Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Очистка сточных вод с помощью прикрепленной биомассы 7
1.1 Виды загрузок в реакторах с иммобилизованной микрофлорой 7
1.2 Конструктивное оформление систем с иммобилизованной микрофлорой
Выводы 29
Глава 2 Проведение лабораторных исследований 30
2.1 Задачи исследований 30
2.2 Методика проведения лабораторных исследований 30
2.3 Результаты лабораторных исследований 40
2.4 Анализ полученных результатов 56
2.4.1 Результаты лабораторных исследований для лабораторной модели №1 56
2.4.2 Результаты лабораторных исследований для лабораторной модели №2 74
2.5 Гидробиологический анализ активного ила 83
Выводы 86
Глава 3 Проведение опытно-промышленных исследований на реконструированных биоокислителях . 87
3.1 Задачи исследований 87
3.2 Методика проведения исследований 87
3.3 Результаты опытно-промышленных исследований 90
3.4 Анализ опытно-промышленных исследований... 99
3.5 Микробиололгические исследования активного ила и биопленки . 114
Выводы 119
Глава 4 Практическое применение разработанного биоокислителя 120
4.1 Реконструкция очистных сооружений г. Одинцово Московской области 120
Выводы 125
Глава 5 Технико-экономические расчёты 126
Выводы 129
Общие выводы 130
Список использованной литературы 132
Приложения
- Конструктивное оформление систем с иммобилизованной микрофлорой
- Результаты лабораторных исследований для лабораторной модели №1
- Микробиололгические исследования активного ила и биопленки
- Реконструкция очистных сооружений г. Одинцово Московской области
Введение к работе
Среди важнейших экологических проблем современности вопросы охраны природных источников водоснабжения имеет первостепенное значение. Сброс неочищенных и недостаточно очищенных сточных вод в поверхностные водоемы постоянно ухудшают их состояние, эти источники загрязнений, как правило, имеют в своем составе соединения азота и фосфора. Биогенные элементы - азот и фосфор способствуют эвтрофикации природных водоемов, которая серьезно нарушает экологический баланс в поверхностных источниках воды и может вызвать их полную деградацию.
Одним из основных источников поступления биогенных элементов в водоёмы являются хозяйственно-бытовые (в том числе городские) сточные воды. Большинство коммунальных очистных сооружений России, которые были в основном запроектированы и построены в 70-ых годах XX века, не были предназначены для удаления биогенных элементов до требуемых нормативов, так как по существовавшим в те годы нормативным документам требовалось обеспечение полной биологической очистки сточных вод. В настоящее время основным направлением является разработка новых и совершенствование существующих методов очистки сточных вод от биогенных элементов.
Глубокая очистка сточных вод, в частности от соединений азота, является одной из важнейших проблем на сегодняшний день. Накопленный опыт и научные исследования многих поколений специалистов доказывают приоритетность биологических методов очистки, как наиболее экологически чистых и не оказывающих влияния на природную среду процессов. В настоящее время большинство централизовано отводимых сточных вод очищается на станциях аэрации в аэротенках, поэтому наибольший интерес представляет разработка технологий по извлечению азота на основе этих сооружений.
Ещё в шестидесятые годы в отечественной практике были проведены научные исследования по возможности использования для интенсификации
процессов биологической очистки прикреплёнными биоценозами. Было показано, что по своей активности иммобилизованные биоценозы значительно превышают окислительную способность свободноплавающего активного ила. Таким образом, применение загрузочных материалов для иммобилизации закреплённых на их поверхности активной биомассы открывает новые возможности оптимизации работы биологических сооружений не только для их интенсификации, но и для достижения более высоких результатов глубокой очистки сточных вод.
Целью настоящей работы является: разработка и исследование возможности применения загрузочного материала для совершенствования работы метода глубокого удаления азота аммонийного в процессе биологической очистки хозяйственно-бытовых сточных вод.
Задачи работы:
Исследование метода одноиловой денитрификации-нитрификации для очистки сточных вод от аммонийного азота в аэротенках.
Определение оптимальных условий процесса и технологических параметров для расчёта необходимого количества загрузочного материала.
Математическое описание процесса.
Практическое применение разработанной технологической схемы для строительства и реконструкции очистных сооружений.
Разработка конструктивных решений и выявление эксплуатационных особенностей работы биоокислителя с фиксированной микрофлорой в аноксидных зонах.
Технико-экономическая оценка применения разработанной схемы.
Научная новизна.
- Доказана возможность использования прикреплённой на загрузочном
материале биомассы для достижения глубокой очистки сточных вод;
Экспериментально доказана стабильность и устойчивость биологической системы с иммобилизованной на загрузочном материале активной биомассы очистки сточных вод от аммонийного азота;
Разработана конструкция биоокислителя с выделением двух зон (аноксидной и аэробной) с применением загрузочного материала в аноксидной зоне;
Получен патент РФ №52846 на полезную модель: «Устройство для глубокой биологической очистки сточных вод»;
Получен патент РФ №64617 на полезную модель: «Устройство для глубокой биологической очистки сточных вод».
Практическая значимость
Разработаны новые технологические схемы глубокой очистки сточных вод от аммонийного азота с применением загрузочного материала;
Определены основные технологические параметры работы биоокислителя для обеспечения глубокого удаления азота аммонийного и органических загрязнений из сточных вод, отвечающимсовременным требованиям;
Найдены оптимальные режимы работы биоокислителя с возможностью приема на очистные сооружения залповых сбросов загрязнений;
Разработан метод реконструкции двухъярусных отстойников в сооружение глубокой биологической очистки сточных вод.
Внедрение результатов
На основании результатов проведённых исследований выданы рекомендации и проведена реконструкция очистных сооружений в.г. Власиха, Одинцовского района, Московской области (10000 м /сут).
Конструктивное оформление систем с иммобилизованной микрофлорой
Существующие технологические и конструктивные решения по использованию реакторов с иммобилизованной микрофлорой в схемах очистки сточных вод можно классифицировать (исходя из принципа размещения в них загрузочного материала - носителя биопленки) по следующим группам сооружений: реакторы с секционным использованием насыпной или стационарной загрузки; затопленные биофильтры; реакторы с псевдоожиженным или взвешенным слоем загрузки; реакторы с плавающей загрузкой. Реакторы с секционным использованием насыпной или стационарной загрузки Перспективными и экономически, целесообразными способами повышения эффективности работы биологических очистных сооружений при существующих объемах являются секционное заполнение биореакторов насыпной или стационарной загрузкой, а также использование встроенных камер1 биофильтрования. На станции биологической очистки г. Мирного в первичных отстойниках в целях подготовки воды для , эффективной аэробной, биологической очистки и удаления соединений азота применяется загрузка из рам со стеклоершами. Расположение рам под углом 80 через 150 мм обеспечивает снижение БПК на 20%. При добавлении в первичный отстойник с загрузкой из стеклоершей части избыточного активного ила наблюдается эффект коагуляции и ускоренное выпадение взвешенных частиц в осадок.
Установка коробов, загруженных керамзитом, в аэротенках под дополнительной зоной аэрации способствует увеличению нагрузки активного ила на аэротенк с 2 до 4,5 кг/м , в результате чего БПК снижается до 8 мг/л. Из аэротенков, оборудованных таким образом во вторичные отстойники поступает иловая смесь, содержащая 2 г/л активного ила, с улучшенными седиментационными свойствами.
Дальнейшая биологическая очистка от органических соединений осуществляется в резервуаре очищенной воды, заполненном рамами со стеклоершами, где происходит глубокая минерализация органических веществ с доведением БПК до 2-3 мг/л, соединений азота до 2 мг/л [18].
Введение в сооружения очистки сточных вод специальных насадок для иммобилизации микроорганизмов позволяет значительно повысить эффективность работы. Затопленные биофильтры
В последнее время в нашей стране и за рубежом для очистки сточных вод стали применяться конструкции аэрируемых фильтров, в которых загрузка постоянно находится под уровнем очищаемых сточных вод. Такие конструкции получили название затопленных биофильтров. Конструктивно они сочетают в себе традиционные биологические и механические скорые фильтры. Технологической особенностью затопленных биофильтров является сочетание процесса фильтрования воды с аэрацией воздухом.
Французская фирма «Degremont» предлагает погруженный фильтр, заполненный гранулированным материалом [20]. Фильтр находится в емкости, являющейся плитой-носителем для гранулированного материала. Подаваемая через плиту-носитель снизу вверх очищаемая вода контактирует с циркулирующим в том же направлением воздухом (газом). Воздух и промывная вода поступает под плиту-носитель и далее в фильтрующую массу с помощью размещенных на плите сопел, одно из которых служит для подачи воздуха, а другие — для ввода очищаемой и промывной воды. Фильтрующая масса промывается с помощью воды и воздуха.
Установка предназначена для обработки загрязненных городских, промышленных и сельскохозяйственных вод с применением микроорганизмов. Микроорганизмы адсорбируют на стеклянных волокнах, соединенных в цилиндрическую щетку. Десорбцию микроорганизмов можно проводить механически.
В устройстве для обработки сточных вод с использованием пленки с культивируемыми микроорганизмами, разработанном японскими специалистами [21], в баке для биологической обработки сточных вод расположены эластичные элементы полос, лент или шнуров из пластика, масса которых легче воды. На поверхности этих элементов культивируют микроорганизмы. Верхний и нижний концы элементов закреплены на фиксаторах. Расстояние между фиксаторами меньше длины элемента из пластика (рис. 1.4).
Результаты лабораторных исследований для лабораторной модели №1
Работа пилотных установок показала принципиальную возможность применения различных носителей для иммобилизации биомассы в процессе глубокой очистки хозяйственно-бытовых сточных вод от органических загрязнений и от аммонийного азота. Наиболее приемлемыми признаны загрузочные материалы: №4 — «Поливом», №5 — полимерная пространственная решетка. Время пребывания во всех установках составляло - 8 часов. Данное время обеспечивает полное удаление аммонийного азота, общего азота на 95% и органических загрязнений по БПК5 на 95-99%. Многочисленные исследования НИЛ РМВСС показали, что глубокая очистка в течение 8 часов гарантирует невозможность вторичного загрязнения водоема вследствие аммонификации органического азота.
Проведенные исследования показали принципиальную возможность удаления соединений азота из очищаемой сточной воды в реакторе с загрузочным материалом. Из таблицы видно, что наибольший эффект достигается с объемом загрузочного материала 20%, при времени пребывания иловой смеси в реакторе в течение 8 часов и рециркуляции активного ила в количестве 100% от объема обрабатываемой жидкости при этом достигается наиболее полное удаление аммонийного и общего азота. При обработке сточной воды с загрузочным материалом в количестве 10% от объема аэротенка при тех же эксплуатационных характеристиках не всегда выполняются нормативные требования по сбросу сточных вод в водоем рыбохозяйственного значения по аммонийному азоту и БПК5.
Для подсчёта нагрузки на прикреплённую биоплёнку и свободноплавающий активный ил - qsriK, (мгБПК5/гбн-сут) использована формула 53 СНиП 2.04.03-85 [70] прикреплённой микрофлоры биореактора преобразовывается в где: дБШ{ - нагрузка на биоплёнку и активный ил, мгБПК5/гбв -сут; Len- БПК5 поступающей на очистку сточной жидкости; Lcx - БПК5 очищенной жидкости; апр - доза прикреплённой на загрузочном материале биоплёнки; Snp - зольность прикреплённой биоплёнки; авзв — доза активного ила; Se3e - зольность активного ила; t — время пребывания иловой смеси в реакторе.
Исходя из практического решения и опыта расчета подобных сооружений за рубежом для вычисления удельной скорости окисления органических загрязнений и аммонийного азота была выбрана формула с учетом прикрепленной биомассы
Для расчета удельной скорости окисления аммонийного азота и нагрузки на активный ил по аммонийному азоту использованы аналогичные формулы. Таким образом, получены следующие значения - таблица 2.4.
Математическое описание закономерности процессов очистки производилось на основании классических представлений ферментативной кинетики, для чего была использована формула Михаэлиса-Ментен: где: v — удельная скорость биохимического окисления загрязнений (скорость реакции), мг/(г-ч) Vmax — максимальная удельная скорость биохимического окисления загрязнений (максимальная скорость реакции), мг/(г-ч S - конечная концентрация субстрата, мг/л кт - константа Михаэлиса-Ментен.
Для линеаризации этого уравнения (приведение к виду у = ах + Ь) использовался способ Лайнуивера-Берка в форме двойных обратных величин: функциональная зависимость скорости окисления субстрата и остаточной его концентрации: 1/р = f(l/S). Наклон прямой к оси абсцисс соответствует величине k„/VmaXb на оси ординат отсекается отрезок, равный 1/V Доза прикрепленной биомассы: 10% - 1г/л; 20% - 1,9 г/л.
На рис. 2.9 представлены зависимости удельной скорости окисления аммонийного азота и концентрации аммонийного азота в поступающей сточной жидкости в исследуемых моделях соответственно с 10% и 20% загрузочного материала «Поливом». По полученным результатам видно, что кривая зависимости исследуемой модели аэротенка с 10% загрузочным материалом располагается выше кривой модели с 20% объемом загрузочного материала, что свидетельствует о высокой скорости окисления аммонийного азота, ввиду большей нагрузки на активную биомассу. По кривым зависимостей исследуемых моделей видно, чем больше концентрация азота аммонийного в поступающей сточной жидкости, тем соответственно больше их удельная скорость окисления, что соответствует протекающему биологическому процессу. Так как кривые располагаются параллельно относительно друг друга, то получено подтверждение, что система, дающие такие результаты стабильна и однородна.
Микробиололгические исследования активного ила и биопленки
На очистных сооружениях биологической очистки сточных вод процесс удаления загрязнений осуществляется при биологическом взаимодействии очищаемой сточной жидкости с активным илом. Активный ил главным образом состоит из бактерий и простейших, в зависимости от условий среды в нем могут присутствовать грибы, коловратки, ил, черви.
Основной составляющей активного ила являются бактерии, они же являются главными агентами, осуществляющими процесс очистки. В образовании активного ила может участвовать очень большое число различных видов бактерий. Характер доминантного рода определяется природой органических соединений, входящих в состав сточной воды, условий окружающей среды (рН, температура, растворённый кислород и т.д.) [64, 94].
Простейшие так же являются важной группой микроорганизмов, они существенно не воздействуют на органические примеси воды, но играют роль хищников по отношению к бактериям. Простейшие обладают незаменимыми качествами, такими как особая чувствительность к изменениям в окружающей среде. Поэтому присутствие того или иного вида может дать информацию о качестве работы очистных сооружений, эффективности окисления, присутствии токсичных веществ и т.д.
Во время проводимых промышленных исследований активный ил и прикрепленная биопленка постоянно наблюдалась под световым микроскопом на первом и втором этапах исследований.
Гидробиологический анализ активного ила (табл.3.3) на первом этапе исследований (концентрация растворенного кислорода 2,0 мг/л) показал доминирующее количество одного вида простейших в активном иле и биопленки, по своим физиологическим и морфологическим свойствам наиболее всего схожего с корненожкой рода Arcella.
Тело корненожки заключено в раковинки. Раковинка прозрачная, от светло-жёлтой до тёмно-коричневой, полукруглая в профиль, вершина закруглена и приподнята, нижняя поверхность вогнута, с закруглёнными краями и округлым устьем в центре. Обычно Arcella встречается в хорошо работающих нитрифицирующих активных илах.
Таким образом, исследованный активный ил имеет в своём составе достаточно большое разнообразие простейших микроорганизмов со значительным преобладанием одного вида (АгсеІІа). Простейшие (вортицеллы, аспидиски, оперкулярии, коловратки) подвижны. Хлопок ила крупный, обладает хорошими седиментационными свойствами, что свидетельствуют о хорошо работающем активном иле. В тоже время арцеллы, преобладающие в активном иле свидетельствуют о том, что аэротенк работает не в оптимальном режиме, что подтвердили результаты санитарно-химического анализа.
После того, как в зоне нитрификации концентрация растворенного кислорода была установлена на уровне 4,0 мг/л (второй этап), гидробиологический анализ показал существенное отличие в составе биоценоза. Практически отсутствует АгсеІІа, встречаются лишь единичные экземпляры, при этом простейшие представлены в большом количестве, активны и подвижны.
Состав прикрепленной микрофлоры и свободноплавающего активного ила биоокислителя в зонах денитрификации и нитрификации в представлен в таблице 3.4
Также были обнаружены в биопленке загрузочного материала многоклеточные черви — Nenatodes. Как правило, эти организмы обитают в среде с пониженным содержанием кислорода. В данном случае процессы биологической очистки в толще биопленке схожи с процессами протекающими в биофильтрах.
Из проведенных исследований, можно сделать вывод, что концентрация растворенного кислорода в зоне нитрификации для данной конструкции биоокислителя должна составлять 4,0 мг/л. При этой концентрации кислорода происходит полное окисление соединений азота аммонийного и органических загрязнений, состав биоценоза стабилен и разнообразен, система устойчива к залповым расходам сточных вод.
Реконструкция очистных сооружений г. Одинцово Московской области
Очистные сооружения хозяйственно-бытовых сточных вод г. Одинцово-10 были построены в несколько очередей по классической технологической схеме в середине XX века. В качестве сооружений биологической очистки были применены высоконагружаемые биофильтры, которые предназначались для обеспечения полной биологической чистки до показателей по БПК5 - 15-20 мг/л.
Общая пропускная способность всего комплекса очистных сооружений, в соответствии с проектными показателями, составляет 8000 м3/сут, а в настоящее время максимальный расход сточных вод достигает 10000-12000 м3/сут.
За время эксплуатации отдельные сооружения полностью вышли из строя и восстановлению не подлежат. Часть сооружений длительное время не эксплуатировалась и находится в аварийном состоянии. На основании визуального осмотра технического состояния сооружений, возможно было восстановить и использовать в эксплуатации следующие сооружения:
Сооружения первой очереди строительства: S восемь двухъярусных отстойников; S иловые площадки. Сооружения второй очереди строительства: S четыре двухъярусных отстойника; S две секции высоконагружаемых биофильтров в здании; S семь вторичных вертикальных отстойников; S насосная станция иловых и дренажных вод; S иловые площадки. Для данных очистных сооружений была разработана технологическая схема, в основе которой приняты следующие положения согласно техническому заданию: - достижение в очищенной сточной воде современных нормативных параметров качества по аммонийному азоту и органических загрязнений для сброса в открытый водоем; - минимизация капитальных и эксплуатационных затрат; надежность эксплуатации очистных сооружений после реконструкции; - возможность вторичного использования очищенных сточных вод для технического водоснабжения. Таким положениям реконструкции соответствует в первую очередь применение методов интенсификации работы очистных сооружений и использование современных технологий глубокой биологической очистки сточных вод. С учетом современных экономических условий восстановление и модернизация очистных сооружений, и их реконструкция включали в себя следующие этапы: 1. Переоборудование биофильтра, с заменой объемного носителя биомассы на плоскостной загрузочный материал; 2. Оборудование двух усреднителей на базе двухъярусных отстойников для снижения коэффициента неравномерности притока сточных вод с целью увеличения пропускной способности очистных сооружений без строительства новых емкостей; 3. Оборудование узла обеззараживания; 4. Строительство песколовки; 5. Поочередное переоборудование первичных двухъярусных отстойников в аэротенки-отстойники с одноиловой системой. Оборудование илоуплотнителей, илопроводов и иловой насосной станции. 6. Модернизация вторичных отстойников с переоборудованием их в реакторы; 7. Строительство новых иловых площадок и площадок компостирования осадка. 8. Строительство цеха обезвоживания осадка. На сентябрь 2006 г. в состав очистных сооружений входили следующие сооружения: 1. Приемная камера; 2. Тангенциальные песколовки — 2 шт; 3. Усреднители - 2 шт; 4. Биореакторы — 10 шт; 5. Биофильтры глубокой биологической доочистки — 2 шт; 6. Реакторы доочистки - 7 шт; 7. УФО - 4 шт; 8. Иловые площадки - 4 шт; 9. Илоуплотнитель - 1 шт; 10. Воздуходувная станция; 11. Насосная станция дренажных вод.
После того, как были проведены реконструкция очистных сооружений, очистка сточных вод происходила по следующей технологической схеме (см. рис. 4.2): Сточные воды, поступающие из главной насосной станции, проходят очистку от минеральных примесей на новых песколовках тангенциального типа.
Далее сточная вода по системе лотков подаётся в реакторы биологической очистки (аэротенки) в расчетном количестве, превышающая
расчетные значения сточная вода, направляется в усреднитель. Из усреднителя излишки воды в автоматическом режиме перекачиваются в голову сооружений в период отсутствия воды от ГКНС. Взвешенные вещества, выпавшие в осадок в усреднителях, отводятся в камеры сбраживания отстойников через иловую насосную станцию. Песок из песколовок один раз в сутки выпускается по существующему самотечному трубопроводу на иловые площадки.
После биореакторов сточная вода самотеком поступает в систему орошения биологических фильтров с плоскостной загрузкой. Далее биологически очищенная сточная вода осветляется в реакторах доочистки, проходит дезинфекцию на установках ультро-фиолетового облучения (УФО) и сбрасывается в ручей.
Похожие диссертации на Совершенствование процессов биологической очистки сточных вод с помощью прикрепленных биоценозов
