Содержание к диссертации
Введение
1 Методические основы и оптимизация техники снижения выбросов парниковых газов в водном комплексе жилищно-коммунального хозяйства 9
1.1 Экологическая оценка водного комплекса жилищно-коммунального хозяйствас позиций парникового эффекта 10
1.2 Структурный подход в оценке эмиссии парниковых газов в водном комплексе жилищно-коммунального хозяйства 14
Выводы по 1 главе, постановка цели и задач исследований 27
2 Теоретические основы выделения диоксида углерода в водных технологиях ... 29
2.1 Алгоритм определения эмиссии углекислого газа в атмосферу при реагентной обработке вод 29
2.2 Особенности процесса эмиссии СОг в атмосферу при очистке сточных вод 31
2.3 Микробиологические процессы, происходящие при очистке сточных вод 36
2.3.1 Деазотазация сточных вод как составная часть биологического круговорота азота 37
2.3.2 Восстановление оксидов в процессе денитрификации 43
2.3.3 Биологическая азотфиксация 45
2.3.4 Дефосфатизация сточных вод 47
Выводы по 2 главе 64
3 Техника и результаты оценки выбросов диоксида углерода в водном комплексе ЖКХ 66
3.1 Методика и результаты исследований эмиссии С02 при очистке сточных вод 66
3.2 Влияние процессов нитрификации на величину эмиссии С02 в атмосферу ... 76
3.3 Анаэробное «дыхание» денитрификаторов 79
Выводы по 3 главе 81
4 Определение выбросов диоксида углерода в отдельных элементах водного комплекса ЖКХ 83
4.1 Эмиссия диоксида углерода при транспортировании сточных вод
4.2 Эмиссия диоксида углерода при утилизации осадков сточных вод 84
4.2.1 Эмиссия диоксида углерода при утилизации осадков сточных вод в процессе компостирования 86
4.2.2 Эмиссия диоксида углерода при утилизации осадков сточных вод в сельском хозяйстве 88
4.2.3 Использование нетрадиционных источников органического углерода в сельском хозяйстве 4.3 Эмиссия диоксида углерода при сбросе сточных вод в водоем 92
4.4 Контроль режимов очистки сточных вод по эмиссии газов 105
Выводы по 4 главе 109
5 Методика и программный комплекс расчета эмиссии диоксида углерода в водных технологиях
5.1 Оперативно - менеджерская оценка режима очистки сточных вод по эмиссии диоксида углерода
5.2 Ранжировочные ряды водных технологий с позиций эмиссии парниковых газов 115
5. 3 Программный комплекс для расчета эмиссии С02 от объектов водного комплекса жилищно-коммунального комплекса 120
Выводы по 5 главе 127
Основные выводы 129
Литература
- Структурный подход в оценке эмиссии парниковых газов в водном комплексе жилищно-коммунального хозяйства
- Микробиологические процессы, происходящие при очистке сточных вод
- Влияние процессов нитрификации на величину эмиссии С02 в атмосферу
- Эмиссия диоксида углерода при утилизации осадков сточных вод в сельском хозяйстве
Структурный подход в оценке эмиссии парниковых газов в водном комплексе жилищно-коммунального хозяйства
Известно также устройство, в котором задача удаления азота из сточных вод решена введением денитрификатора. Однако данное устройство отличается сложностью конструкции и наличием одной аноксиднои зоны, что увеличивает кратность циркуляции, и, следовательно, влечет за собой повышение энергоемкости устройства. В устройстве не предусмотрена возможность удаления фосфора, а также недостаточна степень очистки по органическим загрязнениям, поэтому при сбросе очищенной воды в водоемы рыбохозяйственного значения требуется дополнительное оборудование [51].
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемым результатам к данному изобретению является станция глубокой очистки сточных вод, описанной ниже.
Станция содержит аэротенки-отстойники первой и второй ступеней, расположенные последовательно, денитрификатор, биореактор, угольный фильтр, а также трубопроводы подачи обрабатываемой воды, сжатого воздуха и реагентов. Недостатком данного устройства является наличие разнообразного, в т.ч. энергоемкого оборудования (воздуходувки, насосы, реагентный узел), что усложняет и значительно удорожает эксплуатацию [52].
Устройство биологической очистки сточной жидкости [50] направлено на создание дополнительных анаэробной и аноксидных зон с иммобилизованными и взвешенными культурами микроорганизмов, уменьшением энергозатрат без усложнения технологического оборудования.
Это достигается тем, что устройство снабжено анаэробной камерой для культивирования рециркулирующего возвратного активного ила, где происходит высвобождение фосфатов из активного ила в жидкую фазу. После возврата активного ила в аэробные условия начинается интенсивное потребление фосфатов из очищаемой воды. В чередующихся анаэробных и аэробных зонах используется сочетание прикрепленных и взвешенных культур. Для того, чтобы обеспечить процесс очистки обрабатываемой воды, а также аэрацию обрабаты 50 ваемой воды в аэробных зонах и только лишь при работе рециркулирующего насоса, данное устройство оборудовано цилиндроконическими вертикально установленными корпусами с перепадом уровней обрабатываемой воды. В ци-линдроконическом корпусе с повышенным уровнем обрабатываемой воды размещена камера пост-аэрации. Необходимое количество активного ила в рецир-кулирующей иловой смеси достигается флотацией пузырьками воздуха, всасываемого струйным аэратором. В корпусе с пониженным уровнем обрабатываемой воды размещена камера биореактора с псевдоожиженным слоем зернистого сорбирующего материала и уплотненным взвешенным фильтром из активного ила с развивающейся культурой денитрификаторов, камера газоотделения и камера отстаивания. В камере биореактора размещены конусные илоотводящие воронки с трубопроводами отвода возвратного активного ила. Они расположены вершинами друг к другу по оси восходящего потока иловой смеси и образуют линейчатую поверхность конуса второго порядка, которая уменыпет площадь живого сечения камеры биореактора и изменяет скорость восходящего потока иловой смеси, удерживающие в пространстве между основаниями ило-отводящих воронок уплотненный взвешенный фильтр из активного ила, содержащего культуру денитрификаторов. В верхней части цилиндрического корпуса с пониженным уровнем обрабатываемой воды коаксиально установлена цилиндрическая перегородка, которая образует камеры газоотделения и отстаивания. Это позволяет предотвратить вынос частичек ила пузырьками выделяющегося азота в камеру отстаивания. Перепад уровней обрабатываемой воды в ци-линдроконических вертикально установленных корпусах обусловлен потерями напора при прохождении обрабатываемой воды из одного корпуса в другой. Камеры аэрации и пост-аэрации оборудованы носителем иммобилизованной культуры нитрификаторов для того, чтобы воспрепятствовать вымыванию из аэробных зон медленно растущей культуры нитрификаторов. Поступающая обрабатываемая вода вначале подвергается обработке взвешенной культурой активного ила, а затем иммобилизованной культурой нитрификаторов, так как камера аэрации оборудована струенаправляюшими перегородками. На рисунке 2.5 представлен продольный разрез устройства.
Устройство работает следующим образом. Рециркулирующий возвратный активный ил и исходная сточная вода поступают в смеситель, где, смешиваясь, изливаются в подающий стояк. Насыщенная воздухом иловая смесь поступает в нижнюю часть камеры сорбции, поднимается вверх и создает взвешенный слой активного ила. При этом происходят сорбция растворимых органических веществ, использование растворенного кислорода и образование хлопьев активного ила. Иловая смесь поступает через кольцевую щель в камеру анаэробного культивирования возвратного активного ила, где происходит отделение ила от воды. Осветленная вода собирается желобом, а активный ил оседает в нижнюю часть камеры и, уплотняясь, находится в анаэробных условиях в течение определенного времени, происходят процессы высвобождения фосфора из активного ила и анаэробная деструкция органических загрязнений. Высвобожденный от фосфатов возвратный активный ил поступает во всасывающий трубопровод рециркуляционного насоса по трубопроводу через задвижку, регулирующую его количество. Осветленная вода из сборного желоба трубопроводами поступает соответственно в камеры аэрации и денитрификации. Количество осветленной воды, поступающей в камеру денитрификации, как органического субстрата для культуры денитрификаторов, регулируется задвижкой.
Микробиологические процессы, происходящие при очистке сточных вод
Используя лишь животноводческие сточные воды для улучшения возделывания сельскохозяйственных культур, можно получить в пересчете на зерно дополнительный урожай свыше 7 млн. т зерна (цит. по Богатырев, 1999).
Наряду с применением в качестве удобрений навоза, навозной жижи, птичьего помета, компостов, соломы, опилок, лесного опада, зеленых растений, сапропеля, большой интерес представляет использование в качестве местного удобрения канализационного ила - осадка сточных вод (ОСВ) городских очистных сооружений.
По ориентировочной оценке общее количество ОСВ на станциях России в 1995 году составило свыше 10 млн. т по сухому веществу. Из существующих методов утилизации осадков наиболее надежным и экологически выгодным является метод почвенного удаления. Выявлено, что 10 млн. т осадков сточных вод по содержанию сухого вещества, основных элементов питания и удобрительной ценности равноценны примерно 50 млн. т навоза. Использование части ОСВ на удобрения позволит сохранить значительное количество минеральных туков, уменьшит дефицит гумуса.
Из литературных данных следует, что в большинстве случаев по удобрительной ценности ОСВ не уступают подстилочному навозу (Агрохимия, 1975). Отечественный и зарубежный опыт использования осадка сооружений биологической очистки сточных вод свидетельствует о перспективности способа его утилизации в качестве удобрения при отсутствии токсичных примесей, в частности, соединений тяжелых металлов. В Германии, например, из 50 млн. т ежегодно образующихся осадков в качестве удобрения используется примерно 30 %, депонируется до 60 % и сжигается не более 10% (Reimann, 1990). В Нидерландах, при ежегодном количестве 5.5 млн т ила до 70 % используется в качестве удобрения. Определенный опыт такой утилизации имеется в Швейцарии, Индии, Италии, Испании, Египте, Нигерии и других странах (25 - 32).
Основные технические и технологические проблемы использования остаточных илов прямо связаны с сельским хозяйством. Правильное применение ОСВ позволит повысить плодородие почв и урожайность сельскохозяйственных культур, обеспечит охрану окружающей среды. Осадки сточных вод индивидуальны по своему химическому составу. На настоящий момент это пока малоизученные удобрения, что нередко создает весьма подозрительное к ним отношение.
В сточных водах возможен спонтанный процесс образования новых, неизвестных соединений, механизм формирования которых существующими методами установить чрезвычайно трудно. Илы некоторых очистных сооружений обладают выраженной фитотоксичностью, которая может быть обусловлена загрязнением этих осадков органическими соединениями, обладающими герби-цидными свойствами [59-73].
Однако основным фактором, сдерживающим применение ОСВ в растениеводстве, является наличие в них солей тяжелых металлов, влияние которых на почву, растения и безвредность продуктов мало изучено [59-73]. Следовательно, для оптимального решения данного вопроса имеется ряд трудностей и много еще неразрешенных задач.
Для правильного использования осадков городских сточных вод в качестве удобрений, необходимо в каждом конкретном регионе организовать всестороннее изучение их химического состава, определить влияние ОСВ на плодородие почв, урожай и качество сельскохозяйственных культур.
Наиболее рациональным и перспективным способом утилизации осадков сточных вод (ОСВ) является использование его в качестве органического удобрения в сельском хозяйстве пригородных зон при возделывании зерновых и технических культур, при озеленении городов. К тому же осадки иловых полей характеризуются высоким содержание общего азота, фосфора, калия, что делает их ценным источником и минеральных компонентов питания.
Необходимое условие подготовки ОСВ к использованию в сельском хозяйстве - предварительное обеззараживание от патогенной микрофлоры. Но еще раньше необходимо вводить жесткое ограничение попадания в городскую канализацию промышленных сточных вод, содержащих избыточное количество тяжелых металлов.
К настоящему времени в научной литературе накопилось достаточное количество сведений, подтверждающих положительное влияние внесения ОСВ на плодородие различных почв, в том числе и почв, характеризующихся высоким природным плодородием (например, черноземов). В конечном счете, это способствует повышению урожайности сельскохозяйственных культур.
Однако влияние использования ОСВ в качестве удобрений на эмиссию парниковых газов практически не изучено. Между тем, в свете решений Киот-ского соглашения это становится чрезвычайно важной экономической задачей. Целью данных исследований являлась оценка влияния внесения ОСВ в чернозем обыкновенный на эмиссию парниковых газов. Для реализации цели исследований необходимо было изучить влияние внесения ОСВ в чернозем обыкновенный на эмиссию СОг и 0 изучить возможность совместного внесения ОСВ с биологически активными веществами с целью оптимизации процесса эмиссии парниковых газов. Исследованы два образца №3 - контрольный образец, представляющий собой осадок сточных вод (СОСВ) с периодом складирования более 14 дней и №2 - опытный образец из компоста, полученного смешивание СОСВ с термоизмененными отвальными породами угольных шахт «ЦОФ-Гуковская» в соотношении 5:1. Результаты анализа представлены в таблице 4.2.
Влияние процессов нитрификации на величину эмиссии С02 в атмосферу
В аэротенках протекают процессы биодеградации органических загрязнений, нитрификации (различной интенсивности), эти процессы могут сопровождаться падением рН, смещением углекислотного равновесия в сторону образования свободной углекислоты и соответствующим снижением Щ. Если, «биологические процессы» приведут к уменьшению рН в аэротенке менее 6,4 (при температуре 15С и 6,2 при температуре 20С), то при значение Щ в исходной воде 4,5 мг-экв/л и менее, эмиссия С02 наряду с «биологическими» процессами, будет обусловлена и «химическими». В соответствие с вышеприведенными расчетами рассмотрим вклад каждой составляющей процесса эмиссии С02 в аэротенках очистных сооружений (по позициям): 1 - рН = 7,1; Щ = 3 мг-экв/л БПК=110 мг02/л; процесс нитрификации протекает в незначительной степени: концентрация свободной углекислоты -«вклад биологической» составляющей - 68 мг/л (расчетная схема см. раздел 4.3.3), «химической» - 30 мг/л, суммарное значение - 98 мг/л соответствующая концентрация равновесной углекислоты составляет 80 мг/л, следовательно имеется избыточное значение С02 и возможна эмиссия, что и наблюдается на данных очистных сооружениях. Позиция 2-3 и 4 соответствуют очистным сооружениям г. Ростова-на-Дону, известно, что в аэротенках поз. 2 и 3, происходит значительное снижение рН (менее 6) и нитрификация протекает не стабильно (снижение составляет 10 и менее N-N04"), что наряду с высокими концентрациями органических веществ в сточной воде (БПКп=370 мг02/л), приводит к значительной эмиссии С02. Напротив, в аэротенке поз.4 рН поддерживают на уровне 7,7-8,0 (введение извести), наблюдается интенсивная нитрификация (снижение азота аммонийного происходит на 40 мг/л по N-NCV), БПК = 130 мг02/л - в этом случае над аэротенком -нитрификатором наблюдается концентрация углекислого газа в 6 раз меньше чем над аэротенками поз. 2 и 3. То же можно сказать и о сооружениях поз. 5 -7: относительно невысокое значение БПКП0ЛН (190 - 120 мг02/л), развитый процесс нитрификации (снижение N-NCV составляет 30-15 мг/л), наряду с рН в сооружениях более 6,5, приводит к выделению углекислого газа на уровне значений, характерных для аэротенка-нитрификатора (поз. 4).
Хозяйственно-бытовые сточные воды (в т.ч. и городские), как правило, имеют значения рН и Щ не приводящие к наличию избыточной углекислоты, способной к эмиссии в атмосферу, однако в процессе очистки «биологический» фактор может провоцировать эмиссию С02 .
В процессе транспортировки сточных вод идет накопление С02 в сточной воде и при превышении концентрации свободной углекислоты некоторого «безопасного» уровня, наблюдается интенсивный выход углекислого газа с водной поверхности открытых сооружений.
Количественные значения парциального давления углекислого газа в атмосфере над очистными сооружениями зависят в, основном, от эффективности работы аэротенков. При наличие процесса нитрификации парциальное давление С02 над поверхностью сооружений уменьшается.
Для оперативного контроля эффективности и экологизации работы сооружений канализации целесообразно выбрать «оценочный показатель», который одновременно может характеризовать и «химический» и «биологический» факторы, влияющие на величину эмиссии С02. Представительным оценочным параметром может быть показатель окислительно-восстановительных процессов - гН2. гН2, с одной стороны непосредственно связан с рН среды (уравнение Нернста), ответственным за смещение углекислотного равновесия в системе («химический» фактор). С другой стороны, гН2 характеризует окислительно-восстановительную обстановку в системе, а, следовательно возможность нитрификации и интенсивность процесса биодеградации.
Объективное повышение парциального давления С02 при температуре 12 - 20С (характерной для сточных вод) наблюдается при сочетании значений Щ менее 1мг-экв/л и рН менее 6,8. При щелочности от 2,5 до 3,5 мг-экв/л поступление углекислоты в атмосферу возможно при рН менее 6,5, при Щ более 4мг-экв/л, при рН менее 6,4. В данном случае речь идет о «химическом» факторе. Следовательно, в период очистки сточных вод следует поддерживать рН не ниже 6,8, с учетом поступления свободной углекислоты в период биодеградации органических загрязнений, целесообразно поддерживать рН системы не ниже 7,2 (согласно опытным данным, минимальная эмиссия С02 наблюдалась на сооружениях, в аэротенках которых поддерживали стабильно высокие значения рН)
Значение гН2 равное 28, является «нейтральным» в смысле окислительно-восстановительных условий (эта величина определяется из уравнения диссоциации водяного пара на кислород и водород), следовательно, окислительная обстановка в системе наблюдается при значении гН2 более 28 .
Эмиссия диоксида углерода при утилизации осадков сточных вод в сельском хозяйстве
Расчетный комплекс позволит оперативно оценивать и регулировать работу всех сооружений очистки сточных вод с применением парциального давления СОг как интегрального показателя.
Обобщая экспериментально установленные значения, в качестве косвенных характеристик и оценки режимов работы ОСК по эмиссии СОг можно рекомендовать в первом приближении принимать следующие данные (превышение допустимых интервалов является нарушением режима эксплуатации): обработка осадка: аэробная стабилизация - 0,25%; накопитель смеси осадка и избыточного ила - 0.2%; смесь осадка и активного ила после мехобез-воживания - 0,28% иловые площадки - 0,05%.
Для оперативной оценки для каждых конкретных очистных сооружений следует составить режимную карту с указанием технологических процессов, допустимых интервалов их эксплуатации, а также их нарушения, увязав с соответствующими значениями эмиссии диоксида углерода. Данный подход позволит вести экспресс - и оперативный контроль режима работы, предотвращая аварийные ситуации на очистных сооружениях [85, 87, 119].
Оперативно-менеджерская оценка работы коммунальных сооружений получила в настоящее время широкое распространение в Америке и Европе. Эту методику можно распространить на анализ деятельности водного комплекса ЖКХ. Одним из подходов при этом может быть оперативно-менеджерская оценка по эмиссии ОС2. 2. Экспериментально определено, что для каждой стадии очистки сточных вод может быть установлена величина эмиссии углекислого газа, характеризующая нормальный режим работы сооружений. Например, для первичного отстойника она составляет 0,6%, аэротенка-вытеснителя - 1%, вторичного отстойника - 0,6%. 3. Для контроля эффективности работы очистныхсооружений необходим показатель, характеризующий и химический, и биологический факторы, влияющие на величину эмиссии С02, такой как гН2. 4. На основе выявленных экспериментально закономерностей разработан программный комплекс для определения эмиссии С02. Исходные данные -температура, рН, щелочность, биохимическое потребление кислорода и т.п., с учетом фоновой концентрации С02 в атмосфере. Также экспериментально выявлены допустимые интервалы изменения эмиссии СОг, превышение которых является показателем нарушения режима эксплуатации.
1. Очистные сооружения сточных вод, являясь природоохранными объектами, вносят загрязнение в окружающую среду, однако контроль их газовых выбросов практически отсутствует. В настоящее время в России и в мире отсутствуют системы мониторинга эмиссии парниковых газов от водного комплекса жилищно-коммунального хозяйства. Целесообразным является изучение поступления С02 в атмосферу от различных объектов, относящихся к водному комплексу ЖКХ и создание теоретической базы для разработки четкой системы контроля и регулирования работы очистных сооружений, а также разработка рекомендаций по минимизации выбросов.
2. Основными факторами, определяющими эмиссию СОг, являются рН и щелочность воды. Температура и величина солесодержания опосредованно влияют на этот процесс, повышая или понижая величину первой константы диссоциации угольной кислоты. Повышение парциального давления СОг при температуре от 12 до 20С (характерной для сточных вод)происходит при щелочности менее 1 мг-экв/л и рН менее 6,8.
3. Существует взаимосвязь, наглядно проявляющаяся между парциальным давлением углекислоты над поверхностью сооружений и процессами, происходящими в них. В частности, в сооружениях биологической очистки количество органики, трансформированной в С02, составляет 43-45%. При этом на формирование 1 моля СОг требуется 2 моля кислорода. Зная это, можно рассчитать количество свободной углекислоты.
4. Режим работы очистных сооружений можно контролировать оперативно по изменению парциального давления диоксида углерода, которое достаточно информативно и быстро измеряется с помощью индикаторных трубок. Данный факт может быть положен в основу экспресс - методики контроля режима работы сооружений очистки сточных вод.
5. На основании оперативно-менеджерской оценки по эмиссии парниковых газов производится ранжирование факторов, негативно влияющих на сточных вод, определяются приоритетность и последовательность совершенствований технологического или гидравлического режимов, что осуществляется в несколько этапов. Для каждого из этапов очистки установлена величина эмиссии диоксида углерода, характеризующая нормальный режим работы. Например, для аэротенков-вытеснителей - 1%, вторичных отстойников - 0,6%, сооружений по обработке осадков - 0,05-0,28% в зависимости от метода обработки.
6. На основе выявленных закономерностей, описывающих процесс выделения углекислого газа в атмосферу при очистке сточных вод и влияющих на его интенсивность, был разработан расчетный комплекс для определения эмиссии СОг. Для получения универсальной модели расчета, применимой для широкого диапазона внешних условий и показателей, были конкретизированы исходные параметры, которые прямо или косвенно оказывают влияние на процесс и, соответственно, на результат расчета. Расчетный комплекс позволит оперативно оценивать и регулировать работу всех сооружений очистки сточных вод с применением парциального давления СОг как интегрального показателя
