Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Интенсификация работы сооружений биологической очистки сточных вод с использованием электромагнитных полей

ВАК РФ 03.00.23, Биотехнология

Автореферат диссертации по теме "Интенсификация работы сооружений биологической очистки сточных вод с использованием электромагнитных полей"

На правах рукописи

НИКИФОРОВА Лидия Осиповна

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ РАБОТЫ СООРУЖЕНИЙ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ

Специальность 03.00.16 - Экология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва-2003

Работа выполнена в Московском государственном университете пищевых производств. В институте управления, качества, безопасности и экологии предприятий продуктов питания на кафедре экологического менеджмента пищевых производств

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор Калабин Г. А.

доктор технических наук, профессор Бирюков В.В. доктор технических наук Первое А. Г.

Ведущая организация: Институт МОСВОДОКАНАЛНИИПРОЕКТ

Защита состоится 2 декабря 2003 года в 10 часов в ауд. 202 на заседании диссертационного совета Д 212.200.12 в Российском государственном университете нефти и газа им. И.М. Губкина по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский проспект, 65.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах с заверенными подписями) просим направлять ученому секретарю диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в научно- технической библиотеке РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина

Автореферат разослан

2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н.

Л.В. Иванова

2ооз-А

ЧП5

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Предотвращение дальнейшего развития процессов антропогенного эвтрофирования и восстановление водных бассейнов России требуют решения сложных вопросов: доочистки очищенных сточных вод от токсичных веществ, не подвергшихся биохимической деструкции на комплексе очистных сооружений, и максимального снижения биогенных элементов.

Необходимость решения этих проблем во многом связана с питьевым водоснабжением, так как на станциях водоочистки в основном используются физико-химические методы, не способные удалять растворенные токсичные вещества.

Одним из постоянных источников поступления в водные бассейны токсичных органических и неорганических соединений являются сточные воды с городских очистных сооружений. Очистные сооружения городов, принимая промышленные неочищенные или недочищенные стоки, не имеют, как правило, возможности менять режим эксплуатации отдельных узлов при возникновении аварийных ситуаций. Это приводит к гибели симбиоза биологического комплекса и надолго подвергает открытые водоемы к приему недочищенных сточных вод с высокими концентрациями органических веществ, соединений металлов, СПАВ и нефтепродуктов.

В связи с этим постоянно разрабатываются новые методы очистки городских и, особенно, промышленных сточных вод. В настоящее время накоплены значительные теоретические знания по вопросам удаления соединений азота. Вопросы удаления фосфатов и полифосфатов являются актуальными в связи с чем, чю этот элемент не вступает в окислительно-восстановительные реакции. Удаление фосфатов из сточных вод в основном происходит за счет потребления его клетками биоценоза биологических сооружений и временного аккумулирования отдельными штаммами микроорганизмов.

Сущеовующис станции аэрации столкнулись и с другой проблемой: проблемой поступления со сточными водами новых органических соединений из-за расширения использования па промышленных предприятиях новых источников сырья. В настоящее время отсутствуют технологические схемы, позволяющие

биохимическими методами очищать сточные воды, содержащие юксичиыс вещества как органического, так и неорганического происхождения.

Эти проблемы определяют необходимость в совершенствовании имеющихся и разработке новых технологий. Наиболее перспективными являются технологии, использующие физические поля, как для активации биоценоза, так и для обеззараживания. Для оценки влияния электромагнитных полей на процессы активации биоценоза и обеззараживания, необходимо четко понимать механизм второй фазы биохимической деструкции сложных органических молекул. В связи с этим разработка научных основ различного уровня сложности ресурсосберегающих экологически безопасных технологий очистки сточных вод, использующих электромагнитную активацию биоценоза сооружений биологической очистки и имеющих целью повышение экономической и технической эффективности при внедрении па производствах, является актуальной научной проблемой.

Цель и задачи работы. Цель исследований состояла в разработке теоретических и прикладных основ технологий и способов интенсификации работы сооружений биологической очистки с использованием электромагнитных полей, позволяющих повысить их технико-экономическую эффективность и экологическую безопасность очищенных сточных вод для открытых водоемов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

• изучить кинетику процессов, связанных с механизмом внеклеточной деструкции органических соединений и создать модель биохимического расщепления сложных органических субстратов;

• выявить закономерности влияния электромагнитной активации иловой смеси на окислительную способность биоценоза и величину илового индекса;

• разработать новую безреа!ентную технолотю обеззараживания воды, испытать и изучить условий ее технического внедрения;

• разработать и исследовать техноло1ию глубокого удаления полифосфатов, изучить влияние электромагнитной активации на эффективность процесса;

• разработать и исследовать технологии очистки сточных вод, содержащих токсичные органические соединения и тяжелые металлы.

Научная новизна. В работе обосновано новое научное направление,

обеспечивающее квалифицированный выбор технологии очистки и

обеззараживания сточных вод, содержащих токсичные органические вещества в

присутствии тяжелых металлов. С этой целыо:

1) предложены и обоснованы методологические, научные и технологические основы создания комплексов по очистке еючных вод, содержащих токсичные органические и неорганические соединения, отличающихся одновременным учетом: законов химической термодинамики, основных экологических принципов (системности, комплексности, рациональной организации, экологической безопасности), экономических и организационных возможностей промышленных предприятий на современном этапе;

2) разработана модель второй стадии внеклеючного биохимического расщепления многокомпонентных систем и определена роль растворенного в воде кислорода, как основнрго фактора в формировании биоценоза, позволяющего управлять окислителькой мощностью сооружений биологической очистки;

3) изучена динамика изменения видового и количественного состава симбиоза активною ила в зависимости от концентрации растворенного кислорода в аэрационных сооружениях;

4) разработан' и математически обоснован новый метод определения концентрации растворенных органических соединений в день отбора пробы, позволивший провести сравнительную оценку результатов трудноокисляемых субстратов стандартным методом - БПК1ЮЛИ;

5) разработана новая технология обеззараживания водных систем с использованием перпендикулярных потоку воды магнитных полей и доказан механизм процесса, связанный с поляризацией молекул воды, вызывающих изменение проницаемоеги клеток;

6) установлены основные закономерности и особенности влияния электромагнитной активации на биоценоз биологического комплекса. Разработаны научные и практические основы технологии использования

электромагнитных полей, позволяющие повысить эффективность очистки сточных вод;

7) разработана биоадсорбционная технология безреагентиого удаления фосфатов, на станциях биологической очистки и на основе экспериментального материала получена эмпирическая формула расчета количества концентрируемого фосфора в дефосфататорах;

8) изучено влияние соединений железа и марганца на биоценоз сооружений биологической очистки и установлены основные закономерности процессов очистки сточных вод, содержащих токсичные органические соединения в присутствии тяжелых металлов;

9) установлены закономерности электрохимического окисления токсичных органических соединений, биогенных элементов в электролизерах с нерастворимыми электродами и изучено влияние очищенных вод на планктон открытых водоемов;

10) проведен эколого-гехнологический анализ работы сооружений предприятий, сточные воды которых содержат токсичные соединения, мониторинг их систем водопотребления и водоотведения, что обеспечило создание информационной базы для разработки ресурсосберегающих

' технологий.

Практическая значимость полученных результатов. В промышленных условиях апробированы и подтверждены результаты, полученные в результате научных исследований на лабораторных и пилотных установках, что позволило внедрить:

I) разработанные технологические схемы с использованием электромагнитных активаторов, позволяющих: увеличить окислительную мощность аэрационных сооружений до 40%; сократить объемы очистных сооружений до 25%; сократить затраты на доочистку очищенных сточных вод до 20%; ликвидировать затраты на химические реагенты при вспухании активною ила; ликвидировать реагентное хозяйство при решении вопроса снижения концентрации соединений фосфора; проводить магнитное обеззараживание очищенных сточных вод до норма! ивных показателей при получении нетоксичных вод дня планктона открьпых водоемов;

2) разработанные технологические процессы:

- биологического удаления нолифосфатов из основного потока с последующим концентрированием в малых объемах и электромагнитной активацией

•I

циркулирующего биоценоза;

- биологической очистки сгочных вод предприятий нефтеоргеиьпеза, содержащих высокие концентрации соединений серы, инги'бирующих биоценоз аэрационных сооружений;

- биологического удаления трудноокисляемых и токсичных органических соединений в присутствии тяжелых металлов;

- электрохимической доочистки токсичных сточных вод в двух- и трех секционных электролизерах с нерастворимыми электродами;

- технология и конструкция электрохимического обеззараживания сточных вод, не оказывающих токсичного влияния на планктон открытых водоемов;

- развит и усовершенствован биохимический метод контроля определения концентрации растворенных органических веществ, позволяющий быстро и с высокой степенью точности оценивать экологическую и санитарную обоаыовку в водном регионе.

Предложены методики расчета сооружений:

- электрохимической очистки сточных вод, содержащих токсичные вещества;

- биологического удаления полифосфатов;

- биологической очистки сточных вод, содержащих трудноокисляемые органические соединения в присутствии тяжелых металлов.

Реализация результатов осуществлялась по прямым договорам с Новогорьковским НПЗ, ЛО «Минудобрения» г. Мелеуз Башкортостан, ЗАО «Этанол» г. Новокуйбышсвска, Мэрией г. Обухове на городских очистных сооружениях, ЛО «Тульский пекарь», ЗАО «Альтер Вест», ООО «Тсхнобридж-Сервис», ООО «Тсхномост Сервис», "Сиичнром" в г. Балабаново Московской области, ООО «Киокомпакг» и др.

Разработаны рекомендации для проектирования новых и реконструкции действующих очистных сооружений предприятий и городов: г. Обухово (Московской облас1и), объединенных городских и произведет венных очистных сооружений к Новокуйбышсвска, г. Катлыма (Тюменской области), ЗАО

"Минудобрснис" г. Мелеуза (Башкортостана), г. Калабаиово (Московской области) и др.

Разработанные рекомендации использованы в проектах реконструкции очистных сооружений городов: г. Обухово (Московской области), г. Иовокуйбышевска , г. Мелеуза (Башкортостана).

Налажено производство установок второго поколения полной заводской готовности контейнерного типа «БиОКС» в ООО «Техномост Сервис».

Оказывается научно-методическая помощь предприятиям, производящим установки контейнерного типа и строительным организациям на площадках, отведенным под очистные сооружения в Московской области.

Научно-практическая новизна результатов исследований и принятых на этой основе технических решений подтверждены патентами и свидетельством на "Полезную модель" конструкции узла магнитного обеззараживания.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

- результаты математического обоснования механизма внеклеточного расщепления органических веществ в сооружениях биологической очистки;

- результаты математического обоснования метода определения концентрации растворенных органических веществ в день отбора пробы;

обоснование механизма процесса обеззараживания воды в перпендикулярном магнитном поле определенной напряженности;

- результаты технологических исследований по влиянию электромагнитной активации на окислительную способность биоценоза и величину илового индекса;

- разработанная технология глубокого удаления полифосфатов и воздействия электромагнитной активации на эффективность процесса;

- результаты технологических исследований по электрохимическому окислению токсичных органических веществ и особенности конструктивных решений;

- оценка эколого-экономической значимости использования осадков с иловых карт в качестве удобрения под зерновые культуры, травы и их влияние на экологическую безопасность фунтовых вод.

Апробация работы. Основные положения, изложенные в диссертационной работе, рассмотрены при обсуждении докладов на следующих конгрессах, симпозиумах, конференциях:

• 2-ая Международная научно-техническая конференция " Экология человека и природы" (г. Иваново, 1998 г.);

• Межрегиональная конференция "Энергосберегающие технологии в коммунальном комплексе" (г. Тула, 2000г.);

• Научно-практическая конференция "Экологическим проблемы ВерхнеВолжского региона" (г. Иваново, 2001г.);

• 4-ая международная научно-техническая конференция "Пиша. Экология. Человек" (г. Москва, 2001 г.).

Международные конгрессы: Moldova EcoChem Conference (Chisinau, 2002), "HELEC003, (Греция, Афины, 2003 г.).

Публикации, По теме диссертации опубликовано 46 научных работ, в том числе 2 препринта в РАН, 22 статьи в научно-технических журналах и сборниках России, 1 статья в международном научно-техническом журнале (США), 2 патента и 1 "Полезная модель", 18 тезисов докладов на научно-технических конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация общим объемом 406 страниц состоит из введения, шести глав, общих выводов, заключения, списка литературы и приложения. Содержит 144 рисунка, 166 таблиц, списка использованной литературы из 143 наименований и приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении диссертации обосновывается актуальность перечисленных . выше проблем, дается общая характеристика выполненной научно, исследовательской работы; показано антропогенное воздействие на окружающую среду недоочищенных сточных вод. поступающих с очистных сооружений в открытые водоемы.

Первая глава посвящена эколого-технологическому анализу действующих химико-технологических систем очистки и обеззараживания сточных вод и содержит 6 разделов.

В первом разделе представлен обзор по физико-химическим свойствам биологических систем.

Во втором разделе дан эколою-технологический анализ процессов, связанных с влиянием электромагнитных нолей на биологические системы. Магнитная обработка водных систем, обогащенных определенным биоценозом, интенсивно развивается, несмотря на слабую разработку теоретических основ. Электромагнитные поля невысокой напряженности действуют на водные системы в течение долей секунды, а физико-химические реакции и процессы, вызванные этим воздействием, протекают уже после обработки. Отмечено, что трудности теоретической трактовки магнитной обработки водных систем связаны с тем, что приходится сталкиваться с проблемами, относящимися к общей теории жидкого состояния.

В третьем разделе проведена оценка антропогенного воздействия соединений азота и проанализированы технологические методы, применяемые на современном этапе с целью снижения экологической нагрузки на водные объекты.

В че1всртом разделе проведен анализ влияния полифосфатов на равновесие био1енных элементов в экосистеме и рассмотрены технологические решения, применяемые в настоящее время по сохранению водных объектов.

В пятом разделе рассмотрены критерии обеззараживания сточных вод и вод питьевою назначения, проанализированы основные направления, позволяющие дости1а1Ь наибольший эколого-технологический эффект. Проведено сравнение методов обеззараживания очищенных сточных вод, использующих физические процессы.

В шестом разделе проанализированы результаты исследований, подтверждающих, что определенный биологический эффект в экосистемах при воздействии электромагнитных полей связан с изменением условий транспорта кислорода в клетках. Отмечены общие закономерности в ряде математических моделей систем биологической очистки сточных вод. Проанализированы модели, основанные на двухфазной теории изъятия загрязнений.

Анализ опубликованных работ позволил сделать вывод, что воздействие физических полей способствует повышению эффекта очистки воды от механических и коллоидных примесей. Однако в литературе практически отсутствуют публикации о влиянии слабых элекфомагнитных полей на

,, и

физиологическое состояние микроорганизмов и продолжительность последействия.

Определено, что для оценки влияния электромагнитных полей на процессы активации биоценоза и обеззараживания, необходимо четко понимать механизм второй фазы биохимической деструкции сложных органических молекул.

Анализ научно-технической и патентной литературы определил круг вопросов и сузил сектор поиска показателя "экотоксичности" загрязнений, поступающих в окружающую среду и их аналитического контроля в экстремальных ситуациях.

Определены цель и задачи работы.

Вторая глава посвящена изучению возможности очистки сточных вод, содержащих токсичные органические вещества, имеющих в своем составе кислород- и азотсодержащие соединения, относящиеся ко второму и третьему классу экологической опасности.

Общая схема выполненных в работе исследований включает в качестве основных этапов: анализ влияния исходных сточных вод на ферментативную систему биоценоза, скорость эндогенного дыхания активного ила, определение происхождения токсичности по органическому и ионному составу.

Сточные воды, содержащие токсичные органические соединения, в разбавленном и неразбавленном виде подвергались интенсивной деструкции в лабораторных условиях и на пилотной установке путем последовательного бездиафрагменного электролиза при плотности тока до 80 А/м2. Резкое увеличение концентрации диоксида углерода, в выделяющемся при электролизе газе, подтверждает механизм деструкгивного (до С02 и 1120) разрушения токсичных органических компонентов.

Степень токсичности очищенных сточных вод определялась "методом биотестирования" на инфузориях, рассматриваемого как наиболее достоверного показателя экологической и санитарной безопасности для водных объектов.

В перечень методик исследований входят известные из литературы методики, ГОСТы, приемы физико-химических исследований и математической обработки результатов. В процессе работы использованы современные физико-

химические методы исследования: хроматография, спектрометрия, ртутная пирометрия, атомно-абсорбционный и химический анализ.

Во втором разделе на основе фундаментальных, имеющих практическое подтверждение, законов, обосновывается модель механизма многостадийного процесса внеклеточного расщепления сложных органических веществ до молекул-мономеров с участием внеклеточных ферментов.

В основе постановки задачи данной модели заложено следующее: для расщепления исходного органического вещества ферменты используют обходные пути - через промежуточные реакции, требующие меньшей энергии активации. Реакция расщепления

требует высокой энергии активации, и поэтому в обычных условиях идет крайне медленно. Фермент (Ф) упрощает проблему, резко ускоряя брутто-процесс по схеме

АВ + Ф—Ь_>АВФ ,

ВФ—¿з_>В + Ф,

поскольку каждая промежуточная реакция имеет низкую энергию активации. При этом фермент, увеличив скорость химических реакций, по окончании процессов сохраняет свою концентрацию. Простейшим примером процесса (2) является гидролиз сахарозы, в результате которого образуются глюкоза (А) и фруктоза (В). Для осуществления гидролиза без фермента требуется энергия активации 32 кКал/моль. Если же реакция катализируется ферментом сахарозой, то необходимая энергия активации составляет 9,4 кКал/моль (эта энергия порядка энергии слабых водородных связей).

Наиболее простое математическое моделирование процесса апеллирует к схеме (2). Соответствующая система кинетических уравнений записывается в виде:

АВ -» А+В

(1)

АВФ—Ь->ВФ +А,

(2)

с!(АВ)/с11 = - к,(АВ)(Ф), с1(АВФ)/Л = к,(АВ)(Ф) - МАВФ), (5(ВФ)/сИ = кг(АВФ) - к3(ВФ), с1(А)/сИ = кг(АВФ),

d(B)/dt = кз(ВФ), с!(Ф)/(11 = - к,(АВ)(Ф) + к3(ВФ). Из (3) автоматически следуют интегралы движения (законы сохранения элементов):

(AB) + (АВФ) + (А) = ь0,

(AB) + (АВФ) + (ВФ) + (В) = Lo , (4)

(АВФ) + (ВФ) + (Ф) = Фо , где L0 и Ф0 - начальные концентрации исходного органического соединения и фермента, соответственно.

С учетом (4) система (3) сводится к трем уравнениям: dx/dt = k2( Lo - х -z),

dy/dt = k3(x-y), (5)

dz/dt = - k]z(z+y + Фо-Lo), где x=(A), y=(B), z=(AB). Начальные условия записываются в виде:

x(0) = y(0) = 0,z(0)=U. (6)

Рассмотрим два характерных случая.

Одноканальный механизм расщепления органического субстрата

В соответствии со схемой (2) процесс расщепления исходного органического вещества AB реализуется по двум каналам - с образованием продукта А(1) и продукта В(2). Если скорость наработки продукта В мала, то система (5) упрощается и принимает вид (кз«к)Фо, kiL0,k2): ■ -

dx/dt -= k2(L0-x-z), ' (7)

dz/dt =- - к^г+Фо-Ьо) При равных начальных концентрациях субстрата и фермента (Ьо=Ф®) из' (7) находим решение: 1 '

Z = z/L0 = l/(l+k, Lot) = 1/(1+ав),

X = х/1.„ -1-

я

Í-Í-. 11 + а5

1+ ¡r^-rdS

M-S), (8)

где 0= kjl и а ~ kt Lo/кг.

В случае, когда начальные концентрации не равны. т»е. P=®0/L0^¡1, имеем z/L0-(p-l)/lPexp(o8)-l] (9)

k/L„ = 1-

exp(-s) , где e-kjt и а=к|(Фо-Ьо)/к2.

Из (9) ясно, что нарастание концентрации продукта расщепления А характеризуется двумя временными масштабами: т,= 1/(к,|Фо-Ьо|)и т2= 1/к2.

Если начальная концентрация фермента существенно превышает концентрацию исходного органического субстрата (р»1), то соотношения (9) упрощаются

z/Lo ~ ехр(-аЭ), (10)

x/Lo = 1 - ехр(-0) - [ехр(-а9)-ехр(-6)]/(1 -а), где a=k^o/k2. Для характерных времен имеем: Xi=l/k^0 и Тг=1/к2. В пределе t-> » стационарные значения z/L0-+0 и x/L0-> 1, а значение концентрации продукта В (y/L0-> 1) устанавливается за времена порядка Тз: Тз 2:1/кз» max(T|,T2) .

Квазистационарный подход Рассмотрим другой предельный случай, когда практически одновременно "срабатывают" оба канала как с наработкой продукта А, так и продукта В. Необходимое условие для реализации этого случая связано с выполнением неравенства: ц = k2/k3«l (11)

Тогда в квазистационарном приближении из третьего уравнения (З)определяется связь между концентрациями промежуточных продуктов (АВФ) и (ВФ): (АВФ) = к3(ВФ)/к2,

что позволяет из третьего уравнения (4) получить зависимость (ВФ) от концентрации фермента (Ф)

(ВФ) = (Ф0-Ф)/(1 + 1/ц) = ц(Ф0-Ф).

С помощью этого соотношения система (3) сводится к системе из двух нелинейных уравнений

d(AB)/dt = -к,(АВ)Ф ,

(12)

d®/dt = -к,(АВ)Ф + к2(Ф0-Ф). Используя преобразование Ф = Ф-kjt находим первый интеграл движения системы (12): Ф = Ф0( 1 +k2t) + L0(l-z) - (k2/ki) Inz, где z=(AB)/L0. Тогда первое уравнение (12) приобретет вид: и d?7dt = -к1г[Ф0(Н k2t) -t L0(l-z) - (k2/ki)lnz].

Из этого уравнения несложно Получить асимптотические решения: при г = [1 - (1/то)], т0 = 1/(к,Ф0),

при 1—>оо ъ ~ ехр[-(^т„)4], т„ = [2/(к,к2Фо)]"2.

При выполнении неравенства ц = кг/^Ьо) « 1 в квазистационарном приближении система (12)сводится к одному уравнению: ёг/сЮ = -г/(ц + г), где г=(АВ)/Ь0, 0 = Ф0к21/Ь0.

Это уравнение решается: в=1-г-ц1пг. (13)

Очевидно, что характерное время развития процесса т ~ Ьо/(Фокг).

Многостадийный процесс гидролиза органических соединений

Помимо рассмотренных выше случаев, на практике важную роль играют также многостадийные процессы расщепления органических соединений в воде, происходящие с участием нескольких белков-ферментов: причем каждый из ферментов включается на определенной стадии, подготавливая продукт для последующей стадии расщепления.

Типичным примером такого процесса является гидролиз целлюлозы (С6Н10О5)п, в ко юром конечным продуктом является глюкоза (С6Н|206): (С6Н10О5)п + пН20 п С6Н|206.

Процесс внеклеточной деструкции целлюлозы весьма важен в . решении проблемы очистки промышленных сточных вод. Деструкция целлюлозы осуществляется в две стадии:

- на первой стадии целлюлоза ферментом целлюлазой гидролизу^тся в целлобиозу (С12Н220„.),

- на второй стадии фермент целлобиаза расщепляет целлобиозу на две молекулы глюкозы, которая легко проникает в клетку и усваивается ею.

Схема многостадийного внеклеточного гидролиза исходного органического соединения может быть представлена в виде: + Ф, —^Ям., +Ф|,

' >8.-1 к"»!,! ■• (,4>

Я, +ФК —Ь_>Я0

где Я, - субстраты, вступающие в реакцию растепления на ¡-й стадии.

Фь -соответствующие ферменты, катализирующие реакцию, (¡+к=М), N - число стадий, Бл-исходное соединение, 80 - конечный продукт, к - константы скорости реакций. Предполагается, что ферменты подвержены распаду по экспоненциальному закону

Фк = Фкоехр(-1/т), (к = 1,2.....Ы) (15)

Система кинетических уравнений, соответствующая схеме (14) записывается следующим образом:

= -к|Ф18ц,

......................... *

£18,/<к = км.,ФК.,8,+1 - км+нФк+ыБ, (16)

а80/<11 = ккФмв,.

Решение (16) несложно получить при выполнении условий к„Ф,о«к1+1Ф1+1_о , то есть условий, при которых справедлив квазистационарный подход. С учетом (15) получаем: 8м/Ь0=ехр[-а(1-е",Л)],

80/Ь0=1- ехр[-а(1-е"'/г)], (17)

где Ь0 - количество исходного субстрата Бм и а=к1ФтТ. Предельное количество конечного продукта процесса гидролиза определяется выражением 80(оо)/Ь0 = 1 - ехр(-а)

Приняв для уровня распада исходного субстрата значение е"1, при выполнении условия а > 1 из (17) получим оценку характерного времени процесса

Ь = т1п[а/(а-1)] (18) ,

Анализ полученного уравнения позволяет сделать следующие выводы:

1. Показано, что многостадийный процесс внеклеточного расщепления сложных органических соединений протекает без участия кислорода.

Но изучение его влияния представляется важным, поскольку соответствующий анализ дает информацию о конечном продукте-мономере, проникающем в бактериальную клетку и являющимся исходным субстратом для биохимических превращений внутри клетки. Одним из таких процессов является синтез белка.

2. Обосновано, что в зависимости от концентрации растворенного кислорода в водной среде преобладает тот или иной симбиоз бактерий, осуществляющий биохимические процессы расщепления органических веществ.

Для доказательства правильности сделанных выводов были проведены исследования по изучению динамики изменения количественного и видового соотношения в симбиозе активного ила в зависимости от концентрации растворенного кислорода в аэрационных сооружениях (таблица 1). Использование химических маркеров позволило провести полный учет и контроль штаммов.

Таблица 1

Изменение видового и количественного состава биоценоза в зависимости от

концентрации растворенного кислорода в аэрационных сооружениях

Вещество M HKpoopraH H3Mw Концентрация жирных кислот, % от суммы

4,2 мг 02 /л (пилотная установка) 3,1мг 02/л (Курьяновская станция) Открытый водоем

1 2 3 4 5

hl0;0 Pseudomonas, Leptothrix 0,03 0,02 1,3

i 13 ;0 Bacillus, Butyrivibrio 0,05 0,1 0,19

а13;0 Bacillus ccreus 0,04 0,04 0

13;0 Bacillus subtilis 0,04 0,05 0,21

il4:0 Actinomyces, Spirochaeta 0,2 0,31 1,06

hi 13 P.multophyla + Px 0,02 0,07 0,47

■ 14:Id9 Acetobacterium, Sphaerotylus 0,13 0,1 0

i 17a Acetobacterium 0,15 0,5 0

aj,7a Butirivibrio 0,8 0,78 0,1

3hal5 Bacteroides 0,05 0,2 1,86

"al7a Staphylococcus 0,08 0,25 0

18;ldl 1 Nitrobacter h ap 2,1 6,8 2,8

1 Oh J 8 Pseudomonas metabolite 0,8 0,4 0

2hl 6 Sphingobacteria 1,0 1J 0

3hl8 Psedomonas diazotrophicus 0,16 0,8 0,7

' 20;0 Bacillus, Fingi 1,0 0,9 0

18;2 Fingi 2,3 2,0 1,0

Полученная информация дала возможность определить целесообразность проведения процессов окисления и восстановления различных классов соединений данным симбиозом.

В данной работе впервые сделана попытка обобщения изменений видового состава симбиоза активного ила с изменениями коллоидно-химических показателей иловой смеси (рис.1) и образующимися новыми классами растворенных органических соединений в очищенных сточных водах.

о

"80 0,5 1,0 --2^0--2,5

Рис 1 Кинетика изменения величины электрокииетич*ского потенциала иловой смеси

Проведенные исследования показали, что изменения химического состава в адсорбционном слое частиц активного ила четко фиксируются изменением величины электрокинетического потенциала иловой смеси системы. Комбинация этих методов позволила получить новую информацию о химических составляющих микробной клетки и продуктах метаболизма (таблица 2).

Таким образом, за время гравитационного уплотнения во вторичном отстойнике в водной фазе частиц активного ила происходит накопление высокомолекулярных кислот и спиртов, которые в анаэробных условиях используются анаэробами в качестве органического субстрата.

Для количественного определения продуктов метаболизма, появившихся в очищенной воде после гравитационного отстаивания, и их биоразлагаемости в открытых водоемах требовался метод, позволяющий получать значения концентраций по величине БПК в день отбора проб.

Таблица 2

< ( >1 . ' с

Динамика изменения концентраций продуктов метаболизма в адсорбционном слое

частиц активного ила при гравитационном отстаивании

Концентрация органических веществ, мкг/мл

Вещество Исходная вола 45 мин 80 мин 130 мик . 1 i 170 мйн

Олеиновая кислота 274 39 15 67 19

Стеариновая кислота 478 86 25 64 42

Пальмитиновая кислота 561 159 39 127 70 '

Оксиран 189 0 0 0 .0

Пальмитолеиновая 126 22 5 24 7

кислота

Миристиновая кислота 66 22 14 11 9

Сквален 64 34 16 23 4

Диоктилфталат 108 38 12 71 8

Фосфат С18Р3907Р 28 18 6 15 0

Дибутилфталат 242 76 39 149 23

Пальмитиновый спирт 18 6 0 4.6 0

Маноилоксид 93 106 17 14 3

Моноглицерид С16 17 7 5 11 6

Пентадековая кислота 0 11 0 0 0

Эйкозановая кислота 0 0 0 7 0

Стандартный метод определения концентрации органических веществ по БПКпшш дает результат только через 20 суток. Для случая аварийных ситуаций на промышленных предприятиях, способных привести к экологическим катастрофам, и требующих принятие радикальных мер в короткий промежуток времени, такая методика неприемлема.

Основываясь на разработанной модели внеклеточного расщепления органических веществ, был математически обоснован новый метод определения концентрации растворенных органических веществ в день отбора пробы.

Сущность разработанного метода заключается в использовании высокой концентрации биомассы, способной расщепить за короткий промежуток времени от 30 минут до 2 часов практически все растворенные и коллоидные органические вещества, подвергающиеся биохимическому окислению в открытых водоемах.

Математическое обоснование разработанного метода определения концентрации органических веществ

Для теоретического описания процесса потребления кислорода при измерении концентрации органических веществ воспользуемся теорией реакторов периодического действия при условии отсутствия поступления кислорода извне. Математическая модель.

Методика основана на экспериментальных закономерностях:

(1) Удельная скорость потребления кислорода при постоянной температуре пропорциональна концентрации органических веществ в воде;

(2) Изменение концентрации кислорода, обусловленное питанием бактерий, пропорционально (с обратным знаком) изменению их концентрации;

(3) Скорость эндогенного дыхания не зависит от степени загрязнения воды при малых значениях БГ1К.

Запишем перечисленные закономерности в виде уравнений. Математическая формулировка приведенных закономерностей имеет следующий вид:

dAn„ / d t = k* • L • A; a dnn / d t = - dA / d t ; d пэнд/d t = r • A , (19) L(t) - концентрация органических загрязнений данного типа в момент времени t, выраженная в единицах БПК, мг/л;

A(t) - концентрация микроорганизмов в момент времени t, мг/л; n(t) - концентрация кислорода в момент времени t, мг/л;

An = n(0) - n(t) - суммарное количество кислорода, потребленного за время t, мг/л; Апэнд (t) - доля кислорода, потребленного в процессе эндогенного дыхания к моменту времени t, мг/л;

Ann(t) - доля кислорода, потребленною на питание микроор|анизмов (включая ферментативное окисление), м)/л;

к* - коэффициент пропорциональности в нервом законе (1), л/мг*ч; a - коэффициент пропорциональности во втором законе (2); г - скорость эндогенного дыхания, мг/г*час. Начальные условия:

По =п(0), Ь0=ЦО)нЫ1Кмош,, Ао-А(О); (20)

Написанные уравнения определяют полностью процессы в реакторах периодического действия без дополнительных поступлений кислорода извне, то есть те процессы, которые имеют место при измерении БПК. Суммарное количество кислорода, потребленного за время t, составляет Дп = Дпэнд+Дпп (21)

Из определения БПК следует

L0- L = п0„ - по = Апп (22)

Решая систему уравнений (19) с учетом начальных условий (20) и соотношения (22), получим: An,, = L0 (ekt - 1)/ (ekl + a L0 / А0) lt (23)

An э„д = г [А01 + а F(t)], (24)

где F(t) = t+ [(1+а L0 / А0 )/(а L0 k / А0)]1п[(1+а L0 ekt / А0)/(1+а IV A0)], k= k*( Aq + a L0)

В соответствии с (21) суммарное потребление кислорода за время t определяется выражением An„= L0(ekt - 1)/( ekt + a L0/ А0) + г [А01 + ос L0 F(t)] (25)

В случае, наиболее адекватном экспресс-методу a L0/ А0«1, здесь учтено, что в типичных случаях as0,3-0,6, имеем An(t)= L0(l- ekt)+ rAo t (26)

Разработанная математическая модель позволяет конкретизировать достаточно простой и надежный метод определения БПК110ПН = L0

Специфика экспресс-метода. Оценки.

В Г'ОСТированной, методике при больших разбавлениях начальная концентрация активного ила в основной и контрольной колбах практически одинакова. За время инкубации в основной колбе (присутствует БПК) концентрация микроорганизмов возрастает согласно второму закону. В контрольной колбе (отсутствует БПК) концентрация микроорганизмов остается практически на прежнем уровне. За время их инкубации потребление кислорода в результате эндогенного дыхания в основной колбе будет превышать аналогичную величину в контрольной. Поэтому значение БПК при его определении будет завышено в контрольной колбе, так как в первый член числителя уравнения (25) войдет избыточное потребление кислорода вновь образовавшихся микроорганизмов.

Ошибку в определении БПК можно найти по формуле: ДБПКполн ={ [ (Ь0 е1" - 1)/ (ек1 + а Ц / А0)+ г а Ь0 Р(1)]- Ь0} ш , (27)

ш - степень разбавления. Относительную ошибку (в %) - по формуле:

5 БПКполн =( ДБПКполн / ш Ьо)100% (28)

Проведенная оценка показала, что измеренное БПК20 может отличаться от БПКполн до 100%, причем для легкоокисляемых субстратов будет иметь место завышение показания, а для трудноокисляемых - занижение показателя.

В третьей главе исследовано влияние электромагнитных активаторов на окислительную способность биоценоза и величину илового индекса.

Вместо традиционного подщелачивания сточной воды гашеной известью была исследована новая технология, в основе которой лежит реакция бактерий на воздействие слабых электрических и электромагнитных полей. В диссертации приводятся результаты промышленных исследований по влиянию слабых электромагнитных полей на седиментационные свойства активного ила. Проведенные исследования показали, что эту технологию можно использовать и на станциях, где вспухание активного ила вызвано превышением нагрузки по органическим веществам. Исследования проводились на Кондопожском ЦБК, где нагрузка на ил по органическим веществам превышает проектные показатели на 40%. Это приводило к увеличению значения величины илового индекса до 800 см3/г (рис.2). При этом концентрация взвешенных веществ в очищенной воде составляла 250-270 мг/л. В результате электромагнитной обработки иловой смеси удалось снизить величину илового индекса до 400-450 см3/г, что привело к снижению взвешенных веществ в осветленной воде до 40-70 мг/л.

Проведенные исследования показали, что слабые электромагнитные поля понижают степень гидратации иловой смеси, создавая условия для образования плотных ассоциатов. Для сравнения эффективности снижения величины илового индекса в параллельно работающих аэротенках были смонтированы электрические активаторы. Снижение величины илового индекса в сооружениях с электрическим

активатором составило 30-35 %, с электромагнитным активатором - 40-45 %, за счет изменения пространственной конформании.

Рис. 2. Изменения величины илового индекса активного ила, прошедшего через электромагнитный активатор

Микроскопирование иловой смеси показало, что объемное хаотическое переплетение нитчатых бактерий, свойственное частицам активного ила контрольной системы, приобретает упорядоченность в виде параллельности цепочек для аэротенков с электромагнитной активацией, и веерообразною расположения нитчатых бактерий с концевой фиксацией в аэротенках с электрической активацией.

Проведенные исследования показали, что для получения максимального эффекта снижения величины илового индекса, на электрома1 нитную обработку необходимо подавать иловую смесь с концентрацией 1,7-2,3 г/л, что соизмеримо с концентрацией биомассы в аэрационных сооружениях. Поэтому на основании проведенных исследований в разработанных промышленных установках "БиОКС" электромагнитные активаторы устанавливаются не на линии возвратного ила, а до вторичных отстойников.

Па снижение величины илового индекса по данной технологии оказывает влияние и концентрация растворенною кислорода в атротепке. Было установлено.

что при использовании технологии электромагнитной активации иловой смеси, концентрацию растворенного кислорода в аэротенке необходимо поддерживать не менее 2,6 мг/л и не более 4,2 мг/л.

Промышленное апробирование технологии воздействия электромагнитной активации на окислительную способность биоценоза проводилось на производстве древесностружечных плит, сточные воды которого содержат высокие концентрации формальдегида. В период залповых сбросов концентрация формальдегида достигает 200 мг/л. Эксплуатация очистных сооружений показала, что максимальная концентрация формальдегида в поступающих сточных водах, не приводящая к снижению окислительной мощности аэрационных сооружений, составляет 20-24 мг/л. Поэтому сточные воды перед поступлением в аэротенки разбавляются водопроводной водой. В целях экономии водопроводной воды были смонтированы электромагнитные активаторы перед вторичными отстойниками. Использование электромагнитной активации биоценоза позволило увеличить концентрацию формальдегида в поступающих сточных водах с 20 до 110 мг/л при отсутствии ингибирования, сохранении значения величины илового индекса и требуемой степени очистки (рис.3).

1- контрольная система, Концентрация формальдегида, мг/л

2- система с электромагнитным активатором

Рис.3. Влияние концентрации формальдегида на удельную скорость окисления

Очистка и обеззараживание сточных вол представляют собой единый комплекс. Разработанный новый метод обеззараживания воды относится к безреагентным методам и основан на использовании перпендикулярного потоку воды постоянного магнитного поля определенной напряженности. Эксплуатация полиэтиленовых труб высокого давления на промышленных установках показала, что эффективность обеззараживания воды не зависит от прозрачности и цветности воды, концентрации взвешенных и коллоидных примесей. Эффект обеззараживания зависит от:

• скорости потока, расстояния между магнитами, соотношения диаметра трубы и размеров постоянных магнитов.

В зависимости от скорости потока наблюдаются либо эффекты обеззараживания, либо активации ферментативной системы бактерий (рис.4).

Рис. 4. Влияние скорости потока на изменение энзимной активности

Расчеты показали, что оптимальное время пребывания бактерий в магнитном поле для получения эффекта обеззараживания составляет 0,67 сек. Увеличение времени пребывания бактерий в магнитном поле приводит не только к обеззараживанию, но разрыву мембраны клеток, что фиксируется химическими анализами воды в приемных резервуарах.

Механизм процесса обеззараживания воды в перпендикулярном магнитном поле

Все штаммы микроорганизмов примерно на 80% состоят из воды, содержащей высокие концентрации солей. При прохождении микроорганизмов с потоком воды через магнитное поле на внутрикле точные ионы будут действовать силы Лоренца: где q.зapяд иона, V -скорость движения иона

относительно магнитного поля с магнитной индукцией в. Если у отлична от скорости потока о (предполагаем, что клетка движется со скоростью б), то на ион будет действовать сила трения: 'тр движение иона в клетке

направлено вдоль оси х и описывается уравнением: тх = -кх+д11В Решенис этого

уравнения имеет вид: _

+1 -

Скорость движения иона внутри

клетки: х(Ц-чУВ к

то есть максимальная скорость достигается

практически мгновенно (1~10',2с).

Таким образом, ионы разных знаков внутри клетки будут двигаться навстречу друг другу вдоль оси х, то есть потечет ток. На границе клетки (цитоплазматической мембране) произойдет разделение зарядов. При этом напряженность электрического поля Е можно определить из условия: сила электростатического притяжения между зарядами равна силе Лоренца.

Для тою, чтобы сформировалось электрическое поле с напряженностью Е (Ем) требуется некоторое минимальное время тгош. Это связано с наличием броуновского движения внутри клетки. В первом приближении примем, что ттш-время, за которое ионы разойдутся на расстояние порядка толщины мембраны. В этом случае т„,т ~ с/л/И, где (1и - толщина мембраны. Так обстоит дело, если клетка не вращается. Реально в воде клетки вращаются за счет броуновского движения и гидродинамики (турбулентного движения). Среднеквадратичное угловое смещение

шара за счет броуновского вращения за время I: л<р - --

V

кТ

---I

1щг

Таким образом, за 1 с среднеквадратичный угол поворота клетки составит 104°. Это приведет к рассасыванию заряда на мембране вследствие изменения ориентации клетки. При этом магнитное поле должно произвести свое воздействие за время т 5 0,19 с .Следует отметить, что реально клетки, аппроксимируемые шарами, будут иметь реальные углы поворота как больше, так и меньше среднеквадратичного поворота.

Таким образом, при движении клетки в магнитном поле внутри клетки течет ток, а на границе ее формируются заряды, создающие в мембране электростатическое поле с напряженностью Ем. В результате этого фиксируются следующие эффекты:

• изменение проницаемости мембраны;

• изменение внутриклеточного метаболизма;

• перезарядка ионов, особенно металлов с переменной валентностью.

Это приводит к возникновению внутриклеточных окислительно-восстановительных реакций.

Для проверки правильности понимания механизма обеззараживания были проведены исследования, позволившие обнаружить ряд эффектов, которые были использованы при разработке конструкции модуля магнитного обеззараживания.

Проведенные исследования показали, что выжившие бактерии в начальные моменты испытывают угнетение (рис.5). Скорость эндогенного дыхания резко падает, что приводит к включению внутриклеточных биохимических механизмов, стремящихся сохранить жизнеспособность клетки. Затем начинает возрастать как скорость эндогенного дыхания, так и активность ферментативной системы. Причем между этими величинами наблюдается корреляция. Исследования показали, что при восстановлении жизнеспособности клеток скорость эндогенного дыхания претерпевает не только плавное изменение, но и апериодические колебания. Период колебаний изменяется примерно от 1 до 3 мин. Это объясняется тем, что в симбиозе присутствуют штаммы разного возраста, имеющие соответственно и разный период генерации. Обнаруженные эффекты доказали, что магнитные поля длительное время оказывают значительное влияние на жизнедеятельность клетки и вну гриклеточные биохимические процессы. Поэтому в промышленных установках

предусматривается многократное прохождение воды через модуль магнитного обеззараживания, что позволяет повышать эффективность процесса и достигать необходимую степень обеззараживания.

13,5

£

1 *

д:

20

Время, мин

Рис. 5. Кинетика изменения скорости эндогенного дыхания и дегидрогеназной активности ила под действием электромагнитного поля Проведенные исследования показали, что питьевая вода, прошедшая обеззараживание в перпендикулярном магнитном поле при Е®0,2 Тл, практически в течение одного месяца сохраняет свойства, тормозящие жизнеспособность микроорганизмов. Причем, те штаммы микроорганизмов, которые сохранили жизнеспособность, продолжают испытывать угнетение ферментативной системы.

При малых значениях В, наблюдавшаяся активация ферментативной системы клетки, позволила предположить широкие возможности практического использования данного эффекта. Прежде всего, в возможности ускорения второй стадии деструкции сложных органических соединений, что приведет к интенсификации' всего комплекса очистки. Сохранение измененных физических свойств воды иа несколько часов позволяет воздействовать на коллоидно-Химические свойства' поверхности иловой смеси, а, следовательно, и на окислительную способность биоценоза.

Результаты исследований показали, что слабые электромагнитные ноля позволяют интенсифицировать процесс биохимического окисления органических

веществ до 30%, что приводит к сокращению объемов очистных сооружений, либо создает возможность увеличения нагрузки на активный ил при сохранении качества очищенной воды. Электромагнитная обработка иловой смеси позволяет выдерживать биоценозу аоротенков залповые сбросы, содержащие высокие концентрации органических веществ. Адаптация биоценоза происходит в 1,5 раза быстрее, ив 1,3 раза ускоряется восстановление химических показателей очищенной воды.

Для получения стабильной работы вторичных отстойников на пусковых объектах в период наращивания биомассы необходимо 52-55 дней. Использование электромагнитной обработки иловой смеси позволяет сократить этот период до 4248 дней. Удельный прирост биомассы стабилизируется к 27-30 суткам в системах с электромагнитной обработкой, в то время как в контрольной системе стабилизация наступает на 36 сутки.

В нитрификаторах использование электромагнитной активации биоценоза позволяет достичь удаления аммонийного азота на 95-98%, что выше по сравнению с контрольной системой, имеющей эффективность 85-92 %. Это связано с тем, что электромагнитная активация позволяет регулировать электрокинетические характеристики ила и получать оптимальные свойства, при которых достигается максимальное удаление соединений азота. Исследования показали, что при величине ¡;=(-8)-(-9,5)мВ достигается максимальное удаление всех форм азота. При этом активность внеклеточных ферментов увеличивает в 1,6 раза.

Проведенные исследования показали, что в технологических схемах «карусельного типа» использование электромагнитной обработки иловой смеси позволяет ускорять не только процессы удаления соединений азота, но и увеличивать биоаккумулировапие фосфора.

В четвертой главе рассматривается новая технология биоудаления соединений фосфора на сооружениях биологической очистки. Разработанная технология предусматривает концентрирование малых количеств фосфаюв ил больших объемов воды. Использование активного ила в качестве аккумулятора и адсорбента фосфот-ионов одновременно является перспективным направлением в

решении проблемы удаления полифосфатов. В основе технологии используются природные закономерности конкурирующей адсорбции ионов с близкими энергетическими характеристиками.

Исследования показали, что основными параметрами оказывающими влияние на процесс биодефосфатации являются :

• отношение ХПК / БПК,

• конкурирующая адсорбция фосфат - и нитрат - ионов, <

• концентрация растворенного кислорода в сооружении,

• концентрация биомассы в сооружении,

• значение величины электрокинетического потенциала поверхности частиц активного ила.

Изучение процесса физико-химической адсорбции фосфатов поверхностью частиц активного ила показало, что эффект изъятия зависит от присутствия в воде нитрат-ионов. Полученная зависимость кинетики сорбции-десорбции фосфатов позволяет сделать вывод о том, что между этими ионами существует динамика конкурирующей адсорбции. Концентрация нитратов в воде - 1,2 мг/л снижает эффект адсорбции фосфора в среднем на 50%. Минимальное количество адсорбированных фосфатов 0,32-0,4 мг/г ила извлекается из сточных вод при концентрации нитрат - ионов от 4,4 мг/л до 8,2 мг/л.

В аноксичных условиях удаление нитрат-ионов позволяет освободить активные центры внеклеточных энзимов биоценоза, способствуя тем самым интенсивной адсорбции полифосфатов из сточных вод и удержанию их ^ определенный промежуток времени. Конкурирующая адсорбция Р043 - N03" на заряженной поверхности мембраны клеток заставляет вводить ограничения в работу дефосфататоров: время контакта биомассы со сточной водой не должно превышать 25-30 минут. Через 25-30 мин., обогащенную фосфором биомассу удаляют из общего потока очищаемых сточных вод. В течение 10-15 минут наблюдается термодинамическое равновесие, затем начинаются интенсивные процессы десорбции фосфатов. Концентрирование полифосфатов в малых объемах

воды, с последующей обработкой этих объемов известью, позволяет получать

плотный осадок Саз(Р04)2, который направляется в первичный отстойник.

Для активного ила аэротенков, работающих на полную биологическую

очистку, значения электрокинетического потенциала находятся в интервале

(-4,5)<£<(-8) мВ. Этим значениям потенциала соответствует количество фосфора,

расходуемого клеткой на внутриклеточный синтез, равное (0,6-0,92) мг/л.

Электромагнитная обработка иловой смеси, вызывая активацию ферментативной

системы, способствует увеличению количества потребляемого фосфора на

внутриклеточный синтез. При отрицательных значениях величины

электрокинетического потенциала поверхности частиц активного ила

физико-химическая адсорбция практически отсутствует, происходит только

внутриклеточное потребление. Аккумулирование фосфора в дефосфататоре

происходит при потенциале биомассы -0,9 < С, < +0,7 мВ. Изъятие фосфора из воды

за счет физико-химической адсорбции происходит при потенциале поверхности

частиц активного ила С, > +0,7мВ, достигая максимального значения при ¿¡е[+2,7;

+5,0] мВ. Для получения максимального эффекта дефосфатации необходимо

поддерживать концентрацию растворенного кислорода в сооружении не более 0,7

мг/л и концентрацию биомассы не менее 3,7 г/л. Изъятие, равное С = 4,0 мг/л Р043~

достигается при концентрации кислорода, близкой к нулевой, что практически

невозможно получить при постоянном поступлении новых объемов сточных вод,

содержащих растворенный кислород. Обработка экспериментальных данных

позволила получить эмпирическую формулу для расчета количества

концентрируемого фосфора в дефосфататоре, которая выполняется с точностью 6%

в области концентраций (0,2...20 мг/л):

а, * Схпк * к * ( 3,59 - Со)

ДР = - , где

1п Ъет * ехр ( 7,06 + 1,33 * С ц.ц0(з))

• Схпк ~ ХПК поступающей сточной воды, мгл;

• Ьсп - БПКполн поступающей сточной воды, мг/л;

• а, - концентрация ила в системе;

• С0 — концентрация растворенного кислорода, мг/л; а, - доза ила, г/л;

• С N-N0(3) - концентрация нитратов по (К), мг/л;

• к - константа, характеризующая соотношение различных классов органических

I, ,

загрязнений, растворенных в воде, а также наличие веществ, способных к окислительно - восстановительным реакциям.

Экспериментально установлено, что для сточных вод Люберецкой станции аэрации к = 1,2827, для Курьяновской - к = 1,0857.

Использование электромагнитной активации биоценоза позволило значительно увеличить эффективность концентрирования соединений фосфора (рис.6).

ч

фосфора

Существование замкнутого цикла по концентрациям биогенных элементов на всех станциях аэрации, не позволяет достигать норм ПДК рыбохозяйственных водоемов даже при использовании новых технологий анаэробно-аноксично-аэробной очистки (ААО).

Это связано с тем, что штаммы, способные к накоплению избыточных концентраций фосфора, за счет замкнутого биогенного цикла, существующего на станции, поступают в аэробные зоны технологических схем, уже имея увеличенные количества фосфора в клетках. Чтобы уменьшить значения

концентраций биогенных элементов в очищенных водах, требуется, как можно больше уменьшить эти показатели в возвратных водах. В работе показано, что применение коагулянтов (солей железа и алюминия) перед аэротенками приводит к снижению величины удельной скорости окисления органических веществ в аэрационных сооружениях до 35-40%.

Сравнение результатов по снижению концентрации биогенных элементов методами химической коагуляции (солями железа и алюминия) и электромагнитной активацией циркулирующей иловой смеси показало, что оптимальные значения силы тока в модуле активатора конкретного сооружения позволяют получать сравнимый эффект очистки с максимальными дозами коагулянта.

В пятой главе рассматривается влияние тяжелых металлов на процессы биохимического окисления органических веществ. Исследования по изучению влияния соединений железа на эндогенное дыхание микроорганизмов показали, что увеличение концентрации железа в воде до 0,4 мг/л благоприятно влияет на значительное число штаммов микроорганизмов, вызывая возрастание скорости эндогенного дыхания (рис.7).

о ] 2 3

Концентрация Ре", мг/л Рис. 7. Типичная зависимость влияния соединений железа на эндогенное дыхание биоценоза

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ [ >ИБЛИОТЕМ С.Петербург

Концентрациям соединений железа более 0,5 мг/л соответствует начало процесса ингибирования эндогенного дыхания для большинства штаммов микроорганизмов, присутствующих в водной среде. Концентрация ионов железа 1,7 мг/л практически является той критической величиной, которая приводит к началу массовой гибели всего биоценоза водной среды. При концентрации ионов железа 4,7 мг/л приборы регистрируют отсутствие потребления кислорода.

В отличИе* от ионов железа, соединения марганца являются токсичными практически при концентрациях более 0,05 мг/л (рис.8). Причем, ионы марганца оказывают отрицательное влияние на эндогенное дыхание одновременно всех штаммов микроорганизмов.

о. о х О

VA - - - „

... "х

\

0,5

1,0

2,5

1,5 2,0

Концентрация Мп2+, мг/л Рис. 8. Типичная зависимость влияния соединений марганца на эндогенное дыхание биоценоза

Для уменьшения влияиия соединений железа и марганца на активный ил аэротенков на трубопровод возвратного ила был смонтирован модуль электромагнитной активации, позволивший увеличить скорость эндогенного дыхания в 2,0-3,2 раза (рис.9). Слабые электромагнитные воздействия на активный ил аэротенков позволили увеличить активность ферментативной системы микроорганизмов до 40%.

Проведенные исследования показали, что аэробный ил аэротенков адсорбирует на своей поверхности и удерживает внутри клетки до 0,31 мг Мп2+/ cyr.*i а; анаэробный ил - 0,014 мг Mir4/сут.*г„ ,а. Аэробный ил удерживает в

клетке соединения Мп1+ в течение восьми суток, после чего клетки гибнут и соединения марганца фиксируются в очищенной воде.

13г

0,4 0,5 0,6

Концентрация, мг/л

Рис.9. Влияние электромагнитной активации на симбиоз аэротенков

Отдельные классы органических соединений оказывают токсичное влияние на биоценоз аэрационных сооружений, надолго замедляя процессы биохимической деструкции. Это приводит к значительному увеличению площадей, отводимых под очистные сооружения. В целях уменьшения территорий и ускорения процессов очистки была исследована технология, в которой поступающие сточные воды подвергались электрохимическому окислению. Это позволяло токсичные органические соединения окислять до классов, относящихся к "биохимически окисляемым". При проведении исследований на пилотной электролизной установке с нерастворимыми угольными было установлено, что по мере уменьшения концентрации токсичных органических веществ в воде наблюдается накопление пероксида водорода. Промышленная эксплуатация электролизеров с нерастворимыми угольными электродами на сточных водах, содержащих трудноокисляемые и токсичные органические вещества, позволила накопить экспериментальный материал для проведения математической обработки и

получения эмпирической формулы расчета изменении БПК5 при оптимальных условиях эксплуатации:

1п(Ц„)= А*ехр[ {- к02)/т}/1] + уо, где

• Ьеп - БПК5 ,мг/л;

• т -- время пребывания воды в межэлектродном пространстве;

• ] - плотность тока в электролизере; к - сопротивление электродов;

• А = 4,98 +0 ; 1= 19,61+0,793; у0 = 1,125 ± 0,0487.

На основании проведенных исследований были разработаны узловые методологические подходы к решению экологических вариантов очистки токсичных сточных вод. Базовая технологическая схема очистки сточных вод, содержащих токсичные органические соединения и тяжелые металлы (соединения железа и марганца), представлена на рис.10. Для получения величины БПК5 на уровне ПДК рыбохозяйственных водоемов необходимо при электрохимическом окислении токсичных соединений поддерживать в электролизере с нерастворимыми угольными электродами к()2)/т > 100. В случае присутствия в поступающих сточных водах тяжелых металлов ? ?2,0 мг/л необходимо после усреднителя устанавливать биокоагулятор, рассчитанный на 30-ти минутный контакт сточных вод с иловой смесью.

Оценка эффективности снижения концентрации токсичных органических веществ в сооружениях проводилась по выживаемости тест-объекта 81у1опусЫа туШиь. Токсичное воздействие сточной воды на инфузории фиксировалось в течение одного часа после отбора пробы. Это позволяло быстро менять режим эксплуатации электролизеров и перемещать модуль электромагнитной активации. Для случая накопления в очищаемых водах токсичных веществ в технологических схемах, включающих комплекс механической очистки, использование электрохимической доочистки с электромагнитной активацией позволяет получать очищенную воды нетоксичную для планктона открытых водоемов. Исследования показали, что накопления в воде свободного пероксида водорода не происходи г до тех пор, пока присутствуют органические вещества (таблица 3).

Таблица 3 - Результаты биохимических и токсикологических исследований при различных комбинациях технологических схем доочистки и обеззараживания сточных вод птицефабрик

Технологические схемы доочистки и обеззараживания сточных вод

Наименование Единицы измерений пе| свая ' вто рая третья четвертая

показателей ПМО М | ПМО I э (¡=56 А/*) ПМО Э (¡=56 А/М2) Э4Л {¡=56 А/м2) ГйЮ М э 0=56 А/м2) Э«М 0=56 А/*)

Эффективность доочистки поХПК мг/л % 480,0 371,52 186,0 22,6% [ 27,0 85,5% 320 16,0 95% 14,4 144 73 49,3% 32 56% 15,4 51%

рН 6,5 6,55 | 6,45 6,2 6,4 6,15 6,1 7,15 7,1 7,1 7,3

мг/л 3,75 2,5 I 12,5 10,0 24,5 25,0 24,0 15,0 13,5 11,5 10,6

№ мг/л 0 0,026 | 0.01 0,012 0,009 0,009 0,01 0,014 003 0,017 0,016

N410:, мг/л 1,0 1,73 | 0,9 1,0 0,81 0,72 0,76 1,0 1,49 0,9 0,45

Р-РО4 иг/л 1,2 1,08 | 3,4 3,1 5,3 5,1 5,1 1,2 1,1 1,1 1.4

Взвешенные вещества мг/л 100,0 87,2 I 215,0 I 150,0 30,2% 395,0 300,0 24% 295,0 108,0 100,0 92,1 83,0

Сухой остаток чг1п 380,0 ! 410,0 - 635,0 - - 320,0 - -

БГКП КОЁЛООмл 4000 200 95% 1000 200 80% 1100 200 82% 100 1000 500 400 0

ОМЧ КОЕ/1мп 21 12 / | 12 42,9% | 2 83% 14 3 79% 3 53 21 60% 5 0

Естественная концентрация инфузорий в сгонной воде шт./МП 414 2651 | 0 36,0% I 0 0 0 0 44 4 7 2

Выживаемость инфузорий через 1 час. % 30 40 30 50 30 52 80 30 40 55 90

Прирост численности инфузорий 390 600 700 750

НгОг мг/л - - | 400 - | 690 | 510 - - 210 150

Г^имечание Паднет жфузорий гтюизаодилсячерез 48 часов после внесения в лунку по 2 шт. в каждую лунку Пробы не фшыровапсь и содержали иосодые инфузории (более мегме)

Поступающие.

сточные воды

. Осадок на обезвоживание

1- усреднитель с пневматической аэрацией, 2- первичный отстойник, 3- фильтр тонкой очистки, 4- двухсекционный электролизер, 5- денитрификатор, 6-вторичный отстойник, 7-аэротенк-нитрификатор с электромагнитной активацией иловой смеси, 8-вторичный отстойник, 9-блок доочистки с модулем магнитного обеззараживания

Рис.10. Принципиальная технологическая схема очистки сточных вод, содержащих токсичные органические соединения и тяжелые металлы 1

В шестой главе рассматриваются перспективы применения электромагнитных активаторов на очистных сооружениях биологической очистки сточных вод, содержащих высокие концентрации токсичных органических веществ. Представлены результаты применения электромагнитной активации и электрохимического окисления при очистке сточных вод предприятий пищевой

промышленности. Результаты работы установки БиОКС-200 на молочном комбинате "Марс" в Московской области представлены в таблице 4. Результаты эксплуатации очистных сооружений "БиОКС" за 2002 год Таблица 4

Точка отбора Т°,С Взвешен в-ва, мг/л ХПК, мг/л БГ1К5 мг/л мг/л N-N03' мг/л Р-Р04" мг/л

Первое полугодие

Вход 14,1±4,3 1051 38 520+ 42 224+ 19 25,4±2,3 1,8+0,4 8,4+ 0,9

Выход 16,8±3,6 5,4+ 2,1 38± 10 3,6± 2,7 0,6+ 0,3 6,8+ 1,5 0,5+ 0,1

Второе полугодие

Вход 15,2±3,7 110± 23 507+ 38 238± 17 19,7±3,6 2,7± 0,6 9,7± 1,2

Выход 17,2±2,8 4,6+ 1,8 32+ 7,4 3,2± 2,4 0,4+ 0,2 7,6± 0,9 0,4± 0,1

Обобщение методологического, научного и технологического материала диссертации позволило составить банк данных по выбору технологических схем очистки сточных под на основании экологического мониторинга водопотребления и водоотведения промышленного предприятия (таблица 5).

В данной главе особое внимание уделяется использованию осадков с иловых карт в качестве органических сельскохозяйственных удобрений. Подробно рассмотрен вопрос использования осадков с иловых карт в качестве удобрения иод зерновые культуры и травы. В работе представлены результаты химических анализов по аккумулированию и мш рации тяжелых металлов из осадков с иловых карт в грунтовые воды. Контроль осуществлялся по 23 металлам. Исходные концентрации тяжелых металлов в осадках с иловых карг представлены в таблице 6. Опасность загрязнения подземных вод возникает в связи с фильтрацией в подземные водоносные пласты дождевых вод, растворяющих компоненты ила. Вследствие изменения химического состава вод образуются ареалы загрязнений в водоносных пластах, со временем увеличивающиеся в размерах и захватывающие целые участки чистых природных подземных вод (таблица 7).

Проведенный экологический мониторинг по проникновению тяжелых металлов в зерновые культуры и травы (таблицы 8,9) доказал, что необходимо вводи (ь ограничения при использовании 1аких осадков. На основании

Таблица 4

Банк данных технологических схем очистки сточных вод, содержащих токсичные соединения

Исходные данные экологического мониторинга промышленного предприятия Технологическая

Расход Концентрация Концентрация Наличие Присутствие токсичных веществ схема очистки по

сточных вод. органических биогенных тяжелых Токсикологические последовательности

м'/сутки веществ, мг/дм1 элементов, мг/дм1 металлов, мг/дм3 органических неорганических показатели сочетания основных методов

до 1000 до 500 - + - + + 1-5-6

до 1000 до 500 - - + - + 1 -6

до 1000 100-1000 + + - + + 1-5-1-2

до 1000 100-2000 + н + 1-3-5-2

до 10000 100-500 1- + - + + 1-4-2

до 10000 100-500 - - + - + 1-6'

до 10000 500-2000 + + f 1 - 3 (локальная очистка на самом концентрированном потоке) - 4 - 1 - 2

Условные обозначения методов очистки сточных вод: 1 - механическая очистка, 2 - биологическая очистка, 3 - электрохимическая очистка, 3' - двухступенная электрохимическая очистка, 4 - биокоагулятор, 5 - нейтрализация, 6 - сочетание электрохимического окисления и магнитной обработки воды, б1 - двухступенная электрохимическая очистка и магнитная обработка воды на первой ступени

экологического мониторинга трех крупнейших предприятий (Новогорьковского НПЗ, Кондопожского ЦБК, Щекинского химкомбината) было доказано, что проникновение тяжелых металлов в колосья зерновых культур, травы и 1рунтовые воды - минимально для осадков от трех до пяти лет.

Результаты химического анализа осадков с иловых карт Таблица 6

Осадок с иловых карт, годы Определяемый элемент, мг/кг сухого веса

Си Мп Сг , Ре гп

Один 900 240 75 17500 950

Три 850 75 140 17000 1000

Пять 975 500 235 22250 1100

Семь 1125 325 200 17250 900

Десять • 1050 475 230 22250 1100

Результаты химического анализа грунтовых вод Таблица 7

Номер поля Определяемый элемент, мг/л

А1 Са Си Ыа РЬ гп Аэ са МКГ

первое (контр) отсут 82,4 отсут 19,82 отсут 0,4 отсут 0,009 0,1

второе 0,0151 54,9 отсут 13,6 0,036 отсут отсут 0,0073 0,14

третье отсут 69,2 0,0048 17,66 0,0009 0,45 отсут отсут 0,3

четвертое отсут 80,5 отсут 32,74 0,044 0,378 отсут отсут 0,29

Содержание тяжелых металлов в колосьях зерновых культур Таблица 8

Номер поля Определяемый элемент, мг/кг твердой фазы н*' мкг/кг

А1 Са Си Ыа РЬ Ъп Аб Сё

Первое (контр.) 73,47 3581 5,75 1277 35,11 70,4 отсут 1,17 105

Второе 315,3 4325 24,83 1558 21,29 118 59,37 отсут 130

Третье___ Четвертое 194,9 6058 6,03 1428 1,097 37,32 отсут 2,7 128

161,2 8068 6,03 1371 отсут 153,9 58,25 отсут 93

Полученные результаты доказали, что ртуть малоподвижна в почвах, имеющих рН> 7. Соединения ртути подвижнее в почвах легких, бедных гумусом по сравнению с почвами тяжелыми, богатыми органическими веществами.

Содержание тяжелых металлов в травах Таблица 9

Элемент Определяемый элемент, мг/кг твердой фазы

первое поле второе поле третье поле четвертое поле

Алюминий 154,2 55 111,2 111,5

Бор 91,6 86,74 91,16 120,7

Кальций 10550 6800 6060 8047

Кобальт отсутствие 3,43 отсутствие 1,93

Хром+3 223 253 279 289

Медь 6,4 6,4 отсутствие 27,04

Железо 640 223 398 285

Калий 71488 54378 51261 60436

Магний 2499 2112 2200 2564

Молибден 3,405 27,02 22,56 17,45

Марганец 76,2 34,8 28,64 32,21

Натрий 2195 2749 2869 3290

Никель 20,65 25,51 29,77 34,63

Фосфор 4748 4673 4736 5090

Свинец отсутствие отсутствие отсутствие 1,3

Кремний 580 131 410 691

Титан 2,73 23,7 17,01 47,85

Цинк 37,8 28,02 24,6 98,05

Мышьяк отсутствие 63,8 от сутствис 49,8

Кадмий отсутствие 1,2 отсутствие отсутствие

Литий отсутствие отсутствие отсутствие 4,6

Цирконий отсутствие 18,3 отсутствие 21,96

Ниобий 7,6 17,2 1,46 35,56

Бериллий отсутствие 4,055 отсутствие отсутствие

Иттрий 1,613 6,45 0,2 1,9

Рений отсутствие отсутствие отсутствие отсутствие

Висмут Отсутствие 82,74 94 53,1

ВЫВОДЫ

1. Разработаны методологические, научные и технологические основы очистки сточных вод, содержащих токсичные соединения, позволяющие разрабатывать экологически безопасные станции аэрации, способные обеспечивать

1, сохранение планктона открытых водоемов.

'2.' Математически обоснован механизм второй фазы биохимической деструкции сложных органических веществ в сооружениях биологической очистки.

. . Доказана роль растворенного в поде кислорода как фактора, определяющего формирование определенного видового сообщества, и конечного продукта расщепления, являющегося исходным субстраюм для внуфиклсточнмх

биохимических процессов. На основании данной модели математически обоснован новый экспресс-метол определения концентрации растворенных ор! эпических веществ в лень отбора пробы.

Установлены закономерности влияния электромагнитных полей на интенсификацию работы сооружений биологической очистки, позволяющие увеличить окислительную мощность сооружений до 30%, снизить величину илового индекса до 45% и увеличить нагрузку па аэрационные сооружения до 25% при поступлении сточных вод, содержащих токсичные органические вещества и тяжелые металлы.

Разработаны технологические основы методов и устройств, основанных на использовании электромагнитных полей, для очистки и обеззараживания сточных вод, содержащих токсичные вещества.

Разработан новый метод обеззараживания воды, основанный на использовании перпендикулярного потоку постоянного магнитного поля определенной напряженности. На основе фундаментальных законов математически обоснован механизм обеззараживания воды. Установлено, что при определенных значениях напряженности магнитного поля в клетке накапливаются токсичные вещества, иш ибирующие механизм се жизнеобеспечения. На данную технологию обеззараживания получен патент № 2126772 и на документацию промышленного образца защищена "Полезная модель"-№2001115272/20.

Разработана технологическая схема глубокою удаления фосфатов и полифосфатов без применения реа1ентов, предусматривающая концентрирование малых количеств фосфатов из больших объемов воды. Установлены основные параметры, оказывающие влияние на процесс биодефосфа гации.

Впервые выполнен комплекс исследований по влиянию тяжелых металлов (на примере соединений железа и марганца) на ферментативную систему и скорость эндо!СПП01 о дыхания биоценоза. Определены концентрации, при которых наступают: активация, ишибированис и )ибель биоценоза. Изучены процессы накопления 1яжелых металлов биоценозом и определено время

угнетения внутриклеточного защитного механизма, приводящее к гибели клетки.

8. Разработана технология очистки сточных вод, содержащих трудноокисляемые органические вещества в присутствии тяжелых металлов. Изучена возможность электрохимического окисления в электролизерах с нерастворимыми электродами сточных вод, содержащих токсичные органические вещества. Проведенный комплекс токсикологических исследований позволил определить оптимальные параметры в сочетании процессов электрохимического окисления и магнитного обеззараживания. Найдены конструктивные решения многосекционных электролизеров, позволяющих очищать токсичные сточные воды до степени, не влияющей на прирост планктона открытых водоемов.

9. Впервые выполнен полный комплекс исследований по аккумулированию и

миграции тяжелых металлов из осадков с иловых карт, используемых в качестве удобрения на: грунтовые воды, злаковые культуры, травы. Полученные результаты доказали, что нельзя использовать избыточный активный ил в качестве сельскохозяйственных удобрений, если он находился на иловых площадках более 5 лет.

10. На основании полученных результатов разработаны проекты, техническая документация и налажено производство установок "БиОКС" на производительность от 5 до 1500 м3/сутки полной заводской готовности контейнерного типа в ООО "ТЕХНОМОСТ СЕРВИС" для очистки сточных вод от органических веществ и биогенных элементов (патент № 2002134422/15). Основное содержание исследований опубликовано в следующих работах:

1. Никифорова Л.О. Влияние физико-химических свойств поверхности частиц активного ила на эффект очистки. // Сб. науч. тр. "Методы повышения эффективности работы очистных сооружений канализации". - 1989. - С. 27-32

2. Никифорова Л.О. Изменение элсктрокинетического потенциала поверхности активного ила при отстаивании. // Сб. науч. тр. "Совершенствование методов биологической и физико-механической очистки производственных сточных вод".- 1990.-С. 38-42.

3. Никифорова Л.О., Немцев В.Л. Измерение редокс-потенциала в биологически очищенных сточных водах. // Сб. науч. тр. "Методы аналитческого контроля природных и промышленных сточных вод". - 1995.- С. 19-25.

4. Никифорова Л.О. Очистка сточных вод от соединений фосфора и аммонийного азота. // Строительство и архитектура.- 1996.-№ 2,- С. 42-48.

5. Никифорова Л.О., Захватаева Н.В., Осипов Г.А., Шеломков A.C. Влияние работы

вторичных отстойников на свойства возвратного активного ила. //Строительство и архитектура.-1996.- №5. - С. 46-58.

6. Никифорова Л.О. Биохимическое удаление фосфора из сточных вод. //Строительство и архитектура.-1998.- №1. - С. 17-23.

7. Никифорова Л.О. К вопросу о возможности биохимического удаления соединений азота и фосфора в одном сооружении на станциях биологической очистки.// Строительство и архитектура,-1998,- №2. - С. 24-28.

8. Гавриков В.Ф., Никифорова Л.О., Недува А.Ш., Филиппов В.П. /Методика определения растворенных органических веществ в подземных источниках. //Мелиорация и водное хозяйство.-1998.-№2. - С. 17-20.

9. Никифорова Л.О. Изучение окислительно-восстановительных процессов в нитрификагорах. // Строительство и архитектура.-1998.- №2. - С. 28-30.

10. Гавриков В.Ф., Никифорова Л.О., Недува А.111., Белопольский Л.М. Обеззараживание воды в магнитных полях. // Мелиорация и водное хозяйство.-1999.-№4.-22-24.

11. Бирюков A.C., Гавриков В.Ф., Никифорова Л.О., Недува А.Ш., ЩегловВ.А. Окисление ор!анических соединений микроорганизмами в аэробных условиях //ФИАН РФ.- 1999.-препринт №33.- 33с.

12. Бирюков A.C., Гавриков В.Ф., Никифорова Л.О., Щеглов В.А. Внеклеточная переработка органических соединений в водных системах.// ФИАН РФ.- 1999.-препринт №35. - 8с.

13. Бирюков A.C., Гавриков В.Ф., Никифорова Л.О., Щеглов В.А. Ферментативная гидролизация органических соединений.// ФИАН РФ.-1999.- №9. - С. 27-33.

14. Biryukov A.S., Gavrikov V.F., Neduva A.Sh., Nikiforova L.O., and Shcheglov V.A. Ecological aspccts of water. A Quick-Test Method for Determination of Biochemical

Consumption of Oxygen in Aqueous Systems with Organic Contamination // Journal - of Russian Laser Research.-1999,- v.20.- № 5. - P. 478-502.

15. Луксрченко B.H., Никифорова Л.О.Обеззараживание питьевой воды.// Вода и экология.-2000.- №2. - С. 19-26.

16. Белопольский Л.М., Никифорова Л.О. Влияние ионов железа и марганца на процессы биохимической очисгки сточных вод.// Вода и экология. - 2001.- №2. С. 28-32.

17. Рябкин М.В., Чурмасова Л.А., Никифорова Л.О. Интенсификация процесса очистки и обеззараживания промышленных и сельскохозяйственных отходов./Доклад на Третьей Международной научно-технической конференции «Пища. Экология. Человек.».-1999,- М.

18. Щеглов В.А., Гавриков В.Ф., Никифорова Л.О. Об экологических проблемах водных систсм.//Доклад на Международной научно-технической конференции «Физические процессы и экологические технологии».-2001.- Иваново, 4-6 июня

19. Nikiforova L.O., Belopolsky L.M., Pavlova I.A. Use of biocoagulation at sewage treatment from connections of manganese.// Доклад The presentation at the Second International Conference ECOLOGICAL CHEMISTRY to be held on October 11-12.-2002.- in Chisinau Republic of Moldova.

20. Nikiforova L.O., Pavlova I.A. Influence of Biocoenosis age on anaerobic of sewage treatment efficiency // Доклад на "4 th INTERNATIONAL EXHIBITION CONFERENCE ON ENVIRONMENTAL TECHNOLOGY, ATHENS, 30 january -2 february.- 2003 "

21. Гавриков В.Ф., Никифорова Л.О., Щеглов В.А. Математическая модель кинетики процесса биологической очистки водных систем от органических соединений // Химическая технология, ИОНХ РАН.-2003.- № 7. - С. 35-42.

22. Никифорова Л.О. Изучение технологии очистки и обеззараживания сточных вод тицефабрик до требуемых нормативов.// Химическая технология, ИОНХ РАН.-2003,-№ 9. - С. 33-37.

Патенты и полезные модели: ■'23. Патент № 2126772 от 27.02.99. Способ обеззараживания жидкой среды.

" Гавриков В.Ф., Недува А.11).. Никифорова Л.О., Белопольский Л.М., Розенбсрг И.М., Шнейдерман М.М.

24. Патент № 2002134422/15 (0366483) от 20.12.2002. Установка для очистки сточных вод. Белопольский JIM., Белопольский М.С., Никифорова JI.O.

25. Лукерченко В.Н., Киселев В.М., Никифорова Л.О., Шикин Г.Н. Свидетельство на «Полезную модель» № 2001115272/20 (016344) от 04.07. 2000г. «Устройство для обработки жидких сред».

2оо?-А

* 17985

Подписано в печать Формат 30x42 1/8. Бумага типографская № 1. Печать офсетная. Изд. № . Уч.-изд. пЯМ. Печ. п.3,2.. Тираж ШО экз. Заказ З Ь / 125080, Москва, Волоколамское ш., 11 Издательский комплекс МГУПП

Содержание диссертации, доктора биологических наук, Никифорова, Лидия Осиповна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Анализ основных технологических решений в области биохимической очистки и обеззараживания сточных вод как основа для повышения их эффективности

1.1. Обзор исследований по физико-химическим свойствам белковых систем.

1.2. Влияние физических полей на белковые системы.

1.3. Обзор существующих методов удаления из сточных вод соединений неорганического азота.

1.4. Обзор существующих методов удаления из сточных вод неорганических соединений фосфора.

1.5. Критерии обеззараживания воды и их взаимосвязь с возможностями разработок перспективных технологий в этой области.

1.6. Постановка задачи создания математической модели внеклеточного расщепления органических веществ в аэробных условиях с позиций фундаментальных законов.

Выводы к первой главе.

ГЛАВА 2. Теоретические основы биохимического окисления органических веществ в аэробных условиях и методика определения БПКп0Лн. в день отбора пробы

2.1. Внеклеточное расщепление органических веществ в водных системах.

2.1.1. Динамика преобразований симбиоза активного ила в процессе гравитационного отстаивания.

2.2. Исследование и разработка нового метода определения значения величины БПКполн. в день отбора пробы.

2.2.1.Оценка существующего стандартного метода

Определения БПКполн.

Выводы ко второй главе.

ГЛАВА 3. Исследования технологических основ по влиянию электрического и магнитного воздействия на микроорганизмы

3.1. Влияние электромагнитных активаторов на работу системы аэротенк-отстойник».

3.2. Влияние электромагнитной обработки иловой смеси на процесс очистки сточных вод.

3.2.1. Определение оптимальных параметров электрической обработки иловых смесей.

3.2.2. Промышленное апробирование технологии воздействия электрических и магнитных полей на степень очистки сточных вод.

3.3. Новая технология обеззараживания воды перпендикулярным магнитным полем.

3.3.1. Механизм процесса обеззараживания воды в перпендикулярном магнитном поле.

3.3.2. Апробирование эффекта обеззараживания воды магнитным полем на пилотной установке.

3.3.3. Промышленные испытания технологии обеззараживания перпендикулярным магнитным полем.

3.3.4. Промышленные испытания технологии обеззараживания перпендикулярным магнитным полем на станциях питьевого водоснабжения.

Выводы к третьей главе.

ГЛАВА 4. Расчет и моделирование процессов удаления биогенных элементов

4.1. Новая технология биоудаления фосфатов на сооружениях биологической очистки.

4.1.1. Особенности физико-химической очистки возвратных вод от соединений фосфора и аммонийного азота.

4.1.2. Удаление фосфора в системах биологической очистки.

4.1.3. Анализ работы промышленных сооружений, работающих по технологии биоаккумулирования.

4.2. Особенности удаления аммонийного азота в нитрификаторах.

4.2.1. Изучение окислительно-восстановительных процессов в нитрификаторах.

4.2.2. Изучение влияния электрической обработки нитрифицирующей биомассы на химические показатели очищенных сточных вод.

Выводы к четвертой главе.

ГЛАВА 5. Экспериментальная проверка возможности электрохимического окисления сточных вод, содержащих токсичные органические вещества

5.1. Изучение возможности электрохимического окисления сточных вод, содержащих токсичные органические вещества.

5.1.1. Технико-экономическая оценка энергопотребления на электролизных установках с нерастворимыми электродами.

5.1.2. Технико-экономический расчет энергопотребления на установках с нерастворимыми электродами.

5.2. Изучение особенностей работы электролизной установки с нерастворимыми электродами.

5.2.1. Технико-экономические расчеты процесса электрохимической очистки сточных вод, содержащих токсичные вещества, при одновременном проведении процесса обеззараживания.

5.3. Изучение влияния электромагнитных полей на процессы доочистки сточных

5.3.1. Доочистка сточных вод предприятий пищевой промышленности.

5.4. Исследование влияния тяжелых металлов на процессы биохимического окисления органических веществ.

5.4.1. Изучение работы биокоагулятора.

5.4.2. Изучение возможности электрохимического окисления сточных вод, содержащих соединения марганца и трудноокисляемые органические соединения.

5.5. Экспериментальные исследования по влиянию соединений серы на биохимические процессы очистки сточных вод предприятий нефтеоргсинтеза.

5.5.1. Изучение процесса биосорбции соединений серы в технологической схеме биологической очистки.

5.5.2. Исследование возможности электромагнитной активации сульфатредуцирующего биоценоза.

5.6. Оценка токсичности сточных вод, прошедших электромагнитную доочистку.

Выводы к пятой главе.

ГЛАВА 6. Промышленное апробирование технологии воздействия электромагнитных полей на активный ил.

6.1. Перспективы применения электромагнитных активаторов на очистных сооружениях биологической очистки сточных вод, содержащих высокие концентрации формальдегида.

6.2. Перспективы использования избыточного активного ила нефтеперерабатывающих заводов в качестве сельскохозяйственного удобрения.

6.2.1. Исследование химического состава осадков с иловых площадок и внесение их в почву.

6.2.2. Наблюдения за растениями, развивавшихся на почвах, в которые были внесены осадки с иловых карт.|.

6.2.3. Изучение влияния осадка с иловых карт на геохимический состав фунтовых вод.

6.3. Перспективы применения электромагнитной активации и электрохимического окисления при очистке сточных вод предприятий пищевой промышленности.

6.3.1. Варианты технологических схем очистки сточных вод хлебозаводов.

6.4. Выводы к шестой главе.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Интенсификация работы сооружений биологической очистки сточных вод с использованием электромагнитных полей"

В настоящее время на предприятиях различных отраслей промышленности эксплуатационные службы очистных сооружений сталкиваются с проблемой увеличения нагрузки по органическим веществам на активный ил аэротенков.

Главным образом это происходит по причине внедрения в производство новых видов продукции и использование сырья нетрадиционных месторождений. Как правило, новые виды продукции являются более сложными по химической структуре и пространственной конфигурации органических молекул. Оптическая изомерия высокомолекулярных соединений часто замедляет процессы биохимического окисления в аэротенках.

Поэтому значения величин ВПК, ХПК, заложенные в технические задания на проектирование в предыдущие десятилетия, не соответствуют реальным показаниям в стоках, поступающих в настоящее время на очистные сооружения. Увеличение концентраций органических загрязнений приводит к вспуханию активного ила и, как следствие, увеличению ВПК очищенных сточных вод и выносу взвешенных веществ из вторичных отстойников.

В связи с резкими экономическими изменениями в промышленности возникла острая проблема усовершенствования технологии очистки воды, позволяющая сократить трудоемкие процессы приготовления и дозирования реагентов, затраты на эксплуатацию очистных сооружений, увеличить окислительную мощность сооружений в объемах существующих очистных станций, уменьшить себестоимость очищенной воды. Известные способы интенсификации физико-химических процессов, рациональные, технологически обоснованные схемы, разработанные новые конструкции и модернизированные существующие в настоящее время не всегда возможно реализовать по техническим и экономическим причинам.

Основным направлением научных разработок по интенсификации очистки сточных вод на данном этапе являются методы воздействия на водную систему внешних полей, что обусловлено универсальностью и эффективностью методов при малых капитальных вложениях. Благодаря простоте реализации устройств для электрической и магнитной обработок водно-дисперсных систем в производственных условиях, это направление все чаще используется на предприятиях, несмотря на незавершенность технических и особенно научных разработок.

В настоящее время практически небольшое количество предприятий может осуществить строительство новых станций биологической очистки.

На станциях аэрации, построенных в 60-80 годы, как правило уже исчерпаны лимиты по нагрузке в связи с ростом населения и количеством введенных в 70-80 годы новых промышленных объектов, сбрасывающих сточные воды в городской коллектор.

Поэтому возникла необходимостью в увеличении окислительной мощности имеющихся очистных сооружений, где основная нагрузка по очистке стоков от органических загрязнений падает на аэротенки.

В связи с этим исследователи уделяют значительное внимание интенсификации процессов очистки сточных вод, совершенствованию технологических схем, разработке новых эффективных методов, позволяющих повысить качество сбрасываемых в открытые водоемы сточных вод, уменьшить себестоимость очищенной воды, сократить трудоемкие процессы приготовления и дозирования реагентов.

Для решения этих задач все возрастающее значение приобретают физические методы, основанные на воздействии на водную систему внешних полей (магнитных, электрических, ультразвуковых и др.). Это обусловлено малыми капитальными затратами при универсальности и эффективности таких методов.

Используются следующие способы физической активации водных систем

1]:

- магнитная обработка в чистом виде,

- в комбинации с электрическим током, при предварительном возбуждении воды электрическим током или ультразвуком,

- электрокоагуляция,

- электрофлотация.

Наиболее широко для интенсификации процессов очистки воды применяется метод наложения магнитного поля на водно-дисперсные системы для предотвращения накипеобразования [2]. Магнитное поле используется для интенсификации процессов очистки воды от коллоидных и других примесей, улучшения процессов ионного обмена [3, 4].

Благодаря простоте реализации устройств для магнитной обработки воднодисперсных систем, в производственных условиях магнитная водоподготовка все чаще используется на предприятиях: в теплоэнергетике, коммунальном хозяйстве, несмотря на незавершенность научных разработок.

Имеются самые разнообразные данные о действии магнитных полей на структуру и свойства водно-дисперсных систем :

• изменяется плотность, вязкость, поверхностное натяжение, электропроводность, водородный показатель рН и др. Ряд авторов указывают на увеличение вязкости водных растворов до 3-10%. Изменение поверхностного натяжения носит сложный характер и максимальных значений достигает при напряженности 6,6-84 кА/м [5]. Через 5 ч после электромагнитной обработки воды свойства водных систем принимают первоначальные значения.

Магнитные свойства водной системы определяются в первую очередь свойствами дисперсной среды и ее фазово-дисперсным состоянием, а также интерференционными явлениями, связанными с изменением структуры воды вследствие присутствия примесей, и явлениями взаимодействия примесей посредством дисперсной среды [6].

Таким образом, анализ опубликованных работ позволяет сделать вывод, что воздействие физических полей позволяет получать повышение эффекта очистки воды от механических и коллоидных примесей. Однако в литературе практически отсутствуют публикации о влиянии слабых электромагнитных полей на физиологическое состояние микроорганизмов. Симбиоз аэротенков очень сложен, что значительно усложняет процесс и скорость научного поиска. Тем более, что проведение научных исследований над биологическими системами типа активного ила очень трудоемки. Возможно, это является причиной, сдерживающей изучение влияния физических полей на биологические микрообъекты. Сужение сектора поиска влияния каждого физического параметра показало, что возможно значительное увеличение скорости окисления органических веществ, снижение величины илового индекса, в условиях образования разных симбиозов микроорганизмов. Для предприятий решение этих вопросов является весьма актуальной проблемой.

Работы выполнялись

• по прямым договорам с Новогорьковским НПЗ, с АО «Минудобрения» г. Мелеуза Башкортостана, с ЗАО «Этанол» г. Новокуйбышевска, с Мэрией г. Обухово, с ЗАО «Тульский пекарь», с ЗАО «Альтер Вест», с ООО «Технобридж-Сервис», с ООО «Техномост Сервис», с ООО «Биокомпакт» и др.

Цель и задачи работы. Цель исследований состояла в разработке теоретических и прикладных основ технологий и способов интенсификации работы сооружений биологической очистки с использованием электромагнитных полей, позволяющих повысить их технико-экономическую эффективность и экологическую безопасность очищенных сточных вод для открытых водоемов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

• изучить кинетику процессов, связанных с механизмом внеклеточной деструкции органических соединений и создать модель биохимического расщепления сложных органических субстратов;

• выявить закономерности влияния электромагнитной активации иловой смеси на окислительную способность биоценоза и величину илового индекса;

• разработать новую безреагентную технологию обеззараживания воды, испытать и изучить условия ее технического внедрения;

• разработать и исследовать технологию глубокого удаления полифосфатов, изучить влияние электромагнитной активации на эффективность процесса;

• разработать и исследовать технологии очистки сточных вод, содержащих токсичные органические соединения и тяжелые металлы.

Научная новизна. В работе обосновано новое научное направление, обеспечивающее квалифицированный выбор технологии очистки и обеззараживания сточных вод, содержащих токсичные органические вещества в присутствии тяжелых металлов. С этой целью:

1) предложены и обоснованы методологические, научные и технологические основы создания комплексов по очистке сточных вод, содержащих токсичные органические и неорганические соединения, отличающихся одновременным учетом: законов химической термодинамики, основных экологических принципов (системности, комплексности, рациональной организации, экологической безопасности), экономических и организационных возможностей промышленных предприятий на современном этапе;

2) разработана модель второй стадии внеклеточного биохимического расщепления многокомпонентных систем и определена роль растворенного в воде кислорода, как основного фактора в формировании биоценоза, позволяющего управлять окислительной мощностью сооружений биологической очистки;

3) изучена динамика изменения видового и количественного состава симбиоза активного ила в зависимости от концентрации растворенного кислорода в аэрационных сооружениях;

4) разработан и математически обоснован новый метод определения концентрации растворенных органических соединений в день отбора пробы, позволивший провести сравнительную оценку результатов трудноокисляемых субстратов стандартным методом - БПКПОЛн.;

5) разработана новая технология обеззараживания водных систем с использованием перпендикулярных потоку воды магнитных полей и доказан механизм процесса, связанный с поляризацией молекул воды, вызывающих изменение проницаемости клеток;

6) установлены основные закономерности и особенности влияния электромагнитной активации на биоценоз биологического комплекса. Разработаны научные и практические основы технологии использования электромагнитных полей, позволяющие повысить эффективность очистки сточных вод;

7) разработана биоадсорбционная технология безреагентного удаления фосфатов, на станциях биологической очистки и на основе экспериментального материала получена эмпирическая формула расчета количества концентрируемого фосфора в дефосфататорах;

8) изучено влияние соединений железа и марганца на биоценоз сооружений биологической очистки и установлены основные закономерности процессов очистки сточных вод, содержащих токсичные органические соединения в присутствии тяжелых металлов;

9) установлены закономерности электрохимического окисления токсичных органических соединений, биогенных элементов в электролизерах с нерастворимыми электродами и изучено влияние очищенных вод на планктон открытых водоемов;

10) проведен эколого-технологический анализ работы сооружений предприятий, сточные воды которых содержат токсичные соединения, мониторинг их систем водопотребления и водоотведения, что обеспечило создание информационной базы для разработки ресурсосберегающих технологий.

Научно-практическая новизна результатов исследований и принятых на этой основе технических решений подтверждены патентами РФ: №2126772, №2002134422 (0366483) и свидетельством на "Полезную модель" № 2001115272/20(016344).

Практическая значимость полученных результатов. В промышленных условиях апробированы и подтверждены результаты, полученные в результате научных исследований на лабораторных и пилотных установках, что позволило внедрить:

1) разработанные технологические схемы с использованием электромагнитных активаторов, позволяющих: увеличить окислительную мощность аэрационных сооружений до 40%; сократить объемы очистных сооружений до 25%; сократить затраты на доочистку очищенных сточных вод до 20%; ликвидировать затраты на химические реагенты при вспухании активного ила; ликвидировать реагентное хозяйство при решении вопроса снижения концентрации соединений фосфора; проводить магнитное обеззараживание очищенных сточных вод до нормативных показателей при получении нетоксичных вод для планктона открытых водоемов;

2) разработанные технологические процессы:

- биологического удаления полифосфатов из основного потока с последующим концентрированием в малых объемах и электромагнитной активацией циркулирующего биоценоза;

- биологической очистки сточных вод предприятий нефтеоргсинтеза, содержащих высокие концентрации соединений серы, ингибирующих биоценоз аэрационных сооружений;

- биологического удаления трудноокисляемых и токсичных органических соединений в присутствии тяжелых металлов;

- электрохимической доочистки токсичных сточных вод в двух- и трех секционных электролизерах с нерастворимыми электродами;

- технология и конструкция электрохимического обеззараживания сточных вод, не оказывающих токсичного влияния на планктон открытых водоемов;

- развит и усовершенствован биохимический метод контроля определения концентрации растворенных органических веществ, позволяющий быстро и с высокой степенью точности оценивать экологическую и санитарную обстановку в водном регионе.

Предложены методики расчета сооружений:

- электрохимической очистки сточных вод, содержащих токсичные вещества;

- биологического удаления полифосфатов;

- биологической очистки сточных вод, содержащих трудноокисляемые органические соединения в присутствии тяжелых металлов.

Разработаны рекомендации для проектирования новых и реконструкции действующих очистных сооружений предприятий и городов: г. Обухово

Московской области), объединенных городских и производственных очистных сооружений г. Новокуйбышевска, г. Каголыма (Тюменской области), ЗАО "Минудобрение" г. Мелеуза (Башкортостана), г. Балабаново (Московской области), поселка Татарское (Тюменской области), г. Новосибирска, г. Омска.

Налажено производство установок второго поколения полной заводской готовности контейнерного типа «БиОКС» в ООО «Техномост Сервис».

Оказывается научно-методическая помощь предприятиям, производящим установки контейнерного типа и строительным организациям на площадках, отведенным под очистные сооружения в Московской области.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

- результаты математического обоснования механизма внеклеточного расщепления органических веществ в сооружениях биологической очистки;

- результаты математического обоснования метода определения концентрации растворенных органических веществ в день отбора пробы;

- обоснование механизма процесса обеззараживания воды в перпендикулярном магнитном поле определенной напряженности;

- результаты технологических исследований по влиянию электромагнитной активации на окислительную способность биоценоза и величину илового индекса;

- разработанная технология глубокого удаления полифосфатов и воздействия электромагнитной активации на эффективность процесса;

- результаты технологических исследований по электрохимическому окислению токсичных органических веществ и особенности конструктивных решений;

- оценка эколого-экономической значимости использования осадков с иловых карт в качестве удобрения под зерновые культуры, травы и их влияние на экологическую безопасность фунтовых вод.

Личный вклад диссертанта. Все направления, рассматриваемые в диссертации, определены автором, многие из которых выполнялись впервые. Все исследования на лабораторных, пилотных установках проведены с участием автора. Математические расчеты и проектные решения выполнялись при непосредственном участии автора.

Апробация работы. Основные положения, изложенные в диссертационной работе, рассмотрены и обсуждены на следующих симпозиумах, конференциях и семинарах:

• 2-ая Международная научно-техническая конференция " Экологическая оценка загрязнения среды и наземных экосистем " (г. Иваново, 1998 г.);

• Межрегиональная конференция "Энергосберегающие технологии в коммунальном комплексе" (г. Тула, 2000г.);

• Международная научно-техническая конференция «Физические процессы и экологические технологии», (г. Иваново, 2001 г.),

• 4-ая международная научно-техническая конференция "Пища. Экология. Человек" (г. Москва, 2001 г.).

Международные конгрессы: Moldova EcoChem Conference (Chisinau, 2002), "HELECO'OS, (Греция, Афины, 2003 г.).

Структура и объем работы. Диссертация общим объемом 406 страниц состоит из введения, шести глав, общих выводов, заключения, списка литературы и приложения. Содержит 144 рисунка, 166 таблиц, списка использованной литературы из 143 наименований и приложений.

Заключение Диссертация по теме "Биотехнология", Никифорова, Лидия Осиповна

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработаны методологические, научные и технологические основы очистки сточных вод, содержащих токсичные соединения, позволяющие разрабатывать экологически безопасные станции аэрации, способные обеспечивать сохранение планктона открытых водоемов.

2. Математически обоснован механизм второй фазы биохимической деструкции сложных органических веществ в сооружениях биологической очистки. Доказана роль' растворенного в воде кислорода как фактора, определяющего формирование определенного видового сообщества, и конечного продукта расщепления, являющегося исходным субстратом для внутриклеточных биохимических процессов. На основании данной модели математически обоснован новый экспресс-метод определения концентрации растворенных органических веществ в день отбора пробы.

3. Установлены закономерности влияния электромагнитных полей на интенсификацию работы сооружений биологической очистки, позволяющие увеличить окислительную мощность сооружений до 30%, снизить величину илового индекса до 45% и увеличить нагрузку на аэрационные сооружения до 25% при поступлении сточных вод, содержащих токсичные органические вещества и тяжелые металлы.

4. Разработаны технологические основы методов и устройств, основанных на использовании электромагнитных полей, для очистки и обеззараживания сточных вод, содержащих токсичные вещества.

5. Разработан новый метод обеззараживания воды, основанный на использовании перпендикулярного потоку постоянного магнитного поля определенной напряженности. На основе фундаментальных законом математически обоснован механизм обеззараживания воды. Установлено, что при определенных значениях напряженности магнитного поля в клетке накапливаются токсичные вещества, ингибирующие механизм ее жизнеобеспечения. На данную технологию обеззараживания получен патент № 2126772 и на документацию промышленного образца защищена " Полезная модель" 2001115272/20.

6. Разработана технологическая схема глубокого удаления фосфатов и полифосфатов без применения реагентов, предусматривающая концентрирование малых количеств фосфатов из больших объемов воды. Установлены основные параметры, оказывающие влияние на процесс дефосфатации.

7. Впервые выполнен комплекс исследований по влиянию тяжелых металлов (на примере соединений железа и марганца) на ферментативную систему и скорость эндогенного дыхания биоценоза. Определены концентрации, при которых наступают: активация, ингибирование и гибель биоценоза. Изучены процессы накопления тяжелых металлов биоценозом и определено время угнетения внутриклеточного защитного механизма, приводящее к гибели клетки.

8. Разработана технология очистки сточных вод, содержащих трудноокисляемые органические вещества в присутствии тяжелых металлов. Изучена возможность электрохимического окисления в электролизерах с нерастворимыми электродами сточных вод, содержащих токсичные органические вещества. Проведенный комплекс токсикологических исследований позволил определить оптимальные параметры в сочетании процессов электрохимического окисления и магнитного обеззараживания. Найдены конструктивные решения многосекционных электролизеров, позволяющих очищать токсичные сточные воды до степени, не влияющей на прирост планктона открытых водоемов.

9. Впервые выполнен полный комплекс исследований по аккумулированию и миграции тяжелых металлов из осадков с иловых карт, используемых в качестве удобрения на: грунтовые воды, злаковые культуры, травы. Полученные результаты доказали, что нельзя использовать избыточный активный ил в качестве сельскохозяйственных удобрений, если он находился на иловых площадках более 5 лет.

10. На основании полученных результатов разработаны проекты, техническая документация и налажено производство установок "БиОКС" на производительность от 5 до 1500 м3/сутки полной заводской готовности контейнерного типа в ООО 'ТЕХНОМОСТ СЕРВИС" для очистки сточных вод от органических веществ и биогенных элементов (патент № 2002134422/15).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящая работа является дальнейшим развитием теоретических основ биохимической очистки сточных вод различных производств, методов и устройств обеззараживания очищенной воды, технологических основ очистки токсичных сточных вод в присутствии тяжелых металлов и направлена на создание технологий и оборудования с улучшенными технологическими и технико-экономическими свойствами.

Полученные результаты и сделанные выводы следует рассматривать как продолжение создания теоретических и технологических основ биохимической очистки водной среды.

Наиболее существенные научные и практические результаты выполненных исследований заключаются в следующем:

1. Анализ тенденций развития методов очистки городских и промышленных сточных вод показал, что использование биологических методов, как аналога природного самоочищения, сохраняет приоритет. Для удаления биогенных элементов перспективным является применение аэробно-анаэробного процесса "карусельного типа". Практически не рассматриваются вопросы расщепления трудноокисляемых органических веществ в присутствии тяжелых металлов. Не изучены закономерности накопления биоценозом биологического комплекса тяжелых металлов и нарушения в внутриклеточных механизмах, вызванных этими явлениями.

2. Математически обоснована вторая фаза биохимического расщепления органических веществ в водной среде. Доказано, что многостадийный ферментативный процесс расщепления протекает без участия кислорода. В зависимости от концентрации растворенного в воде кислорода формируется тот или иной симбиоз микроорганизмов, осуществляющий биохимические процессы расщепления органических веществ. От концентрации растворенного в воде кислорода зависит конечный продукт расщепления, который является исходным субстратом, проникающим в клетку и подвергающимся биохимическим превращениям внутри клетки. Одним из таких внутриклеточных процессов является синтез белка.

На основании данной модели математически обоснован новый метод определения концентрации растворенных органических веществ в день отбоpa пробы для случаев техногенных катастроф.

3. Доказано, что проблема активации ферментативной системы биоценоза комплекса биологической очистке решается за счет использования электромагнитных полей. Применение данной технологии позволило: увеличить окислительную мощность аэрационных сооружений до 40%, уменьшить величину илового индекса до 45%, увеличивать нагрузку на аэрационные сооружения до 25% при поступлении сточных вод, содержащих токсичные органические вещества и тяжелые металлы.

4. Разработан новый метод обеззараживания воды, основанный на использовании перпендикулярного потоку постоянного магнитного поля определенной напряженности. На основе фундаментальных законов математически обоснован механизм обеззараживания воды. Установлено, что под действием магнитного поля в клетке происходят изменения: внутриклеточного метаболизма, проницаемости мембраны, перезарядка ионов с переменной валентностью, с последующим возникновением внутриклеточных окислительно-восстановительных реакций, приводящих к угнетению энзимной системы и гибели клетки. При определенных значениях напряженности магнитного поля в клетке накапливаются токсичные вещества, ингибирующие механизм ее жизнеобеспечения. На данную технологию обеззараживания получен патент № 2126772 от 27 февраля 1999 г. и на документацию промышленного образца защищена "Полезная модель" № 20011152/72 (016344) от 4 июля 2000г.

5. Разработана технологическая схема глубокого удаления фосфатов и полифосфатов, предусматривающая концентрирование малых количеств фосфатов из больших объемов воды. Установлены основные параметры, оказывающие влияние на процесс биодефосфатации. Максимальное концентрирование фосфатов и полифосфатов достигается при концентрации: растворенного кислорода в дефосфататоре 0,2-0,5 мг/л, биомассы — 3,7 г/л, значениях величины электрокинетического потенциала поверхности иловой смеси де[+2;+4]мВ. Обобщение лабораторного и промышленного опыта эксплуатации биодефос-фататоров позволило получить эмпирическую формулу для расчета количества концентрируемого фосфора с основными показателями сооружения.

6. Впервые выполнен комплекс исследований по влиянию тяжелых металлов (на примере соединений железа и марганца) на ферментативную систему и скорость эндогенного дыхания биоценоза. Определены концентрации, при которых наступают: активация, ингибирование и гибель биоценоза. Изучены процессы накопления тяжелых металлов биоценозом аэротенков и определено время угнетения внутриклеточного защитного механизма, приводящее к гибели клетки. Разработана технология очистки сточных вод, содержащих трудно-окисляемые органические вещества в присутствии тяжелых металлов. Изучена возможность электрохимического окисления в электролизерах с нерастворимыми электродами сточных вод, содержащих токсичные органические вещества. Проведенный комплекс токсикологических исследований позволил определить оптимальные параметры и сочетание электрохимического окисления и магнитного обеззараживания токсичных сточных вод. Найдены конструктивные решения многосекционных электролизеров, позволяющих очищать токсичные сточные воды до норм сброса в открытые водоемы.

7. Впервые выполнен полный комплекс исследований по аккумулированию и миграции тяжелых металлов из осадков с иловых карт, используемых в качестве удобрения на: грунтовые воды, злаковые культуры, травы. Полученные результаты доказали, что избыточный активный ил нельзя хранить более 5 лет на иловых площадках, так как под действием атмосферных процессов протекают биохимические превращения и в осадках накапливаются высокотоксичные вещества, вызывающие гибель растений.

8. Разработаны проекты, техническая документация и налажено производство установок "БиОКС" на производительность от 50 до 1500 м3/сутки полной заводской готовности контейнерного типа в ООО "Техномост Сервис" для очистки сточных вод от органических веществ и биогенных элементов.

Библиография Диссертация по биологии, доктора биологических наук, Никифорова, Лидия Осиповна, Москва

1. Классен В. И. Физические методы интенсификации безреагентной очистки оборотных и сточных вод / Водные ресурсы 1973, №6, с. 99 - 106.

2. Классен В. И. Омагничивание водных систем. М.: Химия, 1978,238 с.

3. Миненко В.И. Электромагнитная обработка в теплоэнергетике. Харьков:изд-во Харьковского университета, 1981, 96 с.

4. Тебенихин Е.Ф. Безреагентные методы обработки в энергоустройствах. М.: Энергия, 1977,184 с.

5. Магнитная обработка водных систем: Тезисы докладов IV Всесоюзного совещания по магнитной обработке воды и водных смесей. ( Москва, 8-11 июня 1981г.) М.: НИИТЭХИМ, 1981, 168 с.

6. Кульский Л.А., Духин С.С. Магнитное поле и процессы водообработки. Киев.: Наукова Думка, 1987,110с.

7. Гиббс Дж.В. Термодинамические работы: Пер. с английского /Под ред. В.К.Семенченко. М.-Л.: Гостехтеоретиздат, 1950,500с.

8. Дерягин Б.В. Теория устойчивости коллоидов и тонких пленок. М.: Наука, 1986, 205 с.

9. Дерягин Б.В., Чураев Н.В., Муллер В.И. Поверхностные силы. М.: Наука, 1985, 399с.

10. Адамсон А. Физическая химия поверхностей. Пер. с английского /Под ред. З.М. Зорина, В.И. Муллера. М.: Мир, 1979, 568 с.

11. Джейкок М., Партив Дж. Химия поверхностей раздела фаз. Пер. с английского / Под ред. А.П. Карнаухова. М.: Мир, 1984,267 с.

12. Адсорбция из растворов на поверхностях твердых тел. Пер. с английского / Под ред. В.И.Лыгина, Мир, 1986,488 с.

13. Структура и стабильность биологических макромолекул. Пер. с английского Под ред. М.В.Волькенштейна, М.: Мир, 1973, 584 с.

14. Химическая энзимология. Пер. с английского /Под ред. И.В.Березина, К.Мартинска. М.: Изд-во МГУ, 1983,278 с.

15. Папков С.П. Физико-химические основы переработки растворов полимеров. М.: Химия, 1971,146 с.

16. Липатов Ю.С. Коллоидная химия полимеров. Киев: Наукова Думка,1984,343 с.17.