СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
РАЗДЕЛ 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ОБ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРИЕМАХ ВЕДЕНИЯ ПРОЦЕССОВ
НИТРИДЕНИТРИФИКАЦИИ ПРИ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
1.1. Системы непрерывного удаления азота
1.2. Одновременная нитрификация и денитрификация
1.2.1. Механизм одновременной нитрификации-денитрификации
1.2.2. Факторы, влияющие на процесс одновременной нитрификации и
денитрификации
1.3. Денитрификация автотрофными нитрифицирующими бактериями
1.4. Нитратный шунт. Принцип и преимущества
1.5. Контроль растворенного кислорода
1.6. Сочетание нескольких стратегий
1.7. Анаэробное окисление аммония (ANAMMOX)
1.7.1. Механизм процесса
1.7.2. Микроорганизмы ANAMMOX
1.8. Обоснование выбора направления исследований
Выводы к
разделу
РАЗДЕЛ 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ
2.1. Фотоколориметрический метод определения нитратов
2.2. Фотоколориметрический метод определения ионов аммония
2.3. Фотоколориметрический метод определения нитрит-ионов
2.4. Фотоколориметрический метод определения гидразина
2.5. Определение концентрации гидроксиламина
2.6. Хроматографическое определение молекулярного азота
2.7. Лабораторный реактор для изучения процессов нитрификации и
денитрификации
2.8. Определение фракционного состава суспензий седиментационным методом
2.9. Математическое моделирование
РАЗДЕЛ 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ. ЛАБОРАТОРНОЕ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
ПРОЦЕССОВ УДАЛЕНИЯ МИНЕРАЛЬНОГО АЗОТА ИЗ СТОЧНЫХ ВОД
3.1. Влияние концентрации растворенного кислорода на процессы одновременной
нитрификации-денитрификации
3.2. Исследование процесса удаления минерального азота на промышленном реакторе
для очистки бытовых сточных вод
3.3. Исследование фракционного состава флокул активного ила
3.4. Процессы с участием ANAMMOX
3.5. Доказательства участия ANAMMOX-бактерий в исследуемых системах
3.5.1. Исследования со свободноплавающими микроорганизмами
3.5.2. Исследование процессов ANAMMOX в проточном реакторе с предварительной
нитритацией
3.5.3.Способ биологической очистки вод от аммонийного азота
Выводы к
разделу
РАЗДЕЛ 4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОЧИСТКИ ОТ СОЕДИНЕНИЙ АЗОТА В
ПРОТОЧНЫХ БИОРЕАКТОРАХ
4.1. Результаты математического моделирования процесса одновременной
нитри-денитрификации
4.2. Математическая модель распределения циркуляционных потоков жидкости в
шахтных аэротенках
Выводы к
разделу
ВЫВОДЫ
ЛИТЕPАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЯ………………………………………………………………….
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Рост научно-технического прогресса, развитие промышленности
и жилищно-бытового строительства приводят к возрастанию антропогенного
воздействия на гидросферу Земли. Одними из наиболее распространенных
загрязнителей подземных и поверхностных вод, промышленных и бытовых стоков
являются соединения азота, основные из которых аммиак, нитриты и нитраты.
Минеральные соединения азота присутствуют в сточных водах (СВ) многих отраслей
промышленности: химической, нефтехимической, медицинской, микробиологической,
металлургической, пищевой и др. В промышленных СВ содержание соединений азота
может превышать мг/л, в городских сточных водах может достигать-мг/л. В
них могут находиться трудноокисляемые, токсичные азотсодержащие соединения.
Присутствие аммиака в водоемах оказывает сильное токсическое влияние на рыб,
наличие нитритов в питьевой воде вызывает онкологические заболевания, нитратов
– метгемоглобинемию у детей. Присутствие соединений азота в оборотной воде
приводит к биологическому обрастанию трубопроводов и технологического
оборудования.
Существует ряд способов удаления соединений азота из сточных вод. Так, аммиак
можно просто выдувать из подщелоченной воды воздухом, окислять
электролитически, озоном или хлором с последующей фильтрацией через
активированный уголь, нитриты и нитраты – химически восстанавливать, применять
дистилляцию, либо убирать электролизом. Все три неорганические соединения азота
можно удалятьать ионным обменом, или ультрафильтрацией. Однако все
перечисленные способы требуют дорогостоящих реагентов и оборудования, сложных в
эксплуатации и малоэффективных.
На сегодня самым дешевым, экологически безупречным, а поэтому наиболее
употребляемым способом очистки СВ от минерального азота (МА) является
биологический.
Традиционные технологические схемы удаления минеральных форм азота из СВ
требует участия двух микробиологических процессов – нитрификации (окисления
ионов аммония до нитрат-ионов) и денитрификации (восстановления нитрат-ионов до
газообразного азота).Эти два процесса характеризуются противоположными
требованиями к присутствию кислорода. В связи с этим наиболее распространенной
схемой очистки СВ от МА является комбинация классических процессов нитрификации
и денитрификации, когда эти процессы идут
раздельно. Наиболее часто на практике
встречаются следующие: денитрификация, окисление органических веществ,
нитрификация; окисление органических веществ, нитрификация, денитрификация.
Классический процесс характеризуется достаточно высокими скоростями, легкостью
управления и устойчивостью их на каждой стадии. Недостатки
раздельных систем –
большие затраты на строительство отдельных стадийных биореакторов,
необходимость наличия вторичных отстойников после каждой ступени очистки, что
требует сооружения дополнительных насосных станций, высокие энергозатраты для
поддержания требуемой концентрации кислорода при нитрификации и т.д.
Наиболее перспективной является комбинированная система очистки СВ от
минерального азота. В такой системе процессы нитрификации и денитрификации
происходят в одном сооружении (биореакторе) одновременно. Явление ОНД (т.е.
одновременное протекание аэробного процесса нитрификации и анаэробного процесса
денитрификации в одном и том же реакторе) до сих пор не нашло адекватного
объяснения. По сравнению с классическими схемами, процессы очистки с
использованием этого явления требуют меньших концентраций растворенного
кислорода, отсутствует необходимость добавления органического материала,
сокращаются затраты на аппаратное обеспечение и т.д. Однако, являясь
привлекательными с экономической точки зрения, такие процессы весьма «капризны»
при их практическом применении.
Таким образом, исследования комбинированных способов очистки СВ от минерального
азота являются актуальными и своевременными.
Связь работы с научными программами, планами, темами. Диссертационная работа
является частью исследований, которые проводились на кафедре физики
неравновесных процессов, метрологии и экологии Донецкого национального
университета по научно- исследовательской теме № -ВВ- «Разработка
технологии флотационной очистки сточных вод на основе газожидкостных струйных
течений», номер госрегистрации U, Д- «Создание новых
теоретических и технологических основ улучшения безопасности систем
водоснабжения малых населенных пунктов», номер госрегистрации U, а
также хозрасчетных тем № - от и № - от
ДОННАСА.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является
экспериментальное и теоретическое исследование явления одновременной
нитрификации-денитрификации (ОНД), в том числе и с участием бактерий ANAMMOX,
при очистке сточных вод от соединений минерального азота в проточном
биореакторе.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные
теоретико-экспериментальные задачи:
исследовать особенности явления ОНД в лабораторных и натурных (промышленные
очистные сооружения) условиях;
выявить роль ANAMMOX-бактерий в явлении ОНД;
построить физическую модель флокулы активного ила и провести численный расчет
эффективности очистки сточных вод от соединений минерального азота при
одновременном протекании процессов нитрификации и денитрификации;
провести численное моделирование гидродинамики аэротенка-отстойника с целью
выявления гидродинамически активных зон.
Объект исследования: явление одновременной нитри-денитрификации (ОНД) при
очистке сточных вод (СВ) от соединений минерального азота в проточном
биореакторе.
Предмет исследования: особенности явления ОНД, в том числе и с участием
ANNAMMOX-бактерий, при очистке СВ от соединений минерального азота в проточном
биореакторе.
Методы исследования: фотоколориметрический, седиментационный, анемометрический,
газожидкостной хроматографии, физического и численного моделирования.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
1. Впервые проведены комплексные (лабораторные и натурные) экспериментальные
исследования явления одновременной нитрификации-денитрификации (ОНД) при
очистке СВ от минерального азота:
– установлено, что на активном иле с флокулами бульшего размера (вплоть до
некоторого критического) процесс очистки воды от МА идет более эффективно; дано
физическое истолкование установленного факта, а именно: прирост эффективности
очистки (при увеличении размера флокул) обусловлен интенсификацией процесса
микробиологической денитрификации;
– показано, что эффективность очистки воды от МА достигает максимального
значения при некоторой оптимальной концентрации кислорода Сопт.; дано
физическое объяснение установленному факту, а именно: при Сопт. возникает
равновесно-оптимальное соотношение аэробных и аноксичных зон внутри флокулы,
что положительно сказывается на одновременном протекании процессов нитрификации
и денитрификации (ОНД);
– тестовыми опытами с использованием гидразина и гидроксиламина установлено,
что в биохимических процессах очистки вод от минерального азота частично
принимают участие недавно открытые ANAMMOX-бактерии, которые осуществляют
анаэробное окисление аммония нитритами; ANAMMOX-процесс – альтернатива процессу
денитрификации.
2. Впервые построена численная модель, описывающая гидродинамические и
диффузионные процессы в явлении одновременной нитрификации-денитрификации (в и
вне флокул активного ила); модель позволяет проводить расчеты эффективности
микробиологической очистки воды от минерального азота при различной
концентрации растворенного кислорода и разных размерах флокул.
3. Впервые построена численная модель, описывающая гидродинамические процессы в
аэротенке-отстойнике (основная часть биореактора, где происходит
микробиологическая очистка СВ от МА). Модель позволяет получить распределение
линий функций тока в аэротенке и рассчитать компоненты скорости в различных его
зонах, а также определить области замкнутой циркуляции жидкости (турбулентные
вихри).
Практическое значение полученных результатов состоит в следующем:
– результаты экспериментальных исследований явления ОНД могут быть использованы
для повышения эффективности очистки воды от минерального азота в действующих
проточных биореакторах;
– разработан и запатентован способ биологической очистки сточных вод от аммония
(с участием ANAMMOX-бактерий). Способ включает
разделение сточной воды,
поступающей на очистку, на два потока, первый из которых обрабатывается в
аэробном биореакторе иммобилизованными нитрифицирующими бактериями, а второй –
иммобилизованными анаэробными гетеротрофными бактериями в анаэробном
биореакторе с целью деструкции органических загрязнений. После этого потоки
объединяются и обрабатываются в бескислородных условиях ANAMMOX-бактериями в
третьем биореакторе. При этом аммоний, поступающий со вторым потоком,
окисляется нитритами, образовавшимися в первом потоке в результате
нитрификации. При такой схеме можно достичь почти %-ой эффективности очистки
СВ от аммонийного азота;
– численная модель, описывающая гидродинамические и диффузионные процессы в
явлении ОНД, может быть рекомендована для предварительных расчетов
эффективности очистки воды от МА при проектировании промышленных проточных
биореакторов;
– численная модель, описывающая гидродинамические процессы в
аэротенке-отстойнике, также может быть рекомендована для расчета циркуляционных
течений в аэротенках-отстойниках при проектировании промышленных проточных
биореакторов;
– результаты работы внедрены на промышленных очистных сооружениях (пгт Новый
Свет, Донецкая область).
Личный вклад соискателя состоит в поиске и анализе информации по теме
диссертации, проведении экспериментальных и теоретических исследований,
обработке полученных данных. Постановка задачи исследований выполнялась научным
руководителем проф. А.Б. Ступиным при личном участии соискателя. Обсуждение и
обобщение результатов исследований, формулировка общих выводов осуществлялась
вместе с научным руководителем. Натурные исследования на промышленной установке
по очистке СВ от МА проводились совместно с проф. Гвоздяком П.И., к.т.н.
Нездойминовым В.В. и Михайловской М.В, газожидкостно-хроматографические – с
к.х.н. Литвиненко С.Л., проведение численных расчетов осуществлялось совместно
с д.т.н. Белоусовым В.В. и научным сотрудником Оверко В.С.
В работах, написанных в соавторстве, соискателю принадлежат результаты
проведенных экспериментальных и теоретических исследований, выводы по
результатам исследования явления ОНД, в том числе и с участием
ANAMMOX-бактерий, при очистке СВ от минерального азота.
Апробация результатов диссертации. Основные результаты работы докладывались и
обсуждались на научных конференциях профессорско-преподавательского состава
Донецкого национального университета (г. Донецк, , года),
научно-практической конференции, "Донбасс - : охрана окружающей среды и
экологическая безопасность" (Донецк г.), международном семинаре ЮНЕСКО
"Базовые науки и вода" (г. Донецк, г.), научно-технических конференциях
Донбасской национальной академии строительства и архитектуры (г. Макеевка,
, г.г.), научной конференции Луганского национального аграрного
университета (г. Луганск, г.), научно-практической конференции
«Водоподготовка, водоснабжение и водоотведение» Международного Водного Форума
«АКВА – Украина» (г. Донецк, , гг.)
Публикации. По материалам диссертации опубликовано научных статей, в том
числе в специализированных научных изданиях, утвержденных ВАК Украины.
Получен патент Украины на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из вступления,
разделов,
выводов, списка использованных источников и приложений с документами о
внедрении. Объем работы стр., иллюстраций, таблиц, список
- Київ+380960830922