Введение к работе
Актуальность работы
Среди ресурсных и экологических проблем, порожденных развитием хозяйственной деятельности человека, одной аз наиболее сложных и трудноразрешимых, стала проблема сохранения водных и наземных экосистем.
Повсеместно на планете отмечается качественное истощение водных ресурсов, и половина населения земного шара уже лишена возможности потреблять чистую воду. Сейчас в водоемы планеты сбрасывается около 1800 км в год неочищенных сточных вод.
В России в последние годы, наряду с уменьшением абсолютного количества сбросов загрязненной воды, примерно в 2,8 раза (для Восточной Сибири - в 2 раза), начиная с середины 80-х годов, существует также и тенденция уменьшения степени очистки сбрасываемых вод. Так в Восточной Сибири до нормы очищается всего 2,9%, в Северо-Западном регионе лишь 0,1% сбрасываемых вод.
Это можно объяснить не только ужесточением нормативов качества воды, но и тем, что наряду со всеобщим падением производства в нем значительно (~ в 2 раза) увеличилась доля экологически вредного.
Восточная Сибирь дает 12% общероссийских сточных вод и наряду с Северо-Кавказским, Уральским, Северо-Западным, Центральным и Поволжским райоиами находится в списке самых неблагоприятных п экологическом отношении регионов. При этом, содержание таких соединений, как азот, фосфор, фенолы, нефтепродукты и др. в поверх-постных водоемах в несколько раз превышает нормы ПДК.
В этих условиях естественные биологические процессы, которые протекают в водоемах, уже не обеспечивают самоочищения, происходит нарушение экологического равновесия.
Важнейшей задачей охраны окружающей среды является защита водоемов от эв-трофикации, возникающей в результате поступления в них повышенных количеств биогенных элементов и, прежде всего азота. Эвтрофикация вызывает массовое развитие планктонных водорослей, приводящее к существенному ухудшению качества воды, появлению привкусов и запахов, нарушению кислородного бачанса и экологической обстановки водоемов и т.п. Наличие соединений: азота в оборотной воде приводит к образованию биологических обрастаний в технологических аппаратах и коммуникациях, осложняет эксплуатацию оборудования. В результате возникают дополнительные трудности при очистке воды для хозяйственно-питьевых целен и некоторых видов производственного водоснабжения.
Таким образом, необходимость защиты водоемов от антропогенного эвтрофирова-ния и создание благоприятных условий для внедрения на предприятиях замкнутого водопользования путем предотвращения и устранения биологических помех и предопределяют актуальность очистки сточных вод от соединений азота.
Состояние проблемы
Биологическая очистка сточных вод от соединений азота является одним из наиболее дешевых, широко применяемых способов очистки в нашей стране и за рубежом. Несмотря на уникальность указанного метода, он имеет ряд недостатков: низкую скорость разрушения биорезистентиых веществ и высокую чувствительность гидробионтов активного ила к токсичным ксенобиотикам.
Применяемые в нашей стране технические решения для биологической очистки сточных вод не обеспечивают эффективного удаления соединений азота до требований предельно допустимых концентраций (ПДК) для сброса в водоем.
Для обеспечения установленных норм в очищенной воде необходимо использование метода их глубокого удаления, что требует материальных затрат на один-два порядка выше, чем при строительстве обычных сооружений.
Биологические методы очистки хорошо изучены, однако возможности их интенсификации, как конструктивные, так и технологические, далеко не исчерпаны.
Остро стоит задача включения в существующую последовательность операций биологической очистки таких процессов, которые в первую очередь действуют на компоненты, плохо разрушаемые активным илом в обычных условиях.
Цель работы
Повысить эффективность биологической очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод от соединений азота путем использования полифункциональных гетерогенных металлокомплексдых катализаторов - синтетических аналогов окислительно-восстановительных энзимов.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
- провести детальный анализ эффективности существующих схем, технологий и
конструктивных решений в очистке сточных вод от соединений азота;
- разработать гетерогенные катализаторы для процессов окисления, нитри-
денитрификации;
изучить основные закономерности, механизмы процессов и оценить токсичность сточных вод и активность ила в биокаталитаческой нитри-денитрификации;
определить основные технологические параметры биокаталитаческой установки нитри-денитрификации;
разработать и внедрить комплексную технологическую схему биокаталитической нитри-денитрификации в аэротенках коридорного типа и провести технико-экономическую оценку биокаталитической технологии.
Работа выполнена по договорам с радом промышленных предприятий.
Результаты включены в отчеты по хоздоговору с ОАО АНХК № 1505/93-97, по Лицензионному договору № 6678/98 с МП ИПУВКХ, по договору № БНТ/У/3-1/3/6S9/00/OOC с ОАО «Уфанефтехим».
Методы исследования
В работе для решения конкретных задач использовали современные физико-химические, химические методы исследования, фотоколориметрию, ИК-,УФ-спектросхопию, потенциометрию, микробиологические и биохимические методы исследования, стандартные методики определения качества сточных вод, методы планирования эксперимента, статистические методы обработки результатов на ПЭВМ.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующему
получили дальнейшее развитие научные основы интенсификации процессов очистки сточных вод от азотных соединений путем использования гетерогенных металло-комплексных катализаторов;
впервые осуществлен синтез синтетических энзимов - аналогов оксидоредуктаз путем координационного связывания каталитически активных комплексных соединений с функциональными группами полимерного носителя и доказана возможность использования их для. повышения эффективности процессов нитри-денитрификации
установлено, что применение гетерогенного металлокомплексного катализатора при биологической очистке за счет повышения концентраций молекулярного и активированного кислорода позволяет одновременно проводить процессы окисления и нитрификации при снижении энергозатрат с использованием типовых биосооружений как среды проведения бкокатализа.
- доказан валентно-энергетический механизм протекания окислительно-
восстановительных процессов в биокаталитической системе. Показано, что катализаторы
способны обратимо связывать Ог с помощью координированных ионов переходных ме
таллов. Координация молекул О: сопровождается переносом электронной плотности с
центрального иона металла катализатора на Ог, что приводит к образованию частиц О", 0{
, Ог~. Использование раздолигандных комплексов переходных металлов позволяет регу
лировать силу поля катализаторов, окислительно-восстановительный потенциал системы.
предложены оригинальные решения реконструкции двухкоридорных азротенко» с установкой в них каркасных модулей с катализаторами. Особенностью конструкции является использование якорных устройств, позволяющих удерживать модули с катализатором и обеспечивать его нахождение во взвешенном состоянии при интенсивной аэрации.
разработана технологическая схема и определены основные технологические параметры биокаталитического процесса. Разработанный способ защищен 2-мя патентами на изобретение № 2053840, № 2097338.
Практическая значимость
Предложена технология интенсификации шпри-денитрификации сточных вод за счет каталитического действия гетерогенных металлокомплексных катализаторов.
Разработана технологическая схема очистки сточных вод и конструкции модулей для катализаторов для очистных сооружений ОАО АНХК, проведены промышленные испытания и технология внедрена на II очереди БОС-1 ОАО АНХК.
Экономический эффект от внедрения составил 1280 млн. рублей.
Положения, выносимые на защиту:
Результаты разработки технологии синтеза гетерогенных металлокомплексных катализаторов для биологической очистки сточных вод
Результаты экспериментальных исследований по изучению механизмов процессов, протекающих при биокаталитической очистке сточных вод.
Основные технолопгческие параметры биокатачитической установки.
- Конструкция биокаталитической установки и технологическая схема очистки.
Апробация работы,
Материалы диссертационной работы докладывали и обсуждали иа международных симпозиумах, конгрессах, региональных научно-технических конференциях - международный конгресс «Вода:Экология и технология»; Москва-94; Мюнхен-94; «ТЕРРАТЭК», Лейгщиг-95; Иркутск-96; «Экватэк», Москва-98; Красноярск-98; «Чистая вода», г.Екатеринбург-99, «Экватэк», Москва-2000.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 15 научных работ, в том числе 2 патента па изобретение: № 2053840, № 2097338.
Структура и объем работы.