическая безопасность гальванических производств.
Получены новые экспериментальные данные по исследованию адсорбционных свойств к ИТМ и компонентам СОЖ природных адсорбентов месторождений Среднего Поволжья, а также адсорбционных материалов, являющихся отходами производств.
Проведен мониторинг активного ила нескольких БОС предприятий г. Казани с целью получения из аэробного сообщества анаэробного ила, разработана методика получения анаэробного ила из активного ила БОС.
Доказана схема биохимического восстановления Cr(VI) в анаэробных условиях с участием хромвосстанавливающих и сульфатвосстанавливающих бактерий. Определены концентрации Cr(VI), при которых происходит инги-бирование микроорганизмов активного ила и нарушается их нормальная жизнедеятельность .
Построена математическая модель биосорбционного процесса обезвреживания сточных вод, содержащих ИТМ, с рециркуляцией ила, учитывающая лимитирующее и ингибирующее действие субстрата, отмирание биомассы, адсорбционные эффекты на поверхностях адсорбента и анаэробного ила. Выполнена ее программная реализация, которая показала удовлетворительное совпадение результатов моделирования с экспериментальными данными.
Практическая значимость. Предложены биосорбционная технология обезвреживания жидких отходов машиностроительных предприятий и оборудование для ее реализации, позволяющие эффективно очищать сточные воды до экологических нормативов для сброса в водоемы и заменить традиционные методы их обезвреживания, а также значительно снизить количество образующихся твердых отходов.
Проведены опытно-промышленные испытания биосорбционного метода для обработки стоков гальванических цехов производств и СОЖ на нескольких предприятиях Республики Татарстан. Показано, что биосорбционная очистка превосходит биологическую очистку по степени очистки и по стабильности работы системы в течение длительного времени. Результаты работы внедрены на ООО «Татнефть - АльметьевскРемСервис» (г. Альметевск).
По полученным результатам исследований для Федерального государственного унитарного предприятия «Казанское авиационное производственное объединение им. С.П.Горбунова» (ФГУП «КАПО им. С.П.Горбунова») был произведен расчет предотвращенного эколого-экономического ущерба, который составил более 350 тыс. руб./год. Экономический эффект от внедрения биосорбционного способа на этом же предприятии (при использовании природного адсорбента диатомита) с учетом капитальных и эксплуатационных затрат по сравнению с ныне эксплуатируемой реагентной обработкой составил более 930 тыс. руб/год.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на: Шестой межреспубликанской научной конференции студентов вузов СССР «Синтез, исследование модификация и переработка высокоэффективных соединений» (Казань, 1991), Республиканском
научно-техническом семинар «Мониторинг окружающей среды» (Казань, 1992), IV Международной научной конференции «Методы кибернетики химико-технологических процессов» (KXTTI-IV-94) (Москва, 1994), международной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды» (Томск, 1995), II Региональной конференции «Экологические аспекты устойчивого развития Республики Татарстан» (Казань, 1995), IV конференции по интенсификации нефтехимических процессов «Нефтехи-мия-96» (Нижнекамск, 1996), Международных симпозиумах «Экология'95» и «Экология'97» (Бургас, Болгария, 1997), международной конференции «ISEB'97 Meeting Bioremediation» (Leipzig, Germany, 1997), III международном конгрессе «Окружающая среда для нас и будущих поколений» (Самара, 1998), международной конференции «ISEB'99 Meeting Biopolymers» (Leipzig, Germany, 1999), международной научной конференции, посвященной 85-летию со дня рождения ак. В.В.Кафарова (KXTn-V-99) (Казань, 1999), I, II и III Московских международных конгрессах «Биотехнология - состояние и перспективы развития» (Москва, 2002, 2003, 2005), Объединенной международной конференции «Новая Геометрия Природы (Казань, 2003), научно-практической конференции «Экологические технологии в нефтепереработке и нефтехимии» (Уфа, 2003), международных научных конференциях «Contaminated Soil 2000, 2003 и 2005» (Leipzig, Germany, 2000, Gent, Belgium, 2003, Bordeaux, France, 2005), I Всероссийской конференции «Актуальные проблемы защиты окружающей среды» (Улан-Удэ, 2004), научной конференции «Постгеномная эра в биологии и проблемы биотехнологии» (Казань, 2004), XVIII Международной конференции молодых ученых «Успехи в химии и химической технологии» «МКХТ-2004» (Москва, 2004), международной конференции «Проблемы биодеструкции загрязнителей окружающей среды» (Саратов, 2005), Республиканских конференциях «Актуальные экологические проблемы Республики Татарстан» (г. Казань, 1993 - 2007).
Публикации. Основные результаты и положения диссертационной работы опубликованы в 1 монографии, в 27 статьях (из них - 9 статей в ведущих рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК для опубликования результатов докторских диссертаций), в 32 тезисах докладов, в 1 патенте и 1 авторском свидетельстве, 1 информационном листке и 1 учебно-методической работе.
Структура и объем работы
Диссертация изложена на 292 страницах машинописного текста, состоит из введения, 7 глав, заключения и библиографического списка, включающего 215 наименований. Работа проиллюстрирована 103 рисунками и 42 таблицами. Приложение занимает 16 страниц.
