Введение к работе
Актуальность темы. В России ежегодно в поверхностные водные объекты сбрасывается более 51,5 млрд. м3 сточных вод (по данным 2006 г.), приводящих к поступлению в водоемы около 40 тыс. тонн химических загрязняющих веществ, в том числе 4,6 тыс.тонн нефтепродуктов. Существенный вклад в загрязнение водных объектов вносят предприятия нефтеперерабатывающего комплекса, сбрасывающие ежегодно до 270 млн. м3 сточных вод, при этом объем нормативно очищенных сточных вод неуклонно уменьшается (в 2006 г подверглось очистке 10,7% от общего объема загрязненных сточных вод), что связано с недостаточной эффективностью работы очистных сооружений, их перегруженностью и ужесточением нормативных требований к качеству очищенных сточных вод, поступающих в водные объекты.
В воздушный бассейн РФ ежегодно поступает более 4,5 млн.тонн углеводородов и летучих органический соединений (ЛОС), источником которых, в том числе, являются станции очистки нефтесодержащих сточных вод (НСВ). Выбросы станций очистки НСВ несмотря на незначительный вклад (не более 0,5%) от общего объема выбрасываемых ЛОС, приводят к созданию неблагоприятных для жизнедеятельности человека условий за счет одорации атмосферного воздуха на прилегающих территориях.
При наличии технических и технологических решений по интенсификации работы станций биологической очистки (Басова Т.А., Синёв О.П., Куликов Н.И., Илялетдинов А.Н., Жмур Н.С.), вопросы повышения эффективности биологической очистки от нефтепродуктов и продуктов их неполного разложения остаются недостаточно изученными.
Проблемам разработки методов и технологий очистки газовых выбросов станций биологической очистки городских сточных вод посвящены исследования отечественных и зарубежных ученых (Безбородов А.М. , Shareefdeen Z., Singh А., Gust V.). В то же время, возможность применения разработанных методов для очистки газовых выбросов от сооружений биологической очистки НСВ, оптимальные технические и технологические решения освещены слабо, отсутствуют сведения о закономерностях формирования эмиссий загрязняющих веществ в атмосферный воздух в результате интенсивной биологической очистки.
Существующие решения по минимизации негативного воздействия станций биологической очистки направлены традиционно на снижение нагрузки на один из объектов окружающий (гидросферу или атмосферу). Несмотря на очевидную взаимосвязь процессов биологической деструкции и характера эмиссий в атмосферный воздух, варианты комплексного решения данной проблемы отсутствуют.
В связи с этим, актуальной экологической задачей является разработка комплексного метода снижения негативного воздействия сооружений биологической очистки НСВ на объекты окружающей среды.
Цель работы заключалась в минимизации негативного воздействия сооружений биологической очистки НСВ на окружающую среду путем разработки технических и технологических решений, основанных на закономерностях биодеструкции органических веществ и формировании эмиссий загрязняющих веществ в атмосферный воздух.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Провести комплексную оценку воздействия станций биологической очистки НСВ на атмосферный воздух и объекты гидросферы, выявить и оценить методы минимизации воздействия.
2. Изучить условия функционирования станции биологической очистки НСВ, как источника негативного воздействия на атмосферный воздух и гидросферу (условия формирования НСВ, качественные и количественные характеристики НСВ, состав газовых эмиссий).
3. Установить закономерности формирования эмиссий загрязняющих веществ в атмосферный воздух от аэротенков открытого типа и взаимосвязь состава газовых выбросов с эффективностью процессов биологической очистки НСВ.
4. Обосновать технические и технологические решения интенсификации биологической очистки НСВ с применением иммобилизованных культур.
5. Установить закономерности и определить параметры биосорбционной очистки воздуха от загрязняющих веществ. Разработать технические и технологические решения по очистке газовых выбросов от одорантов, образующихся в процессе биологической очистки НСВ.
Объект исследования: нефтесодержащие сточные воды, сооружения биологической очистки нефтесодержащих сточных вод.
Методы исследований: методы анализа, синтеза и обобщения, аналитические методы физико-химического и микробиологического анализа, метод статистической обработки данных, физического моделирования, системный анализ, методы математического моделирования, анализ материальных потоков.
Научная новизна:
-
Разработаны: модель миграции загрязняющих веществ в атмосферный воздух в процессе биологической очистки НСВ, основанная на выявленной зависимости характера эмиссий от скорости биологической деструкции, и методика расчета эмиссий от аэротенков открытого типа.
-
Установлена зависимость эффективности иммобилизации нефтеокисляющей микрофлоры от краевого угла смачивания и шероховатости поверхности носителя; определены оптимальные технологические параметры применения метода иммобилизованных культур для очистки НСВ: загрузка – гранулированный полиэтилен высокого давления, доза 20 г/л.
-
Обоснована возможность применения биосорбционного метода очистки газовых эмиссий от одорантов, образующихся при эксплуатации станций биологической очистки НСВ; достигаемая эффективность очистки - 85%.
-
Определены сорбционные свойства загрузочных материалов биосорбционного фильтра, установлены оптимальные технологические параметры процесса: нагрузка по органическим веществам до 820 гХПК/м3 час, время выхода на рабочий режим - 520-600 часов, максимальная окислительная мощность до 600 гХПК/м3 час.
Практическая значимость работы:
-
Разработано техническое устройство для повышения эффективности очистки НСВ в аэротенках открытого типа с использованием иммобилизованной микрофлоры (патент РФ на полезную модель № 36375 от 27.10.2003 г.).
-
Разработана конструкция биосорбционного фильтра для очистки газовых выбросов от одорантов с многослойной загрузкой из отсева, опила и коры в соотношении 6:5:5.
-
Разработан рабочий проект строительства сооружений по отведению и очистке газовых выбросов от аэротенков открытого типа станции биологической очистки НСВ
-
Результаты исследований используются в учебном процессе в курсах лекций по дисциплинам «Общая экология», «Техника защиты окружающей среды» рабочего учебного плана подготовки специалистов по направлению 280200.62 «Защита окружающей среды».
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Международной конференции «Экологический менеджмент. Пути снижения экологической нагрузки и оптимального использования природных ресурсов» (г.Амстердам, 2003 г.); на 3, 4 и 5-м Международных конгрессах по управлению отходами «ВейстТек» (г.Москва 2003, 2005, 2007 г.г.); 2-ой и 3-ей Международной НПК студентов, аспирантов и молодых ученых «Экология: проблемы и пути решения» (г. Пермь, 2003, 2005 г.г.); 10, 11, 14-ой Всероссийской научно-практической конференции «Экология: проблемы и пути решения» (г. Пермь, 2003, 2004, 2007 г.г.); 8-й Международной экологической конференции «Экология России и сопредельных территорий» (г. Новосибирск, 2003 г.); Международной конференции «Сопряженные задачи механики, информатики и экологии» (г.Томск, 2004 г.), Всероссийской конференции «Экологические проблемы промышленных регионов» (г.Екатеринбург, 2004г), Международном конгрессе «ЭКВАТЭК» (г.Москва, 2008 г).
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Станции биологической очистки НСВ являются источниками вторичного загрязнения атмосферного воздуха и объектов гидросферы в связи с чем, вопросы снижения их негативного воздействия на окружающую среду носят комплексный характер.
2. Эмиссии загрязняющих веществ в атмосферный воздух в процессе биологической очистки НСВ описываются разработанной моделью и зависят от эффективности процессов биологической деструкции, температуры, летучести компонентов, интенсивности аэрации, концентрации загрязняющих веществ и скорости ветра.
3. Эффективным методом интенсификации биологической очистки НСВ является метод иммобилизованных культур с применением в качестве носителя полиэтилена высокого давления. Обоснованием выбора носителя являются установленные зависимости эффективности иммобилизации от шероховатости и гидрофобности материала.
4. Применение разработанного технического устройства - биоротора, основным рабочим элементом которого является иммобилизованная на носителе микрофлора, позволяет повысить эффективность очистки НСВ от органических веществ на 30-37 %, азота аммонийного на 42-44 %.
5. Использование биосорбционного фильтра с комбинированной загрузкой из материалов, обладающих сорбционными свойствами и сродством к биообрастанию (отсев+опил+кора), позволяет достичь высокой степени очистки газовых выбросов станций биологической очистки НСВ от одорантов (до 85%).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ, из них одна статья в журнале, входящем в Перечень ВАК; получен патент на полезную модель № 36375 от 27.10.2003 г.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, 11 приложений, список литературы включает 210 источников, в том числе 40 иностранных. Объем диссертации составляет 196 страниц машинописного текста, включающих 37 таблиц и 60 рисунков.
