Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Эвтрофирование водных объектов и приемы очистки сточных вод от соединений фосфора и азота (обзор литературы) 15
1.1 Причины, обусловившие необходимость очистки сточных вод от биогенных веществ - соединений азота и фосфора /5"
1.2 Нормирование содержания соединений фосфора и азота в городских сточных водах
1.3 Совместное удаление из сточных вод биогенных веществ 1Ь
1.4 Удаление из сточных вод соединений фосфора ЬЬ
1.5 Удаление из сточных вод соединений азота ІФ
ГЛАВА 2 Задачи и методика проведения исследований А
2.1 Задачи исследований Ь%
2.2 Методика проведения исследований 63
ГЛАВА 3. Удаление соединений фосфора №
3.1 Биолого-химическая очистка #3
3.1.1 Теоретические основы химического удаления фосфора на станциях биологической очистки lb.
3.1.2 Результаты лабораторных испытаний эффективности применения различных реагентов для очистки сточных вод П
3.1.3 Результаты полупроизводственных исследований биолого-химической очистки І0\
3.1.4 Производственные испытания технологии симультанного осаждения на очистных сооружениях г. ТихвинаW
3.1.5 Возможность замены реагентов отходами промышленных производств
З.2 Биологический метод ilh
3.2.1 Теоретические представления о процессе. Основные направления исследований биологического метода удаления фосфора \ЬЬ
3.2.2 Лабораторные исследования. Роль анаэробных процессов в технологии биологического удаления фосфора
3.2.3 Исследование технологии биологического удаления фосфора на опытно-технологической установке
3.2.4 Обработка иловой воды и пути использования осадка
3.2.5 Исследования технологии биологической очистки в опытно-промышленных условиях на очистных сооружениях г. Тихвина \1$.
3.2.6 Рекомендуемая технологическая схема процесса биологического удаления из сточных вод соединений фосфора и расчетные параметры сооружений
Выводы
ГЛАВА 4. Удаление соединений азота lib
4.1 Метод нитрификации-денитрификации (теоретические основы) Ш
4.1.1 Исследование процесса нитрификации - денитрифи-кации в опытно-промышленных условиях на очистных сооружениях г. Челябинска
4.1.2 Оценка перемешивающих устройств №Н
4.1.3 Моделирование и расчет сооружений нитрификации-денитрификации
4.2 Использование иммобилизованной микрофлоры для удаления соединении азота
4.2.1 Обоснование выбора носителя %%Ь
4.2.2 Лабораторные исследования закономерностей изъятия загрязняющих веществ иммобилизованной микрофлорой 1Ьо
4.2.3 Пилотные испытания двухступенчатой технологии с использованием иммобилизованной и взвешенной микрофлоры 1НЧ
4.2.4 Расчет очистных сооружений tb5
4.3 Биологическая доочистка с использованием иммобилизован
ной микрофлоры $9
4.3.1 Экспериментальные исследования і6>S
4.3.2 Моделирование и расчет "сухих" фильтров 2-90
Выводы 2-35"
ГЛАВА 5. Совместное удаление азота и фосфора ZS&
5.1 Особенности одноиловых систем биологического удаления биогенных веществ 1%%
5.2 Возможные схемы очистки сточных вод от биогенных веществ 5Q5
5.3 Примеры использования рекомендуемых технологий b-j^
Выводы
ГЛАВА 6. Технико-экономическая оценка реализации технологий удаления биогенных веществ из сточных вод
Выводы
Общие выводы ьъ5
Литература
- Нормирование содержания соединений фосфора и азота в городских сточных водах
- Теоретические основы химического удаления фосфора на станциях биологической очистки
- Лабораторные исследования. Роль анаэробных процессов в технологии биологического удаления фосфора
- Моделирование и расчет сооружений нитрификации-денитрификации
Введение к работе
Предотвращение дальнейшего развития процессов антропогенного эвтрофирования и восстановление качества воды водных объектов требуют решения весьма сложной и дорогостоящей проблемы максимального снижения сброса в них биогенных веществ - соединений азота и фосфора.
Необходимость в решении этой проблемы связана не только с природоохранными и рыбохозяйственными целями, но и с преодолением больших трудностей, возникающих при водоподго-товке для питьевого и промышленного водоснабжения из эв-трофных водоемов.
Одним из постоянных источников поступления биогенных загрязняющих веществ в водные объекты являются городские сточные воды, из которых при общепринятых технологиях биологической очистки не обеспечивается удаление азота и фосфора до требуемых нормативов.
В связи с этим во многих странах мира, в том числе и в нашей стране, ведется разработка методов очистки городских сточных вод от соединений азота и фосфора. Накоплены значительные знания по теоретическим представлениям о сущности процессов и опыт по созданию сооружений и реализации отдельных методов очистки.
Введенные в последние годы отечественные нормативы к сбросу в водные объекты биогенных веществ значительно превышают мировые стандарты и определяют необходимость в усовершенствовании имеющихся и разработке новых технологий и конструкций сооружений для удаления биогенных веществ из городских сточных вод.
Работы выполнялись
- в рамках наиболее важных народнохозяйственных программ:
ГКНТ СССР 0.85.01, раздел 09 на 1981-1985 гг.; ГКНТ СССР 0.85.02 разделы 02.14.Т, 02.013.Т на 1986-1990гг.;
по постановлению СМ СССР "О дополнительных мерах по обеспечению охраны и рациональному использованию природных ресурсов озер Ладожского, Онежского и Ильмень";
по планам НИР и ОКР Минжилкомхоза РСФСР;
в рамках "Межправительственного Российско-Финляндского соглашения по научно-техническому сотрудничеству в области очистки природных и сточных вод", 1993-1995гг.
- по прямым договорам с Водоканалами городов: Тихвин,
Десногорск, Екатеринбург, Обнинск и др., и проектны
ми институтами: ЦНИИЭП и.о., "Водопроект С.
Петербург", Гипрокоммунводоканал и др.
Целью работы явилось научное обоснование и разработка эффективных технологических процессов и сооружений для удаления из городских сточных вод биогенных веществ (азота и фосфора) с учетом нормативов, установленных в России.
Научная новизна исследований заключается в следующем:
установлены основные закономерности процессов биолого-химической очистки с учетом влияния реагента на скорость окисления органического вещества реагента, вводимого в аэро-тенк;
теоретически и экспериментально обоснована роль анаэробного процесса в технологии биологического удаления
фосфора. Установлены основные закономерности процессов в технологии биологического удаления фосфора с анаэробной обработкой рециркулирующего активного ила;
обосновано применение синтетических вспененных материалов в качестве носителей иммобилизованной микрофлоры для интенсификации процессов нитрификации-денитрификации и окисления органических веществ;
разработан способ биологической доочистки от органических веществ и аммония солевого на "сухих" фильтрах и установлены основные закономерности этого процесса.
Научно-практическая новизна результатов исследований и принятых на этой основе технических решений подтверждена патентами РФ: №1695630, №1708776, №1699132, №4938987, №4938811, №4938812, №2049736.
Практическая значимость работы состоит в следующем: Разработаны технологические схемы совместного удаления азота и фосфора из городских сточных вод. Разработаны технологические процессы:
биолого-химической очистки с использованием железо-и алюминий содержащих реагентов при введении в различные сооружения биологической очистки и доочистки;
биологического удаления фосфора с анаэробной обработкой рециркулирующего ила;
двухступенчатой биологической очистки сточных вод от соединений азота с использованием микрофлоры, иммобилизованной на синтетическом вспененном носителе. Предложено конструктивное решение сооружений;
технология и конструкция «сухих» фильтров с зернистой загрузкой из синтетического вспененного материала для
биологической доочистки сточных вод, в том числе от соединений азота.
Отработана на опытно-промышленных сооружениях технология нитрификации-денитрификации со взвешенной микрофлорой с использованием органических веществ сточной воды в качестве субстрата.
Предложены методики расчета сооружений:
биолого-химической очистки;
биологического удаления фосфора с анаэробной обработкой рециркулирующего ила;
нитрификации-денитрификации со взвешенной биомассой;
биологической очистки сточных вод от органических веществ и соединений азота с микрофлорой, иммобилизованной на вспененном синтетическом носителе;
- «сухих» фильтров с зернистой загрузкой из вспененого
материала для биологической доочистки.
Приняты Межведомственными приемочными комиссиями и рекомендованы для применения на очистных сооружениях канализации городов России технологические процессы (Приложение 1):
биологического удаления фосфора (г.Тихвин);
удаления азота (нитрификация-денитрификация)(г.Челябинск);
- совместного удаления азота и фосфора (г.Тихвин).
Изданы рекомендации для применения биолого-химической
очистки (1"ое и 2~ое издание изд. ОНТИ АКХ) . Результаты исследований биолого-химического метода очистки от фосфора включены в Справочное пособие к СНИП "Проектирование сооружений для очистки сточных вод" М. «Стройиздат»,1990.
Разработаны рекомендации для проектирования новых и реконструкции действующих очистных сооружений городов: Тих-
і о
вина, Моршанска, Обнинска, Екатеринбурга, Саратова, Чебоксар и Новочебоксарска, Десногорска, Твери, Череповца, Акмо-лы и др. (порядка 20 городов и поселков в России и за рубежом (Мексика).
Разработанные рекомендации использованы в проектах городов: Нарвы (ГПИ Ленинградский Водоканалпроект, г.Санкт-Петербург) , Череповца, Обнинска, Тихвина, Монино, Сургута (ЦНИИЭП и. о., г.Москва), Плавска (ВНИПИпромтехнология, г.Москва.), Моршанска (Экохимпроект, г.Тамбов), Чебоксар, Новочебоксарска, Валдая, Тихвина ("Водопроект - С.Петербург", г.Санкт-Петербург), Пярну (Эстонпроект, г.Таллин), Твери (Гипрокоммунводоканал, г.Москва), очистных сооружений санатория им. Цюрупы Воронежской области (Ку-рортпроект, г.Москва).Разработан проект установки полной заводской готовности контейнерного типа (НПП "Инжеко", г.Москва).
Начато изготовление установок заводского изготовления контейнерного типа на заводе «ТРАНСМАШ - Кировский завод» (г.Тихвин).
Оказывается научно-методическая помощь проектным организациям (в т. ч. Гипрокоммунводоканалу, Союзводо-каналпроекту, Л/О Гипрокоммунводоканала, ЦНИИЭП и.о., Хим-прому, Гипротрансу и др.), а также Водоканалам городов (Ленинград, Москва, Чебоксары, Сарапул, Екатеринбург, Тихвин, Саратов, Челябинск и др.) и областей; Московской области, Ленинградской области и др.
На защиту выносятся:
результаты теоретических и экспериментальных исследований основных закономерностей биолого-химического и биологического процессов удаления фосфора из городских сточных вод, результаты технологической оценки перспективности использования обогащенного фосфором осадка в качестве мелиоранта (удобрения для подщелачивания почв);
результаты теоретических и экспериментальных исследований нитрификации-денитрификации и основные закономерности процессов очистки сточных вод с использованием иммобилизованной микрофлоры на вспененных синтетических носителях со взвешенным активным и прикрепленным илом для удаления азота;
результаты технологических исследований основных закономерностей биологической доочистки сточных вод от аммония солевого на «сухих» фильтрах с зернистой загрузкой из вспененного синтетического материала;
особенности решений и конкретные технологические схемы совместного удаления из городских сточных вод соединений азота и фосфора;
технико-экономический анализ предложенных технологий удаления азота и фосфора и их оценка в решении проблемы охраны окружающей среды.
Личный вклад диссертанта. Определены основные направления исследований по разработке технологий удаления из городских сточных вод биогенных веществ. На основании исследований, проведенных под руководством автора и при его непосредственном участии, установлены основные закономерности процессов биолого-химической очистки, биологической нитри-
\i
фикации-денитрификации с использованием взвешенной и иммобилизованной микрофлоры, биологического удаления фосфора, биологической доочистки фильтрованием с использованием иммобилизованной микрофлоры; разработаны новые высокоэффективные технологии и конструкции очистных сооружений.
Апробация работы. Основные положения, изложенные в диссертационной работе, рассмотрены и обсуждены на следующих симпозиумах, конференциях и семинарах:
V Всесоюзном научном симпозиуме по проблемам самоочищения и регулирования (Таллин, 1975г.); Научно-технической конференции молодых специалистов ГПИ Союзводоканалпроекта и ВНИИ ВОДГЕО ГОССТРОЯ СССР (Москва, 1978 г.); III Всесоюзном симпозиуме по антропогенному эвтрофированию природных вод (Черноголовка, 1983 г.); Семинаре-совещании по "Невской проблеме", (Ленинград, 1984г.); научно-технических семинарах в Московском Доме научно-технической пропаганды имени Ф.Э.Дзержинского ( г.Москва, 1985г.-1992 г.); зональном научно-техническом семинаре Уральского Дома научно-технической пропаганды общества "Знание" РСФСР (г.Челябинск, 1986г.); Всесоюзной научно-технической конференции ( г.Харьков, 1986 г.); семинаре Ленинградского областного правления НТО КХ и БО (г.Тихвин, 1986 г.); Симпозиуме "Удаление соединений азота и фосфора из городских сточных вод" ( г.Париж, Франция, 1986 г.); Симпозиуме по мониторингу нагрузки загрязнения Балтийского моря (под эгидой ХЕЛКОМа), (г.Таллин, 1988г.); Seminar on Nutrient Removal from Waste Water, (Tampere, Finland, 1989); Симпозиуме
"Технология очистки сточных вод", проведенным фирмой Кемира (Финляндия), (г.Ленинград,1990 г.); 4th International Gotheburg Sumposium on Chemical Treatment, (Madrid, Spain, 1990); Всесоюзной научно-технической конференции "Повторное использование доочищенных сточных вод", (г.Истра, Московской обл., 1991г.); Семинарах Российской Ассоциации водоснабжения и водоотведения и НИИ КВОВ (1993, 1994 гг.); Российско-Финском семинаре "Извлечение питательных и органических веществ из сточных вод с учетом проблем Балтийского региона", (г.Петрозаводск, 1994г.); Научно-практической конференции "Решение экологических проблем Москвы в рамках программы "Конверсия-городу", (г.Москва, 1994г.); Международных конгрессах "Вода: экология и технология" ECWATECH 94, ECWATECH 96, ECWATECH 98, (Москва, 1994, 1996, 1998г.г.); Международном конгрессе "Экологические проблемы больших городов: инженерные решения", (г.Москва, 1996г.); International Congress "Metropolitan Areas and Rivers" (Roma, Italy, 1996); семинаре " Проблемы экологии и водо-обеспечения малых и средних городов России", (г.Москва, 1996г.); Международном конгрессе BIOREMIDIATION, (г.Лейпциг, Германия, 1997г.); Ярмарке проектов (BROKERAGE EVENT) (г.Тульн, Австрия, 1997г.); в Институте повышения квалификации Госстроя России (1996, 1997, 1998гг.); семинаре в рамках Второй Международной Специализированной выставки "Aqua-Term-98" (г.Москва, 1998г.); Секции "Водоснабжение и технологии рационального использования водных ресурсов" Международной конференции "Передовые технологии на пороге XXI века" (г.Москва, 1998г.); на выставке-семинаре на ОАО «Завод Трансмаш» (г.Тихвин, 1999г.).
Структура работы. Работа состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Она содержит Z6Q,. страниц машинописного текста, $Т иллюстраций, 34 таблицы, библиография из 282 наименований, 30 страниц Приложений.
Автор выражает глубокую признательность д.т.н. проф. Нине Алексеевне Лукиных за ценные советы и консультации при выполнении настоящей работы, а также сотрудникам НИИ КВОВ за помощь в проведении экспериментальных исследований (инж. Л.В.Куровой и др.)
Автор благодарен директору МП Водоканал г.Тихвина Е.В.Пятачковой и главному технологу очистных сооружений канализации г.Челябинска Л.К.Бриштен за активную помощь в реализации промьшленных испытаний на очистных сооружениях г. г.Тихвина и Челябинска, а также к.ф.-м.н. В.В.Попову, к.б.н. И.Н.Скворцовой (МГУ им.М.В.Ломоносова), к.т.н. И.М.Мальцевой (НИИ удобрений и фунгицидов - НИИУиФ) за оказанную помощь при разработке отдельных вопросов.
Нормирование содержания соединений фосфора и азота в городских сточных водах
В наиболее развитых в техническом отношении странах Европы и Америки воздействие сточных вод на водные объекты, приводившее к эвтрофированию, стало заметным в 50-х годах. Это вызвало необходимость разработки специальных условий сброса сточных вод и нормированию содержания биогенных веществ. В основу первых нормативов была положена теория лимитирующего фактора, взятая из биологии и гласящая о том, что для предотвращения эвтрофирования достаточно снижение концентрации одного из основных биогенных веществ до определенного уровня. Она стала основой для разработки норм со держания биогенных элементов в очищенной сточной воде. В большинстве случаев этим лимитирующим веществом оказался фосфор (США, Швейцария, Финляндия и др.), и только в отдельных странах - азот (например, Дания). Первые нормативы сводились к требованию обеспечения содержания фосфатов в очищенной воде, сбрасываемой в водные объекты в концентрации не более 2 мг/л. Установленные требования неукоснительно выполнялись.
В России, благодаря наличию больших водных объектов и более позднему повсеместному применению современных моющих средств, антропогенное эвтрофирование водоемов проявилось в начале 70-х годов. В середине 70-х - начале 80-х годов в нашей стране было проведено три симпозиума по антропогенному эвтрофированию природных вод /10, 11/. В результате широкого обсуждения складывающейся ситуации комиссией АН СССР по проблеме охраны природных вод совместно с СЭВ были выработаны рекомендации для проведения мероприятий по снижению эвтрофирования. Считалось необходимым: принять законы, обязывающие снизить поступление биогенных элементов в водоем за счет сокращения их сброса со сточными водами; развивать научно-исследовательские и конструкторские работы, позволяющие разработать восстановительные мероприятия для конкретных водоемов; расширить объемы работ по созданию научных основ новых технологий и методов технических и биологических средств защиты природных вод от антропогенного эвтрофирования, удаление азота и фосфора из сточных вод; разрабатывать новые и совершенствовать имеющиеся технологии удаления биогенных веществ из сточных вод. Однако в тот период в нашей стране, хотя и существовали, но не были востребованы нормативы на содержание соединений азота, и отсутствовали нормативы на предельно допустимое содержание соединений фосфора.
В связи с ухудшающимся состоянием водоемов требования к качеству сточных вод во всем мире существенно ужесточаются и все чаще относятся не только к фосфору, но и к азоту.
За рубежом соединения азота чаще всего нормируются по концентрации общего азота, реже - нормируется концентрация аммония солевого в очищенной воде. В Швейцарии, например, требуется обеспечить концентрацию аммония в очищенной сточной воде перед сбросом в водоем не более 0, 65 мг/л, при этом концентрация его в воде водоема не должна превышать 0,5 мг/л при наиболее неблагоприятных условиях. В США планируется нормирование ПДК азота в сбрасываемой сточной воде на уровне 10 мг/л /12/. В Дании /13/ установлены жесткие требования к содержанию общего азота, концентрация которого в очищенной воде не должна превышать 8 мг/л, а общего фосфора - 1,5 мг/л. В Нидерландах также ограничивается содержание общего азота 10 мг/л и общего фосфора 1,0мг/л /14/. Во Франции, в зависимости от категории водоема, требования по содержанию фосфора составляют от 5 до 50 мг/л, в Германии установлена норма содержания фосфора в очищенных водах 1 мг/л для сооружений производительностью более ЮООООчел.-экв. и 2 мг/л - при производительности от 20000 до ЮООООчел.-экв. /15/.
Характерной особенностью последнего десятилетия стала разработка не только национальных, но и международных соглашений о сокращении сбросов биогенных веществ и совместная разработка норм сброса загрязняющих веществ, в первую очередь - биогенных. Хельсинской комиссией по защите морской среды Балтийского моря для стран, осуществляющих сброссточных вод в водосборный бассейн моря, была разработаны отдельные Рекомендации, предлагающие обеспечить содержание общего фосфора менее 1,5 мг/л, а позднее была принята Рекомендация по снижению соединений общего азота до 10-15 мг/л /16/. Кроме того, этими же странами принята Декларация, предписывающая снижение азота и фосфора в очищенной сточной воде не менее чем на 50%, начиная с 1995 года /17/.
Конференцией по Северному морю для стран этого бассейна рекомендовано обеспечивать снижение общего азота до уровня 10 мг/л и общего фосфора 1 мг/л /18/. Согласно этому документу в Великобритании пересмотрены национальное нормирование/19/ .
Теоретические основы химического удаления фосфора на станциях биологической очистки
Известно, что фосфор можно обнаружить в протоплазме любой клетки - простейшего, растения, животного. Он является ключевым элементом почти во всех метабилических процессах, в том числе биосинтезе белка, нуклеиновых кислот, сложных углеводов и других клеточных компонентов. Жизнь без фосфора существовать не может.
В воде фосфор найден только в форме разнообразных форм фосфатов. Основным соединением являются ортофосфаты, т.е. растворимые соли ортофосфорной кислоты.
При характеристике форм фосфора рассматриваются, как правило, две основные - растворенный ортофосфат и общий фосфор, включающий, помимо фосфатов, также фосфор, находящийся во взвешенном состоянии. Последний может присутствовать в коллоидальной форме или в адсорбированной на других коллоидах, а также входить в состав живых организмов. В связи с широким применением моющих средств в сточных водах присутствуют полифосфаты.
Известно, что при достаточно длительном одновременном действии воздуха и влаги любое сложное соединение фосфора переходит в ортофосфат. Из всех процессов, протекающих при таком превращении, особое практическое значение имеет гидролитическое расщепление конденсированных фосфатов с участием ферментов, имеющее период полураспада всего несколько часов. Скорость ферментативного гидролиза в 103 - 104 раз выше, чем скорость гидролитического расщепления в стерильных условиях. Расщепление сложных фосфатов идет интенсивно и не требуется периода индукции, поскольку в любом живом организме всегда присутствует соответствующая система ферментов /49/.
В сточной воде сложные и органические фосфаты (трипо-лифосфаты и др.) присутствуют как результат физиологических процессов жизнедеятельности человека и как следствие приме нения синтетических моющих веществ на фосфорной основе. Микрофлора сточной воды и активного ила обеспечивают расщепление сложных форм фосфора. На очистные сооружения фосфор приходит, в большой части, в виде ортофосфатов. Как показано выше, они составляют порядка 4 0-60% от общего фосфора.
В процессе биологической очистки происходит изъятие фосфора на построение клеточного вещества прирастающего активного ила, на обеспечение энергетических потребностей клеток. Соотношение органического вещества (ВПК) и фосфора в клеточном веществе активного ила составляет БПК:Р - 100:1.
Для городских сточных вод, поступающих на очистку, свойственно соотношение ВПК:Р(фосфатов) 100:1,5-100:8,5. Это означает, что в исходной воде количество фосфора превышает потребности клетки, а потому протекающий параллельно с потреблением фосфатов гидролиз сложных форм фосфора в аэ-ротенке не является лимитирующим. Следовательно, он не может оказывать влияние на скорость изъятия фосфора в биологической системе.
В результате одновременно протекающих процессов потребления фосфатов и гидролиза фосфора в ходе традиционной биологической очистки, в очищенной воде соотношение форм фосфора меняется. Содержание фосфатов доходит до 60-90% от общего фосфора, т.е. основная часть фосфора в очищенной воде оказывается в форме ортофосфатов.
Фосфаты могут быть изъяты из системы в виде нерастворимых соединений, как указывалось, либо химическим связыванием их в нерастворимые соединения (физико-химические методы) , либо включением в клеточное вещество (биологический метод) за счет модификации биологического процесса.
Целый ряд физико-химических методов удаления фосфора из сточных вод испытан в лабораторных условиях. Это - адсорбционный метод, в котором фосфор поглощается поверхностью таких сорбентов как, например, матералом, приготовленным из гранулированный окиси алюминия /50/, активированной окисью алюминия и сульфата алюминия /51/, гидратированным диоксидом титана /52/, активированными оксидами 3-ей и 4-ой групп металлов периодической системы элементов, нанесенными на волокнистый материал /53/ и др. Эффективность удаления фосфора в этом процессе может быть очень высокой и в отдельных случаях доходит до 100%.
В лабораторных условиях так же испытан метод электро-коагуляционно-флотационной очистки с использованием алюминиевых электродов /54/. Сообщается, что технология так же обеспечивает полное изъятие фосфатов. Имеется информация об изучении удаления фосфатов в магнитном поле. Фосфаты связывают реагентом в нерастворимые соединения, вводят магнитный материал и воздействуют магнитным полем, в результате чего проходит интенсивное выделение фосфатсодержащего осадка /55, 56, 57/.
Специалистами МосводоканалНИИпроекта показана принципиальная возможность использования продуктов коррозии железных контакторов, размещенных в аэрационных емкостях, для удаления фосфатов /58/.
Способ очистки сточных вод от фосфора кристаллизацией наиболее широко изучался в Японии в 80-х годах, а также в США, Германии и др. Он основан на выращивании кристаллов фосфатов в сточных водах на центрах кристаллизации, которые затем выводятся из системы.
Лабораторные исследования. Роль анаэробных процессов в технологии биологического удаления фосфора
Большая часть образующихся в процессе гидролиза соединений имеет положительный заряд, а потому адсорбируется на поверхности отрицательно заряженных коллоидных частиц сточных вод. На хлопьях гидроксидов сорбируются СПАВ, и другие соединения, сложные и органические формы фосфора, а также взвешенные вещества, содержащие фосфор.
Кроме того, в условиях обработки сточных вод реагент взаимодействует с другими загрязняющими воду веществами с образованием труднорастворимые соединений /207/.
Известно, что оптимальная область коагуляции при применении сернокислого алюминия 5,5. Выход условий процесса обработки сточных вод реагентом за рамки оптимальных величин может привести к появлению непрореагировавшего реагента, т.е. к повышенным концентрациям ионов металлов в сточных водах, что ведет к дополнительному загрязнению сточной воды. Однако, как показано /204/, при наличии фосфатов в воде область оптимальных показателей рН смещается в большую сторону. При использовании сернокислого железа Fe2(S04)3 оптимальное значение рН для удаления фосфатов лежит в интервале 4,7-7,4, а при применении сернокислого алюминия -A12(S04)3 _ в интервале - 6,0-7,1.
Поскольку городские сточные воды, как правило, имеют нейтральную или слабощелочную среду. (См. Гл.1), условия проведения обработки их реагентом можно считать близкими к оптимальным значениям, но все же отличающимися от оптимальных величин. Корректировка показателя рН на станциях аэрации представляется проблематичной из-за высокой стоимости мероприятия и осложнения эксплуатации. В целях обеспечения действующих ПДК, как правило, требуется введение достаточно значительных доз реагента, поэтому оценка технологии биолого-химического изъятия фосфора с введением реагентов с точки зрения выполнения установленных жестких Российских требований по остаточному содержанию ионов металлов в очищенной поставлена как одна из задач при изучении биолого-химического метода очистки сточных вод.
В аэротенках, при одновременном осуществлении биологической очистки сточных вод активным илом и химической обработки сточных вод солями железа или алюминия, хлопья гидроокисей сорбируются на хлопьях активного ила. Это ведет к повышенному расходу реагента, но одновременно является дополнительным источником реагента при рециркуляции активного ила. В случае использования реагента на ступени доочистки происходит процесс контактной коагуляции, позволяющий уменьшить дозу вводимого реагента. Следовательно, расход реагента неизбежно должен отличаться от стехиометрического и зависеть от точки ввода в технологическую цепь очистных сооружений.
Особенностью использования извести в качестве реагента является то, что эффект изъятия фосфора зависит от показателя рН, создаваемого вводимой известью. При показателе рН сточной воды 11 эффективность изъятия фосфатов превышает 90%.
При применении извести, приводящем к значительному росту показателя рН, биологический процесс ингибируется, следовательно, постоянная подача извести на ступени механической очистки, предшествующей биологической, либо непосредственно в аэротенк, не приемлема. Обработка известью биологически очищенных сточных вод усложнена, при сбросе их в водные объекты такая технология должна заканчиваться ре карбонизацией, что позволит осуществлять сброс очищенных сточных вод в водные объекты.
Основной задачей исследований являлось выявление эффективности применения различных видов реагентов для очистки городских сточных вод.
Значительная часть исследований проведена на сточной воде Тушинского района г.Москвы. Испытания проведены так же на сточных водах различных городов (Тихвин, Саратов, Валдай, Чебоксары, Екатеринбург и др.).
Оценка эффективности применения реагентов велась по методике выполнения пробной коагуляции. В качестве реагентов испытывались железо- и алюминий-содержащие реагенты. Пробное коагулирование проводилось на городских сточных водах с различной степенью их очистки и на исходной сточной воде. Очищенные воды отбирались с действующих опытно-технологических установок (в интитуте) и в ходе очистки или после очистных сооружений в городах.
Обобщенные результаты оценки эффективности применения сернокислого железа и сернокислого алюминия на сточных водах г.Москвы приведены на Рис.3.1,а). Они свидетельствуют, что эффективность удаления фосфатов, безусловно, обусловлена дозой реагента: повышение дозы реагента приводит к росту эффективности изъятия фосфатов и, следовательно, снижению их остаточного содержания.
Моделирование и расчет сооружений нитрификации-денитрификации
Жидкий отход из ванны имеет зеленовато-коричневый цвет, плотность d=l,217 г/смЗ при 20С. При отстаивании выпадает бурый осадок, а жидкость приобретает зеленоватый цвет. Жидкая фаза отхода, по данным анализа, выполненного на пламенно-абсорбционном спектрофотометре, содержит Fe -71,2г/л, Ni - 9бмг/л, Cd - менее 0,025мг/л, Zn - 32 мг/л, Со - 54мг/л, Си - менее 0,1мг/л, Сг - 1,8мг/л, Мп -1,1бмг/л, Мд - 53мг/л, Na - 1,9г/л.
Железный купорос (Fe2S04x7H20) - товарный продукт, полученный из жидкого отхода из травильных ванн, представляет собой светло-зеленые кристаллы, поверхность которых вследствие постепенного окисления покрывается желтым налетом. Технический железный купорос содержит не менее 4 7% и не более 53% FeS04. Содержание примесей следующее: в Юг продукта содержится 2,5 г Fe, менее 0,05 мг Сг, 0,66 г Ni, менее 0,42 мг Cd, 0,42 мг Zn, 0,85 мг Си, 2,56 мг Мп, 3,75 мг Мд, 2,75 мг Na.
На Рис.3.12,а) представлены данные пробного коагулирования городской сточной воды при использовании в качестве реагента жидкого отхода Сталепрокатного завода.
Приведенные данные свидетельствуют о том, что при введении травильной жидкости может быть достигнуто глубокое изъятие фосфора. Остаточное содержание фосфатов 0,1-0,2мг/л или 95% изъятие обеспечивается при использовании 0,8 мл отхода на 1л иловой смеси или 8л на 1мЗ. По расчетам подача железа в этом случае составляет 5бмг/л.
Глубокая очистка от фосфора может быть достигнута и при обработке сточной воды техническим железным купоросом Сталепрокатного завода (Рис.3.12,б).
Для обеспечения 95%-ного изъятия фосфатов использовано 14 0 мг товарного продукта на 1л очищаемой сточной воды.
Согласно расчетам, для станции производительностью с относительно небольшой, но достаточно распространенной производительностью ЮОООмЗ/сут, например, может потребоваться 8 м /сут жидкого отхода или 1,3 т/сут сухого продукта. Сухой продукт - железный купорос - легче и дешевле транспортировать, но для реализации технологии необходимо наличие дополнительного реагентного хозяйства на очистных сооружениях. С другой стороны, дозирование травильной жидкости можно осуществлять из тары доставки непосредственно в аэротенк без дополнительных промежуточных емкостей и оборудования, но необходима перевозка значительных объемов реагента. Поэтому решение выбора вида используемого реагента может быть принято только на основании технико-экономических расчетов.
Другим примером оценки возможности использования отхода производства на реальной сточной воде, как указывалось, являлась известковая вода Нарвскои ГРЭС, содержащая (в г/л): Са2+ -1,5, К+ - 3,4, S042" - З, СІ" - 1, С032 - 1,5, ОН" - 1,5, сухой остаток - Юг/л и показатель рН - 13.
В данном случае (в отличие от рассмотренного выше), для реализации имелось практически нелимитирующее количество отхода - 1млн т/год. Результаты выполненного пробного коагулирования сточных вод г.Нарвы приведены на Рис.3.13. Данные свидетельствуют, что для обеспечения остаточной концентрации фосфатов 0,4мг/л необходима подача известковой воды в количестве, обеспечивающем введение 100 мгСа2+/л, что в пересчете на жидкий отход составляет примерно 7% от объема очищаемой воды.
Применение известковой воды позволяет так же выполнить требования по содержанию фосфора, выдвинутые на перспективу. Однако для этого необходимо соответствующее увеличение объема очищаемой воды известковой воды вдвое, для того, что бы обеспечить рабочую дозу - 200 мг Са2+/л.
При введении известковой воды в первом случае показатель рН очищенной сточной может вырасти до 9,8, а на перспективу - до 10,8, одновременно повысится щелочность - до 6,8 и 8,1 соответственно. Значительное изменение показателя
рН потребует применения дополнительных мер по рекарбонизации перед сбросом сточных вод г.Нарвы в реку.
Таким образом, необходимые дозы реагента обусловливают потребность в подаче довольно больших объемов известковой воды. Однако, учитывая, что накопление известковой воды осуществляется искусственном озере в нескольких километрах от очистных сооружений, а потому имеется возможность организовать трубопроводный транспорт и напорную подачу раствора реагента насосами на очистные сооружения, нами рекомендовано рассмотреть вариант использования известковой воды в качестве реагента для удаления фосфора при проектной проработке схемы очистки на расчетный срок. В случае удовлетворительных результатов технико-экономической оценки использования известковой воды и принятия варианта удаления фосфора из сточных вод с использованием известковой воды одновременно решается задача охраны окружающей среды за счет исключения воздействия отхода производства на природу.
Приведенные примеры показывают, что к вопросу о применении отходов производств для очистки сточных вод от фосфора необходимо подходить весьма осторожно и решать его только с учетом конкретных условий, оценкой состава отхода и возможного негативного влияния на качество очищенной воды по другим показателям на основе технико-экономических оценок возможных вариантов.
Похожие диссертации на Очистка городских сточных вод от биогенных веществ
