Эколого-биотехнологические аспекты очистки шахтных вод от буроугольных взвешенных веществ

Исаев, Олег Николаевич

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Эколого-биотехнологические аспекты очистки шахтных вод от буроугольных взвешенных веществ
ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Эколого-биотехнологические аспекты очистки шахтных вод от буроугольных взвешенных веществ"

На правах рукописи

ИСАЕВ Олег Николаевич.

ЭКОЛОГО - БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ОЧИСТКИ ШАХТНЫХ ВОД ОТ БУРОУГОЛЬНЫХ ВЗВЕШЕННЫХ ВЕЩЕСТВ.

Специальность: 03.00.16 - Экология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва-2005

Работа выполнена на кафедре «Промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности» экологического факультета Российского университета дружбы народов.

Научный руководитель: Член корреспондент МАНЭБ

кандидат технических наук, доцент

Б.Д. Сусленков

Официальные оппоненты: Доктор биологических наук, профессор

B.С. Орлова

Доктор биологических наук

C.В. Котелевцев

Ведущая организация: ООО «Научно-производственное предприятие

«РЕНАРИ»

Защита диссертации состоится ^3 ^^ 2005 года в ^ часов на заседании диссертационного совета Д 212.203.17 в Российском университете дружбы народов по адресу: 113093, г. Москва, Подольское шоссе, д.8/5,.экологический факультет РУДН.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке РУДН по адресу: 117198, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6.

Автореферат разослан_2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

Доктор биологических наук, профессор 'ЧУ/? Н.А. Черных

гооб-4

Л 63>2

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность работы. Современное развитие угольной промышленности характеризуется переводом экономики отрасли на рыночные отношения и закрытия в ряде случаев не рентабельных производств. Несмотря на снижение объемов добычи угля отрасль продолжает оказывать негативное влияние на компоненты биосферы, что выражается, прежде всего, в накоплении твердых отходов, изменение состояния почв и ландшафтов, загрязнении атмосферного воздуха и водных ресурсов аэрозолями и взвешенными веществами соответственно.

Геотехнологическая специфика разработки угольных месторождений характеризуется значительным водопротоком в горные выработки из вышележащих горизонтов и вмещающих пород. Поступающая в шахту вода при этом насыщается мелко раздробленными частицами угля, породы, нефтемаслопродуктами от технологических процессов добычи и транспортировки угля. Причем доля загрязнения биосферы углистыми веществами от сточных вод угольных шахт достигает 64%. Состав взвешенных углистых веществ определяется марками углей разрабатываемого месторождения.

Для осушения горных выработок в основном применяется откачка загрязненных шахтных вод на поверхность в специально сооружаемые для этого пруды отстойники. Накапливаемый угольно-породный шлам в настоящее время практически не утилизируется. В связи с этим приходится решать задачу, связанную с возможностью предварительной очистки откачиваемых вод от взвешенных веществ непосредственно в подземных условиях угольных шахт.

Однако существующие способы очистки воды в шахтных условиях на базе использования стационарных отстойников с наклонными камерами осветления и эрлифтовых установок требуют значительных капитальных вложений и поэтому не нашли широкого применения.

Вместе с тем известно, что углистое вещество представляет собой углеводородное соединение, которое по свид отдельных исследований

РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ СИБЛИОТЕКА

С.( О»

может быть использовано в качестве основного источника питания для определенных видов микроорганизмов. Данное обстоятельство послужило основой для разработки направлений биоконверсии углеотходов для получения газообразных энергоносителей и биотехнологического восстановл ения почв, загрязненных отходами в районах действующих угольных предприятий. Конечным продуктом утилизации углеотходов при этом являются метан, водород и гумусовое вещество соответственно.

Развитие прикладной микробиологии доказывает высокую эффективность биотехнологических процессов при реализации цикличных и непрерывных режимов. В этой связи следует отметить тот факт, что экологические параметры угольных шахт практически полностью отвечают требованиям реализации биотехнологического способа очистки шахтных вод от взвешенных веществ.

Поэтому разработка биотехнологии уменьшения углистых веществ в жидких отходах угольной промышленности является актуальной научной задачей.

Цель работы - повышения эффективности природоохранных мероприятий в угольной промышленности на основе биотехнологии очистки шахтных вод от буроугольных взвешенных веществ.

Задачи исследований включают:

• провести эколого - биотехнологический анализ сведений об углеотходах в угольной промышленности и обоснование очистки шахтных вод от буроугольных взвешенных веществ;

• рассмотреть эколого - биотехнологические принципы очистки шахтных вод от углистых веществ;

• выполнить лабораторные исследования биотехнологических процессов очистки шахтных вод от буроугольных отходов;

• провести опытную оценку эффективности биотехнологии очистки шахтных вод от буроугольных взвешенных веществ с учетом экономических показателей;

• разработать биотехнологический регламент реализации очистки шахтных вод от взвешенных веществ в условиях угольного предприятия. Научные положения, выносимые на защиту.

Выполнено обоснование эколого - биотехнологических решений очистки шахтных вод от буроугольных взвешенных веществ на основе использования смешанной культуры, включающих в себя АнЛоЬайег сЪгоососсиш, ВасПгю тецайепит и МеАукитш Шсповропиш микроорганизмов, которым соответствуют геотехнологические условия горных выработок угольных шахт по показателям Т °С, рН среды и химический состав водопритока.

Установлено, что при протекании биотехнологического процесса очистки воды наблюдается эффект иммобилизации клеток на поверхности буроугольных отходов вследствие наличия разницы потенциалов между ними. Динамика изменения рН среды при этом носит затухающий колебательный характер от 7,0 до 6,0 с установившимся значением 6,5.

В шахтных условиях биотехнологическое разрушение углистого вещества в сточных водах протекает при температуре 20-30 °С, рН воды 7,0 - 6,0 , что соответствует типичным горизонтам буроугольных шахт, при реализации непрерывного режима водопритока.

Биотехнология очистки шахтных вод от буроугольных взвешенных веществ включает четыре основные фазы протекания процесса: - первая фаза -гидролиз буроугального вещества до образования органических соединений сложного состава; - вторая фаза - метанообразование, обусловленная биоконвертированием гидролизного продукта в биогаз, включающий в себя метан, водород и частично оксид углерода с накоплением биомассы консорциума микроорганизмов; - третья фаза - метаноокисление, включающая в себя последовательный процесс по схеме метан —» метанол формальдегид —» муравьиная кислота —> углекислый газ с приростом биомассы при этом; -

четвертая фаза - автолиза, характеризуется естественным распадом биомассы консорциума микроорганизмов и формированием гумусового вещества.

Экологическая значимость биотехнологического процесса очистки шахтных вод от буроугольных взвешенных веществ заключается в получении из них гумусового вещества.

Разработана методика расчета параметров биотехнологического регламента, которая базируется на учете 36 исходных данных, включающих горнотехнические, физико-химические и биологические факторы, в том числе 13 расчетных уравнений

Достоверность научных исследований обусловлена проведением теоретических, лабораторных и опытных исследований с учетом эколого-экономической оценки процесса на базе установления надежности полученных результатов по общепринятым статистических методах обработки полученных данных, на основе критериальной оценки константы скорости развития бактерий в реальных подземных условиях угольных шахт.

Научная новизна работы состоит в раскрытии физико-химического механизма фазовой последовательности биодеструкции углистых веществ в сточных водах угольных шахт с последующим биоконвертированием из продуктов гидролиза углеводородов гумусового вещества.

Установлено, что процесс биодеструкции углистого вещества в сточных водах угольных шахт сопровождается затухающим колебательным процессом изменения рН среды от 7,0 до 6,0 и стабилизацией кислотно-щелочного баланса рН=б,5 в интервале температур 20-30 °С.

Практическое значение работы заключается: - в разработке биотехнологического регламента реализации очистки сточных вод от взвешенных веществ в геотехнологических условиях буроугольных шахт и метода расчета основных параметров протекания процесса в непрерывном режиме водопритока со средней эффективностью 54% биоутшшзации буроугольных отходов с откачкой очищенной воды на поверхность, обогащенной гумусовыми веществами до 2,4 г/л сут.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на научно-практических конференциях по направлению экология и безопасность жизнедеятельности экологического факультета Российского Университета Дружбы Народов в 2000, 2001, 2002 и 2004 годах и научно-методических семинарах кафедры Промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности.

Публикации.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в 3-х печатных работах.

Структура н объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 106 стр. машинописного текста, содержит 23 рисунка, 20 таблиц и список используемых литературных источников го 94 наименований отечественных и зарубежных авторов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В первой главе диссертации проведен научный анализ литературных источников по вопросу влияния угольной промышленности на загрязнения компонентов биосферы (литосферы, атмосферы и гидросферы) твердыми отходами, содержащих углистые вещества. При этом установлено, что предприятия угольной промышленности откачивают более 650 млн. м3 сточных вод в год, которые загрязнены взвешенными веществами из породных и угольных частиц; нефгемаслопродуктами от машин и механизмов; поверхностно-активными веществами при использовании специальных жидкостей для уменьшения пылеобразующей способности разрабатываемого пласта и запыленности горных выработок; бактериальными примесями и минеральными солями. Их сброс в наземную гидрографическую сеть вызывает ощутимое заиливание, засоление и закисление водоемов и водотоков, дестабилизируя тем самым экологическое равновесие в районе действия

угольных шахт. Постоянный переход горных работ на более глубокие горизонты и усложнение при этом гидрогеологических условий приводит к дальнейшему увеличению объемов и загрязненности попутно забираемых вод различными веществами, а также истощению подземных водоносных горизонтов, в том числе насыщенной чистой питьевой водой.

В связи с этим, а также нарастающим дефицитом питьевой воды актуальными становятся вопросы предотвращения загрязнения подаемных вод, очистки загрязненных шахтных вод и повторного использования их для нужд угольной промышленности, а также смежных отраслей, сельского хозяйства и в быту.

До настоящего времени подавляющее большинство научных и экспериментальных работ были направлены на решение лишь одного из перечисленных вопросов: на очистку шахтных вод, осветление, обеззараживание, деминерализацию и нейтрализацию за счет использования в основном механических и частично физико-химических способов, коэффициент полезного действия которых не превышает 0,3.

Поэтому разработка способа очистки шахтных вод, обладающего более высокой эффективностью остается одной из актуальных задач в угольной промышленности.

Одним из возможных направлений решения данной задачи является использование для этой цели биотехнологий.

На кафедре Промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности РУДН на протяжении последних десяти лет проводятся целенаправленные исследования, направленные на разработку биотехнологического способа < очистки шахтных вод в подземных условиях.

Сущность способа заключается в способности ряда бактерий в нормальном температурном режиме шахтных условий расщеплять стойкие химические вещества, содержащиеся в шахтных водах и синтезировать из них новые вещества, которые не противоречат природным компонентам.

Шахтные воды по своему химическому составу отвечают основным требованиям реализации биотехнологии. Они в достаточных количествах содержат углерод в виде частиц углистого вещества, растворенные минеральные соли, содержащие азот, фосфор и другие элементы, необходимые для развития бактерий. Сбор водопритока шахтных вод осуществляется в специальных накопителях, расположенных, как правило, в нижней части вертикальных или наклонных грузовых и вентиляционных стволах. В этих сооружениях достигается осреднение кислотно-щелочных показателей шахтных вод (рН-6,5). Температура накопителей воды как правило соответствует данному горизонту шахты и составляет в большинстве случаев 20-30 °С, что говорит о сопоставимости экологической ниши для развития микробной популяции.

Во второй главе рассмотрены методологические принципы реализации эколого - биогехнологических аспектов очиспси шахтных вод от буроугольных взвешенных веществ. При этом микробиологическая утилизация буроугольных отходов по нашему мнению должна базироваться на биологических процессах, которым присущи факторы и требования свойственные микробиологической деятельности в том числе:

- наличия необходимой микробной популяции;

- характеристики культуры, в том числе состава питательной среды с учетом наличия углеродно-водородных соединений, минерального состава и экологических параметров (рН, Т°Си др.).

При изучении биотехнологического разрушения углистого вещества различные исследователи рекомендуют микроорганизмы, которые способны к > росту и размножению в аэробных условиях, к которым прежде всего относятся

АясЛоЬшЛег сЬгоососсшп, ВааКю тецайепит и МеАукютю йгепозропшп.

Исходя из классических принципов развития микробной популяции в открытых и замкнутых экосистемах, в основу настоящей работы положены оценка и эффективность развития культуры разрушающих буроугольные отходы при определенных параметрах экологических факторов, которые обеспечиваются техническими системами.

Поэтому, опираясь на известные данные нами выбрана смешанная культура АжйоЬасЯег сЬгоососсит, ВасПш теяа1епшп и МеЙ1у1овтш йклозропит микроорганизмов.

Практика прикладной микробиологии для реализации биотехнологических процессов, как правило, базируется на гомогенном и гетерогенном процессах. В первом случае процесс реализуется при тщательном перемешивании, во втором процесс- в пространственно временном распределении.

Осушение горных выработок базируется в основном в двух направлениях: - первое - создание гомогенной массы воды с буроугольными отходами в накопителях с откачкой их на поверхность в пруды отстойники (гомогенный процесс);

- второе - накопление горной массы буроугольных отходов с последующей их отгрузкой на поверхность. Формирование насыпной массы в конечном итоге приводит к необходимости решения задач кучного выщелачивания (гетерогенный процесс), путем орошения насыпной массы шахтной воды содержащих микробную популяцию.

Сравнительная оценка показателей подземных шахтных вод показала, что они по своим свойствам соответствуют развитию микроорганизмов рН-7,0-6,0, Т-20-30°С.

Опираясь на выше проведенные исследования, в третьей главе нами разработаны методика и проведены лабораторные исследования по оценке парного влияния температуры окружающей среды и рН шахтных вод на динамику развития бактерий (табл.1) при контакте с буроуголышм субстратом. Среднее значение константы скорости роста микробной популяции составила 3,22 , 1/сут. Установлено, что характер изменения рН среды подчиняется затухающему колебательному процессу. С учетом химического анализа жидкой фазы и данными изменения рН среды раскрыт механизм биотехнологического разрушения углистых веществ в шахтной воде, который включает в себя следующие фазы (рис.1): 1-гидролиза; 2- метанообразования; 3-метандеструкция;4- образование гумусового вещества. Динамика изменения

Таблица 1.

Результаты экспериментов по определению констант скорости роста микробной популяции при контакте с субстратом буроугольных веществ р,1/сут.

№п/п рН среда Температура эксперимента °С Среднее значение

20 25 30

1 2 3 4 5 6

1 7,0 3,62 2,48 4,03 3,38

2 6,5 2,47 4,42 3,% 3,62

3 6,0 1,21 3,24 3,60 2,68

4 Среднее значение 3,22 3,22

Рисунок 1.

Механизм биотехнологнческого превращения твердых буроугольных отходов в продукты гумусового вещества.

I фаза гидролиз Пфаза 1 метано-образование II фаза IV метан-деструкция фаза образование гумусового вещества

■ ........ ^ :

т-»ж Ж-+Г Г-»Т Т-»

t-1 t-2 t-3 t-4 t,'<

! [CHO]N -» СН,+Н2 — ■[-C-H]HjO !

> ' + биомасса

сн» : н

метанол ! -С - H ] НгО • N,P,MB формальдегид H муравьиная ;

кислота ОСЬ

+ биомасса

! - гумусовое вещество

I фаза гидролиза с образованием сложных органических веществ +С02;

II фаза метанообразования ( СН» + Н2 и др.);

III фаза метандеструкция ( ССЬ+Н20);

IV фаза образование гумусового вещества

концетрации бактерий при контакте с буроугольньгм субстратом, приведенная на (рис. 2), говорит о том, что в начальный период наблюдается снижение численности популяции от первоначального значения X,. данный факт объясняется частичной адсорбции клеток углистыми частицами на их поверхности в результате наличия разницы потенциалов (уголь имеет отрицательный, а клетки положительный потснщилы (рис. 3).

Динамика уменьшения концентрации взвешенные вещества и накопления гумусового вещества при этом приведены на (рис. 4 и рис. 5) соответственно. Средняя эффективность биотехнологического разрушения буроугольных взвешенных веществ составила -67%, и накопление гумусового вещества -61%.

Учитывая тот факт, что реализация биотехнологии разрушения буроугольных отходов в шахтной воде должна осуществляется в аэробных условиях, в работе рассмотрен вопрос насыщения рабочей жидкости кислородом воздуха (аэрация жидкости). Дня этого рассмотрены технологические решения аэрации шахтной воды в зависимости от микробиологических и горнотехнических факторов. Аэрация жидкости при этом достигается путем диспергирования воздуха в ней и тщательного перемешивания ее в режиме турбулентного потока. Получены зависимости расхода воздуха на аэрацию шахтной воды и общего расхода электроэнергии на перемешивание:

ЫОг'а+Ке^ОгО

0»= ■ , м3/мин. (1)

Кс -коэффициент сорбции кислорода воздуха углистым веществом, ед; (} - суточный водонриток шахтной воды, м3 /сут;

ц - константа скорости развития микробной популяции при данных экологических условиях (Т°С и рН среды), 1/сут.

Рл« = п р, ,кВт. (2)

п - число мешалок на аэрацию, ед; Р, потребляемая электроэнергия одной мешалки, кВт.

X &

в в

в ■

о в «в о в

•8

в £

Рисунок 2.

Динамика изменения концентрации бактерии в системе с буроугольными отходами.

пХ Т

ЬпХо

у"

2 3

-►I

Период адсорбции клеток углистым веществом

Ъсут

Рисунок 3.

Принципиальная схема адсорбции бактерий углистыми веществами.

Рисунок 4.

Динамика уменьшение концентрации взвешенных буроугольных веществ.

н-

к 4. ■4-- *-- -1--

1 я

И-1

2 3 при рН ■ 6,5

1 сутки

1 - Т = 20°С

2 - Т = 25°С 3-Т = 30°С

Рисунок 5.

Динамика образования гумусового вещества при биотехнологическом разрушении буроугольных взвешенных веществ ( Т = 25 "С, рН = 6,5),

мг/л.

500

гомогенный процесс; 2-

гетерогенны й процесс.

Ь сутки

РЭ = Г (К^р^ДДкВт. (3)

К* - постоянная в соответствии с конструкцией мешалки при числе Рейнолдса Ие^Ю5 турбулентного потока, ед ; р - плотность (жидкость-газ), г/см3; Ди -- диаметр лопастей единичной мешалки, см; N - число оборотов мешалки, об/с.

В четвертой главе рассматриваются вопросы опытной проверки биотехнологии разрушения буроугальных отходов проводенных на Харанорском месторождении АО «Читинская угольная компания» при температуре 22 °С и рН среды 6.5, при начальной концентрации взвешенных веществ -900 мг/л., содержанием углистого вещества в них -700 мг/л и суточном водопригоке 1200 м3/сут.

Динамика уменьшения концентрации буроуголысых отходов и накопление гумусового вещества приведены на рис. 6 и рис. 7 соответственно. Эффективность по уменьшению взвешенных веществ составила -45%, и накопление гумусового вещества -36%.

Оценка экономической эффективности для данных условий выполнены по рекомендациям СНиГП .02.01 -85 и МГГУ показала, что ожидаемый годовой экономический эффект может составить 14,3 млн. рубУгод.

В пятой главе рассмотрен методологический принцип практической реализации способа на основании приведенных аналитических, лабораторных и опытных испытаний биотехнологии разрушения буроугольных отходов в шахтной воде, в результате чего разработан биотехнологический регламент расчета основных параметров практической реализации биотехнологии. Расчетные зависимости приведены в таблице 2 и принципиальная биотехнологическая схема на рис.8.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В результате проведенных исследований решена актуальная геотехнологическая задача по снижению буроугольных отходов в шахтных

концентрация гумусового вещества, мг/л

N5 14) СО

5 8 8 § 8 8 ё

<в

-4

СО

Ы *

^ '

—А

-ч

"3 <0

м .

—л

ч"

о»

•л

со

и «1

Ьэ

3 X

л х л х X

X в л X

X X

я о

Я -я «в к

концентрация буроугольных ^

взвешенных веществ, мг/л s

• о

Расчетные зависимости

Таблица2

№ Перечень расчетных зависимостей: Пример расчета параметров биотехнологического регламента очистки шахтных вод от взвешенных буроугольных веществ. Размер -ность

1 Эг-М, дх- 50-700 А V — , ____________—141 мг/л

100 100

2 G = ie*-Q-(M-AX)K, G = 10*-1200 <900 - 350) 4=0,66, т/сут

3 М,= MT'-QM, m,= 10* 1200 -900 = 1,08, т/сут

4 LhX.- LnX, ¡L--, T 19-13,9 -= 1,27, 4 1/сут

5 ho'O+IQ/VQ о - 103-(1+12)-0^-1200 А — —17 м^мин

V» ц v» .........— М' 1,27

6 „О^Р.-Р,, рСЬ= 0,2 • 4=0,8 кг/см2

7 Рэ=10 ' - 0,49 • 241 • 0,7*- 10a =16,4 кВт

8 i'Pxen + P» p =- » P» 2,04 • 0,0013 +1 р=-= 0,49 2,04 1 г/см2

9 d*2 • h„ • 10 ' 10" • 14-10'1 п - -6,36 ед

W-ti-he 0,7 • 1,5* • 1,5

10 Pota = Рэ ' O P„í„=16,4-7=115 кВт

11 1440 Q, 1440 1,7 i- -2,01 ед

Q 1200

12 E = 38,74-0,43-8 + +1,57-V„ -ОДЗ-Ев, Е = 38,74 - 0,43 0,187 + +1,57-0,3-0,13- 50 =32,6, руб/м3

13 Э = 365 EQ Э = 365-32,6-1200 = 14¿ млн.ру б/год

Рисунок 8.

Принципиальная схема бнотехнологнческого процесса очистки шахтных вод в подземных условиях.

1 - элемент горной выработки околоствольного двора; 2- шахтный ствол; 3- накопитель шахтной воды; 4- трубчатый диспргатор воздуха; 5- технологический пневмосгав; 6- технологический водоотводящий канал; 7- электродвигатель мешалки; 8- аппарат культивирования бактерий; 9- дозатор подпитки микробной популяции; 10 - шахтный водоотводящий насос.

водах на основе эколого - биотехнологических аспектов и при этом получены следующие ВЫВОДЫ:

Для повышения эффективности природоохранной деятельности угольной промышленности выполнено обоснование эколого - биотехнологических решений снижения буроугальных взвешенных веществ в шахтных водах.

Биодеструкция углистого вещества при этом достигается на основе использования смешанной культуры, включающих в Аж^оЬасЛег с1тгоососсит, ВасНш теца1епит, Ме&укюшш йтсповрогшт микроорганизмов, которым соответствуют геотехнологические условия горных выработок угольных шахт по показателям Т °С, рН среды и химический состав водопритока.

Разработаны методики проведения лабораторных и опытных экспериментов, с учетом приготовления бактериальной суспензии, контроля параметров протекания процесса и статистическую обработку полученных результатов с критериальной оценкой константы скорости развития бактерий для конкретных подземных условий угольных шахт.

Установлено, что при протекании биотехнологического процесса очистки воды наблюдается эффект иммобилизации клеток на поверхности буроугольных отходов вследствие наличия разницы потенциалов между ними. Динамика изменения рН среды при этом носит затухающий колебательный характер. Процесс биотехнологической деструкции буроугольных отходов включает следующие фазы: гидролиза, метанообразования, метаноокисления, автолиза и 1уму(»образования.

Экологическая значимость заключается в том, что в результате биотехнологического процесса достигается снижение вредных для окружающей среды углистых веществ в шахтных водах и получение из них гумусового продукта, который не противоречит природным условиям.

Эффективность биотехнологического способа разрушения углистого вещества в шахтных водах составила в среднем 54%. Количественный показатель накопления гумусового вещества из них в среднем достигла 49 %.

Разработан биотехнологический регламент реализации очистки сточных вод от взвешенных веществ в геотехнологических условиях буроугольных шахт и метод расчета основных параметров протекания процесса на учете 36 исходных данных, включающих горнотехнические, физикохимические и биологические факторы и 13 расчетных уравнений.

Ожидаемый годовой экономический эффект от реализации биотехнологии при очистке 1200 м3/сут. шахтной воды достигает 14,3 млн.руб./год.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1.0.Н. Исаев., О.А. Лапина., Б.Д. Сусленков. «Биоутилизация отходов угольной промыпшенностиж-М, 2000, -1,5с. дел. МГТУ, 18.01.2000, №323

2. О.Н. Исаев, Б.Д. Сусленков. «Экологизация процессов очистки шахтных вод» Вестник РУДН, серия экология и безопасность жизнедеятельности. -М.: РУДН. 2003, №9

3. В.И. Тагасов, О.Н. Исаев, БД Сусленков и др. «Экологизация технизации производственных процессов» Тезисы докладов всесоюзной научно-технической конференции РУДН по проблемам экологии и безопасности жизнедеятельности. -М.: РУДН. 2004

Исаев Олег Николаевич (Россия) «Эколого-биотехнологические аспекты очистки шахтных вод от Треугольных взвешенных веществ»

Буроугольные отходы в шахтных водах, образующихся при разработке угольных месторождений нарушают природное равновесие, приводят к деградации наземных и водных экосистем. В этой связи актуальной задачей является изучение эколого-биотехнологических условий очистки шахтных вод от взвешенных буроугольных веществ, обеспечивающих снижение экологического ущерба и позволяющих непосредственно в подземных условиях путем микробиологической конверсии углистого вещества снизить концентрацию вредных примесей в откачиваемой из горного предприятия водопритсжа и получить из них полезный продукт в виде гумусового препарата.

Isaev Oieg Nikobevkh (Russia) Ecological biotechnological aspects of purifying the undergirolina waters from different substances.

Extraction remame in underground waters which are formed in the process of surveying coal resources affect nature balance, lead to degradation of gibolind and underground water ecosystems. In this case, the main objective is to study the ecobiotechnological purification conditions of underground waters from different substances which lower the ecological bamage and enhance the microbiological convertion of coal substances in underground conditions, lower the concentration of harmful components in extracted material from underground, and get from the an important product in the form of soil ingredient.

Отпечатано в ООО «Компания Спутник+» ПД № 1-00007 от 25.09.2000 г. Подписано в печать 18.04.05 Тираж 100 экз. Усл. п.л. 1,19 Печать авторефератов (095) 730-47-74, 778-45-60

РНБ Русский фонд

2006-4 4655

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Исаев, Олег Николаевич

ВВЕДЕНИЕ. 4 стр. 1.0 Эколого - биотехнологические сведения об углеотходах в угольной промышленности. 9 стр.

1.1. Общая характеристика углеотходов в угольной промышленности. 9 стр.

1.2. Геотехнологический процесс формирования шахтных вод в горных выработках угольных предприятий. 15 стр.

1.2.1 .Основные сведенья о составе шахтных вод. 19 стр.

1.3. Основные сведения о влиянии взвешенных веществ на окружающую среду. 23 стр.

1.4. Эколого - биотехнологические направления утилизации 25 стр. углеотходов.

1.5. Цель и задачи исследований. 26 стр. ВЫВОДЫ. 27 стр. 2.0 Биотехнологические принципы очистки шахтных вод от буроугольных взвешенных веществ. 28 стр.

2.1. Биологическая природа процесса. 28 стр. 2.1.1 .Микробиология. 28 стр. 2.1.2. Фактор температуры. 32 стр. 2.13. Фактор рНсреды. 34 стр.

2.2. биотехнологические особенности процесса очистки шахтных вод от взвешенных углеотходов. 35 стр.

2.2.1. Общие принципы. 35 стр.

2.2.2. Гомогенный прием. 36 стр.

2.2.3. Гетерогенный прием. 38 стр.

2.2.4. Фактор аэрации. 42 стр. вывода 45 стр. 3.0 Лабораторные исследования биотехнологического процесса разрушения буроугольных веществ в шахтных водах. 46 стр.

3.1. Требования к аппаратурному оформлению лабораторных установок. 46 стр.

3.1.1. Лабораторная установка для гомогенного процесса. 46 стр.

3.1.2. Лабораторная установка для гетерогенного процесса. 47 стр.

3.2. Характеристика объектов исследований. 50 стр.

3.3. Методика лабораторных экспериментов 50 стр.

3.3.1. Получение рабочего объема бактериальной суспензии. 50 стр.

3.3.2. Контроль параметров протекания процесса биоразрушения буроугольных веществ в шахтных водах. 54 стр.

3.3.3. Статистическая обработка результатов экспериментов. 55 стр.

3.3.4. Результаты лабораторных исследований. 55 стр.

3.4. Изучение процесса биотехнологического разрушения углистого вещества при контакте с буроугольным субстратом. 62 стр.

3.4.1. Определение константы скорости роста микробной популяции и динамики изменения концентрации взвешенных веществ. 62 стр.

3.4.2. Изучение динамики изменения средних значений выхода гумусового вещества в аппаратах гомогенного и гетерогенного типов при непрерывном режиме водопритока. 74 стр.

ВЫВОДЫ. 74 стр.

4.0.0.ытная оценка эффективности биотехнологии разрушения буроугольных отходов в шахтных водах. 79 стр.

4.1. Объект исследований. 79 стр.

4.2. Результаты экспериментов. 82 стр.

4.3. Анализ результатов опытных экспериментов. 82 стр.

4.4. Экономическая оценка биотехнологии очистки шахтных вод от взвешенных буроугольных отходов. 88 стр. выводы.

5.0. Биотехнологический регламент реализации очистки шахтных вод от взвешенных буроугольных веществ.

5.1. Методика расчета параметров.

5.2. Пример расчета параметров биотехнологического регламента очистки шахтных вод от взвешенных буроугольных отходов.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Эколого-биотехнологические аспекты очистки шахтных вод от буроугольных взвешенных веществ"

Геотехнологическая специфика разработки угольных месторождений характеризуется значительным водопритоком в горные выработки из вышележащих горизонтов и вмещающих пород. Поступающая в шахту вода при этом насыщается мелко раздробленными частицами угля, породы, нефтемаслопродуктами от технологических процессов добычи и транспортировки угля. Причем доля загрязнения биосферы углистыми веществами от сточных вод угольных шахт достигает 64%. Состав взвешенных углистых веществ определяется марками углей разрабатываемого месторождения.

Вместе с тем известно, что углистое вещество представляет собой углеводородное соединение, которое по свидетельству отдельных исследований может быть использовано в качестве основного источника питания для определенных видов микроорганизмов. Данное обстоятельство послужило основой для разработки направлений биоконверсии углеотходов для получения газообразных энергоносителей и биотехнологического восстановления почв, загрязненных отходами в районах действующих угольных предприятий. Конечным продуктом утилизации углеотходов при этом являются метан, водород и гумусовое вещество соответственно.

Сущность биотехнологического способа заключается в свойстве определенных видов микроорганизмов осуществлять процесс деструкции сложных углеводородных соединений до простых веществ с последующим синтезом из них веществ, которые не противоречат составу самой природы. Поэтому разработка биотехнологии уменьшения углистых веществ в жидких отходах угольной промышленности является актуальной научной задачей.

Цель работы — повышения эффективности природоохранных мероприятий в угольной промышленности на основе биотехнологии очистки шахтных вод от буроугольных взвешенных веществ.

Идея работы — заключается в способности определенных видов микроорганизмов в нормальных термодинамических условиях угольных шахт осуществлять расщепление углистых веществ в шахтных водах и синтезировать из продуктов расщепления гумусовое вещество.

Задачи исследований включают:

• рассмотреть эколого - биотехнологические принципы очистки шахтных вод от углистых веществ;

• разработать биотехнологический регламент реализации очистки шахтных вод от взвешенных веществ в условиях угольного предприятия.

Научные положения, выносимые на защиту и их новизна. Выполнено обоснование эколого — биотехнологических решений очистки шахтных вод от буроугольных взвешенных веществ на основе использования смешанной культуры, включающих в себя Azotobacter chroococcum, Bacilus meqaterium и Methylosinus tricnosporium микроорганизмов, которым соответствуют геотехнологические условия горных выработок угольных шахт по показателям Т °С, рН среды и химический состав водопритока.

Биотехнология очистки шахтных вод от буроугольных взвешенных веществ включает четыре основные фазы протекания процесса: - первая фаза - гидролиз буроугольного вещества до образования органических соединений сложного состава; - вторая фаза - метанообразование, обусловленная биоконвертированием гидролизного продукта в биогаз, включающий в себя метан, водород и частично оксид углерода с накоплением биомассы консорциума микроорганизмов; - третья фаза -метаноокисление, включающая в себя последовательный процесс по схеме метан —> метанол —> формальдегид муравьиная кислота —*■ углекислый газ с приростом биомассы при этом; - четвертая фаза - автолиза, характеризуется естественным распадом биомассы консорциума микроорганизмов и формированием гумусового вещества.

Научная ценность работы состоит в раскрытии физико-химического механизма фазовой последовательности биодеструкции углистых веществ в сточных водах угольных шахт с последующим биоконвертированием из продуктов гидролиза углеводородов гумусового вещества.

Установлено, что процесс биодеструкции углистого вещества в сточных водах угольных шахт сопровождается затухающим колебательным процессом изменения рН среды от 7,0 до 6,0 и стабилизацией кислотно-щелочного баланса рН=6,5 в интервале температур 20-30 °С.

Практическое значение работы заключается: - в разработке биотехнологического регламента реализации очистки сточных вод от взвешенных веществ в геотехнологических условиях буроугольных шахт и метода расчета основных параметров протекания процесса в непрерывном режиме водопритока со средней эффективностью 54% биоутилизации буроугольных отходов с откачкой очищенной воды на поверхность, обогащенной гумусовыми веществами до 2,4 г/л сут.

Апробация работы: основные положения диссертации докладывались на научно-практических конференциях по направлению экология и безопасность жизнедеятельности экологического факультета Российского Университета Дружбы Народов в 2000, 2001, 2002 и 2004 годах и научно-методических семинарах кафедры Промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности.

Публикации:

Основные положения диссертационной работы опубликованы в 3-х печатных работах.

Объем и структура диссертации: Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 106 стр. машинописного текста, содержит 23 рисунка, 20 таблиц и список используемых литературных источников из 94 наименований отечественных и зарубежных авторов.

Заключение Диссертация по теме "Экология", Исаев, Олег Николаевич

выводы.

Предложена методика расчета параметров биотехнологического процесса очистки шахтных вод от взвешенных буроугольных веществ, включающая в себя 36 исходных данных.

Разработаны расчетные зависимости параметров биотехнологического процесса очистки шахтных вод от буроугольных веществ на базе 13 уравнений.

Выполнен пример расчета биотехнологического регламента.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Исаев, Олег Николаевич, Москва

1. Бурчаков А.С., Гринько HJC, Ковальчук АБ. «Технология подземной разработки пластовых месторождений полезных ископаемых» - М.: Недра, 1978г., сф. 150.

2. Бурчаков А.С., Гринько Н.К., Черняк И Л «Процессы подземных горных работ» -М.: Недра, 1976г.

3. Ржевский ВВ. «Огкрьпые горные работьо> часть 2 - М.: Недра, 1985г. 4. Меркулов ВА. «Влияние подземной добычи на природу» Учебное пособие.-^овочфкасск ЛПИ, 1980г., 88с.

5. Волков В Л «Геология и 05фана ресурсов ископаемых углей (месторождение мощных угольных пластов)» - Л : Недра, 1985г.

6. Матвеева AJC «Геология угольных месторождений СССР» - М.: МГУ, 1990г.

7. Бурчаков А.С., Кузюкова Ф.Ф. «Краткий справочник горного инженера угольной uiaxTbD> - М: Недра, 1982г., 454с. 8. Коссинский В А., Корнилов ЮН., Поляковская ЕЛ., Черников АБ. «Минеральное сьфье. Уголь» - М: ЗАО «Геоинформмарк» 1997г.

9. Эггингер МЛ. «Химия угля» - М: Недра, 1976г.

10. Юдович ЯЗ. «Грамм дороже тонны. Редкие элементы в углях» - М.: Наука, 1989г., 160с.

11. Липович BJ"., Колабин ГА., Кллечиц ИВ. и другие «Химия и переработка угля» -М.: Химия, 1988г., 336с.

12. Митрофанов СЛ, Варсюш ЛА., Самыгин В.Д. «Исследование полезных ископаемых на обогатимость» - М: Недра, 1974г.

13. Петросян АЭ. «Выделение метана в угольной шахтах» - М: Наука, 1975г.

14. ОгадникоБ rJL «Самовозгорающиеся угли и породы, их геохимическая характеристика и метод опознавания» - М,: Недра, 1956г.

15. Кузнецов С Л., Иванов MB., Ляликова НЛ. «Введение в геологичеа^то микробиологию»-М.: Наука, 1962г.

16. Клер В.Р. «Изуче1ше сопутствуюпщх полезных ископаемых при разведке угольных месторождений» - М.: Недра, 1979г. 272с.

17. Ласкорин Б Л., Барский JLA., Персиц ВЗ. «Безотходная технология переработки минерального сырья. Системный анализ» - М.: Наука, 1984г.

18. Мосинец В Л , Грязнов MB. «Горные рабогы и 01фужающая среда» - М: Недра, 1978г.

19. Кузнецов ЮС, Смородинов MPL, Шахмейстер ЛГ., и другие «Проектирование природных комплексов» - М: Недра, 1974г. 232с.

20. Абраменко Т.Ф. «Породные отвалы большой производительности, оборудованные ленточными конвейерами» -Уголь YiqpaHHbi. 1964г. №2.

21. Ушаков КЗ. «Справочник по рудной вентиляции» - М.: Недра, 1977г.

22. Калмыков ЕЛ «Борьба с внезапными прорывами воды в горные выработки» - М: Недра, 1973г.

23. Закиров СЛ. «Влияние обводнения многопластовых газовых и газоконденсатных месторождений на их разработку» - М: Недра, 1973г.

24. Матлак Е.С., Малеев ВБ. «Снижение загрязненности шахтных вод в подземных условиях» -К, Тэхника, 1991 г. 136с.

25. Мительман Д.Я-, Немковский Б Д Вековшинина СЛ. «Классификация шахтных вод упшьньк месторождений СССР. Шахтные воды» -в кн. Лаучные труды ПермНИУИ,вьш. 15.-Пермь. 1973г. 43-49с.

26. Остапенко ПЕ. «Технологическая оценка минерального сырья. Опьггные установки» - М.: Недра, 1991г.

27. Афанасьев Г Д , Зьжов СМ. «Гео^дюнологическая шкала фанерозоя в свете новых значений постоянного распада» - М: Наука, 1975г.

28. Эггангер И Л «Физическая химия газоносного угольного пласта» - М: Наука, 1981.

29. Богомолов MA., Воловик ЕА., Гасюкевич BJC «Состояние и перспекгивы развития главных водоотливных установок на угольных шахтах» / Обзор информ. // ЦНИИЭИуголь - М.: 1980г.

30. Матлак Е.С., Рудакова НЮ., Казимиренко НВ. «Исследование загрязненности шахтных вод» // Уголь Украины - 1983г. №2.

31. Монгайт И Л , Текиниди КД., Николадзе ГЛ. «Очистка шахтных вод» - М.: Недра, 1978г.

32. Дедю ИЛ. «Экологический энциклопедический словарь» - Кишинев.: Гл. редакция Молдавской Советской Энциклопедии, 1989г.

33. Узденский ВБ., Мартгьшов ЮЛ., Проскуряков ВА. «Термолиз Канско- Ачинского угля в расплавленной среде» ПрепринтУЛенингр. Технолог. Ин-т-Л.: 1982.

34. Горшков ВА. «Очистка и использование сточных вод предприятий угольной промьшшенности» - М: Недра, 1981.

35. Казанцева О.В. «Разработка биохимического способа снижения углистых веществ в твфдьж отходах энергетической промьшшенности ТЭК, с учетом экологической безопасности» Дисс. на соиск. уч. ст. к.т.н. - М: ФоццыРУДН, 2000г.

36. Рейхерг НЛ. «Исследование мер по защите и восстановлению растительного слоя почв и земельных угодий, подвергшихся воздействию горных разработок в буроугольных месторождениях» Дисс. на соиск. уч. ст. K.T.H. -М: ФоццыРУДН, 1991г.

37. Занина ИА. «Совершенствование щюцесса биоконверсии углеотходов в энергоносители посредством выбора биологически активного комплекса» Дисс. на соиск. уч. ст. к.т.н. - М: Фонды РУДН, 1995г.

38. Малков ИВ. «Разработка способа получения энергоносителя из углистого вещества отходов угольной промышленности на основе биотехнологии» Дисс. на соиск. уч. ст. к.т.н. - М.: Фонды РУДН, 1992г.

39. Уэбб Ф. «Биохимическая технология и микробиологичесюш синтез» - М: Медицина, 1969г.

40. Иванов MB. «Геологическая деягельность микроорганизмов» - М.: Науга, 1975г.

41. Ziegler А. «Die Rolle der Kohle als Ener^e — und RohstDfiftragen) / Chem. Ing. Tech. v60 p. 187-192,1986. 42. Нестеров АЛ., Назаренко AJB., Москаленко ЭМ., Смольянинов HP. «1Саменный уголь 1сак специфическая среда обитания микроорганизмов» MиIqpoбиoлoг,пpoм.,1975, №1(121).

43. Ward B. «Lignite - degrading fimgl isolated fiDm awcatehered outerop». /System. Appl. Microbiol. 1985. v. 6, p. 236-238.

44. Scott CD., Strandbeig G.W., Lewis SJN. «Microbial solubiliration of соаЬ>У Biotechnol. Prog. 1986. v.2. p. 131 -139. 45. Gupta PX., Spiher JX., Crawford Db. «Biotransfonnation of coal by ligninolytic Strepfomyces»y Can. J. Microbial. 1988. v. 34. p 667 - 674.

46. Hewitt L J". «Oxidation Reduction Potentials in Bacteriology and Biochemistry», Edinburgh-1950.

47. Малек И., Фепил 3. «Непрерялвное 1^льтивирование мшдхюрганизмов» - М: ГЬацевая промышленность, 1968.

48. Сусленков БД. «Исследование и разработка параметров микробиологического воздействия на угольный пласт в непрерьшном режиме с целью управления его состоянием» Д1сс, на соиск. уч. ст. к.т.н. -М: Фонды МГИ, 1976.

49. В^эфоломеев С Д., Калюжный В.«Биотехнолоп1Я. Кинетические основы микробиологических процессов» уч. пособие для биол. и хим. спец. вузов. — М.: Высшая школа, 1990г. 57. «Горная э1шщлопедия»-М.: Сов. Энциклопедия, т. 1-5., 1984-1991г.

50. Москаленко ЭМ., Перминов БЛ., Смольянинов HP., Сусленков Б.Д. «Авторское свидетельство» №407059 СССР, 1974г.

51. Терт СДж. «Основы г^^льтивирования микроорганизмов и клетою> - М.: Мир, 1978г. 52. Разумов КА., Перов В А. «Проеюирование обогатительных фабрик» 4 изд. -М.: Недра, 1982г.

53. Нестеров АЛ., Сусленков БД , Старовойтова ГА. «Оптимизация питательного минерального раствора для метанокисляющих бактерий» -М.: Прикладная биохимия и микробиология, 1973, т. 9. вып. 6. -М.: АНСССР.

54. Малков HJB. «Натурные исследования биоутилизации твердых отходов угледобычи. Эколого-экономические проблемы биотехнологии в горной промышленносга» - М : ЦПВНГГО, 1990г.

55. Перт СДж. «Основы 1ошьтивирования микроорганюмов и клетою> - М: Мир, 1978г. 56. Пегуркин Н.С. «Популяционная микробиология» - Новосибирск.: Наука, 1978г.

57. Рыбальский НГ., Лях CJL «Экобиотехнологический потенциал консорциумов микроорганизмов» - М.: ВРШИТИ, 1990г.

58. Taquchi Н. «TTie Nature of Fennentation Fluids» Adv. Biochem. Eng, 1., 1971.

59. Андреев С£., Перов ВА., Зверевич BJ3. «Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых» - М.: Недра, 1980г.

60. Хазанов Ю.С. «Статистика» - М.: Статистика, 1974г.

61. Горсюш ВР., Адлер ЮЛ., Талалай AM. «Планирование промьшшенных экспериментов» - М.: Метал;^ргия, 1978г.

62. Налимов ВВ., Чернова НА. «Статистические методы планирования экстремальных экспериментов» - М.: Наука, 1965г.

63. Ахназфова CJL, Кафаров ВВ. «Методы оптимизации эксперимента в химической технологии» - М : Высшая школа, 1985г.

64. Клссандрова О JL, Лебедев ВВ. «Обработка результатов наблюдений» - М.: Наука, 1979г.

65. Касаточкин В.И., Л^ина HJC «Строение и свойства природных углей» - М: Недра, 1979г.

66. Саранчук В Л., Айруни А.Т., Ковалев ICE. «Шдмолекулярная организация, структура и свойства угля» -Киев.: Наука, думка, 1988г.

67. Березин ИВ., Варфоломеев С Д. «Биокинетика» - М.: Наука, 1979г.

68. Юровская ЕМ. «Мшдюбиологическая очистка промышленных сточных вод» -Киев.: Здоров'я, 1984г.

69. Ротмисгров МН., Гвоздяк П Л , Сгавская С. «Мшфобиологическая очистка воды» -Киев.: Науксюа Думка, 1978г.

70. Кузнецов Б.Н. «Катализ химических превращении угля и биомассы» - Новосибирск.: Наука, Сибирское отделение, 1990г.

71. Шпирг MJL «Безотходная технология. Утилизация отходов добычи и перерабопси твердых горючих ископаемых» Под ред. Б Л. Ласкорина. - М: Недра, 1986г.

72. Москаленко ЭJVL «Научные основы биохимического и физикохимического способов борьбы с метаном в угольных шахтах» Докг. дисс. - М: Фонды МГИ, 1971г.

73. Darby R.T., Goddaid DJL «Studies of the Respiration of the Mycelium of tiie Fungus Myrothecoum verracaria», AJJBot, 37,379.

74. Эггингер MH. «Сорбционные свойства угле11» - М.: Недра, 1962г.

75. Яворсьош БМ., Детлаф А А. «Справочник по физике» - М: Наука, 1965г.

76. Ohyama Y., Endoh К. « Power characteristics of Gas — Liquid Contacting Mixers» Chem. Eng. J^an, 19.2 (1965).

77. Michel BJ., Miller SA. « Power Requirements of Gas — Liquid A^tated Systems» ATGhE J., 8,262 (1962). 94. «Физические величины. Справочник» - М.: Энергоагомиздат, 1991 г

Информация о работе

Исаев, Олег Николаевич
кандидата биологических наук
Москва, 2005
ВАК 03.00.16

Диссертация

Эколого-биотехнологические аспекты очистки шахтных вод от буроугольных взвешенных веществ - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы