Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современные технологии и технические решения по удалению солей азота и фосфора в процессе биологической очистки сточных вод 9
1.1. Биохимия и микробиология процессов трансформации солей азота в процессе биологической очистки сточных вод 9
1.2. Биохимия и микробиология процессов трансформации солей фосфора в процессе биологической очистки сточных вод 20
1.3. Технологии совместного удаления солей азота и фосфора 24
1.4. Использование водных растений для удаления биогенных элементов 35
1.4.1. Ботанические площадки 36
1.4.2. Фитофильтрационные устройства 38
1.4.3. Биологические пруды 39
1.4.4. Искусственные заболоченные участки 40
1.4.5. Биоплато 41
1.4.6. Биоинженерные сооружения 44
ГЛАВА 2. Программа, объемы и методы исследования 49
2.1. Характеристика высших водных растений 49
2.2. Программа эксперимента 52
2.3. Определение содержания биогенных элементов 60
ГЛАВА 3. Оценка влияния биологических очистных сооружений г. Перми на природный водоем (р.Кама) 63
3.1. Характеристика химического состава и объема городских сточных вод поступающих на биологическую очистку и очищенных.. 63
3.2. Основные расчетные нормы технологических процессов по отдельным сооружениям технологической схемы 74
ГЛАВА 4. Закономерности изъятия солей азота и фосфора высшими водными растениями из биологически очищенных сточных вод 77
4.1. Закономерности изъятия солей азота и фосфора высшими водными растениями из биологически очищенных сточных вод, полученные в ходе лабораторных исследований 77
4.2 Закономерности изъятия солей азота и фосфора высшими водными растениями из биологически очищенных сточных вод, полученные в ходе укрупненных лабораторных исследований 93
4.3. Закономерности изъятия солей азота и фосфора высшими водными растениями из биологически очищенных сточных вод 101
4.4. Статистическая обработка данных экспериментальных исследований 112
ГЛАВА 5. Технология снижения содержания биогенных элементов высшими водными растениями в процессе биологической очистки городских сточных вод 117
5.1. Техническое решение и технология снижения содержания солей азота и фосфора в процессе биологической очистки сточных вод с использованием ВВР 117
5.2. Расчет размеров устройства для изъятия сверхнормативного содержания солей азота и фосфора в сточных водах после биологической очистки городских сточных вод 123
5.3. Оценка величины предотвращенного экологического ущерба при использовании технологии снижения содержания солей азота и фосфора ВВР в процессе биологической очистки городских сточных вод 127
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 134
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 136
Приложение 1 155
- Биохимия и микробиология процессов трансформации солей азота в процессе биологической очистки сточных вод
- Характеристика высших водных растений
- Характеристика химического состава и объема городских сточных вод поступающих на биологическую очистку и очищенных..
Введение к работе
Актуальность темы. Биологическая очистка - наиболее распространенный способ удаления органических веществ из городских сточных вод (Жмур Н.С., 1997 г.). В России биологические очистные сооружения (БОС) составляют около 55% от общего числа всех очистных сооружений. Современное природоохранное законодательство России предъявляет одни из самых высоких требований в мире к качеству очищенных сточных вод, сбрасываемых в природные водоемы (Федеральный Закон «Об охране окружающей среды»).
В последние десятилетия отмечается тенденция изменения качественного состава городских сточных вод за счет увеличения доли трудноокисляемых азот- и фосфорсодержащих органических веществ. Многие БОС, запроектированные 40 - 45 лет назад в соответствии с природоохранными нормативами того времени, по техническим причинам, не могут обеспечить соблюдения современных требований предельно-допустимых сбросов (ПДС) загрязняющих веществ в природные водоемы, в том числе биогенных элементов (солей азота и фосфора). В бытовые сточные воды азот поступает из выделений человека (до 90 %), а фосфор из синтетических моющих средств (50
- 70 %) и выделений человека (30-50 %). Фактическая эффективность очистки
городских сточных вод от биогенных элементов на БОС г. Перми составляет 26
- 42 % по фосфатам (в пересчете на фосфор) и 90 - 95 % по азоту
аммонийному. Поступление биогенных элементов в природный водоем в
концентрациях, превышающих предельно-допустимые, приводит к
эвтрофированию (цветению) водоема и гибели водной флоры и фауны.
В связи с этим, актуальной становится разработка методов и технологий по снижению содержания биогенных элементов в процессе биологической очистки городских сточных вод. По литературным данным (Магмедов В.Г., 1988; Эйнор Л.О., 1990; Чистяков Н.Е., 1992; Матвеев В.И., 1997; Кравец В.В., 1999; Скирдов И.В., 1999; Савельева Л.С., 2000; Леонов A.M., 2000; Бондаренко В.В., 2000; Курцевич Е.П., 2001; Гмызина Н.Б., 2003Верещагина И.Ю., 2004;)
эффективным методом является использование высших водных растений (ВВР). В то же время, недостаточно сведений об использовании ВВР в технологии биологической очистки сточных вод, закономерностях изъятия солей азота и фосфора ВВР в зависимости от технологических параметров, отсутствует информация об использовании ВВР в климатических условиях Западного Урала, отсутствует обоснование подбора ВВР и технологии. Научная новизна работы состоит в том, что:
разработано техническое устройство для использования ВВР в
« процессе биологической очистки городских сточных вод и обосновано его
использование в третичном отстойнике (патент РФ на полезную модель № 58118 от 10.11.2006 г.);
получены зависимости интенсивности поглощения солей азота и
фосфора ВВР в биологически очищенных сточных водах от расхода сточных
вод и плотности биомассы растений;
разработана математическая модель, описывающая зависимость
У интенсивности изъятия солей азота и фосфора ВВР от расхода сточных вод и
плотности биомассы растений.
Объект исследования - городские сточные воды, поступающие на биологические очистные сооружения г. Перми; высшие водные растения, извлекающие соли азота и фосфора.
Предмет исследования - качественные и количественные
характеристики городских сточных вод, закономерности изъятия солей азота и к
фосфора из биологически очищенных сточных вод высшими водными
растениями.
Методы исследований. В работе использовался комплекс методов
исследований: теоретические исследования, обобщение опыта отечественных и
зарубежных исследователей, системный анализ, математическое
моделирование, математическая статистика, корреляционно - регрессионный
анализ, анализ материальных потоков, материального баланса, физико -
химические и гидробиологические методы, экспериментальные исследования с применением лабораторных и укрупненных лабораторных установок.
Цель работы: заключалась в разработке технологии и технических решений по снижению содержания биогенных элементов в процессе биологической очистки городских сточных вод высшими водными растениями.
Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:
1. Оценить возможность использования ВВР для удаления биогенных
Ф элементов в процессе биологической очистки городских сточных вод на
основании анализа литературных источников.
2. На примере БОС г. Перми провести исследование условий
функционирования биологических очистных сооружений, как источников
загрязнения природных водоемов биогенными элементами. Составить
материальный баланс биогенных элементов в процессе биологической очистки.
Экспериментально обосновать возможность использования ВВР в технологии биологической очистки городских сточных вод. Определить оптимальные условия процесса: виды ВВР, плотность посадки, общую биомассу, место размещения.
Изучить закономерности изъятия солей азота и фосфора ВВР в зависимости от технологических параметров: расхода сточных вод (Q) и плотности биомассы растений (ПБ). Разработать математическую модель процесса.
5. Разработать технологию снижения содержания биогенных элементов в
процессе биологической очистки городских сточных вод ВВР и техническое
устройство для минимизации антропогенного воздействия БОС.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Биологические очистные сооружения являются источником загрязнения природных водоемов биогенными элементами.
Интенсивность и эффективность изъятия солей азота и фосфора валлиснерией спиральной и рдестом курчавым зависят от технологических параметров (расхода стоков Q и плотности биомассы ПБ растений).
Математическая модель, описывающая зависимость интенсивности изъятия солей азота и фосфора от расхода стоков и плотности биомассы растений, построена по результатам проведенного регрессионного анализа статистических данных носит линейный характер.
На основе установленных закономерностей изъятия биогенных элементов ВВР разработано техническое устройство, позволяющее использовать ВВР в технологии биологической очистки городских сточных вод на завершающих этапах (третичные отстойники).
Практическая значимость работы состоит в том, что:
разработана технология снижения содержания солей азота и фосфора ВВР в процессе биологической очистки городских сточных вод;
определен предотвращенный экологический ущерб при использовании ВВР для снижения содержания солей азота и фосфора в процессе биологической очистки городских сточных вод;
разработаны рекомендации по оптимизации биологической очистки сточных вод г. Перми;
результаты исследований используются в учебном процессе в курсах лекций по дисциплинам «Общая экология», «Основы микробиологии и биотехнологии» рабочего учебного плана подготовки специалистов по направлению «Защита окружающей среды».
Основные положения диссертации отражены в 12 научных работах публикациях. Общий объем которых составляет 3,7 п.л., из них лично автора -2,6 п.л.
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.); VI и VII Международных конгрессах «Вода: экология и технология» («Экватек-2004», «Экватек-2006», г. Москва); Международной научно - практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Экология: проблемы и пути решения» (г. Пермь, 2006 г); Всероссийской научно - практической конференции «Проблемы геологии, охраны окружающей среды и управление качеством экосистем» (г. Оренбург, 2006 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы химической технологии и подготовки кадров» (г. Стерлитамак, 2006 г.).
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, 2 приложений, список литературы включает 200 источников, в том числе 47 иностранных. Объем диссертации составляет 154 страницы машинописного текста, включающих 35 таблиц и 33 рисунка.
Биохимия и микробиология процессов трансформации солей азота в процессе биологической очистки сточных вод
В сточных водах азот представлен в основном в виде минеральной (NH4+, NO2", NO3 ) и органической (аминокислоты, белок тканей организмов, органические соединения) составляющих [106]. В виде аммиака или мочевины в бытовых сточных водах присутствует 80 - 90 % всех азотсодержащих веществ. Бактериальное превращение азота [58] представлено
1. Аммонификация, т.е. бактериальное превращение органических соединений азота в неорганические формы, основной из которых является аммиак, осуществляемого гетеротрофными (аммонифицирующими) гнилостными бактериями в канализационной сети [98, 153].
2. Первая стадия нитрификации осуществляется в результате жизнедеятельности и функциональной активности нитрифицирующих бактерий. Присутствие в среде органических соединений пагубно отражается на их развитии, поэтому нитрификация аммонийного азота начинается в аэротенках только после практически полного окисления углеродсодержащих соединений, характеризуемых показателем БПК [169]. После того как органические вещества минерализуются, создаются условия для развития бактерий - возбудителей первой фазы нитрификации, которую осуществляют бактерии нескольких родов. Основными из них являются Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrosospira, Nitrosococcus, Nitrosolobus, Nitrosovibrio. Еще более чувствительны нитрификаторы к неприродной органике [21]. Практически все тяжелые металлы являются угнетающими нитрификаторов токсикантами в концентрациях, превышающих 5 мг/дм3 [22].
Характеристика высших водных растений
В качестве высших водных растений выбраны валлиснерия спиральная (Vallisneria spiralis) и рдест курчавый (Potamogeton crispus).
Выбор данных видов высших водных растений обусловлен их произрастанием в водоемах в климатических условиях Западного Урала. Определяющим фактором для их выбора стало то, что данные ВВР являются погруженными. При использовании данных ВВР в технологии биологической очистки городских сточных вод появляется возможность их круглогодичного использования за счет обеспечения необходимого температурного режима для их жизнедеятельности (от +14 С до +25 С) температурным режимом очищаемых сточных вод, имеющей колебания температуры в течение года от +12 С до +26 С. В холодное время года перечисленные факторы предотвращают вымерзание растений, вследствие чего отпадает необходимость постройки специальных сооружений оранжерейного типа.
По результатам работы Гмызиной Н.Б. [32] выбранные ВВР имеют наименьший показатель удельной биомассы и максимальный показатель площади поверхности субстрата на единице площади акватории (табл. 2.1).
Показатели удельной биомассы наиболее низкие для валлиснерии спиральной и рдеста стеблеобъемлющего. Таким образом данные виды ВВР наиболее предпочтительны для использования для в процессе биологической очистки городских сточных вод.
В отличие от воздушно - водных растений погруженные виды ВВР более активно насыщают воду фотосинтетическим кислородом в течении всего периода вегетации, а валлиснерия спиральная - круглогодично.
Валлиснерия спиральная (Vallisneria spiralis) - это вечнозеленое, многолетнее растение, целиком погруженное в толщу воды, с ползучим корневищем и лентообразными листьями [9]. Растет в проточной воде на глубине до 1 м [23]. Растение неприхотливое как в отношении температуры (+14 ) С - (+24) С, рН (5 - 7), грунта, так и света. Грунт должен быть хорошо заиленным. Толщина слоя грунта может быть небольшой, вполне достаточно 3, максимум 4 см.
Ее лентообразные листья длиной до 50 - 60 см собраны кустиками, от которых отходят побеги с молодыми растениями - «усы» (до 50 в год). Растение сохраняет свою жизнедеятельность, даже находясь в воде под слоем льда на поверхности водоема [28]. Фото растения представлено на рис. 2.1.
Биологические особенности данного вида ВВР заключаются в способности круглогодичной вегетации и насыщению воды фотосинтезированным кислородом и метаболитами. Это создает благоприятные условия для формирования бактериофитона, способствующего процессам окисления загрязняющих веществ, на поверхности листьев и корней растений [23].
Курчавый рдест (Potamogeton crispus) - это вечнозеленое, многолетнее растение, целиком погруженное в толщу воды, с необычайно оригинальными, кудрявыми, извилистыми, как показывает само его название, листьями. Цвет их темно-буро-зеленый с белыми продольными полосками, а по краям и среднему нерву коричневый. В грунте развивается длинное корневище [9].
Отдельные побеги или их часть могут отрываться и свободно плавать в воде, продолжая свое развитие [78]. Фото растения представлено нарис.2.2.
Все виды рдестов характеризуются способностью быстрого освоения площадей акватории, не заселенных другими видами ВВР [32].
Характеристика химического состава и объема городских сточных вод поступающих на биологическую очистку и очищенных
Для адаптированных растений влияние плотности биомассы на эффективность изъятия солей азота и фосфора менее существенно, чем для растений до адаптации. Для рдеста курчавого отмечено в некоторых случаях снижение эффективности и интенсивности изъятия солей азота и фосфора. Это явление сопровождалось ухудшением общего состояния растений, вероятно связанного с более низкой по сравнению с валлиснерией спиральной способностью адаптации к качеству сточных вод.
Сравнение показателей интенсивности изъятия солей азота и фосфора адаптированными водными растениями при различных плотности биомассы и расходах стоков представлены на рис. 13 - 15 в Приложении 2.
Зависимость интенсивности изъятия солей азота и фосфора от расхода стоков адаптированными растениями валлиснерии спиральной представлена на рис. 16 и 17 Приложения 2. Зависимость интенсивности изъятия солей азота и фосфора от расхода стоков адаптированными растениями рдеста курчавого представлена на рис. 18 и 19 Приложения 2.
При исследовании влияния биомассы ВВР на эффективность и интенсивность изъятия солей азота и фосфора из очищенных сточных вод обнаружено следующее: увеличение плотности биомассы растений приводит к снижению эффективности (табл. 4.22) и снижению интенсивности изъятия солей азота и фосфора (рис. 7-12 Приложения 2)
При исследовании влияния расхода стоков на эффективность и интенсивность изъятия солей азота и фосфора ВВР обнаружено следующее: снижение расхода стоков приводит к увеличению эффективности (табл. 4.2, 4.4, 4.6, 4.8, 4.10, 4.12, 4.15) и к снижению интенсивности (рис. 1 - 6 Приложения 2). На рис. 4.6 приведены данные зависимости интенсивности изъятия солей азота и фосфора 1 кг растений от расхода стоков (усредненные данные всех опытов).
