Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ методов удаления биогенных элементов . 11
1.1 Процессы бактериальной деструкции азотсодержащих соединений и трансформации соединений фосфора в условиях сооружений биологической очистки 11
1.2 Изменение энергии при биохимических процессах очистки сточных вод 19
1.3 Состави свойства активного ила аэротенков 24
1.4. Технологические схемы удаления биогенных элементов.. 33
Глава 2. Анализ технологических процессов на городских очистных канализационных сооружениях г. Самара .45
2.1. Состав и технологическая схема городских очистных канализационных сооружений... .45
2.2. Динамика изменения концентраций загрязнений по ступеням очистки . 47
2.3: Динамика изменений концентраций загрязнений и объемов поступающих стоков в течение года 50
2.4 Микробиологический анализ. работы сооружений биологической очистки КОКС. 53
2.5: Влияние сооружений обработки осадков на качество исходной воды... 58
Глава 3; Исследования существующих схем , биологической очистки 62
3:1 Методика проведения исследований... 62
3:2 Исследования по очистке городскихсточных вод с применением технологии «АВ- процесса» 64
3.3 Одноступенчатая схема Bardenpho. 74
3.4 Одноступенчатая схемаUGT... 86
Глава 4 Исследование технологии очистки сточных вод с анаэробным биореактором 99
4.1 Условия постановки эксперимента... 99
4.2 Результаты эксперимента 100
Глава 5. Экономическая эффективность технологий биологической очистки городских сточных вод: ...114
Основные выводы 127
Список литературы. ...129
Приложение
- Изменение энергии при биохимических процессах очистки сточных вод
- Динамика изменения концентраций загрязнений по ступеням очистки
- Динамика изменений концентраций загрязнений и объемов поступающих стоков в течение года
- Исследования по очистке городскихсточных вод с применением технологии «АВ- процесса»
Введение к работе
Интенсивное воздействие человека на природную среду привело к такому загрязнению водных ресурсов Земли, что эта проблема стала глобальной и требующей безотлагательного решения на пути развития мирового сообщества. Значительным источником загрязнения окружающей среды являются городские сточные воды, содержащие высокие концентрации органических и минеральных веществ [1]. Практически повсеместное распространение для очистки сточных вод получил биологический метод, обладающий рядом несомненных экологических достоинств. В процессе биологической очистки происходит деструкция органических загрязнений до углекислого газа и воды. Образующиеся при этом органические осадки и избыточный активный ил могут использоваться в качестве удобрений или источника энергии [2].
За более чем столетие метод биологической очистки непрерывно-совершенствовался. За последние 20 лет технологии очистки сточных вод сделали огромный шаг вперед. Были разработаны новые технологические схемы сооружений биологической очистки, методы их инженерного оформления и оборудование. Успешно- решаются проблемы удаления из городских и производственных сточных вод биогенных элементов [3]. Наиболее важными биогенными элементами для физиологического развития активного ила следует признать азот и фосфор, в значительных количествах накапливающиеся в биомассе активного ила, - до 6-8% азота и 2% фосфора в сухой массе ила [4].
Попадая в водоемы, биогенные элементы в определенных концентрациях и в сочетании друг с другом способствуют развитию условий, угнетающих отдельные виды гидробионтов, а в некоторых случаях вызывают их гибель. Поступление большого количества азота и фосфора в водные объекты приводит к их эвтрофикации. В результате происходит нарушение процессов-саморегуляции в биоценозах, в них начинают доминировать виды, наиболее приспособленные к изменившимся условиям (хлорококковые водоросли , вызывая цветение воды. В период цветения в водоеме повышается рН, падает содержание растворенного кислорода, появляются различные яды, продуцируемые цианобактериями, возникают заморные явления у рыб, затрудняется процесс очистки воды из водохранилищ и ухудшается .качество питьевой воды [5]. Кроме того, аммонийный азот токсичен для рыб и требует для своего окисления в водоеме большого количества растворенного кислорода. При взаимодействии аммонийного азота с активным хлором в процессе хлорирования очищенных сточных вод и питьевой воды образуются хлорамины - токсичные и мутагенные соединения [6]. Нитраты, попадая в желудочно-кишечный тракт с питьевой, водой и продуктами питания, редуцируют в нитриты, быстро всасываются в кровь, концентрируясь в эритроцитах, обладают выраженной способностью окислять гемоглобин эритроцитов с образованием метгемоглобина, не способного снабжать ткани кислородом, в результате чего развивается гипоксия у человека и рыб. Фосфаты мало токсичны, однако именно фосфатам; принадлежит решающая; роль в процессе возникновения цветения природных водоемов :[1,
Существенным источником поступления биогенных элементов являются бытовые сточные воды. Согласно таблице 25 СНиИ 2104.03-85 на одного жителя приходится 40-75 г БПКП0ЛН (в осветленной и неосветленной жидкости: соответственно), 8 г азота аммонийного и 1,4 г фосфатов по фосфору [8]. Вместе с тем при расчете сооружений биологической очистки используют известное соотношение удельного количества соединений азота и фосфора, удаляемого в результате прироста биомассы микроорганизмов. Это соотношение составляет 100:5:1 [9].
Таким образом, в процессе традиционной биологической очистки максимально возможно изъять 2 - 3,8т азота и 0,4 - 0,75 г фосфора в пересчете на загрязнения, поступающие от одного жителя. В очищаемой сточной воде при полной биологической, очистке останется 4,2 - 6 г азота и 0,65 - 1 г фосфора на одного жителя. При норме водопотребления 250 - 300 л/(чел-сут), суммарная концентрация соединений азота и фосфора в очищенных сточных водах составит 15 - 20 и 2,2 — 4 мг/л соответственно. Практика расчетов нормативов допустимых сбросов показывает, что фактические концентрации соединений азота и фосфора на выпуске канализационных очистных сооружений оказываются в 2 - 20 раз выше предельно допустимых [10].
Для удаления из воды соединений азота известны физико-химические способы - хлорирование, озонирование, отдувка аммиака воздухом, ионный обмен, электролиз, электродиализ, обратный осмос и дистилляция, а для удаления фосфора - физико-химические и биологические методы. Все физико-химические способы требуют применения реагентов или сложного оборудования, малоэффективны и технически не приемлемы для больших объемов сточных вод [11].
Наибольший практический интерес представляет биологический метод удаления биогенных элементов. Он не требует дорогостоящих и дефицитных реагентов, не приводит к увеличению солесодержания стоков, а объемы осадков при этом не увеличиваются [12]. Для биологического удаления азота и фосфора разработан ряд широко известных технологических схем. Практическое осуществление таких технологий в Российской Федерации осложняется низкой концентрацией органических веществ. Кроме того, крупные города имеют сооружения биологической очистки, рассчитанные только на удаление органических и взвешенных веществ. Их реконструкция в соответствии с современными требованиями, предусматривающими очистку от биогенных элементов, требует проведения дальнейших исследований с целью создания оптимальных для российских условий технологий [13].
АКТУАЛЬНОСТЬ представленной работы состоит в том, что только технологии биологической очистки городских сточных вод, специально предназначенные для удаления биогенных элементов, способны предотвратить эвтрофикацию водных объектов. В настоящее время изменились задачи, стоящие перед очистными сооружениями, которые первоначально рассчитывались лишь на окисление органических веществ. Теперь первостепенное значение имеет удаление биогенных элементов - азота и фосфора. Имеющиеся в зарубежной литературе данные о технологических и кинетических параметрах работы сооружений, предназначенных для очистки сточных вод от биогенных элементов, не могут быть непосредственно применены в отечественных условиях, характеризующихся относительно малыми концентрациями загрязнений и низким отношением содержания органических веществ к количеству азота и фосфора. Исследования российских специалистов в последнее время позволили сделать значительный шаг вперед в этом направлении, однако отсутствие общепринятых методик расчета сооружений и данных о значениях кинетических констант процессов удаления биогенных элементов требует проведения дальнейших исследований с целью создания технологий, оптимальных для российских условий.
ЦЕЛЬ ПРОВОДИМОГО ИССЛЕДОВАНИЯ - выбор оптимальной для условий средней полосы РФ схемы биологической очистки, рассчитанной на удаление биогенных элементов.
ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ РАБОТЫ:
1. Теоретическое изучение вопросов применения технологий биологической очистки слабоконцентрированных городских сточных вод, определение параметров и констант для расчета городских канализационных сооружений.
2. Проведение анализа работы существующих городских канализационных сооружений средней полосы РФ на примере г. Самары и определение возможности улучшения работы участка биологического очистки.
3. Проведение исследований и расчет кинетических констант процессов окисления основных загрязнений, содержащихся в сточных водах для существующих схем биологической очистки.
4. Разработка и исследование схемы биологической очистки, имеющей преимущества по эффективности очистки по сравнению с существующими схемами.
б
5. Проведение технико-экономического сравнения технологий биологической очистки.
6. Разработка предложений по реконструкции городских очистных канализационных сооружений г. Самара.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ ЗАКЛЮЧАЕТСЯ В СЛЕДУЮЩЕМ:
1. Впервые для городских сточных вод в условиях климатической зоны средней полосы РФ проведены исследования и найдены оптимальные параметры работы следующих схем биологической очистки: АВ-процесс, Кейптаунского университета, Барденфо.
2. Разработана и впервые исследована схема очистки с анаэробным биореактором осадка (далее - АНБР).
3. Научно обоснованы и экспериментально подтверждены технологические преимущества глубокой биологической очистки сточных вод с использованием технологической схемы с анаэробным биореактором осадка.
4. Определены кинетические параметры окисления загрязнений городских сточных вод г. Самара для схем биологической очистки: АВ-процесс, Кейптаунского университета, Барденфо и технологии с анаэробным биореактором осадка.
5. Показана высокая стабильность процесса очистки при использовании данных схем в условиях существенного колебания состава городской сточной воды.
6. Экспериментально установлена высокая эффективность схемы с АНБР при очистке городской сточной воды от органических загрязнений: по ХПК — в среднем 90 %, по БПК - 90-96 %; по аммонийному азоту - 95-99 %;
7. Определены оптимальные параметры процессов биологической очистки с использованием рассматриваемых схем.
ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА в полученные научные результаты, опубликованные им лично и в соавторстве и включенные в диссертацию, состоял в непосредственном проведении исследований, обработке, систематизации, анализе их результатов и подготовке выводов.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ И ПУБЛИКАЦИИ
Общее количество публикаций - 11, в том числе: в материалах 59 - 65-й научно технических конференций СГАСУ, в тезисах докладов 6-го Международного симпозиума Чистая Вода России, Екатеринбург, 2001 г, журнале «Водоснабжение и Санитарная техника», 2006 г.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ
1. Впервые теоретически и экспериментально обоснованы преимущества и условия применения технологической схемы с АНБР по сравнению с другими-известными-схемами» очистки сточных вод, с достижением качества очищенного -стока в соответствии с нормативами допустимого сброса в рыбохозяйственные водные объекты по соединениям азота и фосфора без дополнительной ступени доочистки.
2. Разработаны рекомендации для реконструкции городских очистных канализационных сооружений г. Самары производительностью 700 тыс. м /сут с использованием АНБР.
3. Разработанная технология и метод расчета АНБР могут быть использованы при проектировании (в том числе реконструкции) систем очистки городских сточных вод.
ДОСТОВЕРНОСТЬ полученных результатов, подтверждается большим объемом и длительностью экспериментальных исследований на лабораторных установках с реальными сточными водами в различные сезоны года, сходимостью расчетных и экспериментальных результатов, применением стандартизированных, методов измерений и анализа, статистической обработкой результатов.
Обоснованность предлагаемых технологических и конструктивных решений подтверждена лабораторными испытаниями с реальными сточными водами.
РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ осуществлена в проектной практике научно-производственной фирмы «ЭКОС», г. Самара. Но результатам данной работы разработан рабочий проект и проведена реконструкция канализационных очистных сооружений с. Челно-Вершины Самарской области, выполнен рабочий проект канализационных очистных сооружений с. Курумоч Самарской области, разработаны рекомендации и техническое задание на реконструкцию сооружений биологической очистки канализационных очистных сооружений г. Самары.
НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ:
- изучение основных закономерностей и кинетических зависимостей окисления органических загрязнений и удаления биогенных элементов из сточных вод;
- разработка технологической схемы окисления органических соединений и удаления биогенных элементов в сооружениях с АНБР;
- определение оптимальных технологических параметров, характеризующих работу схем биологического удаления биогенных элементов.
СТРУКТУРА И ОБЪЁМ РАБОТЫ - Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка литературы и приложения. Библиография включает 120 источников, в том числе 28 - зарубежных. Общий объём диссертации 141 страница, из них 48 рисунков и 24 таблицы.
Автор выражает искреннюю благодарностьнаучному руководителю д.т.н., профессору Стрелкову А.К. за помощь в организации исследований и редактировании рукописи, а также директору МП «СамараВодоканал» Романико А.Н., начальнику ГОКС Губе И.Г., заведующей лабораторией городских очистных канализационных сооружений Давыдкиной Л.А за помощь в организации экспериментальной части исследований. Особую признательность автор выражает вдохновителю данной работы - Степанову СВ.
Изменение энергии при биохимических процессах очистки сточных вод
В основе процессов биологической очистки сточных вод лежит биохимическое окисление органических загрязнений микроорганизмами активного ила в аэробных или анаэробных условиях. Участвуя в конструктивном и энергетическом обмене, органические вещества сточных вод претерпевают сложные биологические и химические превращения. В результате катаболических процессов происходит распад этих веществ с образованием более простых низкомолекулярных соединений, часть которых подвергается дальнейшему окислению до СО2 и Н20 с выделением энергии или превращением в продукты метаболизма, а другая часть используется для биосинтеза в процессах анаболизма [36].
Процессы окисления сопровождаются выделением большого количества свободной энергии, использующейся в реакциях клеточного синтеза и для обеспечения основных энергетических нужд клетки (движение, поддержание внутреннего давления и т.д.). Анаэробные микроорганизмы ограничиваются получением энергии на уровне субстрата, аэробные проявляют способность к значительно более эффективному использованию энергии, они обладают особым аппаратом - электрон-транспортной цепью. Например, при полном биохимическом окислении белка гетеротрофными аэробами конечными продуктами являются С02, вода, аммиак, сульфаты. Полное окисление белка представлено реакцией
Выход энергии, выделяющейся в процессе реакции, в этом случае составит 21,38Дж на 1г белка. При полном окислении белка в анаэробных условиях конечными продуктами являются NH3 С02, Н20, H2S, кроме них часто присутствует водород, азот, уксусная кислота, меркаптаны, которые могут быть отнесены к конечным продуктам для определенного типа бактерий. Справедливо следующее уравнение
На 1г белка выделяется 1,45Дж, или 7% энергии, получающейся при аэробном окислении. Таким образом, для получения необходимого количества энергии анаэробные организмы должны израсходовать гораздо большее количество органического вещества, чем анаэробные. При аэробной деструкции получение энергии более экономично. Одинаковое количество субстрата будет поддерживать значительно большее количество биомассы, аэробного активного-ила, чем анаэробного, поэтому в анаэробных процессах прирост биомассы относительно количества потребляемого субстрата в, несколько раз меньше, чем при аэробном. В связи с этим, процессы окисления одних И тех же органических веществ принципиально отличаются, в зависимости от того, в каких условиях они протекают [37].
В клетках микроорганизмов активного ила одновременно протекают множество реакций, которые катализируются различными ферментами. В. стационарных условиях количество вещества, проходящего через отдельные стадии процесса, должно быть одинаково, поэтому скорости отдельных реакций должны быть равны. Скорость процесса в целом определяется скоростью самой медленной реакции. Этот принцип, разработанный Н.Д. Иерусалимским, получил название «принципа минимума». Скорость всего процесса зависит лишь от изменения скорости на наиболее медленной стадии, при этом увеличении скоростей на других стадиях не окажет влияния на процесс.
Из биохимии известно, что регуляция метаболизма в живых клетках, в. аэробных условиях, имеет три ключевые точки: поглощение кислорода, использование субстратов и реакции в местах разветвления метаболических путей [38].
Влияние концентрации органических загрязнений на скорость биохимического окисления обусловлена особенностью ферментативных реакций, заключающихся в том, что скорость их не пропорциональна концентрации субстрата: она возрастает до определенного уровня. Кинетика ферментативных реакций основана на предположении существования фермент-субстратного комплекса и зависимости скорости реакции от скорости его распада. При этом предполагается, что комплекс образуется мгновенно, его концентрация остается постоянной и определяется термодинамическим равновесием между ферментом, субстратом и этим комплексом. Полагая, что завершению ферментативной реакции предшествует образование фермент-субстратного комплекса, Михаэлис и Ментен представили реакцию следующей схемой [115, 116] где S, Е, SE, Р - соответственно концентрация субстрата, фермента, ферментсубстратного комплекса и продукта реакции. В результате ими было получено известное уравнение V - скорость реакции при концентрации субстрата S; Vmax - максимальная скорость реакции без лимитирования субстратом; Ks-константа насыщения.
Работами Моно и Н.Д. Иерусалимского было показано, что скорость роста биомассы \i описывается аналогичным уравнением где ц = dX/ (dt X), X - концентрация микроорганизмов. Взаимосвязь между скоростью потребления субстрата и скоростью роста биомассы обычно выражается зависимостью где у - коэффициент пропорциональности, характеризующий выход биомассы на единицу потребленного субстрата. С учетом уравнения (1.8) зависимость для скорости потребления субстрата записывается в виде:
Специальными исследованиями ВНИИ ВОДГЕО [40], выполненных в лабораторных и промышленных условиях, подтверждена возможность использования уравнения ферментативных реакций для описания процесса биологической очистки сточных вод, имеющих различные составы. В то же время, при наличии токсичных веществ, скорость ферментативных реакций может существенно отличаться от скорости, вычисленной по классическому уравнению Михаэлиса - Ментен [38]. Причиной снижения скорости реакции в присутствии ингибирующих веществ является взаимодействие ингибитора с ферментом. По своему механизму взаимодействие фермента с ингибитором может быть конкурентным, неконкурентным или промежуточного типа„ Скорость ферментативной реакции в присутствии конкурентного ингибитора может быть выражена уравнением [41]
Динамика изменения концентраций загрязнений по ступеням очистки
Стоки, поступавшие на ГОКС в 1994 - 2006 гг. по усредненным данным ежедневных анализов химической лаборатории ГОКС (при 95 % уровне значимости) характеризуются следующими показателями: рН-7,4; осадок по объему - 3,9 мл/л; взвешенные вещества -120,9 мг/л; БПКПВДШ натуральной пробы - 111,5 мг/л; ХПК - 305,5 мг/л. Соотношение БПКП0Л11 и ХПК составило 41 %, что свидетельствует о значительном количестве трудноокисляемых примесей. О достаточности элементов питания для успешного протекания процесса биоокисления в воде говорит соотношение органических веществ и биогенных элементов, которое выглядит БПК:№Р = 100 : 11 : 1,7 и не должно быть меньше, чем 100 : 5 : 1. Для биологических процессов необходимо поддержание реакции среды в пределах рН 6,5 - 8,5. В поступающей воде рН=7,5. Отрицательное влияние на ход биологических процессов оказывают залповые сбросы нефтепродуктов.
Характеристика осветленной воды. После сооружений механической очистки сточная вода имеет следующие показатели: рН-7,6; оседающие по объему -1,6 мл/л; взвешенные вещества - 67,6 мг/л; БПКПОлн натуральной пробы - 72,8 мг/л; ХПК- 211,5 мг/л. В процессе отстаивания из сточной воды выделилось 48% взвешенных веществ, 55 % оседающих веществ (по объему). Эффективность задержания взвешенных веществ в первичных отстойниках колебалась от 34 % (в феврале) до 56 % (в августе). Абсолютная цифра выноса изменялась от 52 мг/л до 71 мг/л. Осадок по объему уменьшился на 59 %. В процессе отстаивания БПКП0Лц снизилось на 38%. При снижении концентрации взвешенных веществ на 54 мг/л, соответственное снижение БПКП0ЛН составило 47 мг/л. В результате механической очистки стоков произошло снижение концентрации меди с 0,029 мг/л до 0,01 мг/л, что составило 66%, железа с 1,46 мг/л до 1,01 мг/л (31 %), свинца с 0,01 мг/л до 0,005 мг/л (50 %). Эффект очистки по нефтепродуктам составил 45 %. Концентрация нефтепродуктов после первичных отстойников составила 0,16 мг/л. Эффект очистки по жирам — 41 %. Реакция среды при отстаивании практически не изменяется. В результате сорбции и соосаждения произошло снижение ХПК на 34 %. Сульфаты и хлориды - показатели, не изменяющиеся в процессе механической очистки.
Характеристика очищенной воды. После сооружений биологической очистки сточная вода характеризуется следующими показателями: взвешенные вещества - 7,3 мг/л; БПКП0Л„ натуральной пробы - 7,65 мг/л; ХПК-78,3 мг/л; растворенный кислород - 5,9 мг/л; азот аммонийный - 2,61 мг/л; азот нитритов - 0,10 мг/л; азот нитратов - 9,40 мг/л. В, процессе биологической очистки произошло заметное снижение отношения БПК к ХПК. Это говорит о том, что в воде остались лишь биохимически не окисляемые примеси. Вынос ила из вторичных отстойников в течение года колебался от 6,9 мг/л до 7,7 мг/л. Наличие окисленных форм азота (нитриты и нитраты) является свидетельством глубоко прошедшего процесса нитрификации аммонийного азота. Очищенная вода имеет достаточный запас растворенного кислорода, что позволяет выполнить требования санитарных правил по выпуску сточных вод в открытые водоемы. Эффективность очистки всего комплекса сооружений составила: по взвешенным веществам - 93 %, по БПКП0ЛН - 93 %, по ХПК - 75 %.
Влияние выпуска стоков с очистных сооружений на состояние водоема. В течение теплого времени года, с мая по сентябрь, производился контроль за влиянием выпуска очищенных стоков на состояние воды в. р. Волге. По химическим показателям выпуск очищенных стоков на состояние водоема существенного влияния не оказывает. Так, фоновая концентрация взвешенных веществ составляет 8,3 мг/л, в точке выпуска — те же 8,3 мг/л. БПК5 натуральной пробы выше выпуска - 3,3 мг/л, на выпуске - 3,0 мг/л; азот аммонийных солей выше выпуска - 0,47 мг/л, на выпуске - 0,31 мг/л. Практически не меняется концентрация окисленных форм азота. Растворенный. кислород на выпуске - 8,1 мг/л, выше выпуска - 8,0 мг/л. В точке ниже выпуска на 1000 м результаты химических анализов следующие: взвешенные вещества -8,9 мг/л, БПК5 натуральной пробы - 2,9 мг/л, азот аммонийный - 0,26 мг/л, азот нитритов - 0,02 мг/л, азот нитратов - 0,07 мг/л, растворенный кислород - 8,2 мг/л. Количество бактерий группы кишечной палочки выше выпуска - 240x10 шт. в 1 л, в точке выпуска - 70x10 шт., ниже выпуска на 1000 м происходит незначительное увеличение до 86x10 шт. віл. Коли-фаги в точке выпуска и ниже выпуска не обнаружены.
Динамика изменений концентраций загрязнений и объемов поступающих стоков в течение года
Концентрации загрязнений в городских сточных водах в течение года подвержены- значительным колебаниям. Так максимальные концентрации;; могут превышать минимальные более чем в 2 раза. Для расчёта очистных. сооружений необходимы данные за длительный период времени. При выполнении же большинства работ, связанных с реконструкцией или новым строительством; одним из лимитирующих факторов являются сроки:
Проведена и: опубликована работа по нахождению? зависимостей; позволяющихпри минимальном количестве: проб, взятых в любой момент года; как можно более точно определить средние ш максимальные: значения концентраций? загрязнений в целом: за весь год. На основании? результатов! химических анализов; сточных вод г. Самары по поступающей воде за 1994 -2000 года анализировались пять показателей: суточный расход сточных вод, ХПК, БПК, азот аммонийный и фосфаты (по среднесуточным пробам) [112].
Два раза за год природные условия резко увеличивают расход сточных вод. В апреле из-за весеннего паводка происходит возрастание количества-сточных вод на 15 % (здесь и далее проценты берутся от среднего многолетнего значения). Менее значительный рост в ноябре (максимальное количество дождевых вод), отличие от октября 6 %. Влияние антропогенных факторов1 сказывается в июле-августе, пик отпусков снижает как промышленный, так и бытовой сток.
Концентрация БПК за год отражает сезонные колебания, имея при этом значительные перепады. В среднем величина БПК составляет 105 мг/л, при минимальном значении 92 мг/л в апреле и максимальном 120 мг/л в августе. Таким образом, отклонения от среднего значения составляют 13 и 14%.
В течение первых трёх месяцев БПК колеблется в районе средней величины. В апреле происходит резкий спад концентраций до минимального за год значения. Характерный- для этого времени года весенний паводок и таянье снега;, приводят к увеличению поступления на ГОКС сточных вод и соответственно- их разбавлению. В мае и июне происходит значительное увеличение БПК. Фактор высокой атмосферной температуры, а, следовательно и значительных испарений и увеличенного водопотребления (как на дупгу населения, так и на 1м2 озеленения), накладывается на практически максимальное количество жителей города. Июль — пик отпусков, происходит снижение концентраций. В августе достигается максимальное значение БПК за весь год. Одновременно количество поступающих на ГОКС сточных вод опускается до минимального значения за год. Именно на август приходится период индивидуальных заготовок (консервирования). А при обработке сельхозпродукции белки, жиры и углеводы в большом количестве попадают в канализацию. Учитывая то, что каждый второй житель г. Самары имеет дачный участок, то понятным становится рост БПК. В сентябре происходит спад концентрации до майского уровня. Большинство жителей вернулось в город, однако, температура ещё достаточно велика, поэтому водопотребление в целом возрастает за. счёт увеличения количества резидентов и всё ещё высокого уровня водопотребление на душу населения; В октябре: происходит понижение температуры, и как следствие, водопотребления (не только на душу населения; но и на бытовые нужды: полив, зеленых насаждений, тротуаров и дорог) приводит к увеличению величины.БИК до среднего значения; В ноябре:за счет осадков и осеннего паводка, происходит спад величины .БПК. В\ декабре концентрация органических веществ уменьшается до минимального завесь.год значения;
Выше рассматривались усреднённые колебания загрязнений. Конечно же; каждый год имеет ряд особенностей. В 1994 г. отсутствовали: июньский и августовский пики в связи с низкойі температурой; атмосферного воздуха и существенными осадками. В 1995 г.. «исчез» ярко выраженный, апрельский минимум, что объясняется-: затяжным паводком и продолжительными-осадками в;мае. Особенностью? 1996-г. является;абсолютный февральский минимум: Это произошло ві связт с ранними ж продолжительными- оттепелями: ВІ1997 г.. максимальное значение БПК достигается в, марте: (ранее- таянье: снега)? ш одновременное отмечается; ярко выраженный: октябрьский максимум: из-за продолжительных осадков.
Таким образом, многолетние1 наблюдения свидетельствуют о том, что? концентрация БПК в течение года в городских сточных водах г. Самары имеет ярко выраженную картину колебаний. Максимальные значения БПК достигаются июне и августе, минимальные - в апреле и декабре. То есть за год имеется два максимума и два минимума.
Изменение концентрации фосфатов в. течение года связано с температурными сезонными колебаниями и антропогенным воздействием. Изменение концентрации РО4 происходит наиболее резко: среднемесячное изменение составляет около:8%. Аналогичный, показатель.для БІЖполн" 7,1%,, для аммонийного азота -6%, для ХШК - 5\9 %. Отношение максимальной;и« минимальной концентраций для фосфатов: равно 1,44. Данныж коэффициент: является максимальным именно для: фосфатов. Для БПКП0ЛН он составляет 1,3, для аммонийного азота и ХПК - 1,23.
Минимальные значения концентрации фосфатов отмечены в апреле -81,5% от средней величины. Максимальное значение достигается в июле -114,3%. Анализируя полученные данные, очевидно, что в большинстве случаев при уменьшении притока сточных вод концентрация фосфатов идёт вверх, а при увеличении притока сточных вод концентрация загрязнений будет уменьшаться.
Объясняя или предсказывая динамику концентрации фосфатов нельзя забывать и о других факторах, таких как социально-бытовой уровень населения (непосредственно оказывающий влияние на характер основной пищи, потребляемой населением). Учитывая печальные события 17 августа 1998 года, легко объяснить спад концентрации фосфатов в 1998-2000 гг.
Динамика изменения аммонийного азота обратно пропорциональна расходу стоков в течение всего года, кроме летнего периода и конца года. Данное явление имеет место из-за содержания- аммонийного азота в промышленных водах. В период отпусков1 и в конце года отношение бытового стока к промышленному падает, и определяющим фактором для этого вида загрязнения» становится промышленность. График ХПК нарушает обратную зависимость только в конце года.
Исследования по очистке городскихсточных вод с применением технологии «АВ- процесса»
В стальной бак объемом 40 л заливались сточные воды из распределительного канала аэротенков. Для предотвращения выпадения взвесей бак был снабжен мешалкой. Из бака вода насосом-дозатором фирмы Prominent подавалась в аэротенк I ступени. Аэротенк представлял собой стеклянную колонну диаметром 100 мм и высотой 400 мм. Время нахождения воды в аэротенке составляло от 1,5 до 2,3 ч. В аэротенк с помощью аквариумного компрессора подавался воздух. Далее смесь сточной воды с активным илом поступала во вторичный отстойник, выполненный в виде стеклянной колонны, высотой 600 мм, диаметром 50 мм, с коническим днищем. Ил эрлифтом возвращался в аэротенк первой ступени, а очищенная вода поступала на вторую ступень. Денитрификатор был выполнен аналогично аэротенку первой ступени. Отличие заключалось в том, что в денитрифйкаторе для поддержания иловой смеси во взвешенном состоянии была установлена мешалка. После контакта очищаемой воды с илом в течение 1,8 - 2,7 ч в аноксидных-условиях, жидкость эрлифтом подавалась в нитрификатор. Последний был выполнен в виде стеклянной колонны диаметром 100 мм и высотой 1500 мм. Нитрифицированная смесь поступала в денитрификатор из нитрификатора за счет разницы в уровнях: В нитрификатор подавался воздух вторым компрессором. Продолжительность аэрации составляла 5,4-8,3 ч. После нитрификатора стоки направлялись в третичный отстойник - стеклянную колонну диаметром 50 мм с коническим днищем, высотой 1500 мм. Ил вторым насосом-дозатором подавался в денитрификатор, а очищенная сточная вода отводилась из установки. Для обеспечения работы эрлифтов вторичного отстойника и денитрификатора использовались еще два компрессора.
Результаты химических анализов исходной и очищенной воды по. ступеням лабораторной установки представлены в таблице 3.2.1. Динамика изменения концентраций загрязнений показана на рисунках 3.2.2-3.2.7.
Значения ХПК на выходе первой ступени четко повторяли ход кривой ХПК исходной воды (рисунок 3.2.2). Эффективность очистки по ХПК на 1-й ступени составила в среднем 23 %. ХПК на выходе в меньшей степени зависело от начальных значений. Эффективность очистки по ХПК на второй ступени составляла от 14 до 71 %. Средняя общая эффективность по двум ступеням — 74%.
Значения БПК5 на выходе 1— ступени частично повторяли ход кривой БГЖ5 исходной воды (рисунок 3.2.3). Эффективность очистки на 1-й ступени в среднем составила 65 %. Величины БПК5 на выходе практически не зависели от начальных значений. Эффективность очистки на 2-й ступени составила от 80 до 88 % по отношению к выходу 1-й ступени. Средняя общая эффективность по двум ступеням - 94 %.
Нитрификация на первой ступени не была развита глубоко, но имела постоянную эффективность более 50 % (рисунок 3.2.4). Отмечена корреляция содержания N-NH4 на входе в установку и на выходе первой ступени. Концентрации азота аммонийного на выходе второй ступени были в основном нулевые, за исключением опыта № 3 с высоким начальным значением.
Изменения концентраций фосфатов по ступеням очистки в течение всего эксперимента носили хаотический характер во всех трех точках (рисунок 3.2.7). Средние значения Р-Р04 на входе и выходе первой и второй ступеней были приблизительно равны и составляли в среднем 2,5 мг/л. Удаления фосфора в ходе эксперимента отмечено не было.
Технологические показатели установки, приведенные в таблице 3.2.2, подтверждают стабильность ее работы. Так, расход сточной воды, изменялся в интервале 1,5-2,3 л/ч. Доза ила на I ступени изменялась в пределах 2,0-2,5 г/л (за исключением опыта № 9), а на второй - от 1,5 до 2 г/л. При этом дозы ила в денитрификаторе и нитрификаторе во всех опытах были равны, что подтверждает хорошее перемешивание в аноксидной зоне. Во всех экспериментах, за исключением №№ 1 и 2, отмечалось снижение рН на 0,1-0,2. На первой ступени наблюдалось достаточно эффективное снижение взвешенных веществ. Среднее остаточное содержание взвеси составило 10 мг/л. Третичный отстойник работал менее эффективно. В результате концентрации взвешенных веществ после II ступени повышались в среднем до 13 мг/л.
Иловые индексы колебались в пределах 80-133 см /г, причем в денитрификаторе и нитрификаторе во всех опытах были одинаковы. Средние значения илового индекса на I и II ступенях были одинаковыми и составили 105 см /г. Поэтому увеличение концентрации взвешенных веществ после второй ступени по сравнению с первой объясняется, вероятно, нарушениями в работе третичного отстойника, а не состоянием активного ила 2-й ступени.
Зольность активного ила в течение эксперимента не изменялась и составляла 0,3. Нагрузка на ил по БПК5 на 1-й ступени изменялась в основном в пределах 419-699 мг/(г-сут) (за исключением опытов № 7 и 10 с низкой нагрузкой) при среднем значении 500 мг/(г-сут), на 2-й ступени - в основном от 39 до 65 мг/(г-сут) (за исключением опытов № 6 и 8, соответственно с более низкой и более высокой нагрузкой) при среднем значении 53 мг/(г-сут).
