автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Развитие научно-технологических основ эксплуатации сооружений канализации в условиях биохимического окисления неорганических соединений

72 11/2

Украинский государственный научно-исследовательский институт проблем водоснабжения, водоотведения и охраны окружающей природной среды "УкрВОДГЕО"

На правах рукописи

Юрченко Валентина Александровна

УДК 628.23+628.35

РАЗВИТИЕ НАУЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ ЭКСПЛУАТАЦИИ СООРУЖЕНИЙ КАНАЛИЗАЦИИ В УСЛОВИЯХ БИОХИМИЧЕСКОГО ОКИСЛЕНИЯ НЕОРГАНИЧЕСКИХ

СОЕДИНЕНИЙ

05.23.04 - Водоснабжение, канализация

диссертация на соискание ученой степени

Харьков - 2006

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Список сокращений..................13

ВВЕДЕНИЕ....................14

1 БИОХИМИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ НЕОРГАНИЧЕСКИХ СУБСТРАТОВ (АЭРОБНЫЙ ХЕМОСИНТЕЗ) В ПРИРОДНЫХ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДАХ И ФАКТОРЫ, УПРАВЛЯЮЩИЕ ПРОЦЕССАМИ.............21

1.1. Хемосинтез - уникальный тип обмена веществ микроорганизмов в неорганической среде местообитания ....... 21

1.2. Общая характеристика, обмен веществ и экология тио-

новых и нитрифицирующих бактерий в биосфере........23

1.2.1. Тионовые бактерии (тиобациллы).............23

1.2.2. Нитрифицирующие бактерии........ .... 27

1.3. Трансформации неорганических субстратов - геохимическая деятельность аэробных автотрофных бактерий цикла

серы и азота в биосфере.................29

1.3.1. Геохимическая деятельность тиобацилл в литосфере и

гидросфере.....................29

1.3.2. Геохимическая деятельность нитрифицирующих бактерий в литосфере, гидросфере и атмосфере..........31

1.4. Биохимическое окисление серо- и азотсодержащих неорганических соединений в техносфере: проблемы эксплуатации и экологической безопасности объектов..........32

1.4.1. Надежность и экологическая безопасность технических

объектов........................

1.4.2. Роль тиобацилл в аэробной коррозии металлов и других материалов....................34

1.4.3. Коррозия пористых строительных материалов, обусловленная жизнедеятельностью тионовых и нитрифицирующих бактерий...................37

1.4.4. Микробиологическая коррозия бетона трубопроводов водоотведения....................38

1.4.5. Борьба с микробиологической коррозией бетона сетей водоотведения, вызываемой тиобациллами..........44

1.4.6. Роль аэробного хемосинтеза в эффективности биологической очистки сточных вод от азот- и серосодержащих соединений ......................48

1.4.6.1. Нитрификация сточных вод.............49

1.4.6.2. Микробиологическая очистка роданидсодержащих

сточных вод тионовыми бактериями.............55

1.4.7. Методы контроля активности процессов биохимического окисления неорганических соединений и возможности

их использования в сооружениях канализации.........57

1.4.7.1. Контроль концентрации тиобацилл...........57

1.4.7.2. Контроль активности развития тиобацилл в сооружениях водоотведения и оценка степени агрессивности среды, воздействующей на бетон................58

1.4.7.3. Контроль развития нитрифицирующих бактерий......60

1.4.8. Математическое описание микробиологических процессов, происходящих в сооружениях канализации........61

1.5. Выбор направлений исследований. Цель и задачи диссертационной работы..................66

2 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ................70

2.1. Методы исследования сточных вод в лотковой части

трубопроводов водоотведения...............70

2.2. Методы исследований газо-воздушной среды в коллекторе ................... .... 71

2.3. Методы исследования бетона.............72

2.4. Исследование биохимического окисления азот- и серосодержащих неорганических соединений в очистных сооружениях ......................78

2.4.1. Методы исследований нитрификации в промышленных

очистных сооружениях.................79

2.4.2. Методы исследования биосорбционной нитрификации, обезроданивания и удаления лигнина в лабораторных установках .......................81

Выводы......................82

3 БИОХИМИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ НЕОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ В СООРУЖЕНИЯХ ВОДООТВЕДЕНИЯ.....83

3.1. Генезис соединений, инициирующих микробиологическую коррозию на своде канализационных сетей. Превращения биогенных элементов в лотковой части канализационных трубопроводов....................83

3.1.1. Превращения углерод-, серо- и азотсодержащих соединений в процессе транспортирования сточных вод........84

3.1.2. Микробиологические процессы в лотковой части канализационных трубопроводов ............... 90

3.2. Влияние аэробного хемосинтеза на биогеохимические

трансформации бетона в канализационных сетях........98

3.2.1. Превращения главных биогенных элементов и содержащих их соединений............. .... 98

3.2.1.1. Превращение органических и неорганических угле-родсодержащих соединений...............98

3.2.1.2. Превращение серосодержащих соединений........106

3.2.1.3. Превращение азотсодержащих соединений........111

3.2.2. Динамика концентрации катионов и анионов в процессе коррозии .....................ИЗ

3.2.2.1. Динамика концентрации катионов щелочноземельных металлов.....................113

3.2.2.2. Динамика концентрации катионов щелочных металлов ............................115

3.2.2.3. Динамика концентрации Si, А1 и Fe..........115

3.2.2.4. Динамика концентрации хлоридов...........117

3.2.2.5. Динамика концентрации соединений фосфора в процессе коррозии бетона..................117

3.2.3. Динамика влажности бетона.............120

3.2.4. Изменение основных характеристик микробиоценоза на своде трубопроводов водоотведения в динамике коррозионного процесса....................122

3.2.4.1. Микроорганизмы цикла серы............122

3.2.4.2. Микроорганизмы цикла азота............124

3.2.4.3. Микробиологические трансформации углерода......126

3.2.5. Влияние микробиологической коррозии на структурные характеристики бетона сводовой части канализационных коллекторов.....................127

3.3. Анализ функционирования экосистемы самотечных канализационных трубопроводов, генезиса экологически опасных и коррозионно-агрессивных соединений..........129

3.4. Системный анализ биохимических, химических и физических процессов в канализационном коллекторе, приводящих к коррозии бетона .................137

3.4.1. Прогнозирование коррозии бетона на основе макроки-нетических балансовых соотношений в квазистационарном

режиме......................139

3.4.2. Математическая модель биохимических, химических и физических процессов, приводящих к коррозии бетона в ка-

нализационных коллекторах...............144

3.4.2.1. Математическая модель биохимического окисления соединений серы в системе «конденсатная влага-биопленка

тиобацилл».....................146

3.4.2.2. Математическая модель биогенной сернокислотной

коррозии бетона в канализационных коллекторах........156

3.4.2.3. Инициация биогенной сернокислотной коррозии (формирование питательной среды для аэробного хемосинтеза тиобацилл на сводовой части коллектора)..........171

Выводы......................199

4 ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ СИСТЕМ ВОДООТВЕДЕНИЯ, НАХОДЯЩИХСЯ В УСЛОВИЯХ БИОГЕННОЙ

СЕРНОКИСЛОТНОЙ АГРЕССИИ.............202

4.1. Разработка методов оперативного контроля активности микробиологической коррозии бетона, методов прогнозной оценки долговечности трубопроводов и эффективности мероприятий, направленных на ее повышение ..........202

4.1.1. Установление корреляционной зависимости между концентрацией тиобацилл в бетоне и его кислотностью в динамике коррозии...................202

4.1.2. Использование твердофазного электрода для оперативной оценки концентрации тиобацилл в бетоне и прогнозной оценки эффективности мероприятий, направленных на защиту бетона от биогенной сернокислотной агрессии........204

4.1.3. Прогнозная оценка эксплуатационной долговечности конструкций из бетона, находящихся в условиях биогенной сернокислотной агрессии................210

4.2. Разработка метода подавления сульфатредукции в лотковой части канализационных трубопроводов, образующей экологически опасные, коррозионно-агрессивные и инициирующие микробиологическую коррозию на своде газообразные соединения....................218

4.2.1. Подавление микробиологической сульфатредукции в

различных технических средах...............219

4.2.1.1. Исследование спонтанных микробиологических процессов, вызывающих деструкцию СОЖ ............219

4.2.1.2. Влияние спонтанных микробиологических процессов

на химические и физико-химические характеристики СОЖ.....221

4.2.1.3. Исследование ингибирующего воздействия С02 на микробиологическую сульфатредукцию, вызывающую деструкцию СОЖ....................224

4.2.2. Влияние свободной углекислоты на содержание сероводорода в транспортируемых сточных водах..........226

4.3. Подавление образования серной кислоты тиобациллами

на сводовой части сетей водоотведения............230

4.3.1. Химические биоцидные воздействия...........230

4.3.1.1. Введение биоцидов в накопительные культуры тио-

бацилл.......................230

4.3.1.2. Действие на накопительную культуру тиобацилл биоцидов, введенных в состав полимерных покрытий........236

4.3.1.3. Действие на накопительную культуру тиобацилл

биоцидов, входящих в состав бетона............239

4.3.2. Физические биоцидные воздействия (импульсное УФ-

излучение широкого спектра) на ассоциацию тиобацилл......241

4.3.3. Использование активной реакции среды как фактора

управления развитием микробных популяций..........243

4.3.3.1. Использование активной реакции среды как фактора подавления развития микробиологических обрастаний в системах водоподготовки..................245

4.3.3.2. Использование активной реакции среды для подавления развития ассоциаций тиобацилл на бетоне сооружений водоотведения....................254

4.3.3.3. Оценка эффективности защитных противокоррозионных покрытий....................261

Выводы......................270

5 РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОПЕРАТИВНОГО ТЕСТИРОВАНИЯ НИТРИФИЦИРУЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ АКТИВНОГО ИЛА И ПРОГНОЗА ЕГО АММОНИЙ-ОКИСЛЯЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ.............272

5.1. Тестирование состояния активного ила в биологических

очистных сооружениях.................272

5.2. Микробиологические и физиологические методы контроля нитрифицирующей активности ила очистных сооружений .......................274

5.3. Разработка методики оперативного контроля концентрации бактерий-нитрификаторов I фазы в активном иле биологических очистных сооружений и прогноза его нитрифицирующей способности..................278

5.3.1. Модификация методики определения ДГА в микробиоценозе для определения гидроксиламиндегидрогеназной

активности (ГДГА)...................279

5.3.2. Технологические характеристики нитрифицирующих активных илов, определяемые на основании значений их

ГДГА.......................283

5.4. Информативность биохимических методов контроля ав-

тотрофной и гетеротрофной нитрификации при очистке

сточных вод.....................289

5.4.1. Нитрифицирующая способность ила и активность ок-сидоредуктаз....................289

5.4.2. Динамика активности оксидоредуктаз ила в процессе очистки сточных вод различного состава от органических соединений ......................293

5.4.3. Влияние нитрифицирующих микробных ассоциаций на гетеротрофную микрофлору в микробиоценозе активного

ила........................294

Выводы......................298

6 БИОХИМИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ НЕОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ В СООРУЖЕНИЯХ БИОЛОГИЧЕСКОЙ

ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД................300

6.1. Нитрификация минерализованных концентрированных по азотсодержащим загрязнениям промышленных сточных

вод в очистных сооружениях...............300

6.1.1. Нитрификация сточных вод в промышленных очистных сооружениях одностадийной схемы НДФ.........300

6.1.1.1. Исследование работы установки одностадийной

НДФ, очищающей сточные воды от Ы-ЫН4 и N-N03 ....... 302

6.1.1.2. Исследование работы установки одностадийной НДФ, очищающей сточные воды от N-№14, ^карбамида и

N-N03 ....................... 306

6.1.2. Нитрификация сточных вод в промышленной установке двухстадийной схемы НДФ ..............314

6.1.2.1. Исследование процесса нитрификации в очистном

сооружении.....................315

6.1.2.2. Исследование процесса нитрификации в лабораторных условиях.....................322

6.1.2.3. Биохимический и микробиологический анализ илов других биологических очистных сооружений двухстадийной

НДФ.......................325

6.2. Биосорбционная нитрификация промышленных сточных вод и их моделей в лабораторных и промышленных установках ........................326

6.2.1. Характеристика состава сточных вод, используемых в экспериментах....................326

6.2.2. Характеристика иммобилизованных нитрифицирующих микробиоценозов.................328

6.2.3. Установление биокинетических характеристик био-сорбционной нитрификации и математическое описание

процесса......................331

6.2.4. Влияние на биосорбционную нитрификацию минерализованных промышленных сточных вод трудноокисляемых органических загрязнений................339

6.2.5. Биосорбционная нитрификация N-№14 и Ы-карбамида в лабораторных установках................343

6.2.6. Биосорбционная нитрификация N-№1 \ и Ы-карбамида

в промышленной установке................350

6.2.7. Биосорбционная нитрификация хозяйственно-бытовых

сточных вод в сооружениях биоплато............352

6.2.8. Биосорбционная нитрификация нитритсодержащих промышленных сточных вод...............355

6.2.9. Влияние иммобилизации на стабильность процессов

хемосинтеза в сооружениях канализации...........360

6.3. Роль аэробного хемосинтеза тиобацилл в очистке сточных вод некоторых промышленных производств........366

6.3.1. Очистка сточных вод коксохимических производств.....366

6.3.1.1. Основные показатели биологической очистки сточных вод в аэротенках..................366

6.3.1.2. Биохимические исследования............368

6.3.1.3. Микробиологические исследования..........369

6.3.1.4. Одновременный аэробный хемосинтез нитрифицирующих и тионовых бактерий...............370

6.3.2. Удаление сульфатного лигнина из сточных вод предприятий целлюлозно-бумажной промышленности........373

6.3.2.1. Очистка сточных вод целлюлозно-бумажных производств от лигнина активным илом .............373

6.3.2.2. Использование накопительной культуры тиобацилл для удаления производных лигнина из сточных вод целлюлозно-бумажного производств...............374

Выводы......................377

7 ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССАМИ БИОХИМИЧЕСКОГО ОКИСЛЕНИЯ НЕОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ В СООРУЖЕНИЯХ

КАНАЛИЗАЦИИ..................379

7.1. Экономическая эффективность методов контроля и подавления процессов аэробного хемосинтеза в сооружениях водоотведения....................379

7.2. Экономическая эффективность управления нитрификацией минерализованных промышленных сточных вод .......383

7.2.1. Оперативный контроль процесса нитрификации сточных вод ......................383

Выводы......................384

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ..................385

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ........389

СПИСОК УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

БХО — биохимическая очистка,

БХУ - установка биохимической очистки,

ГДГА - гидроксиламиндегидрогеназная активность,

ДГА - дегидрогеназная активность,

ДМС - диметилсульфид,

ИУФИШС - импульсное ультра-филолетовое излучение широкого спектра,

КА - каталазная активность,

Кое - колонийобразующие единицы.

МПА - мясо-пептонный агар,

МПБ - мясо-пептонный бульон,

НДФ - нитрификация-денитрификация,

ОВП - окислительно-восстановительный потенциал,

ПА - пероксидазная активность,

ПФОА - полифенолоксидазная активность,

СВ - сточные воды,

ТТХ - трифенилтетразолийхлорид.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Надежность систем водоотведения, которая обеспечивает безаварийное транспортирование и стабильно эффективную очистку сточных вод - актуальная научно-техническая и практическая народнохозяйственная проблема. Одним из наиболее важных факторов эксплуатации сооружений канализации является биохимическое окисление неорганических соединений серы до серной кислоты тиобациллами и неорганических соединений азота до азотистой и азотной кислот нитрифицирующими бактериями (нитрификация), обусловленное жизнедеятельностью аэробных авто-трофных бактерий (аэробный хемосинтез). Этот процесс в сооружениях канализации мегаполисов - самый масштабный и самый интенсивный по сравнению с другими техническими и природными объектами, ежесуточно превращает тонны соединений азота и серы. Но методов контроля и регулирования хемосинтеза (подавления в сооружениях водоотведения и интенсификации в сооружениях биологической очистки сточных вод), необходимых для обеспечения надежности эксплуатации систем канализации, крайне недостаточно. Следствием этого является активное коррозионное разрушение сотен километров бетонных трубопроводов водоотведения и неудовлетворительный эффект биологической очистки городских и промышленных сточных вод от неорганических азотсодержащих загрязнений. Необходимым мероприятием для повышения эксплуатационной долговечности сооружений водоотведения, стабильности и эффективности биологической очистки сточных вод, обусловленных аэробным хемосинтезом, является управление этим процессом. Решение проблемы должно базироваться на привлечении знаний и методов естественных и технических наук, современных достижений в области эксплуатации канализационных сооружений и использовании мероприятий, которые позволяют контролировать и регулировать аэробный хемосинтез экономичными, технологичными и экологически безопасными методами.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Результаты работы являются составной частью научных исследований, выполненных в рамках тематических планов научно-исследовательских работ УГНИИ УКРВОДГЕО, межрегиональной программы "Экологическое оздоровление бассейна реки Северский Донец", "Межотраслевой программы по о