автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Повышение эффективности работы сооружений биологической очистки сточных вод в течение суток

На правах рукописи

Борисова Вита Юрьевна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ СООРУЖЕНИЙ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД В ТЕЧЕНИЕ СУТОК

05.23.04 - «Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны

водных ресурсов»

7 НОЯ 2013

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград 2013 00555 м»«

005537190

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Серпокрылов Николай Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

кандидат технических наук, доцент

Голованчиков Александр Борисович

ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет», заведующий кафедрой «Процессы и аппараты химических производств»

Доскина Эльвира Павловна, ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет», профессор кафедры «Водоснабжение и водоотведение»

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный универ-

Защита состоится «21» ноября 2013 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета ДМ212.026.05 при ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1 (корп. Б, ауд. 203).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан «21» октября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Фокин Владимир Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы подтверждается необходимостью повышения эффективности процесса очистки сточных вод в аэротенках в течение суток с одновременным решением хозяйственных, экологических и экономических аспектов водоочистки. Такая постановка задачи осуществляется впервые.

Диссертация посвящена накоплению новых фактических результатов, обобщению имеющихся в литературе данных и на их основе проведению экспериментальных исследований по влиянию разных параметров на процесс биологической очистки в аэротенках.

Исследование проводилось в рамках научного направления ЮжноРоссийского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института) - технологии, сооружения и аппараты по очистке природных и сточных вод.

Целью работы является теоретическое обоснование, разработка и исследование технологии повышения эффективности работы аэротенков за счёт увеличения окислительной способности активного ила освещением в тёмное время суток.

Поставленная цель предопределила постановку следующих задач:

- разработать технологию биологической очистки сточных вод с использованием освещения, биодобавок, стабильно обеспечивающей качество очищенной воды на уровне ПДК для водоемов рыбо-хозяйственного назначения;

- разработать математическую модель работы аэротенков по технологии освещения в темное время суток;

- исследовать основные закономерности и обосновать оптимальные технологические параметры реализации процесса биологической очистки сточных вод с использованием освещения и других внешних условий в лабораторных условиях;

- отработать в полупромышленных условиях на реальных сточных водах технологию биологической очистки сточных вод с использованием освещения и биодобавок;

- выполнить технико-экономическую оценку разработанной технологии биологической очистки сточных вод в аэротенках.

Основная идея работы состоит в повышении суточной эффективности биологической очистки сточных вод с применением освещения.

Методы исследований включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, лабораторные и полупромышленные исследования по стандартным методикам.

Достоверность научных результатов, выводов и рекомендаций для практического использования подтверждается экспериментальными исследованиями по утвержденным научно-обоснованным методикам с применением метрологически аттестованных приборов и оборудования, обеспечивающих требуемую точность и надежность результатов измерений, большим объемом экспериментальных данных и их высокой сходимостью с расчетными значениями.

Научная новизна работы:

- впервые теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность проведения биологической очистки сточных вод в аэротенках с использованием освещения в тёмное время суток;

- разработанная математическая модель окислительного процесса в аэротенках с использованием освещения учитывает влияние длины волны света на окислительную способность активного ила;

- новизна рекомендации конструкторско-технологического оформления локальных очистных сооружений на базе применения биодобавок состоит в том, что при их реализации определены оптимальные величины рН, еН работы сооружений биологической очистки для повышения её эффективности при разных внешних условиях;

- разработанная установка биологической очистки сточных вод в-отличие от известных включает применение подвижных газосборных козырьков, новизна которой подтверждена патентом РФ на изобретение.

Практическое значение работы:

- предложено применение освещения аэротенков в тёмное время суток, позволяющее проводить более полное окисление загрязняющих веществ;

- использование биодобавок в совокупности с другими устройствами в биологической очистке значительно повышает её эффективность;

- создан и представлен перечень практических рекомендаций по использованию результатов диссертационного исследования при проектировании, строительстве, реконструкции и эксплуатации сооружений по биологической очистке сточных вод. Результаты диссертационного исследования используются в процессе эксплуатации локальных очистных сооружений торгового центра «МЕГАМАГ» г. Ростова-на-Дону, ул. Пойменная 1.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационного исследования используются в процессе эксплуатации локальных очистных сооружений торгового центра «МЕГАМАГ» г. Ростова-на-Дону, ул. Пойменная 1.

Основные положения, выносимые на защиту:

- обоснование эффективности применения технологии биологической очистки сточных вод применением освещения в темное время суток;

- результаты исследований основных закономерностей биохимических процессов при биологической очистке сточных вод с использованием освещения, других внешних воздействий в лабораторных условиях;

- обоснование оптимального технологического режима работы сооружений биологической очистки сточных вод с использованием освещения и биодобавок, обеспечивающих заданную эффективность очистки сточных вод;

- результаты работы на реальной сточной воде, реализующей технологию биологической очистки с применением освещения и биодобавок;

- показатели экономической эффективности разработанной технологии.

Апробация работы. Основные положения, изложенные в диссертационной работе докладывались и обсуждались на всероссийских и международных научно-практических конференциях «Техновод» (г.Чебоксары, 2011г., г. Санкт-Петербург, 2012г.), «Строительство» (г.Ростов-на-Дону, 20112012 гг.), ФГБОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ) (2012 г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы достаточно полно в 12 печатных работах, общим объёмом 2,95 п.л. (вклад соискателя 1,62 п.л.), в том числе 3 статьях в научных журналах и изданиях, которые включены в перечень российских рецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертаций, выдано 2 патентах РФ на изобретение, 7 работах, опубликованных в материалах всероссийских и международных конференций и симпозиумов.

Личный вклад автора состоит в выдвижении идей, научном обосновании, постановке и проведении исследований, анализе результатов, разработке технологии и ее внедрении.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 155 страницах машинописного текста, включает 31 таблицу, 33 рисунка, и состоит из введения, 5 глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы из 122 наименований, приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, научная новизна, практическая ценность работы и основные положения диссертации, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации приведены результаты анализа современного состояния биологической очистки сточных вод в системах с активным илом, существующих технологий интенсификации биологической очистки сточных вод. Большой вклад в развитие данной темы внесли как отечественные ученые С.В.Яковлев, Ю. В. Воронов, В. Н Швецов, так и стран ближнего зарубежья Г.В.Поруцкий, П.И. Гвоздяк и др.

Показано, что в настоящее время активно развиваются технологии интенсификации биологической очистки сточных вод. Однако, данные технологии являются либо малоэффективными, либо энергозатратными, и как следствие, в настоящее время ведется поиск и развитие технологий, позволяющих повысить эффективность биологической очистки, при этом снизить энергозатраты. Одной из наиболее перспективных технологий является технология освещения биомассы активного ила аэротенков в тёмное время суток, при этом вести снижения интенсивности подачи кислорода. Данная технология, благодаря использованию освещения увеличивает окислительную способносте активного ила. Поскольку он представляет собой альгобактериальное сообщество, то в окислительном процессе при использовании освещения активно начинают работать водоросли. Однако возникает ряд вопросов по использованию данной технологии.

На основе проведенного анализа были уточнены задачи данной диссертационной работы.

Во второй главе теоретически обоснован выбор технологии биологической очистки и пути повышения её эффективности с применением освещения в тёмное время суток и других внешних условий. Приведены основные регулируемые параметры работы аэротенков и особенности экосистем экологии активного ила и биохимических процессов.

Превращение загрязнений сточных при биологической очистке в продукты окисления осуществляется микроорганизмами при помощи сотен ферментативных реакций, происходящих в микробных клетках. Для того чтобы использовать сложную смесь химических соединений, присутствующих в сточных водах, необходимо примерно 80-100 различных ферментов, каждый из которых взаимодействует только с одним соединением загрязнения и катализирует одно из многочисленных превращений. Чем полнее будут изучены эти реакции и

связанные с ними условия жизнедеятельности микробных биоценозов, сопровождаемые выделением определённых газов, тем с большой надежностью можно вести биохимическую очистку сточных вод.

Основные задачи, которые ставят исследователи при биологической очистке промышленных сточных вод, связаны с изучением биоценозов активного ила; биохимической активности микроорганизмов, а также, условий среды, определяющих развитие микробных ценозов (температура, рН, растворенный кислород и т. п.) и, соответственно, технологические параметры аэробных реакторов.

Известно, что около половины времени года (в средних широтах) активный ил аэротенков находится в условиях освещенности (день) или ее отсутствия (ночь). Однако сведений об окислительных свойствах и реакциях биомассы в дневное и ночное время (летняя и зимняя продолжительность суток) имеется очень мало. Поэтому неясно, как в условиях постоянно меняющихся условий освещенности взаимодействуют по трофическим уровням микроорганизмы активного ила.

При идеальных условиях работы аэротенков активный ил, как правило, представлен тремя трофическими уровнями:

• первый трофический уровень (когда на единицу массы ила приходится большая масса загрязнений) характеризуется преобладанием в иле гетеротрофных бактерий и сапрозойных простейших, питающихся растворенными органическими веществами, и незначительным развитием свободно плавающих ресничных;

• второй трофический уровень (при меньшем количестве загрязнений) отличается развитием в иле голозойных свободно плавающих инфузорий и коловраток, питающихся бактериями и сапрозойными простейшими;

• третий трофический уровень (с очень малым количеством загрязнений) характеризуется максимальным развитием прикрепленных и хищных инфузорий, коловраток и червей, питающихся голозойными инфузориями и иловыми частицами.

В то же время практика очистки сточных вод показывает, что количество трофических уровней, в основном равно, двум.

Активный ил представляет собой альгобактериальное сообщество, то представляет научный и практический интерес определить его окислительные свойства в условиях освещенности или ее отсутствия. Результирующими показателями таких взаимодействий, которыми можно реально управлять в практике аэробной биологической очистки сточных вод, могут быть окислительно-

восстановительный потенциал (еН), иловый индекс, а также показатели потребления кислорода биомассой и эмиссии образующихся при этом газов.

В третьей главе сформулированы основные задачи лабораторных исследований, описана методика их проведения, даны результаты работы лабораторной установки, на основании которых были получены зависимости окислительных процессов при освещении в аэротенках.

На первом этапе экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях на модельных аэротенках по типу «светлого» и «тёмного» (рис.1).

Технологические параметры модельных аэротенков: объем аэротенков — 10 л каждый, время пребывания - 24 часа, площадь освещения - 1120 см2 , нагрузка на ил Ьз=1000 г БПК / г сут, питание из соотношения БПКполн : К: Р = = 100 :5:1.

Контроль эмиссии газов от модельных аэротенков показал, что при аэробном окислении, которое напоминает дыхание животного организма, происходит выделение оксида углерода С02, по количеству которого возможно судить о потреблении кислорода активным илом и, соответственно, о степени деструкции загрязнений, т.е. его окислительной способности (рис.2,3).

Средняя величина ОВП в «светлом» аэротенке за 6 часов биодеструкции органических загрязнений составила 87.5 мВ, в «темном» - 65.3 мВ. Это можно интерпретировать, что интенсивность окислительных процессов в аэротенках при освещении более'эффективна (87.5/65.3) в 1.34 раз.

3-светодиодная лента; 4- подача кислорода от аэраторов; 5- диспергаторы воздуха; 6- вентили сброса прироста активного ила; 7- каркас установки

Условные обозначения: 1 - «светлый» аэротенк; 2 - «тёмный» аэротенк;

Рисунок 1. Схема лабораторной установки с модельными аэротенками

Показатели эмиссии газов в "светлом" и "тёмном" аэротенке

ЕИЭСветлый ЕШЭ Тёмный 1 Светлый ■ Тёмный

время, ч

Рисунок 2. Результаты замеров эмиссии газов от модельных аэротенков

Характеритсика окислительных процессаов модельных аэротенков

- Логарифмическая (гН2)

-Линейная (гН2)

Рисунок 3. Результаты замеров окислительно-восстановительного потенциала

Для проведения серии опытов была также составлена матрица эксперимента с целью получения уравнений регрессии, которые бы описывали параметры окислительных процессов биологической очистки сточных вод (окислительно-восстановительный потенциал У] и ХПК процесса У2) в зависимости от различных факторов: дозы питания активного ила (XI), длины волны света при освещении (Х2) и времени обработки (ХЗ) и позволили бы выявить определяющий параметр, на базе которого можно разработать алгоритм управления процессом биологической очистки сточных вод в аэротенках с применением освещения.

Получены адекватные уравнения регрессии очистки сточных вод окислительной характеристике гН2 и ХПК:

Уг = 15,26 - ОДХ! + ОДЗ1Х3. + °.131Х22 О)

У2 = 1125 + 225XI +300X2 + 150X1 2 + 75 XI3 + 50X23 .(2)

По критерию Кохрена дисперсии однородны Оэ<Ота6л, по критерию Фишера адекватны Рэ<Ртабл .

На втором этапе экспериментальные исследования проводились на модельных сооружениях с добавлением различных биопрепаратов, в которые был загружен активный ил с городских очистных сооружений. Одна серия опытов проходила в моделях с аэрацией - по типу аэротенков, другая без подачи кислорода - по типу биореакторов. Количество моделей каждого типа было 8, поскольку изучали влияние биопрепаратов и физико-химических воздействий на окислительно-восстановительные процессы в сооружениях при разных внешних условиях: 1 - модель с препаратом Би-ХЕМ Цесклин; 2 - модель с препаратом Васй-Вю 9500; 3 - модель со смесью препаратов (Би-ХЕМ Цесклин + Васй-Вю 9500); 4 - с магнитами по периметру модели, смесь препаратов; 5 — С узкой магнитной лентой, смесь препаратов; 6 — с широкой магнитной лентой, смесь препаратов; 7 — со светодиодами, смесь препаратов; 8 — контрольная модель. В результате было получено, что деструкцию загрязняющих веществ можно проводить без постоянной подачи кислорода, но в присутствии освещения (рис.4,5).

Рисунок 5. Сравнительный график еН лабораторных моделей по типу биореакторов

Рисунок 4. Сравнительный график еН лабораторных моделей по типу аэротенков

Еуч.т ии'мгт

—ги;

—*—

—«.М»! —

—РИЗ

Из анализа графиков следует, что биопрепараты, предназначенные для нитрификации и для денитрификации, работают в среднем в зоне высоких значений окислительно-восстановительного потенциала при аэробном режиме. При постоянном освещении и без подачи подачи кислорода воздуха идёт процесс денитрификации, о чём свидетельствует отрицательные величины окислительно-восстановительного потенциала.

На основе результатов лабораторных экспериментов было осуществлено их масштабирование и отработка технологии в полупромышленных условиях.

В четвертой главе сформулированы основные задачи полупромышленных исследований, описана методика проведения испытаний и приведены их результаты в полупромышленной установке, а также дан анализ динамики качественных характеристик сточной воды локальных очистных сооружений, поступающей на биологическую очистку. Полупромышленные исследования проводились на локальных очистных сооружениях, расположенных на территории торгового центра «МЕГАМАГ» г. Ростов-на-Дону (рис. 6,7).

Рисунок 6.Полупромышленная экспериментальная установка

Технологические параметры модельных аэротенков полупромышленной установки: объем аэротенков - 10 л каждый, время пребывания - 24 часа, площадь освещения- 1120 см2 , нагрузка на ил Ls=1500 г БПК / г сут. Результаты исследований процессов очистки сточной воды приведены на рис. 8.

160 140 120 100

ш

s ВО 3.

* 60

40 20 0

Рисунок 7.Локальные очистные сооружения

Рисунок 8. Показатели зависимости окислительно-восстановительного потенциала в зависимости от типа аэротенка

Из анализа графика видно, что скорость окисления в «светлом» аэротенке больше, чем в «тёмном».

Особенность бытовых сточных вод, сбрасываемых на локальные очистные сооружения торгового центра, состоит в том, что они в значительной степени загрязнены биогенными элементами. Имеющийся дисбаланс данных веществ затрудняет эффективную работу активного ила, поскольку микроорганизмы могут усвоить менее половины азота, содержащегося в поступающей на очистку жидкости. Поэтому для поддержания жизнедеятельность нитрифицирующих культур биоценоза необходимо было обеспечить приток биомассы, обогащенной С02. С этой целью была разработана и смонтирована на очистных сооружениях торгового центра «МЕГАМАГ» опытная установка внутризонной циркуляции в аэротенке-нитрификаторе (рис. 9).

Установка для очистки сточных вод от загрязнений работает (согласно патенту № 2472715) следующим образом: освобожденная от мусора и песка сточная вода по трубопроводу поступает в аноксидную зону аэротенка нитри-фикатора-денитрификатора, куда также с помощью эрлифтов поступает циркулирующая нитратосодержащая жидкость и возвратный активный ил. В объеме денитрификатора при механическом перемешивании в аноксидных условиях происходит восстановление нитратов и нитритов до газообразного азота и частичное окисление органических веществ до воды и углекислого газа. Азот и углекислый газ выделяются в атмосферу. Далее из аноксидной зоны сточная жидкость поступает в зону нитрификации нитрификатора-денитрификатора, аэрация в которой производится через расположенные у дна аэраторы. Обогащенный углекислым газом аэрационный воздух обеспечивает эрлифтами внут-ризонную рециркуляцию биомассы и нитратосодержащей жидкости в аноксидную зону. Подвижность в вертикальной плоскости козырьков позволяет отбирать на необходимой высоте требуемую для циркуляции биомассу с целью сохранения доминантного видового разнообразия активного ила на каждом этапе очистки сточных вод, а также с учетом потребности нитрифицирующей биомассы в автотрофном питании, что регулируется содержанием диоксида углерода, отбираемого на определенной высоте зоны аэрации, что в итоге расширяет применение установки и повышение эффективности ее работы.

Рисунок 9. Схема установки локальных очистных сооружений 1 - первый коридор аэротенка со светодиодными лампами; 2 - второй коридор аэротека со светодиодными лампами; 3 - коридор аэротенка, 4 - коридор аэротенка, 5 - газосборные козырьки, смонтированные на опорах; 6- трубопровод внутризонной циркуляции биомассы;

7 - аэраторы, 8 - кассета с носителями прикрепленной биомассы

Газосборные козырьки влияют на характер изменения концентрации газов, а именно, идёт увеличение потребления СЬ и снижение выделения С02, рис. 10.

Характеристика окислительных процессов ЛОС

16

^ ~0—гН2

^ -Логарифмическая (гН2)

4

О .....-.......—1-----------------т........Т-----------г— .......-~т-------------------

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Точка замера*

Рисунок 10. Показатели окислительных процессов локальных очистных сооружений

*1, 2, 3— усреднитель-денитрификатор (начало, середина, конец сооружения); 4, 5, 6, 7 - 1-й, 2-й, 3-й, 4-й коридоры аэротенка, 8 - предотстойная зона; 9, 10 - вертикальный отстойник; 11,12,13 - коридоры блока биологической доочистки

По полученной экспериментальной зависимости (рис. 11) рекомендуется определить значение окислительной характеристики гН2, обеспечивающие оптимальные условия качества очищенных сточных вод (табл. 1).

Таблица 1- Качество очистки сточной воды на локальных очистных сооружениях торгового центра «МЕГАМАГ»

Показатель Концентрация загрязне- Концентрация загрязнений

ний в поступающей во- в очищенной воде, мг/л

де, мг/л

1Ч-НН4Т 50-60 2-3

N-N02" 0,25-0,35 0,01-0,03

N-N03" 0,2-0,3 7.5-9.0

хпк 550-650 30-40

Сероводород и сульфид- <2 <0,1

ионы в пересчёте на се-

роводород (Н28)

Зольность избыточного активного ила при освещении в течение 8-ми часов составляет 35 — 37 %, что не требует его стабилизационной обработки перед обезвоживанием.

При сбросе сточных вод с высоким содержанием поверхностно-активных веществ в городскую канализационную сеть рекомендуется их предварительная очистка следующим способом, согласно патенту № 2478581: исходную сточную воду разбавляют водой 1:5 для повышения эффективности процесса расслоения, при этом не имеет значения - очищенной или технической. Используемые реагенты Аква-Аурат и СКиФ способствуют образованию коагулирующих агломератов ПАВ и их осаждению. Хлорид кальция или концентрат от осмотической установки усиливает действие Аква-Аурата и СКиФа, так как при взаимодействии с ПАВ минеральная добавка уменьшает поверхностное натяжение воды, что приводит к ослаблению межмолекулярных связей, и процесс хлопьеобразования происходит интенсивнее.

В пятой главе на основании проделанных исследований были разработаны рекомендации по проектированию и эксплуатации локальных очистных сооружений биологической очистки. Кинетические параметры аэротенков рассчитываются по известным методикам, включающим определение размеров со-

оружений, времени обработки сточной вод, и ч, интенсивности аэрации, I,

м3/м2ч, удельной скорости окисления загрязняющих веществ р, мг/г*ч :

¿„•Со___1_

1

Р = Ртах'7—^-7—7;-;—7Г-;-,мг/г-ч (3)

Л • С, + • <7. + /г. ■ ¿7. 1 + т ■ п ^ >

где Ртах — максимальная скорость окисления органических веществ;1"0- концентрация растворенного кислорода, мг/л; ^ — константа, характеризующая

гг

свойства органических загрязняющих веществ, мг; ° - константа, характеризующая влияние кислорода, мг ^/л; р - коэффициент ингибирования продуктами распада активного ила, л/г, 0,07; - £Якполн очищенной воды, мг/л; а> - доза ила, г/л.

Важно в этих расчётах учитывать характеристику окислительных процессов гН2:

гН2=2еН/о+2рН (4)

где еН — окислительно-восстановительный потенциал системы; б — постоянная величина.

Значение гН2 должно находиться в пределах 10-15 для нитрификатора и 3-5 — для денитрификатора. При этом в темное время суток необходимо освещать аэробные зоны синим спектром света, интенсивностью 680-600 Гц, длиной волны 440-500 нм.

Был произведён экономически анализ с учётом использования освещения аэротенков от светодиодных ламп в тёмное время суток (время обработки принималось 8 ч), при этом снижали интенсивность подачи кислорода. Уменьшение площадей, отводимых под сооружения биологической очистки, дает сокращение размеров санитарно-защитной зоны предприятий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проделанной работы была создана технология биологической очистки сточных вод с использованием освещения в тёмное время суток, а также применения биодобавок, обеспечивающая повышение окислительной способности биоценозов активного ила аэротенков с экономией энергозатрат на 10-15% по сравнению с классическими технологиями биологического удаления загрязняющих веществ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Разработана технология биологической очистки сточных вод с использованием освещения в темное время суток и биодобавок, обеспечивающая нормативные требования к сбросу в рыбохозяйственный водоем.

2. Разработана математическая модель окислительного процесса в аэро-тенках с использованием освещения, учитывающая влияние длины волны света на окислительную способность активного ила, применение которой рекомендуется для управления режимом очистки сточных вод.

3. Установлены оптимальные величины влияния дозы питания, длины волны света, времени обработки на окислительную способность активного ила аэротенков: длина волны света 440-500 нм, время использования освещения 6-8 ч.

4. Разработан перечень практических рекомендаций по использованию результатов диссертационного исследования при проектировании, строительстве, реконструкции и эксплуатации сооружений по биологической очистке сточных вод.

5. Выполнена технико-экономическая оценка реализации технологии биологической очистки сточных вод с применением освещения в течение суток. Экономия энергозатрат составляет на 10 % по сравнению с классическими технологиями биологического удаления загрязняющих веществ.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

Публикации в eedyufux рецензируемых научно-технических журналах и изданиях:

1. Повышение среднесуточной окислительной способности биоценоза аэро-тенка / Н. С. Серпокрылов, Е. В.Скибина, В. Ю.Борисова // Вестник ВолгГАСУ. Сер. Строительство и архитектура. - 2011. - № 25 (44). -С. 306-310.

2. Борисова, В. Ю. Исследование биологической очистки сточных вод с использованием биопрепаратов / В. Ю. Борисова, Н. С.Серпокрылов // Вода: химия и экология. - 2013. - № 4. - С. 30-35.

3. Борисова, В.Ю. Повышение эффективности и надежности очистки сточных вод на разных стадиях эксплуатации очистных сооружений / Н.С.Серпокрылов, С.Е. Петренко, В.Ю. Борисова // Инженерный вестник Дона : [электрон. журн.]. - 2013. - № 2. - URL: http^/vAvw.ivdon.ro'uploads/article/pdfWD 26 Petrenko.pdf 1602.pdf

Патенты РФ на изобретения и полезные модели

4. Пат. 2478581 Российская Федерация, С02РЗ/02. Способ очистки высококонцентрированных ПАВ-содержащих сточных вод / Серпокрылов Н. С., Борисова В. Ю. - № 2011121712/05; заявл. 27.05.2011; опубл. 10.04.2013, Бюл. № 10

5. Пат. 2472715 Российская. Федерация, С02РЗ/02. Установка для очистки сточных вод от загрязнений / Серпокрылов Н. С., Марочкин А. А., Толмачев В. В., Лесников И. И., Скибина Е. В., Борисова В. Ю. -№ 2011140882/05; заявл. 07.10.2011; опубл. 20.01.2013, Бюл. № 2 Материалы конференций:

6. Борисова, В. Ю. Влияние освещенности биомассы на технологические параметры аэротенков / В. Ю. Борисова, Е. В. Скибина, Н. С. Серпокрылов, Я. Ю. Каменев // Технологии очистки воды "Техновод - 2011" : материалы VI Междунар. науч.-практ. конф., г. Чебоксары, 20-23 сент. 2011 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск : Лик, 2011. - С. 149-153

7. Борисова, В. Ю. К вопросу об альгобактериальном сообществе /

B. Ю. Борисова, Н. С. Серпокрылов, Е. В. Скибина // Строительство-2011 : материалы Междунар. науч.-практ. конф. / Рост. гос. строит, ун-т; Ин-т инж.-эколог. систем. - Ростов н/Д, 2011. - С. 44-45

8. Борисова, В. Ю. Влияние внутризонной циркуляции биомассы на эффективность биологической очистки сточных вод / В. Ю. Борисова, Н. С. Серпокрылов, Е. В. Скибина // Строительство-2012 : материалы Междунар. науч.-практ. конф. / Ростов, гос. строит, ун-т. - Ростов н/Д: РГСУ, 2012.-С. 31-33

9. Борисова, В. Ю. Экспериментальные исследования суточного режима работы аэротенков / В. Ю. Борисова // Студенческая научная весна - 2012 : материалы регион, науч.-техн. конф. (конкурса науч.-техн. работ) студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Рост, обл., 24-25 мая 2012 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск : ЛИК, 2012. - С. 213-214

Ш.Борисова, В. Ю. Исследования по интенсификации работы сооружений биологической очистки сточных вод / В. Ю. Борисова // Сборник работ победителей отборочного тура Всероссийского смотра-конкурса науч.-техн. творчества студентов вуза "Эврика", май-июль 2012 г., г. Новочеркасск / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск : ЛИК, 2012. -

C. 210-212

11. Борисова, В. Ю. Окислительно-восстановительные процессы при очистке сточных вод в аэротенках / В. Ю. Борисова, Н. С. Серпокрылов,

Е. В. Скибина, Ю. А. Попова // Технологии очистки воды "ТЕХНОВОД-2012" : материалы VII Междунар. науч.-практ. конф., г. Санкт-Петербург, 18-21 апр. 2012 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск: Лик, 2012.-С. 163-166

12. Борисова, В. Ю. К вопросу об интенсификации аэробной биохимической очистки сточных вод / В. Ю. Борисова, Н. С. Серпокрылов, Е. В. Скибина // Водоснабжение и канализация. - 2012. - № 7-8. - С. 50-54

Борисова Вита Юрьевна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ СООРУЖЕНИЙ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД В ТЕЧЕНИЕ СУТОК

05.23.04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 16.10.2013. Формат 60x84 Vig. Бумага офсетная. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 46-1087.

Отпечатано в ИД «Политехник» 346428, г. Новочеркасск, ул. Первомайская, 166 idp-npi@mail.ru

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреяедение высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ)

имени М.И. Платова»

Г| 1. П Л

,х рукописи

БОРИСОВА Вита Юрьевна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ

сооружен БИОЛОГИЧЕСКОЙ очистки сточных вод в

ТЕЧЕНИЕ СУТОК

05.23.04 —Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны

водных ресурсов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Серпокрылов Николай Сергеевич

Новочеркасск - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................................................4

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД В СИСТЕМАХ С АКТИВНЫМ ИЛОМ..............9

1.1 Существующие сооружения полной биологической очистки....................10

1.2 Анализ существующих технологий интенсификации биологической

очистки сточных вод..............................................................................................21

Выводы по 1 главе, постановка цели и задач исследования.............................27

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ И ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЕЁ ЭФФЕКТИВНОСТИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ОСВЕЩЕНИЯ...............................29

2.1 Основные регулируемые параметры работы аэротенков............................29

2.2 Особенности экологии активного ила и биохимических процессов..........32

2.3 Влияние внешних факторов на микроорганизмы.........................................40

2.3.1 Влияние температуры...................................................................................40

2.3.2 Влияние лучистой энергии...........................................................................42

Выводы по 2 главе..................................................................................................44

ГЛАВА 3. МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ И КОНСТРУКЦИИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УСТАНОВОК БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД............................................45

3.1 Методика проведения экспериментальных исследований и схема лабораторной установки........................................................................................45

3.2 Анализ результатов, полученных на лабораторной установке...................61

3.2.1 Окислительная характеристика экосистемы активного ила с освещением.............................................................................................................61

3.2.2 Химическое потребление кислорода экосистемы активного ила с освещением.............................................................................................................66

3.2.3 Окислительная характеристика экосистемы активного ила при отсутствии света.....................................................................................................69

3.3 Лабораторные исследования с биопрепаратами..........................................74

Выводы по 3 главе..................................................................................................77

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОСВЯЗИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОЛНОЙ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД79

Выводы по главе 4..................................................................................................94

ГЛАВА 5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ УСТАНОВОК БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД.....................................................................................................95

5.1 Расчет сооружений биологической очистки локальных очистных сооружений торгового центра «МЕГАМАГ» без применения освещения......95

5.1.1 Расчет аэротенка-нитрификатора................................................................95

5.1.2 Расчёт системы аэрации...............................................................................97

5.2 Расчет сооружений биологической очистки локальных очистных сооружений торгового центра «МЕГАМАГ» с применением освещения.......99

5.3 Расчет затрат на производственную электроэнергию................................103

5.3.1 Расчет затрат на производственную электроэнергию без применения освещения в тёмное время суток........................................................................103

5.3.2 Расчет затрат на производственную электроэнергию с применением освещения в тёмное время суток........................................................................104

5.4 Рекомендации на проектирование и эксплуатацию локальных

очистных сооружений.........................................................................................106

Выводы по 5 главе................................................................................................107

Основные выводы по работе...............................................................................108

Список использованной литературы.................................................................109

Список сокращений.............................................................................................109

ПРИЛОЖЕНИЯ....................................................................................................123

Приложение 1. Протоколы качественного химического анализа...................124

Приложение 2. Результаты исследования интенсификации работы аэротенка

с применением биодобавок.................................................................................130

Приложение 3. Справка о внедрении.................................................................133

Приложение 4. Формуляр «Станция биологическая очистная компактная типа «БОКС»»......................................................................................................134

ВВЕДЕНИЕ

Возрастающие требования к качеству сточных вод, сбрасываемых в рыбохозяйственные водоемы, диктуют необходимость дополнительной очистки биохимически очищенных сточных вод, либо повышения эффективности последней.

Модернизация аэробной очистки в аэротенках может идти несколькими путями: увеличение дозы активного ила в аэротенке, за счёт размещения в нем кассет биозагрузки, совершенствование гидродинамического режима аэротенков, а также совершенствование систем аэрации сточных вод, либо использования различных методов физического воздействия на биомассу -ультразвуком, вводом ферментов, освещением.

Актуальность работы подтверждается необходимостью повышения эффективности процесса очистки сточных вод в аэротенках в течение суток с одновременным решением хозяйственных, экологических и экономических аспектов водоочистки. Такая постановка задачи осуществляется впервые.

Диссертация посвящена накоплению новых фактических результатов, обобщению имеющихся в литературе данных и на их основе проведению экспериментальных исследований по влиянию разных параметров на процесс биологической очистки в аэротенках.

Исследование проводилось в рамках научного направления ЮжноРоссийского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института) - технологии, сооружения и аппараты по очистке природных и сточных вод.

Целью работы является теоретическое обоснование, разработка и исследование технологии повышения эффективности работы аэротенков за

счёт увеличения окислительной способности активного ила освещением в тёмное время суток.

Поставленная цель предопределила постановку следующих задач:

- разработать технологию биологической очистки сточных вод с использованием освещения, биодобавок, стабильно обеспечивающей качество очищенной воды на уровне ПДК для водоемов рыбохозяйственного назначения;

- разработать математическую модель работы аэротенков по технологии освещения в темное время суток;

- исследовать основные закономерности и обосновать оптимальные технологические параметры реализации процесса биологической очистки сточных вод с использованием освещения и других внешних условий в лабораторных условиях;

- отработать в полупромышленных условиях на реальных сточных водах технологию биологической очистки сточных вод с использованием освещения и биодобавок;

- выполнить технико-экономическую оценку разработанной технологии биологической очистки сточных вод в аэротенках.

Основная идея работы состоит в повышении суточной эффективности биологической очистки сточных вод с применением освещения.

Методы исследований включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, лабораторные и полупромышленные исследования по стандартным методикам.

Достоверность научных результатов, выводов и рекомендаций для практического использования подтверждается экспериментальными исследованиями по утвержденным научно-обоснованным методикам с применением метрологически аттестованных приборов и оборудования, обеспечивающих требуемую точность и надежность результатов измерений, боль-

шим объемом экспериментальных данных и их высокой сходимостью с расчетными значениями.

Научная новизна работы:

- впервые теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность проведения биологической очистки сточных вод в аэротенках с использованием освещения в тёмное время суток;

- разработанная математическая модель окислительного процесса в аэротенках с использованием освещения учитывает влияние длины волны света на окислительную способность активного ила;

- новизна рекомендации конструкторско-технологического оформления локальных очистных сооружений на базе применения биодобавок состоит в том, что при их реализации определены оптимальные величины рН, еН работы сооружений биологической очистки для повышения её эффективности при разных внешних условиях;

- разработанная установка биологической очистки сточных вод в отличие от известных включает применение подвижных газосборных козырьков, новизна которой подтверждена патентом РФ на изобретение.

Практическое значение работы:

- предложено применение освещения аэротенков в тёмное время суток, позволяющее проводить более полное окисление загрязняющих веществ;

- использование биодобавок в совокупности с другими устройствами в биологической очистке значительно повышает её эффективность;

- создан и представлен перечень практических рекомендаций по использованию результатов диссертационного исследования при проектировании, строительстве, реконструкции и эксплуатации сооружений по биологической очистке сточных вод. Результаты диссертационного исследования

используются в процессе эксплуатации локальных очистных сооружений торгового центра «МЕГАМАГ» г. Ростова-на-Дону, ул. Пойменная 1.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационного исследования используются в процессе эксплуатации локальных очистных сооружений торгового центра «МЕГАМАГ» г. Ростова-на-Дону, ул. Пойменная 1.

Основные положения, выносимые на защиту:

- обоснование эффективности применения технологии биологической очистки сточных вод применением освещения в темное время суток;

- результаты исследований основных закономерностей биохимических процессов при биологической очистке сточных вод с использованием освещения, других внешних воздействий в лабораторных условиях;

- обоснование оптимального технологического режима работы сооружений биологической очистки сточных вод с использованием освещения и биодобавок, обеспечивающих заданную эффективность очистки сточных вод;

- результаты работы на реальной сточной воде, реализующей технологию биологической очистки с применением освещения и биодобавок;

- показатели экономической эффективности разработанной технологии.

Апробация работы. Основные положения, изложенные в диссертационной работе докладывались и обсуждались на всероссийских и международных научно-практических конференциях «Техновод» (г. Чебоксары, 2011г., г. Санкт-Петербург, 2012 г.), «Строительство» (г.Ростов-на-Дону, 2011-2012 гг.), ФГБОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ) (2012 г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы достаточно полно в 12 печатных работах, общим объёмом 2,95 п.л. (вклад соискателя 1,62 п.л.), в том числе 3 статьях в научных журналах и изданиях,

которые включены в перечень российских рецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертаций, выдано 2 патентах РФ на изобретение, 7 работах, опубликованных в материалах всероссийских и международных конференций и симпозиумов.

Личный вклад автора состоит в выдвижении идей, научном обосновании, постановке и проведении исследований, анализе результатов, разработке технологии и ее внедрении.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 155 страницах машинописного текста, включает 31 таблицу, 33 рисунка, и состоит из введения, 5 глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы из 122 наименований, примечаний.

Автор выражает глубокую признательность: научному руководителю, доктору технических наук, профессору Н.С. Серпокрылову и научному консультанту, кандидату биологических наук, доценту Ю.А. Поповой -за постоянные научные консультации и помощь в работе; коллективу кафедры «Водное хозяйство, инженерные сети и защита окружающей среды» ЮРГПУ (НПИ) (г. Новочеркасск) - за внимание и поддержку при проведении исследований.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД В СИСТЕМАХ С

АКТИВНЫМ ИЛОМ

Анализ состояния канализационных очистных сооружений показывает, что во многих городах они работают неудовлетворительно и продолжают сбрасывать в водные объекты загрязненные сточные воды, создавая угрозу для здоровья населения.

Количество сточных вод, поступающих на станции аэрации и биофильтрации, во многих случаях превышает их проектную пропускную способность, из-за чего снижается качество очистки и ухудшается санитарное состояние водоисточников.

В настоящее время значительная роль отводится биологическим методам очистки городских и производственных сточных вод как наиболее экономичным, простым и надёжным.

Вопросы реконструкции и расширения действующих очистных станций следует решать одновременно с внедрением новых интенсивных технологических процессов очистки и новых реконструкций очистных сооружений, обеспечивающих увеличение пропускной способности, эффективности и надёжности их работы. При этом необходимо иметь в виду экономию не только капитальных затрат при строительстве, но и энергетических и трудовых ресурсов в процессе эксплуатации, а также рациональное использование земельных площадей, отводимых под строительство очистных сооружений и, как следствие этого, сокращение санитарно-защитных зон.

Поэтому потребовалось проанализировать современное состояние и особенности биологической очистки сточных вод.

Биологическая очистка интенсивно протекает в искусственно созданных условиях. Этот процесс можно контролировать и регулировать, а, следовательно, интенсифицировать. Именно возможность регулирования сте-

пени очистки привела к созданию многообразных технологических приемов, критерием эффективности которых' являются достигаемая степень очистки, т.е. экологический фактор и стоимость очистки - экономический фактор. В общем случае, зная принцип метаболизма микроорганизмов, можно добиться любой степени очистки, но ограничением по организации той или иной технологии может являться ее стоимость, которая, прежде всего в период эксплуатации очистных сооружений зависит от энергозатрат и численности обслуживающего персонала [38].

1.1 Существующие сооружения полной биологической очистки

Биологическая очистка сточных вод осуществляется в сооружениях, работающих в естественных или искусственно созданных условиях. К первым относятся биологические пруды, поля орошения и поля фильтрации, ко вторым - аэротенки и биофильтры. Каждое очистное сооружение представляет собой особую экологическую нишу со специфическими условиями существования, влияющими на формирование биоценоза. При стабильной работе сооружения биоценоз является устойчивой саморегулирующейся системой со сложившимися трофическими и другими связями. Характер биоценоза определяется типом очистного сооружения и режимом его работы.

Биологический фильтр (биофильтр) - сооружение, в котором сточная вода фильтруется через загрузочный материал, покрытый биологической плёнкой (биоплёнкой), образованной колониями микроорганизмов (Рисунок 1.1) [31,38].

Микроорганизмы биопленки в процессе ферментативных реакций окисляют органические вещества, получая при этом питание и энергию, необходимые для жизнедеятельности. Часть органических веществ используется для увеличения своей массы микроорганизмами. Таким образом, в процессе метаболических реакций происходит преобразование загрязнений в простые соединения (вода, минеральные вещества и газы), в результате из

сточной воды удаляются органические загрязнения, проходят процессы де-нитрификации и увеличивается масса активной биологической плёнки в теле биофильтра.

- дисковый блок из пластин; 2 - вал; 3 - привод дискового блок; 4 - подводящий лоток; 5 - ванна; 6 - водослив; 7 - отводящий.

Капельные биофильтры обычно проектируются прямоугольными в плане, сточная вода подается сверху на поверхность загрузки, при помощи распределительных устройств различного типа (Рисунок 1.2).

Фильтрующий слой может быть выполнен из щебня или гравия (размер 25 80 мм) или отдельных конструкций, состоящих из пространственных пластмассовых элементов [38].Сравнительно небольшие линейные размеры загрузки обуславливают значительную удельную поверхность (150-250 м2/м3), что предопределяет высокие скорости изъятия загрязнений, в то время как при использовании крупной загрузки уменьшается вероятность каль