Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Биологическое удаление азота и фосфора из городских сточных вод

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Биологическое удаление азота и фосфора из городских сточных вод"

На правах рукописи

Арапова Анна Владимировна

Биологическое удаление азота и фосфора из городских

сточных вод

Специальность 03.00.16. - «Экология»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2004 год

Работа выполнена в Российском химико-технологическом университете им. Д.И. Менделеева

Научный руководитель профессор, доктор технических наук Родионов А.И.

Официальные оппоненты:

> доктор биологических наук, профессор кафедры биотехнологии РХТУ им. Д.И. Менделеева Градова Н.Б.

> доктор технических наук, профессор кафедры технологии оборудования и процесса отрасли МГУ прикладной биотехнологии Щербина Б.В.

Ведущая организация: Воскресенские очистные сооружения

Защита состоится 24 декабря 2004 года на заседании диссертационного совета Д 212.204. 14 в РХТУ им. Д.И. Менделеева (125047, г. Москва, Миусская пл., д. 9) в 12 часов в конференцзале.

С диссертацией можно ознакомится в Научно-информационном центре РХТУ имени Д.И. Менделеева.

Автореферат диссертации разослан 23 ноября 2004 г. Ученый секретарь

диссертационного сове

Д212.204.14

Общая характеристика работы.

1. Актуальность работы.

Повышенное загрязнение водоисточников из-за недостаточной мощности и эффективности работы существующих сооружений по очистке сточных вод, их отсутствия в местах расположения промпредприятий, сброс недостаточно или совершенно неочищенных стоков приводит к нарушению санитарно-химического и гидробиологического режимов водных объектов. Повышенное содержание соединений азота и фосфора в сточной воде способствует зарастанию водоемов (эвтрофикации), что в свою очередь вызывает гибель рыб и других представителей водной флоры и фауны. Удаление биогенных элементов из сточных вод в современных условиях является одной из основных и актуальных задач при очистке сточных вод. В связи с этим возникает задача более эффективной очистки сточных вод от соединений азота и фосфора. Из всех возможных методов очистки сточных вод от этих соединений (биологические, химические, физико-химические), биологический метод очистки больших объемов городских сточных вод является наиболее эффективным и доступным.

Введенные в последние годы отечественные нормативы к сбросу в водные объекты биогенных элементов значительно превышают мировые стандарты и поэтому возникла необходимость в усовершенствовании имеющихся и разработке новых установок и конструкций сооружений для удаления биогенных элементов из городских сточных вод.

2. Цель работы

При биологической очистке городских сточных вод провести

кинетические исследования процессов нитрификации, денитрификации и

дефосфатации. На основании этих исследовании установить технологические

параметры работы аэротенка, обеспечивающие очистку сточных вод от

биогенных элементов до норм рыбохозяйственных водоемов

(ПДКаммоний„ого аз<т=0.4 мг/л; ПДКкитрат0В=9,1 мг/д; ПДК+щЦш

I РОС. НАЦИОНАЛЫ!АС | БИБЛИОТЕКА

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

> определить кинетические характеристики процессов нитрификации, денитрификации и дефосфатации в зависимости от БПК, концентраций кислорода, нитратов, аммонийного азота, фосфатов.

> установить эффективность удаления соединений азота и фосфора из городских сточных вод при изменении вышеуказанных параметров.

дать математическое описание процессов нитрификации, денитрификации и дефосфатации.

на основании полученных кинетических характеристик провести расчеты технологических параметров работы сооружения, при которых возможно достижение норм рыбохозяйственных водоемов.

3. Научная новизна.

получены удельные константы скорости процессов нитрификации, денитрификации и дефосфатации для данной сточной воды и активного ила, которые позволили рассчитать константы скоростей этих процессов.

установлены технологические параметры работы сооружения, при которых возможно достижение норм рыбохозяйственных водоемов

4. Практическая значимость.

на основе полученных кинетических констант, разработана математическая модель аэротенка, позволяющая при известных кинетических константах подбирать режим работы сооружения, обеспечивающий требуемое качество очистки.

> увеличена эффективность процессов удаления азота и фосфора. полученные константы позволяют определять такие параметры

работы аэротенка, как длина зоны аэрации, длина анаэробной зоны, время аэрации, время отсутствия аэрации, что также необходимо при проектировании новых сооружений.

данная модель была применена на Воскресенских очистных сооружениях, где были подтверждены экспериментальные данные.

> сокращение времени пребывания сточной воды в аэротенке с 8 часов до 7 уменьшает расход энергии на аэрацию на 11% и увеличивает суточную производительность сооружения на 11%.

улучшение качества очистки в свою очередь позволяет сократить сброс соединений азота и фосфора в водоем, тем самым снизить наносимый окружающей природной среде экологический ущерб. За счет этого снизить финансовые затраты по платежам.

На защиту выносятся:

> Результаты кинетических исследований процесса нитрификации в зависимости от начальной концентрации аммонийного азота и растворенного кислорода в сточной воде.

Результаты кинетических исследований процесса денитрификации в зависимости от начальной концентрации нитратов, БПК и концентрации растворенного кислорода.

Результаты кинетических исследований процесса дефосфатации в зависимости от начальной концентрации фосфатов, БПК и концентрации нитратов.

Зависимости для расчета удельной скорости процессов нитрификации, денитрификации и дефосфатации, константы скорости и эффективности процессов.

> Технологические параметры процессов нитрификации, обеспечивающие достижение норм рыбохозяйственных водоемов по азоту и фосфору на выходе из очистных сооружений.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на:

17 конференции молодых ученых по химии и химической технологии, «МКХТ-2003», Москва.

> семинаре по вопросам биологической очистки сточных вод, проводимом в Главном управлении природных ресурсов по Московской области МПР России, Москва, 2003 год.

> совещании по вопросам инвентаризации биологических очистных сооружений Московской области, проводимом в Главном управлении природных ресурсов по Московской области МПР России, Москва, 2003 год.

> семинаре по вопросам обращения с иловыми осадками на территории Московской области, проводимом в Главном управлении природных ресурсов по Московской области МПР России, Москва, 2003 год.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа изложена на 135 страницах машинописного текста. Она состоит из введения, четырех глав: 1 - литературный обзор, 2 -экспериментальная часть, 3 - обсуждение результатов, 4 - расчет технологических параметров, выводов и приложения. Диссертация содержит 53 рисунка и 12 таблиц. Библиографический список насчитывает 99 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность проблемы и сформулирована цель работы.

В главе 1 (литературном обзоре) рассмотрена проблема удаления соединений азота и фосфора из сточных вод городских станций аэрации. Коротко изложена биохимия процессов нитрификации, денитрификации и дефосфатации.

Процесс нитрификации - окисление аммонийного азота до нитритов (I фаза) и нитратов (II фаза) - осуществляется нитрифицирующими микроорганизмами - автотрофами, рода Мй-оЬайег и М^озотопаз, которым углерод необходим в неорганической форме (углекислота, карбонаты, бикарбонаты).

После нитрификации сточные воды поступают на денитрификацию. Денитрификация представляет собой процесс восстановления нитратов до азота. Восстановление нитратов до азота - процесс многоступенчатый.

Фосфор в сточных водах может находиться в следующих видах: в составе органических соединений («органический» фосфор), полифосфатов или ортофосфатов. При биологической очистке первые два вида будут трансформированы в ортофосфаты. Фосфор необходимо удалять из сточных вод во избежании эвтрофикации водоемов. В отличие от азота, фосфор может быть удален из сточных вод только вместе с активным илом.

В главе коротко рассмотрены основные результаты опубликованных исследований по нитрификации, денитрификации и дефосфатации в различных условиях. Приведены различные схемы биологической очистки сточной воды от азота и фосфора. Сформулирована цель работы.

В главе 2 (экспериментальной части) описаны условия и методика проведения экспериментов.

Лабораторные исследования процесса нитрификации проводились в реакторе объёмом 10 л. В реактор заливались осветленная вода Воскресенских очистных сооружений (ВОС) и возвратный активный ил, поступающий в аэротенк №3 ВОС. Принудительная аэрация иловой смеси осуществлялась барботажем воздуха со дна реактора. Температура иловой смеси определялась с помощью ртутного термометра и составляла около 294 К. Эксперимент проводился при постоянных значениях дозы активного ила, равной 2 г/л. В ходе первого этапа эксперимента, определялась зависимость кинетики нитрификации от начальной концентрации аммонийного азота (начальная концентрация аммонийного азота изменялась от 3,5 мг/л до 24,0 мг/л). В ходе второго этапа эксперимента определялась зависимость скорости процесса нитрификации от концентрации растворенного кислорода (концентрация растворенного кислорода изменялась от 0,5 мг/л до 6,0 мг/л).

Для изучения процесса денитрификации были проведены эксперименты и получены зависимости этого процесса от концентрации растворенного кислорода, изменяемой от 0,0 мг/л до 0,2 мг/л, концентрации БПК от 12 до 200 мг/л и начальной концентрации нитратов от 3,0 мг/л до 37 мг/л.

В реактор, снабженный механической мешалкой, заливалась осветленная вода ВОС, возвратный активный ил и иловая смесь, выходящая с аэротенка в пропорциях, соответствующих отношениям расходов осветленной воды, возвратного активного ила и нитратного рецикла иловой смеси. Температура иловой смеси составляла 294 К.

Для получения кинетических параметров процесса дефосфатирования иловой смеси, были проведены лабораторные исследования зависимостей кинетики дефосфатирования от начальной концентрации фосфатов (концентрация фосфатов менялась от 0,7 до 3,2 мг/л), от начальной концентрации нитратов (концентрация нитратов менялась от 5,0 до 22,0 мг/л) и концентрации растворенного кислорода (концентрация кислорода менялась от 0,5 до 4 мг/л).

В реактор объемом 2 литра, снабженный аэратором, заливалась осветленная вода ВОС, возвратный активный ил и иловая смесь, выходящая с аэротенка в пропорциях, соответствующих отношениям расходов осветленной воды, возвратного активного ила и нитратного рецикла иловой смеси. Температура иловой смеси составляла 274 К.

Описаны методики определения концентраций аммонийного азота (ПНД Ф 14.1.1-95), нитратов (ПНД Ф 14.1:2,4-95), фосфатов (ПНД Ф 14.1:2.11297), БПК (ПНД Ф 14.1:2:3:4.123-97), дозы ила. Описана методика определения удельной константы скорости процессов нитрификации, денитрификации и дефосфатации.

Проведенные исследования кинетики процессов удаления азота и фосфора, позволяют говорить о данном процессе, как о реакции первого порядка. Являясь величиной переменной, удельная константа скорости р не

б

может быть использована для характеристики процесса в целом. Такой характеристикой может служить константа скорости реакции которая, для реакций первого порядка, характеризует зависимость скорости процесса от текущей концентрации, например

^С и »/г/

Л

лс„

л

при дозе ила X:

(7)

—, мг/л*час - представляет собой скорость нитрификации

¿С,

= -Д„

(8)

Л

Из уравнений (7) и (8) получаем зависимость скорости нитрификации от концентрации N-N114:

^N-N1!, = ^к-т^п-ни, (9)

Из уравнения (9) получаем константу скорости реакции:

(10)

К

"ы-т.

В главе 3 (обсуждение результатов) анализируются полученные данные по кинетике процессов нитрификации, денитрификации и дефосфатации.

При изучениии кинетики процесса нитрификации было показано, что с увеличением концентрации кислорода в иловой смеси от 0,5 до 6,0 мг/л при постоянных значениях дозы активного ила равной 2 г/л, температуре 294 К, концентрации аммонийного азота = 20-22 мг/л, времени проведения эксперимента 3 часа, степень нитрификации увеличивается, а мгновенная скорость окисления аммонийного азота падает.

Зависимость эффективности нитрификации от концентрации кислорода имеет максимум при концентрации кислорода около 4,5 мг/л, именно при этой концентрации кислорода и содержании аммонийного азота наблюдается равенство процессов абсорбции и потребления кислорода, что обеспечивает высокую эффективность, а затем происходит спад степени окисления.

Методом двойных обратных величин были определены значения константы полунасыщения процесса нитрификации (ЛГо=0,9мг/л) и максимальной удельной константы скорости нитрификации (км-ш4(та>о=ОЛЗ л/г*час).

Кривая зависимости (рис.1) удельной константы скорости нитрификации от концентрации кислорода описывается следующим уравнением:

км-ии* = 0,0293 • 1п(С02) + 0,0686 (11)

0 1 2 3 4 5

концентрация кислород а, мг/л

Рис.1. Зависимость удельной константы скорости нитрификации от концетрации растворенного кислорода в смеси п р Т = 2 9 4 К, х = 2 г/л , > н о й концентрации аммонийного азота = 18-22

мг/л., времени = 3 часа.

С увеличением начальной концентрации аммонийного азота в смеси степень нитрификации от 3,5 до 24,0 мг/л при постоянных значениях дозы активного ила, равной 2 г/л, температуре 294 К, концентрации кислорода 4 мг/л, времени проведения эксперимента 3 часа, увеличивается. И при концентрации аммонийного азота 24 мг/л окисления его достигает 96%.

Кривая удельной константы скорости нитрификации от концентрации аммонийного азота описывается следующим уравнением:

При изучении кинетики денитрификации было установлено, что наибольшая степень денитрификации наблюдается при полном отсутствии кислорода.

С увеличением концентрации кислорода в иловой смеси степень денитрификации снижается.

При изучении зависимости денитрификации от начальной концентрации нитратов установлено, что наибольшая скорость восстановления нитратов наблюдается в первые 60 минут, а затем плавно снижается и после 90 минут проведения процесса выходит на постоянный уровень. При этом, чем больше начальная концентрация нитратов в смеси, тем больше степень денитрификации.

Зависимость удельной константы скорости процесса денитрификации ^ N03(1) от концентрации нитратов имеет вид плавно возрастающей кривой, выходящей на постоянный уровень при начальной концентрации нитратного азота больше 24 мг/л.

Рис. 2. Зависимость удельной константы скорости денитрификации от начальной концентрации нитратов в иловой смеси денитрификатора при Т=294 К, х=2 г/л, начальной концентрации кислорода=0,0 мг/л., БПК=200 мг/л, времени=3 часа.

Зависимость (рис. 2) описывается следующим уравнением:

Были определены значения константы полунасыщения процесса денитрификации (Ллто.гг8,0мг/л) и максимальной удельной константы скорости нитрификации (км.м}3(тах)=0,56 л/г*час).

С увеличением БПК от 20 до 200 мг/л в смеси степень денитрификации увеличивается с 50 до 90. Кривая зависимости удельной константы скорости денитрификации от БПК описывается следующим уравнением:

#Шз=0,1009-1п(Сяж)-0,1458 (14)

При изучении кинетики дефосфатации было установлено, что чем больше концентрация кислорода в иловой смеси, тем больше степень удаления фосфора (при изменении концентрации кислорода от 0,5 до 4,0 мг/л), при этом степень удаления фосфора изменяется от 13 до 29%.

Удельная константа скорости извлечения фосфора увеличивается с увеличением начальной концентрации кислорода, и при концентрации кислорода 2 мг/л выходит практически на постоянный уровень.

Кривая описывается следующим уравнением:

(15)

Были определены значения константы полунасыщения процесса дефосфатации и максимальной удельной константы скорости

дефосфатации

С увеличением концентрации фосфатов в смеси от 0,7 до 3,2 мг/л (при концентрации кислорода, равной 2,0 мг/л, концентрации нитратов — 0,0 мг/л, дозе ила — 2 г/л, температуре — 294 К), степень дефосфатации увеличивается с 12 до 26%. (рис.3).

Наибольшая скорость извлечения достигается в первые 40 минут ведения процесса, затем скорость снижается и к 2 часам ведения процесса выходит на постоянный уровень.

ю

Удельная константа скорости извлечения фосфора увеличивается с увеличением начальной концентрации фосфатов, и при концентрации фосфатов 2,8 мг/л выходит практически на постоянный уровень.

10

о

5 -

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

концентрация фосфатов, мг/л

Рис. 3. Зависимость степени дефосфотации от начальной концентрации фосфатов в иловой смеси при Т=294 К, х=2 г/л, начальной концентрации кислорода=2,0 мг/л, концентрации нитратов=0 мг/л, времени =3 часа.

Кривая описывается следующим уравнением:

Кр-ю* = °>0176 • НСР04) + 0,035 8 (16)

Были определены значения константы полунасыщения процесса дефосфатации и максимальной удельной константы скорости

дефосфатации

Чем ниже концентрация нитратов в иловой смеси, тем эффективнее идет процесс извлечения фосфора.

Были определены значения константы полунасыщения процесса дефосфатации и максимальной удельной константы скорости

дефосфатации

Как видно, в результате проведенных экспериментов не удалось достичь концентраций фосфатов на выходе очистных сооружений, удовлетворяющих норма рыбохозяйственных водоемов. Но по сравнению с предыдущим режимом

работы, при котором степень дефосфатации не превышала 5%, удалось увеличить ее до 40%.

Для более полной очистки сточных вод от фосфора необходимо проводить доочистку реагентными методами или с использованием реагентов.

В лабораторных условиях на модельном реакторе были проведены эксперименты по снижению фосфатов, оставшихся в воде после биологической очистки. Очистку проводили двумя методами: известковым молоком и смесью коагулянтов сульфата алюминия и хлорида железа.

Реагентная доочистка сточной воды от фосфора с применением 5%-ого известкового молока позволила получить на выходе концентрацию фосфора равную 0,2, что не превышает ПДКр/х.

Доочистка с добавлением смеси коагулянтов сульфата алюминия и хлорида железа тоже позволила достичь получить на выходе концентрацию фосфора равную 0,2.

Таблица 3

Коагулянт Доза, мг/л Конечная концентрация фосфора, мг/л Эффективность ,%

А12(804)з18Н20 388,92 0,3509 26,28

РеС136Н20 436,3 0,2882 39,45

1А12(804)з18Н20 : 1РеС136Н20 155,68/155,68 0,2256 52,6

1А12(804)318Н20: 2РеС136Н20 155,68/311,36 0,2005 57,87

В таблице приведены результаты экспериментов при различном

соотношении коагулянтов.

Начальная концентрация фосфатов равна 0,7 мг/л.

Из данных таблицы видно, что наибольшая эффективность очистки достигается при соотношении коагулянтов

В главе 4 приведен расчет параметров работы сооружения (значение рецикла, длина зоны аэрации, анаэробной зоны, времени аэрации и отсутствия аэрации).

Описывая гидродинамический профиль аэротенка соответствующим количеством последовательно соединенных ячеек идеального смешения, учитывая реальное распределение поступающих и рециркуляционных потоков, можно получить передаточную функцию сооружения конструкции какой угодно сложности. Каждая зона аэротенка рассматривается как отдельное звено идеального смешения, биохимические процессы, в котором описываются своими передаточными функциями

Уравнение материального баланса в одной ячейки идеального смешения описывается следующим уравнением:

скорость изменения количества вещества

количество

поступающего

вещества

количество выходящего вещества

количество окисленного или

восстановленного вещества

(22)

Проведенные иследования процессов нитрификации, денитрификации и окисления углеродсодержащих соединений показали зависимость скоростей данных реакций от начальной концентрации соответствующих компонентов. Тогда уравнение (22) можно записать в виде:

(23)

где V, - объем одной ячейки аэротенка, М : V, =——(Ушг — объем аэротенка,

м3, - количество ячеек идеального смешения, характеризующих

гидродинамический профиль конкретного аэротенка);

- расход сточной воды, поступающей в аэротенк, м3/час; С(0,о - концентрация реагируемого вещества на входе в ью ячейку, мг/л или г/м3;

С(1,!)~ концентрация рассматриваемого параметра на выходе из ьй ячейки, мг/л или г/м3;

Р(0 -удельная скорость окисления аммонийного азота мг/г*час; Х- доза ила в аэротенке, г/м3;

С, - текущее значение концентрации рассматриваемого параметра. Расчет рецикла возвратного ила производился по формуле:

где

Расчет нитратного рецикла:

^дет ~ ¿д * _ ' Чд ,

где \¥ — объем зоны денитрификатора (1040 м3) ; ?— время денитрификации (1 час); д — расход сточной воды (2500 м3/час); Я — нитратный рецикл.

Л=1^00 + 1 = 3,4 1040

Ср-С, 21,9-0,33 ,, ---—р = —;-:—0,7 = 5,2 часов

= = ^-^-0,3 = 1,845 часов

х 2

Общее время проведения процесса удаления азота — 7,0 часов. (в

предыдущем режиме работы сооружения время пребывания сточной воды в

14

аэротенке равнялось 8 часам). Это позволило сократить затраты на расход энергии на аэрацию на 11 % и увеличить производительность аэротенка на 11%.

Время нахождения сточной воды в аэротенке распределяется следующим образом:

в денитрификаторе — 1 час.

в нитрификаторе — 2 часа 30 минут.

в карусельной зоне — 3 зоны аэрации по 55 минут и 2 зоны отсутствия аэрации по 15 минут.

Для создания зоны денитрификации в первом коридоре аэротенка была установлена анаэробная зона и установлены перегородки, для увеличения скорости потока и избежания осаждения ила.

Был предложен следующий режим эксплуатации аэротенка: значение рецикла возвратного активного ила 0,35, значение нитратного рецикла 3,4, доза ила - 2 г/л, соотношение времен аэрации и отсутствия аэрации - 55 и 25 минут соответственно. Результаты были реализованы на аэротенке очистных сооружений г. Воскресенска. При рассчитанном режиме эффективность удаления аммонийного азота была увеличена в среднем до 95%, нитратов - в среднем до 80%.

Введение анаэробной зоны позволило увеличить эффективность процесса дефосфатации до 70%.

Улучшение качества очистки в свою очередь позволяет сократить сброс соединений азота и фосфора в водоем, тем самым снизить наносимый окружающей природной среде экологический ущерб. За счет этого снизились финансовые затраты по платежам.

Выводы.

1. В результате проведенных анализов показано, что очистные сооружения

г. Воскресенска не очищают поступающую сточную воду от азота и фосфора до требуемых норм рыбохозяйственных водоемов. Установлено, что

эффективность удаления аммонийного азота составляет около 60%, эффективность удаления фосфора около 30%.

2. Проведенные исследования скоростей реакций нитрификации, денитрификации и дефосфатации позволили рассчитать константы скоростей этих реакций, на основе которых рассчитаны новые рабочие параметры работы сооружения. Предложен следующий режим интенсификации работы аэротенка: значение рецикла возвратного активного ила 0,35; значение нитратного рецикла 3,4; соотношение времен аэрации и отсутствия аэрации - 55 и 25 минут соответственно.

3. Показано, что рассчитанные параметры работы сооружения позволили увеличить эффективность нитрификации в среднем на 35%, денитрификации -в среднем на 80%, что позволило достичь ПДК рыбохозяйственных водоемов на выходе из аэротенка.

4. Показано, что организация анаэробной зоны позволила увеличить эффективность дефосфатации до 70%.

5. Установлено, что при рассчитанном режиме работы сократилось время пребывания сточной воды в аэротенке, что позволило сократить расход энергии на аэрацию на 11% и увеличить производительность аэротенка на 11%.

6. Показано, что ПДК рыбохозяйственных водоемов по фосфору можно достичь при доочистке сточных вод осаждением известковым молоком или коагуляцией смесью сульфата алюминия и хлорида железа (в соотношении 1:2).

По материалам диссертационной работы опубликованы следующие работы:

1. Калинина А.В., Родионов А.И. Удаление азота из сточных вод методом нитри-денитрификации // Успехи в химии и химической технологии. - 2003. -Т.17, №14.-С. 118-122.

2. Калинина А.В., Родионов А.И. Удаление фосфора из сточных вод методом дефосфатации // Успехи в химии и химической технологии. - 2003. -Т.17, №14 .-С. 115-118.

Заказ №_Объем_п.л._Тираж ЮОэкз.

~т то

Издательский центр РХТУ им. Д.И. Менделеева

,229 1 1

214

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Арапова, Анна Владимировна

Введение

I. Литературный обзор

1.1. Биохимия и микробиология процесса нитрификации и 6 денитрификации

1.2. Биохимия и микробиология процесса дефосфотации

1.3. Схемы биологической очистки с удалением азота и 29 фосфора.

1.4. Цель исследования 43 Экспериментальная часть

II. 1. Процесс нитрификации

11.2. Процесс денитрификации

11.3. Процесс дефосфотации

11.4. Методика определения массовой концентрации нитрат- 51 ионов в сточной воде

11.5. Методика определения БПК сточных вод

11.6. Методика определения дозы активного ила

11.7. Методика определения массовой концентрации ионов 54 аммония в сточной воде

11.8. Методика определения общего количества фосфатов 55 методом дифференциальной фотоколориметрии

И.9. Определение кинетических параметров

III. Обсуждение результатов

IV. Расчет параметров 123 Выводы 130 Список литературы

Введение Диссертация по биологии, на тему "Биологическое удаление азота и фосфора из городских сточных вод"

Основными задачами при достижении современных требований к качеству очищенной воды являются удаление биогенных элементов. Азот и фосфор являются биогенными элементами, постоянно присутствующих в городских сточных водах.

Удаление биогенных элементов из сточных вод в процессе биологической очистки является одной из основных проблем при очистке сточных вод.

Повышенное загрязнение водоисточников из-за недостаточной мощности и эффективности работы существующих сооружений по очистке сточных вод, их отсутствия в местах расположения промпредприятий, сброс недостаточно или совершенно неочищенных стоков приводит к нарушению санитарно-химического и гидробиологического режимов водных объектов. Повышенное содержание соединений азота и фосфора в сточной воде приводит к зарастанию водоемов (эвтрофикации), что в свою очередь вызывает гибель рыб и других представителей водной флоры и фауны. В связи с этим встает проблема более эффективной очистки сточных вод от соединений азота и фосфора. Из всех возможных методов очистки сточных вод от соединений азота и фосфора (биологические, химические, физико-химические), биологический метод очистки является наиболее эффективным и доступным.

Одним из методов, позволяющих изъять из сточных вод около 85% азота, является последовательное применение процессов биологической нитрификации и денитрификации и дефосфотации. Внедрение технологии нитри-денитрификации и дефосфотации на сооружениях биологической очистки позволяет снизить концентрацию азота и фосфора в очищенной воде до значений ПДК для рыбохозяйственных водоемов.

Целью данной работы стало: интенсифицировать удаление азота и фосфора при биологической очистке городских сточных вод. Для этого: провести кинетические исследования процессов нитрификации, денитрификации и дефосфотации. На основании этих исследовании установить технологические параметры работы аэротенка, обеспечивающие очистку сточных вод до норм рыбохозяйственных водоемов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1) определить кинетические характеристики процессов нитрификации, денитрификации и дефосфотации в зависимости от БПК, концентраций кислорода, нитратов, аммонийного азота, фосфатов.

2) установить эффективность удаления соединений азота и фосфора из городских сточных вод при изменении вышеуказанных параметров.

3) на основании полученных кинетических характеристик провести расчеты технологических параметров работы сооружения, при которых возможно достижение норм рыбохозяйственных водоемов.

4) дать математическое описание процессов нитрификации, денитрификации и дефосфотации.

Настоящий этап исследований позволил отработать регламент эксплуатации сооружения в выбранном более эффективном режиме для технологии нитри-денитрификации и дефосфотации.

В главе 1 (литературном обзоре) рассмотрена проблема удаления соединений азота и фосфора из сточных вод городских станций аэрации. Коротко изложена биохимия процессов нитрификации, денитрификации и дефосфотации. Рассмотрены исследования по нитрификации, денитрификации и дефосфотации в различных условиях.

В главе 2 (экспериментальной части) описана методика проведения эксперимента процессов нитрификации, денитрификации и дефосфотации.

Каждый коридор аэротенка рассматривался как ячейка идеального смешения, поэтому эксперименты проводились в емкости, работающей в режиме идеального смешения. Изменение концентрации анализируемых веществ происходит во времени по длине коридора аэротенка. Время нахождения смеси в аэротенке соответствует времени нахождения иловой смеси в экспериментальном реакторе. В каждый конкретный период времени

Биологическое удаление азота и фосфора из городских сточных вод». Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. концентрация анализируемого вещества соответствует концентрации этого вещества в аэротенке в той точке аэротенка, которая соответствует времени нахождения в аэротенке. Достоверность экспериментальных данных была подтверждена данными реального сооружения.

Описаны методики определения БПК, дозы ила, нитратов, фосфатов и ионов аммония.

Приведены основные расчетные формулы удельной константы скорости процессов нитрификации, денитрификации и дефосфотации.

В главе 3 проводится обсуждение результатов. Описаны все полученные зависимости и приведены рисунки зависимостей процессов нитрификации, денитрификации и дефосфотации в зависимости от БПК, концентраций кислорода, нитратов, аммонийного азота и фосфатов.

В главе 4 приводится расчет параметров работы сооружения, приведена математическая модель, описывающая процесс биологического окисления.

Заключение Диссертация по теме "Экология", Арапова, Анна Владимировна

V. Выводы.

1. В результате проведенных анализов показано, поступающая на очистные сооружения г. Воскресенска сточная вода не очищается от азота и фосфора до требуемых норм рыбохозяйственных водоемов. Определено, что эффективность удаления аммонийного азота составляет около 60%, эффективность удаления фосфора около 30%.

2. Проведенные исследования процессов нитрификации, денитрификации и дефосфатации позволили получить константы скоростей этих реакций, на основе которых рассчитаны рабочие параметры работы сооружения, позволяющие интенсифицировать его работу. Предложен следующий режим работы аэротенка: значение рецикла возвратного активного ила 0,35; значение нитратного рецикла 3,4; соотношение времен аэрации и отсутствия аэрации - 55 и 25 минут соответственно.

3. Показано, что разработанный режим работы сооружения увеличил эффективность нитрификации в среднем на 35%, денитрификации - в среднем на 80%, что позволило достичь ПДК рыбохозяйственных водоемов на выходе из аэротенка.

4. Показано, что изменение конструкции аэротенка, путем организации в первом его коридоре анаэробной зоны, позволило увеличить эффективность дефосфатации до 70%.

5. Установлено, что при рассчитанном режиме работы сократилось время пребывания сточной воды в аэротенке, что позволило сократить расход энергии на аэрацию на 11% и увеличить производительность аэротенка на 11%.

6. Показано, что ПДК рыбохозяйственных водоемов по фосфору можно достичь при доочистке сточных вод с использованием известкового молока или смеси сульфата алюминия и хлорида железа (в соотношении 1:2).

Библиография Диссертация по биологии, кандидата технических наук, Арапова, Анна Владимировна, Москва

1. Интенсификация действующих сооружений систем отведения, очистки сточных вод / Материалы семинара / Москва / Общество "Знание" / 1986г

2. Сагадеева Л.В./Влияние технологических параметров работы сооружений на удаление азота из сточных вод/ Исследования по очистке сточных вод / Сборник трудов №10 / Москва / 1975г

3. Данилович Д.А., Дайнеко Ф.А., Мухин В.А., Николаева Е.Б., Эпов А.Н./Уделение биогенных элементов/ВСТ,№9,1998г.

4. Карюхина Т.А., Яковлев C.B. / Биохимические процессы в очистке сточных вод / Стройиздат / Москва / 1980г

5. Методика технологического контроля работы очистных сооружений городской канализации / Стройиздат / Москва / 1977г

6. Очистка сточных вод при сбросе в водоёмы и повторном использовании / Материалы семинара / Москва / 1988г

7. Современные методы очистки сточных вод и обработки осадка / Международная конференция 24-26 октября 1995г / Россия, Москва

8. Труды института "ВОДГЕО'УБондарев A.A., Захватаева, Ильинская Н.М., Якунина Л.Н., Очистка сточныхвод от азота путем нитрификации и денитрификации в свободном объеме./ Москва / 1979г

9. Труды института "ВОДГЕО'УБондарев A.A., Захватаева, Ильинская Н.М., Якунина Л.Н., Очистка сточных вод производства кристаллического лизина./Москва/1982

10. Труды института "ВОДГЕО" / Бондарев A.A., Захватаева, Ильинская Н.М., Будько Н.С., Технологический расчет сооружений для биологической очистки сточных вод от соединений азота./Москва / 1983г1. Список литературы¡32

11. Труды института "ВОДГЕО" /Бондарев A.A., Корнеева Е.А., Троян О.С.,Шеломков A.C. Очистка сточнах вод от аммонийного азота /Москва / 1986г

12. Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического совещания "Очистка природных и сточных вод'УБондарев A.A. Удаление соединений азота из сточных вод/Москва/1989г.

13. Яковлев C.B. и др. / Биологическая очистка производственных сточных вод / Стройиздат / Москва / 1985г

14. Шлегель Г./Общая микробиология/,М.,1987г.

15. Работникова И.Л./Общая микробиология/Москва/1966

16. Отчет о научно-исследовательской работе "Исследования по удалению азота и фосфора из сточных вод на опытно-промышленной установке'УСанкт-Петербург/1997г.

17. Удаление азота и фосфора из сточных вод Санкт-Петербурга.// Алексеев М.И., Мишуков Б.Г., Гумен С.Г., Васильев Б.В., ВСТ; Водоснабжение и санитарная техника, 1998, №10.

18. Иваненко И.И.// Режим поступления и очистка городских сточных вод от азота и фосфора// автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н., - С.-Пб. Государственный архитектурно-строительный институт, С.-Пб., 1999г.

19. Технология биологического удаления азота и фосфора на станциях аэрации// Васильев Б.В., Мишуков Б.Г., Иваненко И.И., Соловьева Е.А., ВСТ: Водоснабжение и санитарная техника, 2001, №5.

20. Проблемы и тенденции в области удаления фосфора из бытовых сточных вод.// Савельева Л.С., Агевнин А.Р., Эпов А.Н. (МГП «Мосводоканал», Москва,

21. Биологическое удаление азота и фосфора из городских сточных вод».

22. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.

23. Россия) ЭКВАТЭК-2000; 4-й Международный конгресс «Вода: экология и технология», Москва, 30 мая-2 июня 2000 г: Тезисы докладов, М., 2000, стр. 570-571.

24. Способ эаробной биологической очистки сточных вод.// Заявка 98116432/12 Россия, МПК7 С 02 F 3/02 Штелер Тео, № 98116432/12; Заявл. 02.09.1998; Опубл. 20.09.2000.

25. Nesbitt F.B.// Removal of phosphorus from Municipal Sewage plant Effenents, Engineering Research Bulletin. B-93, The Pennsylvania State Universine, 1996.

26. Реагентный способ удалеия азота и фосфора из сточных вод.// Гандурина Л.В., Бурцева Л.Н., Штондина B.C., Акимов В.Ю., Рубекин С.Е., Степанов В.А., -ВСТ: Водоснабжение и санитарная техника, 2001, №6.

27. Очистка сточных вод от фосфора: в порядке обсуждения.// Чернышев В.Н., Куликов Н.И., Ракульцев A.A., ВСТ: Водоснабжение и санитарная техника, 2001, №1.

28. Содержание азота и фосфора в осветленых сточных водах и возвратных иловых водах// Алексеев М.И., Медведев И.Г., - ВСТ: Водоснабжение и санитарная техника, 1998, №6.

29. Ковалева Н.Г., Ковалев В.Г.// Биохимическая очистка сточных вод предприятий химической промышленности, М., Химия, 1987.

30. Лукиных Н.А., Залетова Н.А., и др./ Удаление фосфора на станциях биологической очистки городских сточных вод.// Труды V Всесоюзного научного симпозиума по проблемам самоочищения и регулировния. Изд. ВНИИ ВОДГЕО, Таллин, 1975.

31. Липман Б.Л., Мельцер В.З. / Применение физико-химического метода очистки городских сточных вод в сочетании с биологическим для глубокого удаления соединений азота и фосфора. // Сб. "Физико-химические методы очистки сточных вод" Изд. МДНТП, 1975.

32. Артамонов В.И., Липман Б.Л., Мельцер В.З. / Высокопроизводительная биологическая очистка в схеме глубокой очистки сточных вод. Изд. ЦИНИС Госстроя СССР, серия 9, вып. 8, М., 1978.

33. Лукиных Н.А., ЛипманБ.Л., Залетова Н.А./Удаление фосфора из городских сточных вод биолого-химическим методом.// Кн. "Самоочищение и биоиндикация". Изд. "Наука", 1980.

34. Биологическоеудаление азота и фосфора из городских сточных вод».

35. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.1. Список литературы¡36

36. Разумовский Э.С. и др./Рекомендаци по проектированию сооружений биолого-химической очистки городских сточных вод. ОНТИ АКХ, М., 1980.

37. Гюнтер Л.И., Гребеневич Е.В. и др./ Удаление биогенных элементов из городских сточных вод.// Тезисы докладо на 3-м Всесоюзном симпозиуме "Антропогенное эвтрофирование природных вод", Изд. ИОРХ АН СССР, 1983.

38. Гюнтер Л.И., Гребеневич Е.В., Залетова H.A./ Удаление биогенных веществ из городских сточных вод с целью предотвращения загрязнения водоемов.// Изд. МГЦНТИ, "Проблемы больших городов" вып. 16, М., 1983г.

39. Гюнтер Л.И., Гребеневич Е.В., Залетова Н.А./Удаление биогенных веществ из городских сточных вод.// Сб. научных трудов "Рациональное использование воды в городском хозяйстве Москвы", 1989.

40. Шарыгин Ю.М., Зайцев A.B./ Биолого-химическая очистка городских сточных вод.// Журнал "Водоснабжение и санитарная техника", №10, 1986.

41. Исаева Н.В., Залетова H.A. / Эффективные процессы удаления фосфора из городских сточных вод.// Сб.научн. трудов «Эффективные технологические процессы и оборудование для очистки сточных вод», ОНТИ АКХ,М.,1988г.

42. Разумовский Э.С., Залетова H.A. и др./Рекомендации по проектированию сооружений биолого-химической очистки городских сточных вод.// Изд. 2-ое, дополненное. ОНТИ АКХ, М., 1987г.

43. Биологическоеудаление азота и фосфора из городских сточных вод».

44. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.1. Список литературы 137

45. Zaletova N.A. / Municipal Waste Water Treatment to Control Eutrophication of Water Bodies.// A conference on Baltik Sea areas its environment worth protection" Kaserntiyckeriet Karlskrona, Швеция, 1987г.

46. Разумовский Э.С., Залетова Н.А., Гиндин Г.Н., Пантин Г.П.,/ Установка для удаления фосфатов из сточных вод. Пат. N1695630, 1988г.

47. Разумовский Э.С., Залетова Н.А., Жариков Ю.А. /Установка биологической очистки сточных вод. Пат. N1708776, 1988г.

48. Разумовский Э.С., Залетова H.A./Pollution of the Baltik Sea by Municipal Waste water.// Preprint of the statement symposium "The Baltik Sea Polluted Load Monitoring",Tallinn, USSR, 5-9 Apr., 1988

49. Zaletova N.A./ Phosphorus removal technology for municipal wastewater treatment.// Seminar on Nutrient removal from municipal wastewater treatment, 4-6 Sept., 1989, Tampere, Finland.

50. Курова Л.В./ Технология биологического удаления фосфора// Журнал "Инженерная экология" ISS N 0204-3483. Изд. "Инженерная экология", М., РФ, 1995 г.

51. Залетова Н.А./ Удаление биогенных веществ из городских сточных вод. Сб. докл. на 5-ом симпозиуме «Технический прогресс в канализации и очистке бытовых и промышленных сточных вод»,// Варна, 22-25.09.88. Изд. «Строительство и архитектура», София, 1988г.

52. Лукиных Н.А., Залетова Н.А. и др. /Очистка городских сточных вод от биогенных веществ .//Обзорная инф. Серия «Водоснабжение и канализация» МЖКХ РСФСР, АКХ им. К.Д. Памфилова. Ин-т экономики Жилкомхоза, 1989г.

53. Биологическое удаление азота и фосфора из городских сточных вод».

54. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.

55. Мельцер В.З., Залетова H.A., Разумовский Э.С., Зайцев A.B. Способ биологической очистки сточных вод. Патент РФ №1699132,1989г.

56. Башкатова JI.B., Залетова H.A./ Очистка сточных вод от биогенных веществ.//Журн. «Жилищно-коммунальное хозяйство», №8, 1990г.

57. Залетова H.A., Разумовский Э.С.,/Технология удаления биогенных веществ из городских сточных вод.//Материалы Ленинградского симпозиума на тему: «Технология очистки сточных вод», Ленинград, 29-30 мая 1990г. Организатор Водоочистной отдел фирмы «Кемира».

58. Разумовский Э.С., Залетова H.A./Удаление биогенных элементов из городских сточных вод.//Журн. «Водоснабжение и санитарная техника», №6, 1991г.

59. Башкатова Л.В., Пятачкова Е.В., Залетова H.A. Способ биологической очистки сточных вод. Патент РФ №4938812, 1991г.

60. Попов В.В., Залетова H.A., Башкатова Л.В./Способ биологической очистки сточных вод. Патент РФ №4938811, 1991г.

61. Пятачкова Е.В., Башкатова Л.В., Залетова H.A. Способ биологической очистки сточных вод. Патент РФ №4938978, 1991г.

62. Залетова Н.А./Удаление биогенных веществ из городских сточных вод.//Тез. Докл. Всесоюзной научн.-технич. Конф. «Повторное использование доочищенных сточных вод», г. Истра, Московской области, 19-21 ноября 1991г.

63. Залетова Н.А./Удаление биогенных веществ из городских сточных вод.// Журн. "Водоснабжение и санитарная техника", №3, 1992г.

64. Залетова Н.А./Удаление азота и фосфора для городских станций аэрации// Журн. «Водоснабжение и санитарная техника», №9, 1993г.

65. Залетов C.B. / Применение иммобилизованной микрофлоры- один из реальных путей решения современных задач очистки сточных вод.// Сборник тез. докл. международного конгресса «Вода: экология и технология» ЭКВАТЭК -96, 1996.

66. Данилович Д. А., Мухин В.А./Удаление биогенных элементов ./ВСТ, №9, 1998.

67. Шмидг Л.И. /Очистка сточных вод. Изд. «Химия», Л., 1977.

68. H. Spanjers. /Respirometry in aktivated sludge/1993.

69. СНиП 2.03.04 85. Строительные нормы и правила. Канализация. Наружные сети и сооружения. М., ЦИТП, 1986.

70. Канализация населённых мест и промышленных предприятий. Справочник проектировщика. М., Стройиздат, 1981.

71. Яковлев C.B., Карелин Я.А., Ласков Ю.М., Калицун В.И. Водоотведение и очистка сточных вод. М., Стройиздат, 1996.Ласков Ю.М., Воронов Ю.В., Калицун В.И. Примеры расчётов канализационных сооружений. М., Стройиздат, 1987.

72. Василенко А.И., Василенко A.A. Канализация. Курсовое проектирование. Киев. 1975.

73. Ласков Ю.М., Воронов Ю.В., Калицун В.И. Примеры расчётов канализационных сооружений. М., Высшая школа, 1981.

74. ГОСТ12.0.003.-74 ССБТ. Опасные и вредные производственные факторы. Классификация.

75. Вредные вещества в промышленности. Справочник /под редакцией Н.В.Лазарева.

76. Пожарная опасность веществ и материалов, применяемых в химической промышленности. Справочник/под редакцией Баратова.

77. Санитарные нормы проектирования промышленных предприятий. СН 245-71

78. Макаров, Охрана труда в химической промышленности, М, 1989г.

79. Методические указания по определению эколого-экономической эффективности технологических процессов и производств в дипломных проектах и работах. ,М.1985г.

80. Биологическоеудаление азота и фосфора из городских сточных вод».

81. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.

82. Временная типовая методика определения экономической эффективности осуществления природоохранных мероприятий и оценки экономического ущерба, причиняемого народному хозяйству загрязнением окружающей среды./Экономика/М. 1986г.

83. Закон «Об охране окружающей среды»

84. Постановление Правительства РФ от 28.08.1992 г. №632 «Об утверждении Порядка определения платы и ее предельных размеров за загрязнение окружающей природной среды, размещение отходов, другие виды вредного воздействия»