автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Совершенствование контроля и интенсификация работы биологических очистных сооружений

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Современные методы контроля БОС и пути интенсификации процессов биологической очистки.

1.1. Экологическая обстановка на территории Улан-Удэнского промышленного узла и влияние сточных вод на качество воды р. Селенга и о. Байкал.

1.2. Характеристика сточных вод, поступающих на БОС.

1.2.1 Сточные воды, содержащие фенольные соединения и нефтепродукты.8 •

1.2.2 Сточные воды предприятий мясомолочной промышленности.

1.3. Негативное влияние токсичных компонентов сточных вод на микроорганизмы.

1.4. Современные методы оценки качества сточных вод.

1.4.1. Химические методы.

1.4.2. Метод биотестирования.

1.4.3. Метод биоиндикации.

1.5. Биота активного ила.

1.5.1. Трофическая структура активного ила.

1.5.2. Состав организмов активного ила.

1.6. Современные типы БОС и пути их интенсификации.

1.7. Выводы их литературного обзора и постановка задач исследования.

ГЛАВА 2. Объекты и методы исследования.

2.1. Объекты исследований.

2.2. Методы исследований.

2.3. Статистическая обработка экспериментальных данных.

ГЛАВА 3. Оценка эффективности работы БОС.

3.1. Физико-химические параметры работы аэротенков очистных сооружений.

3.2. Краткая характеристика и особенности гидрохимического состава поступающих и очищенных сточных вод на очистных сооружениях.

3.3. Токсикологическая характеристика поступающих и очищенных сточных вод на очистных сооружениях.

3.4. Токсикологическая характеристика сточных вод промышленных производств города.

3.4.1. Токсикологическая характеристика сточных вод пищевых производств города.

3.4.2. Токсикологическая характеристика сточных вод промышленных и автотранспортных производств города.

3.5. Биота активного ила очистных сооружений г. Улан-Удэ

3.5.1. Дегидрогеназная активность ила из аэротенков очистных сооружений.

3.5.2. Видовой и количественный состав микробного сообщества очистных сооружений.

ГЛАВА 4. Разработка метода биоиндикации залповых выбросов фенольных соединений и нефтепродуктов.

4.1. Влияние залповых выбросов фенольных соединений на активный

4.2. Влияние залповых выбросов нефтепродуктов на активный ил.

ГЛАВА 5. Интенсификация технологического процесса очистки сточных вод при поступлении залповых выбросов фенольных соединений и нефтепродуктов.

5.1. Введение биореактора с прикрепленной микрофлорой в технологическую схему БОС г. Улан-Удэ.

5.2. Исследование прикрепленной микрофлоры из биореакторов.

5.3. Усовершенствованная схема БОС г. Улан-Удэ с применением биореакторов.

5.4. Технико-экономические показатели усовершенствованной технологии.

ВЫВОДЫ.

Актуальность работ. Одной из самых важных проблем, стоящих перед мировым сообществом, является проблема защиты окружающей природной среды и устойчивого развития человеческой цивилизации. Эта проблема касается всех нас, живущих на планете, и особенно тех, кто живёт в регионе озера Байкал, признанного ЮНЕСКО участком мирового наследия. На территории Бурятии бассейн озера Байкал формируется за счёт стока таких больших рек, как Селенга, Верхняя Ангара, Баргузин и других, на которых находятся промышленные центры Республики. Поэтому необходима продуманная экологическая политика в области природопользования в бассейне озера Байкал. Одной из главных задач сохранения озера Байкал является снижение антропогенной нагрузки, сокращении сброса недостаточно очищенных сточных вод, особенно в крупных притоках озера, таких, как река Селенга. В долине реки Селенга сосредоточен промышленный комплекс Республики Бурятия, и ежегодно сбрасывается более 100 млн.м3 ненормативно очищенных сточных вод. Несмотря на системный кризис в России, снижение объёмов сточных вод, поступающих на городские биологические очистные сооружения, часто наблюдаются сбросы высокотоксичных веществ (фенолов, нефтепродуктов, хлорированных углеводородов, тяжёлых металлов), которые приводят к сбоям работы очистных сооружений и требуется достаточно много времени, чтобы восстановить окислительную функцию микробиоценозов активного ила.

В современной практике очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод от органических загрязнителей одно из ведущих мест занимают биологические методы, осуществляемые с помощью активных илов. Изучение работ отечественных и зарубежных авторов и опыта эксплуатации очистных станций позволило выявить их недостатки, и как следствие неудовлетворительный технологический режим и нарушения. В 5 частности, отсутствие предварительного контроля поступающих сточных вод по биохимическим параметрам не позволяет оперативно управлять процессами и полностью использовать резервы для интенсификации работ очистных сооружений. Несовершенство технологических процессов усугубляется тем, что сооружения устаревают, их техническое состояние не всегда соответствует требуемым параметрам. Поэтому необходимо изыскивать более совершенные приёмы управления технологическими процессами.

Цель работы. Целью настоящей работы является дальнейшее развитие научных основ интенсификации работы биологических очистных сооружений, которые будут способствовать решению проблем устойчивого развития республики Бурятии при максимальном сбережении природных ресурсов. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: ¡.Выполнить детальный анализ недостаточной производительности существующих схем, технологий и конструкции аэробной очистки сточных вод г.Улан-Удэ.

2. Разработать методику биоиндикации залповых сбросов токсикантов на примере фенольных соединений, нефтепродуктов и оценить потенциальные источники их поступления на очистные сооружения.

3. Интенсифицировать процесс биологической очистки при залповых выбросах токсичных веществ введением в существующую технологическую схему биореактора с прикреплённой микрофлорой на стадии вторичного отстаивания.

4. Разработать наиболее рациональную технологическую схему управления очисткой на БОС с учётом биохимического состояния активного ила и экономических параметров, оптимизировать эксплутационные параметры для БОС г.Улан-Удэ.

Положения, выносимые на защиту: — Результаты экспериментальных исследований биоты активного ила. 6

Результаты экспериментальных исследований токсичности сточных вод промышленных предприятий.

Результаты экспериментальных исследований влияния залповых выбросов фенольных соединений и нефтепродуктов на микробиоценозы активного ила; на окислительно-восстановительные ферменты микроорганизмов.

Усовершенствованная технология очистки сточных вод с применением биореактора при залповых выбросах фенольных соединений и нефтепродуктов. 7

ВЫВОДЫ

1. В результате проведённых исследований установлено, что существующая схема аэробной очистки сточных вод БОС г. Улан-Удэ недостаточно эффективна:

A) Поступающие и очищенные на сооружениях воды нестабильны по токсичности. Степень токсичности в сточных водах, поступающих на очистные сооружения изменяется от нетоксичных до гипертоксичных, в очищенных водах от нетоксичных до среднетоксичных.

Б) Выявлены наиболее опасные по токсичности сточные воды пищевых, промышленных и обслуживающих автотранспорт производств города, являющихся потенциальными источниками их поступления на очистные сооружения.

B) Установлено, что залповые сбросы токсичных веществ на очистные сооружения оказывают ингибирующее влияние на биохимическую активность и трофическую структуру ила, способствуют образованию более токсичных метаболитов.

2. Разработана оригинальная методика биоиндикации залповых выбросов токсичных веществ на примере фенольных соединений и нефтепродуктов, которая позволяет совершенствовать контроль работы БОС. Установлены различные оксические эффекты, проявляющиеся в изменениях структуры микробного сообщества. Фенольные соединения и нефтепродукты оказывают прямое оксичное воздействие непосредственно на все группы организмов микробного сообщества и по трофической цепи питания. Выявлены чувствительные и стойчивые к выбросам фенольных соединений и нефтепродуктов организмы, гнетения дегидрогеназной активности микроорганизмов активного ила. В •езультате изменения структуры активного ила под воздействием фенольных оединений и нефтепродуктов происходили изменения физико-химических

118 параметров работы аэротенков: снижение илового индекса от 5,7 до 45% и растворенного кислорода от 8,3 до 25%.

3. Предложена технологическая схема по интенсификации процесса биологической очистки при залповых выбросах токсичных веществ введением опытно-промышленного биореактора с прикреплённой микрофлорой на стадии вторчного отстаивания. Разработанная схема апробирована. Найдены оптимальные режимы биореактора:

Установлено, что при нормальном режиме работы БОС эффективность изъятия органических веществ увеличилась по ХПК на 8%, по БПК5 на 17%, по взвешенным веществам на 8%. В условиях залповых сбросов фенольных соединений в концентрациях до 5 мг/дм нефтепродуктов до 7 мг/дм на БОС технология очистки с применением биореактора обеспечивает эффективность изъятия нефтепродуктов на 86%, фенолов на 92%, в то время как снижение этих же показателей во существующей технологии составило 53% и 35% соответственно.

4. Изучена прикреплённая на носителях микрофлора и микрофауна. Показано, что в биореакторе формируются специфичные биоценозы, обладающие повышенной биохимической активностью. Решающая роль принадлежит гетеротрофным бактериям.

119

1. Корытный JI.M. Эколого-гигиеническая ситуация в Байкальском регионе // Экология и промышленность России — 1997.С.4-9.

2. Амбросова Т.Т., Гвоздев В.А., Коровина О.В. Техническое состояние и проблемы эксплуатации станций аэрации крупных городов Сибири // Изв. вузов. Строительство и архитектура. — 1997. — №5. — С. 85-89.

3. Трошева Е.И. и др. Современные уровни загрязнения реки Селенга // Геогр. и природные ресурсы. — 1996. — №4. — С. 52-57.

4. Гвоздяк П.И., Могилевич Н.Ф., Куликов Н.И. Очистка фенолсодержащих сточных вод закреплёнными микроорганизмами // Химия и технология воды. — 1980. — Т.2, №1. — С.73-75.

5. Erhardt Н.М., Rehm H.J. Phenol degradation by microorganisms— absorbent on activated carbon // Appl. Microbiol, and biotechnol. 1985. — V.2. — №3. — P.32-36.

6. Keweloh H. Heipieper H- I., Rehm H-I. Protection of bacteria against toxicity of phenol by immobilization in calcium alginate // Appl. Microbiol. Biotechnologi, 1989. —V.31 — P.383-389.

7. Яковлев С.В., Карюхина Т.А. Биохимические процессы в очистке сточных вод. — М.: Стройиздат, 1980. — С.198.

8. Фелленберг Г. Загрязнение природной среды. Введение в эколог, химию / Пер. с нем. — М.: Мир, 1977.— С.232.120

9. Knoll G., Winter J. Degradation of phenol via carboxilation to benzote by a defined ebbligate syntrophic of anaerobic bacteria // Appl. Microbiol. Biotechnologi. 1989 — V.30.—P.318-324

10. П.Волова Т.Г. Экологическая биотехнология: Учеб. пособие для ун-тов.— Новосибирск: Сибирский хронограф, 1997. — С. 144.

11. Коронелли Т.В. Принципы и методы интенсификации биологического разрушения углеводородов в окружающей среде (Обзор) // Прикладная биохимия и микробиология. — 1996. — Т.32. — №6. — С.579-585.

12. Изужерова В.В., Павленко Н.И. Биотехнологические аспекты очистки нефтесодержащих сточных вод // Химия и технология воды.— 1995.— Т. 17, №2. — С.181-197.

13. Государственный доклад. Состояние окружающей природной среды и природоохранная деятельность в Республике Бурятия в 1997 году // Гос. ком. РБ по экол. и природопользованию // Улан-Удэ, 1998. — С. 101.

14. Государственный доклад. Состояние окружающей природной среды и природоохранная деятельность в Республике Бурятия в. 1998 году // Гос. ком. РБ по экол. и природопользованию // Улан-Удэ, 1999. — С.117.

15. Государственный доклад. Состояние окружающей природной среды и природоохранная деятельность в Республике Бурятия в 1999 году // Гос. ком. РБ по экол. и природопользованию // Улан-Удэ,2000. — С. 119.

16. Биологический контроль нефтяных загрязнений морской воды / В.П. Тульчинская, Г.А. Кожанова, Т.В.Гудзенко // Химия и технология воды.— 1984.—Т.6, №4.—С.355-360.

17. Изжеурова В.В., Павленко Н.И. и др. Влияние некоторых экологических факторов на биоокислительные процессы в нефтесодержащих сточных водах // Химия и технология воды. —1995.—Т. 15, №5.— С.393.

18. Фондорко Е.М. Разработка технологии очистки сточных вод мясокомбинатов. // Химия и технология воды. — 1996.—Т. 17, №3,— С.304-309.121

19. Шваб A.A. Флотационный комплекс для очистки сточных вод // Мясная индустрия. — 1999. — №3. — С45-47.

20. Очистка сточных вод предприятий мяной и молочной промышленности / С.M Шифрин, Г.В. Иванов, Б.Г. Мищуков, Ю.А. Феофанов. — М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981.— С.272-275

21. Применение стратегии практической ликвидации к сырью химической промышленности — хлору / Т. Мюир, Т. Эдер, Р.Малдун, С.Лернер. — Иркутск: Изд-во Байкал, экол. волна, 1999. — С.32.

22. Knoll G., Winter J. Degradation of phenol via carboxilation to benzoate by a defined abbligate syntrophic of anaerobic bacteria // Appl. Microbiol. Biotechnology. 1989. —V. 30, — №3. — P. 318-324.

23. Корте Ф., Бахадир M., Клайн В и др. Экологическая химия / Пер. с нем. — М.: Мир, 1997, —С.396

24. Лопатина Л.А. Напрвленная биохимическая регуляция активности ферментов микроорганизмов, осуществляющих очистку сточных вод // Самоочищение воды и миграция загрязнений по трофической цепи. — М.: Наука, 1984. — С.112-118.122

25. Никошенко В.У., Чеховская Т.П., Федорик С.М., Гвоздяк П.И. Биологическая деструкция фенола, формальдегида и нефтепродуктов в промышленных сточных водах // Химия и технология воды. — 1993. — Т.15, №5.—С.389-392

26. Borman S. Aromatic amine route is enviromentally safer // Chemical and Engineering News, 1992. —P.26-29.

27. Bregnard T.P— A., Hohener P., Zeyer J. Biovailability and Biodégradation of Weathered Diesel Fuel in Aquifer Material under Denitrrifying Conditions //Environ. Toxicology and Chemistry, 1998. — V.17. — №7. — P.1222- 1229.

28. Балашов C.B., Воронин A.M. Бактерии—деструкторы сульфоароматических соединений из активного ила // Микробиология.—1996.—Т.65, №5.—С.627-632.

29. Биодеградация дизельного топлива в присутствии легкодоступного органического вещества / М.В. Гусев, Т.В. Коронелли, В.И. Максимов, В.В. Ильинская // Человек и биосфера.—М., 1982. — Вып.7.—С.8-10

30. Seymor D.T, Verbeek A.G, Hrudey S.E et al. Acute Toxicity and their microbial metabilites // Environ. Toxicol. Chem., 1997 — V.16. —P.658-665.

31. Jacob J. Sulfur Analogues of Polycyclic Hydrocarbons (Thiaarenes). Cambridge University Press, UK — 1990,P.21-23.

32. Londry K.L., Suflita J.M. Toxicity effects of organosulfur compounds metabolism // Environmental Toxicology and Chemistry, 1998 — V.7 — P. 1199-1206.

33. Скурлатов ГО.И. и др. Введение в экологическую химию / Ю.И. Скурлатов, Г.Г.Дудка, А. Мицити: Учеб. пособие для хим. и хим.-технолог. спец. вузов. — М.: Высш. шк., 1994. — С.400.

34. Жмур Н.С. Управление процессом и контроль результата очистки сточных вод на сооружениях с аэротенками. — М.: Луч, 1997. — С. 172.

35. Возная Н.Ф. Химия воды и микробиология М.: Высшая школа, 1979- С. 340.

36. Фелленберг Г. Загрязнение природной среды. Введение в эколог, химию / Пер. с нем. — М.: Мир, 1977.—С.232.123

37. Жмур Н.С. Государственный и производственный контроль токсичности вод методами биотестирования в России.— М.: Международный Дом Сотрудничества, 1997.— С. 12.

38. Данилов-Данильян В.И, Горшков В.Г., Арский Ю.М., Лосев К.С. Окружающая среда. Между прошлым и будущим: Мир и Россия. М., 1994, — С.61

39. Белявцева Г.В., Дубовенко Ж.В. Хлорорганические соединения в абиотических средах нижнего течения Селенги // Геогр. и природные ресурсы.— 1993.— №4. — С. 74-77.

40. Веселов Е.А. Подбор методов и показательных организмов при экспериментальных исследованиях по водной токскологии // Проблемы водной токсикологии: Межвузюсб.—Петрозаводск, 1984.— С.З

41. Eastmound D.A. Booth G.M., Lee M.L. Toxiciti, accumulation and elimination of polycyclic aromatic nilfur heterocycles in Daphnia magna // Arch. Environ. Contam. Toxicol, 1984,—P. 105-111

42. Hosmer A.J., Warren L.W. Ward T.J. Chronic Toxicyty of Pulse — Dosed Fenoxycarb to Daphnia magna Exposed to Environmtntally Realistic Concentrations //Environ. Toxicology and Chemisnry, 1998. — V.17 —№9.—P.1860-1866.

43. Исакова Е.Ф. Сезонные изменения фактической плодовитости Daphnia magna в лабораторной культуре // Гидробиологический журнал. — 1980. — Т. 16, №4. — С. 86-89.

44. Между народный стандарт ИСО 6341. Определение угнетения подвижности Daphnia magna Straus (Cladocera, Crustaccea), Per. № ИСО 6341-82, C.3-8

45. Липеровская Е.С., Исаева JI.A., Логунова О.Е. Индикаторные организмы активного ила на сооружениях биологической очистки // Самоочищение и биоиндикация загрязнённых вод.—М.: Наука, 1980.—С. 149-154.

46. Lechevalier М.Р., Lechevalier Н.А. Nocardia amaral sP. nov., an actynomycete common in foaming activated sluge process // Public Works, 1987— V.118 — №10 —P.1427-1432.

47. Изжеурова В.В., Павленко Н.И. и др. Влияние некоторых экологических факторов на биоокислительные процессы в нефтесодержащих сточных водах // Химия и технология воды.— 1995.— Т. 15, №5.— С.395.

48. Добрынина Л.Ф., Цинберг М.Б., Гвоздяк П.И., Монелевич Н.Ф. Изучение пространственной сукцессии микроорганизмов в установке микробной очистки125химически загрязненных сточных вод // Химия и технология воды. — 1993. — Т.15,№1,— С. 71-78.

49. Ланова М.А., Лавров В.Г., Кочарова И.А. Микробиологические аспекты биоокисления сточных вод // Микробиологические методы с загрязнениями окружающей среды.— Пущино,1975.—С.9-11.

50. Фауна аэротенков / Под ред. Л.А.Кутиковой. — Л.: Наука, 1984. — С.22.

51. Возная Н.Ф. Химия воды и микробиология — М.: Высшая школа, 1979. — С.29

52. Банина Н.Н. Ciliata в очистных сооружениях бытовых и смешанных сточных вод // Простейшие активного ила. Сер."Протозоология", Вып.8.— Л.,1983.— С.76-86.

53. Chudoba J. Control of activated sludge filamentous bulking. Experimental verification of kinetic Theory //Water Research, 1985.- V.19 №2.- P.191-195.

54. Банина Н.Н. Тип инфузория — Фауна аэротенков: Атлас. — Л.: Наука, 1984. — С.136-187.

55. Saunders F. An effective of filamentous microorganisms growth in waste water treatment plants // Water and waste Treat J, 1985.— V.28.— №1.— P.22-24.

56. Рыбальский Н.Г., Лях С.П. Экобиотехнологический потенциал консорциумов микроорганизмов. — М.:"ВНИПИ", 1990. — С. 101-133.

57. Липеровская Е.С., Исаева Л.А., Логунова О.Е. Индикаторные организмы активного ила на сооружениях биологической очистки // Самоочищение и биоиндикация загрязнённых вод.—М.: Наука,1980ю—С.149-154

58. Wong A.D., Goldmith C.D. The impact of discharge conteining oil degrading ' bacteris on the biological kinetics of a refinary activated sludge process // Water Sci. And Technol., 1988. — V.20. — №11. — P. 131-136.

59. Pike E.B. Aerobic bacteria // Ecological aspects of used — water treatment — V.l — P.2-25.

60. Любченко О.А., Могилевич Н.Ф., Гвоздяк П.И. Микробная нитрификация и очистка воды // Химия и технология воды. — 1996.— Т. 18, №1. С.323-328.

61. Сорокин Д.Ю. Окисление нитритов гетеротрофными бактериями // Химия и технология воды. — 1990.—Т.59, №6.— С.962-967.

62. Verhagen F.G.M., Laanbroek H.J. Effects of Grazing by Flagellates on competition ' for ammonium between nitrify and heterotrophic bacteria in chemostas. // Appl. and Environ. Microbiol. 1992. — V.58. — №6. — P.1962-1969.

63. Winkler M.A. Biological Control of Nitrogenous Pollution in Wastewater // Top.Enzyme and Ferment Biotechnol.1984. — V.8. — P.31-124.

64. Поруцкий П.В. Биохимическая очистка сточных вод органических производств. — М.: Химия, 1975. — С.252.

65. Почвенные раковинные амёбы и методы их изучения / Ю.Г.Гельцер, Т.А.Корганова, Д.А. Алексеев. — М.: Изд-во МГУ, 1985. — С.79

66. Гордеева Л.М., Козлова М.В. Амёбы группы "Limax" в сточных водах на -разных этапах их очистки // Самоочищение и биоиндикация загрязнённых вод.—М., 1980.—С. 155-159.

67. Банина Н.Н., Суханова К.М. Класс Лобозеи.— Фауна аэротенков: Атлас.— Л.: Наука, 1984.-—С. 104-127.

68. Курде Ц.Р. Определитель простейших, найденных в активном иле. М., ВНИИПКНефтехим., 1969,—С.15.

69. Бараусова О.М. Адаптивная изменчивость инфузорий рода Vorticella (Peretricha Sessilida) // Экология морских и пресноводных свободноживущих простейших: — Л.: Наука, 1990. — С.93-97.

70. Банина H.H. Тип Инфузории.—Фауна аэротенков, Атлас.—JL, Наука, 1984.— С.136-145.

71. Опыт построения системы биоиндикации процесса очистки сточных вод / Носов В.Н., Никитина О.Г., Максимов В.Н. — 31С. — Деп. в ВИНИТИ. 1980. №54-3 4а

72. Цалолихин С.Я. Класс Нематоды.— Фауна аэротенков: Атлас— JL: Наука, 1984.— С.242-249.

73. Марковский H.H. Класс Олигохеты.— Фауна аэротенков: Атлас— Д.: Наука, 1984.—С.242-249.

74. Яковлев C.B., Скирдов И.В. Проблемы биологической очистки сточных вод // Биоценоз в природе и промышленных условиях. — Пущино, 1987.-С. 39-47.

75. Гвоздяк П.И., Могилевич Н.Ф., Куликов Н.И. Очистка фенолсодержащих сточных вод закреплёнными микроорганизмами // Химия и технология воды.— 1980.—Т.2, №1.—С.73-75.

76. Санданова Т.В. Биоразнообразие микроорганизмов в биотехнологии очистки сточных вод г.Улан-Удэ // Биоразнообразие микроорганизмов ВосточноСибирского региона и их научно-практическое использование: Сб.научн.тр.— Иркутск: Изд-во ИГУ, 1999.—С.29-30.

77. Временная типовая методика определения экономической эффективности осуществления природоохранных мероприятий и оценки экономического ущерба, причиняемого народному хозяйству загрязнением окружающей среды, М, Экономика, С.81-85