В настоящее время на предприятиях различных отраслей промышленности эксплуатационные службы очистных сооружений сталкиваются с проблемой увеличения нагрузки по органическим веществам на активный ил аэротенков.
Главным образом это происходит по причине внедрения в производство новых видов продукции и использование сырья нетрадиционных месторождений. Как правило, новые виды продукции являются более сложными по химической структуре и пространственной конфигурации органических молекул. Оптическая изомерия высокомолекулярных соединений часто замедляет процессы биохимического окисления в аэротенках.
Поэтому значения величин ВПК, ХПК, заложенные в технические задания на проектирование в предыдущие десятилетия, не соответствуют реальным показаниям в стоках, поступающих в настоящее время на очистные сооружения. Увеличение концентраций органических загрязнений приводит к вспуханию активного ила и, как следствие, увеличению ВПК очищенных сточных вод и выносу взвешенных веществ из вторичных отстойников.
В связи с резкими экономическими изменениями в промышленности возникла острая проблема усовершенствования технологии очистки воды, позволяющая сократить трудоемкие процессы приготовления и дозирования реагентов, затраты на эксплуатацию очистных сооружений, увеличить окислительную мощность сооружений в объемах существующих очистных станций, уменьшить себестоимость очищенной воды. Известные способы интенсификации физико-химических процессов, рациональные, технологически обоснованные схемы, разработанные новые конструкции и модернизированные существующие в настоящее время не всегда возможно реализовать по техническим и экономическим причинам.
Основным направлением научных разработок по интенсификации очистки сточных вод на данном этапе являются методы воздействия на водную систему внешних полей, что обусловлено универсальностью и эффективностью методов при малых капитальных вложениях. Благодаря простоте реализации устройств для электрической и магнитной обработок водно-дисперсных систем в производственных условиях, это направление все чаще используется на предприятиях, несмотря на незавершенность технических и особенно научных разработок.
В настоящее время практически небольшое количество предприятий может осуществить строительство новых станций биологической очистки.
На станциях аэрации, построенных в 60−80 годы, как правило уже исчерпаны лимиты по нагрузке в связи с ростом населения и количеством введенных в 70−80 годы новых промышленных объектов, сбрасывающих сточные воды в городской коллектор.
Поэтому возникла необходимостью в увеличении окислительной мощности имеющихся очистных сооружений, где основная нагрузка по очистке стоков от органических загрязнений падает на аэротенки.
В связи с этим исследователи уделяют значительное внимание интенсификации процессов очистки сточных вод, совершенствованию технологических схем, разработке новых эффективных методов, позволяющих повысить качество сбрасываемых в открытые водоемы сточных вод, уменьшить себестоимость очищенной воды, сократить трудоемкие процессы приготовления и дозирования реагентов.
Для решения этих задач все возрастающее значение приобретают физические методы, основанные на воздействии на водную систему внешних полей (магнитных, электрических, ультразвуковых и др.). Это обусловлено малыми капитальными затратами при универсальности и эффективности таких методов.
Используются следующие способы физической активации водных систем.
1]:
— магнитная обработка в чистом виде,.
— в комбинации с электрическим током, при предварительном возбуждении воды электрическим током или ультразвуком,.
— электрокоагуляция,.
— электрофлотация.
Наиболее широко для интенсификации процессов очистки воды применяется метод наложения магнитного поля на водно-дисперсные системы для предотвращения накипеобразования [2]. Магнитное поле используется для интенсификации процессов очистки воды от коллоидных и других примесей, улучшения процессов ионного обмена [3, 4].
Благодаря простоте реализации устройств для магнитной обработки воднодисперсных систем, в производственных условиях магнитная водоподготовка все чаще используется на предприятиях: в теплоэнергетике, коммунальном хозяйстве, несмотря на незавершенность научных разработок.
Имеются самые разнообразные данные о действии магнитных полей на структуру и свойства водно-дисперсных систем :
• изменяется плотность, вязкость, поверхностное натяжение, электропроводность, водородный показатель рН и др. Ряд авторов указывают на увеличение вязкости водных растворов до 3−10%. Изменение поверхностного натяжения носит сложный характер и максимальных значений достигает при напряженности 6,6−84 кА/м [5]. Через 5 ч после электромагнитной обработки воды свойства водных систем принимают первоначальные значения.
Магнитные свойства водной системы определяются в первую очередь свойствами дисперсной среды и ее фазово-дисперсным состоянием, а также интерференционными явлениями, связанными с изменением структуры воды вследствие присутствия примесей, и явлениями взаимодействия примесей посредством дисперсной среды [6].
Таким образом, анализ опубликованных работ позволяет сделать вывод, что воздействие физических полей позволяет получать повышение эффекта очистки воды от механических и коллоидных примесей. Однако в литературе практически отсутствуют публикации о влиянии слабых электромагнитных полей на физиологическое состояние микроорганизмов. Симбиоз аэротенков очень сложен, что значительно усложняет процесс и скорость научного поиска. Тем более, что проведение научных исследований над биологическими системами типа активного ила очень трудоемки. Возможно, это является причиной, сдерживающей изучение влияния физических полей на биологические микрообъекты. Сужение сектора поиска влияния каждого физического параметра показало, что возможно значительное увеличение скорости окисления органических веществ, снижение величины илового индекса, в условиях образования разных симбиозов микроорганизмов. Для предприятий решение этих вопросов является весьма актуальной проблемой.
Работы выполнялись.
• по прямым договорам с Новогорьковским НПЗ, с АО «Минудобрения» г. Мелеуза Башкортостана, с ЗАО «Этанол» г. Новокуйбышевска, с Мэрией г. Обухово, с ЗАО «Тульский пекарь», с ЗАО «Альтер Вест», с ООО «Технобридж-Сервис», с ООО «Техномост Сервис», с ООО «Биокомпакт» и др.
Цель и задачи работы. Цель исследований состояла в разработке теоретических и прикладных основ технологий и способов интенсификации работы сооружений биологической очистки с использованием электромагнитных полей, позволяющих повысить их технико-экономическую эффективность и экологическую безопасность очищенных сточных вод для открытых водоемов.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
• изучить кинетику процессов, связанных с механизмом внеклеточной деструкции органических соединений и создать модель биохимического расщепления сложных органических субстратов;
• выявить закономерности влияния электромагнитной активации иловой смеси на окислительную способность биоценоза и величину илового индекса;
• разработать новую безреагентную технологию обеззараживания воды, испытать и изучить условия ее технического внедрения;
• разработать и исследовать технологию глубокого удаления полифосфатов, изучить влияние электромагнитной активации на эффективность процесса;
• разработать и исследовать технологии очистки сточных вод, содержащих токсичные органические соединения и тяжелые металлы.
Научная новизна. В работе обосновано новое научное направление, обеспечивающее квалифицированный выбор технологии очистки и обеззараживания сточных вод, содержащих токсичные органические вещества в присутствии тяжелых металлов. С этой целью:
1) предложены и обоснованы методологические, научные и технологические основы создания комплексов по очистке сточных вод, содержащих токсичные органические и неорганические соединения, отличающихся одновременным учетом: законов химической термодинамики, основных экологических принципов (системности, комплексности, рациональной организации, экологической безопасности), экономических и организационных возможностей промышленных предприятий на современном этапе;
2) разработана модель второй стадии внеклеточного биохимического расщепления многокомпонентных систем и определена роль растворенного в воде кислорода, как основного фактора в формировании биоценоза, позволяющего управлять окислительной мощностью сооружений биологической очистки;
3) изучена динамика изменения видового и количественного состава симбиоза активного ила в зависимости от концентрации растворенного кислорода в аэрационных сооружениях;
4) разработан и математически обоснован новый метод определения концентрации растворенных органических соединений в день отбора пробы, позволивший провести сравнительную оценку результатов трудноокисляемых субстратов стандартным методом — БПКПОЛн.;
5) разработана новая технология обеззараживания водных систем с использованием перпендикулярных потоку воды магнитных полей и доказан механизм процесса, связанный с поляризацией молекул воды, вызывающих изменение проницаемости клеток;
6) установлены основные закономерности и особенности влияния электромагнитной активации на биоценоз биологического комплекса. Разработаны научные и практические основы технологии использования электромагнитных полей, позволяющие повысить эффективность очистки сточных вод;
7) разработана биоадсорбционная технология безреагентного удаления фосфатов, на станциях биологической очистки и на основе экспериментального материала получена эмпирическая формула расчета количества концентрируемого фосфора в дефосфататорах;
8) изучено влияние соединений железа и марганца на биоценоз сооружений биологической очистки и установлены основные закономерности процессов очистки сточных вод, содержащих токсичные органические соединения в присутствии тяжелых металлов;
9) установлены закономерности электрохимического окисления токсичных органических соединений, биогенных элементов в электролизерах с нерастворимыми электродами и изучено влияние очищенных вод на планктон открытых водоемов;
10) проведен эколого-технологический анализ работы сооружений предприятий, сточные воды которых содержат токсичные соединения, мониторинг их систем водопотребления и водоотведения, что обеспечило создание информационной базы для разработки ресурсосберегающих технологий.
Научно-практическая новизна результатов исследований и принятых на этой основе технических решений подтверждены патентами РФ: № 2 126 772, № 2 002 134 422 (366 483) и свидетельством на «Полезную модель» № 2 001 115 272/20(16 344).
Практическая значимость полученных результатов. В промышленных условиях апробированы и подтверждены результаты, полученные в результате научных исследований на лабораторных и пилотных установках, что позволило внедрить:
1) разработанные технологические схемы с использованием электромагнитных активаторов, позволяющих: увеличить окислительную мощность аэрационных сооружений до 40%- сократить объемы очистных сооружений до 25%- сократить затраты на доочистку очищенных сточных вод до 20%- ликвидировать затраты на химические реагенты при вспухании активного илаликвидировать реагентное хозяйство при решении вопроса снижения концентрации соединений фосфорапроводить магнитное обеззараживание очищенных сточных вод до нормативных показателей при получении нетоксичных вод для планктона открытых водоемов;
2) разработанные технологические процессы:
— биологического удаления полифосфатов из основного потока с последующим концентрированием в малых объемах и электромагнитной активацией циркулирующего биоценоза;
— биологической очистки сточных вод предприятий нефтеоргсинтеза, содержащих высокие концентрации соединений серы, ингибирующих биоценоз аэрационных сооружений;
— биологического удаления трудноокисляемых и токсичных органических соединений в присутствии тяжелых металлов;
— электрохимической доочистки токсичных сточных вод в двухи трех секционных электролизерах с нерастворимыми электродами;
— технология и конструкция электрохимического обеззараживания сточных вод, не оказывающих токсичного влияния на планктон открытых водоемов;
— развит и усовершенствован биохимический метод контроля определения концентрации растворенных органических веществ, позволяющий быстро и с высокой степенью точности оценивать экологическую и санитарную обстановку в водном регионе.
Предложены методики расчета сооружений:
— электрохимической очистки сточных вод, содержащих токсичные вещества;
— биологического удаления полифосфатов;
— биологической очистки сточных вод, содержащих трудноокисляемые органические соединения в присутствии тяжелых металлов.
Разработаны рекомендации для проектирования новых и реконструкции действующих очистных сооружений предприятий и городов: г. Обухово.
Московской области), объединенных городских и производственных очистных сооружений г. Новокуйбышевска, г. Каголыма (Тюменской области), ЗАО «Минудобрение» г. Мелеуза (Башкортостана), г. Балабаново (Московской области), поселка Татарское (Тюменской области), г. Новосибирска, г. Омска.
Налажено производство установок второго поколения полной заводской готовности контейнерного типа «БиОКС» в ООО «Техномост Сервис».
Оказывается научно-методическая помощь предприятиям, производящим установки контейнерного типа и строительным организациям на площадках, отведенным под очистные сооружения в Московской области.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
— результаты математического обоснования механизма внеклеточного расщепления органических веществ в сооружениях биологической очистки;
— результаты математического обоснования метода определения концентрации растворенных органических веществ в день отбора пробы;
— обоснование механизма процесса обеззараживания воды в перпендикулярном магнитном поле определенной напряженности;
— результаты технологических исследований по влиянию электромагнитной активации на окислительную способность биоценоза и величину илового индекса;
— разработанная технология глубокого удаления полифосфатов и воздействия электромагнитной активации на эффективность процесса;
— результаты технологических исследований по электрохимическому окислению токсичных органических веществ и особенности конструктивных решений;
— оценка эколого-экономической значимости использования осадков с иловых карт в качестве удобрения под зерновые культуры, травы и их влияние на экологическую безопасность фунтовых вод.
Личный вклад диссертанта. Все направления, рассматриваемые в диссертации, определены автором, многие из которых выполнялись впервые. Все исследования на лабораторных, пилотных установках проведены с участием автора. Математические расчеты и проектные решения выполнялись при непосредственном участии автора.
Апробация работы. Основные положения, изложенные в диссертационной работе, рассмотрены и обсуждены на следующих симпозиумах, конференциях и семинарах:
• 2-ая Международная научно-техническая конференция «Экологическая оценка загрязнения среды и наземных экосистем «(г. Иваново, 1998 г.);
• Межрегиональная конференция «Энергосберегающие технологии в коммунальном комплексе» (г. Тула, 2000 г.);
• Международная научно-техническая конференция «Физические процессы и экологические технологии», (г. Иваново, 2001 г.),.
• 4-ая международная научно-техническая конференция «Пища. Экология. Человек» (г. Москва, 2001 г.).
Международные конгрессы: Moldova EcoChem Conference (Chisinau, 2002), «HELECO'OS, (Греция, Афины, 2003 г.).
Структура и объем работы. Диссертация общим объемом 406 страниц состоит из введения, шести глав, общих выводов, заключения, списка литературы и приложения. Содержит 144 рисунка, 166 таблиц, списка использованной литературы из 143 наименований и приложений.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.
1. Разработаны методологические, научные и технологические основы очистки сточных вод, содержащих токсичные соединения, позволяющие разрабатывать экологически безопасные станции аэрации, способные обеспечивать сохранение планктона открытых водоемов.
2. Математически обоснован механизм второй фазы биохимической деструкции сложных органических веществ в сооружениях биологической очистки. Доказана роль' растворенного в воде кислорода как фактора, определяющего формирование определенного видового сообщества, и конечного продукта расщепления, являющегося исходным субстратом для внутриклеточных биохимических процессов. На основании данной модели математически обоснован новый экспресс-метод определения концентрации растворенных органических веществ в день отбора пробы.
3. Установлены закономерности влияния электромагнитных полей на интенсификацию работы сооружений биологической очистки, позволяющие увеличить окислительную мощность сооружений до 30%, снизить величину илового индекса до 45% и увеличить нагрузку на аэрационные сооружения до 25% при поступлении сточных вод, содержащих токсичные органические вещества и тяжелые металлы.
4. Разработаны технологические основы методов и устройств, основанных на использовании электромагнитных полей, для очистки и обеззараживания сточных вод, содержащих токсичные вещества.
5. Разработан новый метод обеззараживания воды, основанный на использовании перпендикулярного потоку постоянного магнитного поля определенной напряженности. На основе фундаментальных законом математически обоснован механизм обеззараживания воды. Установлено, что при определенных значениях напряженности магнитного поля в клетке накапливаются токсичные вещества, ингибирующие механизм ее жизнеобеспечения. На данную технологию обеззараживания получен патент № 2 126 772 и на документацию промышленного образца защищена «Полезная модель» 2 001 115 272/20.
6. Разработана технологическая схема глубокого удаления фосфатов и полифосфатов без применения реагентов, предусматривающая концентрирование малых количеств фосфатов из больших объемов воды. Установлены основные параметры, оказывающие влияние на процесс дефосфатации.
7. Впервые выполнен комплекс исследований по влиянию тяжелых металлов (на примере соединений железа и марганца) на ферментативную систему и скорость эндогенного дыхания биоценоза. Определены концентрации, при которых наступают: активация, ингибирование и гибель биоценоза. Изучены процессы накопления тяжелых металлов биоценозом и определено время угнетения внутриклеточного защитного механизма, приводящее к гибели клетки.
8. Разработана технология очистки сточных вод, содержащих трудноокисляемые органические вещества в присутствии тяжелых металлов. Изучена возможность электрохимического окисления в электролизерах с нерастворимыми электродами сточных вод, содержащих токсичные органические вещества. Проведенный комплекс токсикологических исследований позволил определить оптимальные параметры в сочетании процессов электрохимического окисления и магнитного обеззараживания. Найдены конструктивные решения многосекционных электролизеров, позволяющих очищать токсичные сточные воды до степени, не влияющей на прирост планктона открытых водоемов.
9. Впервые выполнен полный комплекс исследований по аккумулированию и миграции тяжелых металлов из осадков с иловых карт, используемых в качестве удобрения на: грунтовые воды, злаковые культуры, травы. Полученные результаты доказали, что нельзя использовать избыточный активный ил в качестве сельскохозяйственных удобрений, если он находился на иловых площадках более 5 лет.
10. На основании полученных результатов разработаны проекты, техническая документация и налажено производство установок «БиОКС» на производительность от 5 до 1500 м3/сутки полной заводской готовности контейнерного типа в ООО 'ТЕХНОМОСТ СЕРВИС" для очистки сточных вод от органических веществ и биогенных элементов (патент № 2 002 134 422/15).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Настоящая работа является дальнейшим развитием теоретических основ биохимической очистки сточных вод различных производств, методов и устройств обеззараживания очищенной воды, технологических основ очистки токсичных сточных вод в присутствии тяжелых металлов и направлена на создание технологий и оборудования с улучшенными технологическими и технико-экономическими свойствами.
Полученные результаты и сделанные выводы следует рассматривать как продолжение создания теоретических и технологических основ биохимической очистки водной среды.
Наиболее существенные научные и практические результаты выполненных исследований заключаются в следующем:
1. Анализ тенденций развития методов очистки городских и промышленных сточных вод показал, что использование биологических методов, как аналога природного самоочищения, сохраняет приоритет. Для удаления биогенных элементов перспективным является применение аэробно-анаэробного процесса «карусельного типа». Практически не рассматриваются вопросы расщепления трудноокисляемых органических веществ в присутствии тяжелых металлов. Не изучены закономерности накопления биоценозом биологического комплекса тяжелых металлов и нарушения в внутриклеточных механизмах, вызванных этими явлениями.
2. Математически обоснована вторая фаза биохимического расщепления органических веществ в водной среде. Доказано, что многостадийный ферментативный процесс расщепления протекает без участия кислорода. В зависимости от концентрации растворенного в воде кислорода формируется тот или иной симбиоз микроорганизмов, осуществляющий биохимические процессы расщепления органических веществ. От концентрации растворенного в воде кислорода зависит конечный продукт расщепления, который является исходным субстратом, проникающим в клетку и подвергающимся биохимическим превращениям внутри клетки. Одним из таких внутриклеточных процессов является синтез белка.
На основании данной модели математически обоснован новый метод определения концентрации растворенных органических веществ в день отбоpa пробы для случаев техногенных катастроф.
3. Доказано, что проблема активации ферментативной системы биоценоза комплекса биологической очистке решается за счет использования электромагнитных полей. Применение данной технологии позволило: увеличить окислительную мощность аэрационных сооружений до 40%, уменьшить величину илового индекса до 45%, увеличивать нагрузку на аэрационные сооружения до 25% при поступлении сточных вод, содержащих токсичные органические вещества и тяжелые металлы.
4. Разработан новый метод обеззараживания воды, основанный на использовании перпендикулярного потоку постоянного магнитного поля определенной напряженности. На основе фундаментальных законов математически обоснован механизм обеззараживания воды. Установлено, что под действием магнитного поля в клетке происходят изменения: внутриклеточного метаболизма, проницаемости мембраны, перезарядка ионов с переменной валентностью, с последующим возникновением внутриклеточных окислительно-восстановительных реакций, приводящих к угнетению энзимной системы и гибели клетки. При определенных значениях напряженности магнитного поля в клетке накапливаются токсичные вещества, ингибирующие механизм ее жизнеобеспечения. На данную технологию обеззараживания получен патент № 2 126 772 от 27 февраля 1999 г. и на документацию промышленного образца защищена «Полезная модель» № 20 011 152/72 (16 344) от 4 июля 2000 г.
5. Разработана технологическая схема глубокого удаления фосфатов и полифосфатов, предусматривающая концентрирование малых количеств фосфатов из больших объемов воды. Установлены основные параметры, оказывающие влияние на процесс биодефосфатации. Максимальное концентрирование фосфатов и полифосфатов достигается при концентрации: растворенного кислорода в дефосфататоре 0,2−0,5 мг/л, биомассы — 3,7 г/л, значениях величины электрокинетического потенциала поверхности иловой смеси де[+2-+4]мВ. Обобщение лабораторного и промышленного опыта эксплуатации биодефос-фататоров позволило получить эмпирическую формулу для расчета количества концентрируемого фосфора с основными показателями сооружения.
6. Впервые выполнен комплекс исследований по влиянию тяжелых металлов (на примере соединений железа и марганца) на ферментативную систему и скорость эндогенного дыхания биоценоза. Определены концентрации, при которых наступают: активация, ингибирование и гибель биоценоза. Изучены процессы накопления тяжелых металлов биоценозом аэротенков и определено время угнетения внутриклеточного защитного механизма, приводящее к гибели клетки. Разработана технология очистки сточных вод, содержащих трудно-окисляемые органические вещества в присутствии тяжелых металлов. Изучена возможность электрохимического окисления в электролизерах с нерастворимыми электродами сточных вод, содержащих токсичные органические вещества. Проведенный комплекс токсикологических исследований позволил определить оптимальные параметры и сочетание электрохимического окисления и магнитного обеззараживания токсичных сточных вод. Найдены конструктивные решения многосекционных электролизеров, позволяющих очищать токсичные сточные воды до норм сброса в открытые водоемы.
7. Впервые выполнен полный комплекс исследований по аккумулированию и миграции тяжелых металлов из осадков с иловых карт, используемых в качестве удобрения на: грунтовые воды, злаковые культуры, травы. Полученные результаты доказали, что избыточный активный ил нельзя хранить более 5 лет на иловых площадках, так как под действием атмосферных процессов протекают биохимические превращения и в осадках накапливаются высокотоксичные вещества, вызывающие гибель растений.
8. Разработаны проекты, техническая документация и налажено производство установок «БиОКС» на производительность от 50 до 1500 м3/сутки полной заводской готовности контейнерного типа в ООО «Техномост Сервис» для очистки сточных вод от органических веществ и биогенных элементов.
