автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Очистка городских сточных вод от биогенных веществ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Эвтрофирование водных объектов и приемы очистки сточных вод от соединений фосфора и азота (обзор литературы)

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

1.4 Удаление из сточных вод соединений фосфора.ЬЬ

1.5 Удаление из сточных вод соединений азота.НФ

ГЛАВА 2 Задачи и методика проведения исследований.

2.1 Задачи исследований.Ь%

2.2 Методика проведения исследований

ГЛАВА 3. Удаление соединений фосфора.%Ь.

3.1 Биолого-химическая очистка

3.1.1 Теоретические основы химического удаления фосфора на станциях биологической очистки.\Ь.

3.1.2 Результаты лабораторных испытаний эффективности применения различных реагентов для очистки сточных вод П

3.1.3 Результаты полупроизводственных исследований биолого-химической очистки.4о{

3.1.4 Производственные испытания технологии симультанного осаждения на очистных сооружениях г. Тихвина 1М

3.1.5 Возможность замены реагентов отходами промышленных производств . .+1$

3.2 Биологический метод

3.2.1 Теоретические представления о процессе. Основные направления исследований биологического метода удаления фосфора.\ЬЬ

3.2.2 Лабораторные исследования. Роль анаэробных про цессов в технологии биологического удаления фосфо ра.1$г

3.2.3 Исследование технологии биологического удаления фосфора на опытно-технологической установке . ^

3.2.4 Обработка иловой воды и пути использования осадка .1ЬН

3.2.5 Исследования технологии биологической очистки в опытно-промышленных условиях на очистных сооружениях г. Тихвина.

3.2.6 Рекомендуемая технологическая схема процесса биологического удаления из сточных вод соединений фосфора и расчетные параметры сооружений.

Выводы.

ГЛАВА 4. Удаление соединений азота .ИЬ

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 . ЮН

4.1.3 Моделирование и расчет сооружений нитрификации-денитрификации . .гп

4.2 Использование иммобилизованной микрофлоры для удаления соединении азота . .иг

4.2.1 Обоснование выбора носителя.%.%%

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 .¡-НЯ

4.2.4 Расчет очистных сооружений.

4.3 Биологическая доочистка с использованием иммобилизованной микрофлоры . .ш

4.3.1 Экспериментальные исследования.

4.3.2 Моделирование и расчет "сухих" фильтров.2

Выводы.

ГЛАВА 5. Совместное удаление азота и фосфора.

5.1 Особенности одноиловых систем биологического удаления биогенных веществ . .гП

5.2 Возможные схемы очистки сточных вод от биогенных веществ .$

5.3 Примеры использования рекомендуемых технологий .¿-И

Выводы.&

ГЛАВА 6. Технико-экономическая оценка реализации технологий удаления биогенных веществ из сточных вод . . . .№

Выводы.-.ЬЬЧ

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 19861990гг.;

- 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 проектными 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: Тихвина, 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 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 ¿60,- страниц машинописного текста, иллюстраций,

З^г 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 промышленных 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.

Основные результаты работы опытно-технологической установки приведены в Табл. 3.5.

На Рис.3.23 представлен график зависимости удельной скорости изъятия общего фосфора от его концентрации в поступающей сточной воде (кривая 1) для технологии БУФ при времени анаэробной обработки рециркулирующего ила порядка 4,5час, т.е. при технологическом режиме, обеспечивающем высокое стабильное изъятие фосфора. Здесь же приведена аналогичная кривая для контроля (кривая 2) . Анализ этих кривых

1. Стимуляция образования Н3РО4 из фосфор-органических соединений

2. Для характеристики процесса изъятия органических веществ в аэротенках в технологии БУФ определены кинетические константы.

3. Из графика двойных обратных величин 1/р = £(1/Ъеп) (Рис.3.29), с помощью которого определяются константы Кх и Ртах г установлено, что для технологии БУФ р^ =95,2мгБПК/(г час)., а Кд. = 90,1.

4. По зависимости обратной величины удельной скорости окисления органических веществ от дозы ила, представленной на Рис.3.30, определена величина коэффициента ингибирования2 с шi 15 " 10 5 0

5. Рис. 3.28 График зависимости удельной скорости окисления от

6. БПК очищенной воды р = / (Lex)1/БПКоч

7. Рис. 3.29 График зависимости 1/р = /(1/Lex)

8. Рис. 3.30 График зависимости 1/р = /(ai)продуктами метабилизма ила ф = 0,4 8 и откорректировано значение Ртах = 4 7,2 мгБПК/ (г час).

9. В Табл. 3.7 приводятся установленные кинетические константы технологии БУФ и соответствующие им величины при традиционном биологическом процессе.