СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СОКРАЩЕНИЙ 4
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1 Информационно-аналитический обзор. Постановка задач 9
1.1 Анализ законодательных и нормативных документов, регламентирующих водоочистку и сброс сточных вод в водные объекты 9
1.2 Сущность процесса биологической очистки сточных вод 14
1.3 Методы биологической обработки сточных вод и их анализ 16
1.3.1 Биологические пруды 16
1.3.2 Реакторы с активным илом 17
1.3.3 Биореакторы последовательного действия 21
1.3.4 Мембранные биореакторы 23
1.3.5 Орошаемые биофильтры 27
1.3.6 Биологические фильтры 28
1.4 Анализ условий, определяющих удовлетворительный процесс биологической очистки сточных вод 32
1.4.1 Кислородный режим 32
1.4.2 Условия формирования и функционирования экосистемы активного ила 37
1.4.3 Илоотделение 39
1.5 Информационно-патентный обзор способов интенсификации процесса биологической очистки 42
Выводы по главе 1 54
ГЛАВА 2 Экспериментальные исследования процессов биологической очистки сточных вод 55
2.1 Характеристика технологического процесса очистки сточных вод на очистных сооружениях ОАО «Тольяттиазот» 55
2.2 Оценка эффективности биологической очистки сточных вод на очистных сооружениях ОАО «Тольяттиазот» и соответствие нормам сброса 67
2.3 Исследования условий удовлетворительного протекания процессов нитрификации-денитрификации 73
Выводы по главе 2 76
ГЛАВА 3 Предложение совершенствованного метода биологической очистки сточных вод 78
3.1 Модернизация технологического процесса биологической очистки в условиях производственной площадки на очистных сооружениях 78
3.2 Баланс необходимых питательных веществ в осветлённых сточных водах для обеспечения удовлетворительного функционирования активного ила 84
Выводы по главе 3 88
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 89
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 94
ПРИЛОЖЕНИЯ 100
Актуальность темы исследования. Рациональное использование природных ресурсов и, в частности, рациональное использование пресной воды в настоящее время является одной из обсуждаемых проблем современности. Очистка сточных вод на промышленных предприятиях в соответствии нормам сброса загрязняющих веществ в природный водоём представляет необходимый производственный процесс. Большинство очистных сооружений России используют сильно устаревшие технологии, которые не позволяют должным образом очищать стоки от органических загрязнений и биогенных элементов. Ужесточение требований, повышение обязательной платы за нормативный сброс и платы за сброс загрязняющих веществ, сверх установленных лимитов, значительно влияют на мнение водопользователей при выборе методов в технологии очистки сточных вод. Преимущественными направлениями в решении сложившейся проблемы являются сокращение сбросов сточных вод в водоёмы, внедрение технологий глубокой очистки (удаление биогенных элементов) и повышение качества очистки сточных вод. Решение данных проблем позволяет достичь качества сточных вод в соответствии нормам сброса, минимизировать отрицательное воздействие на биосферу, исключить плату за сброс загрязняющих веществ, сверх установленных лимитов.
Цель и задачи:
Целью работы является совершенствование метода биологической очистки сточных вод для очистных сооружений «Тольяттиазот», которое обеспечит высокую степень извлечения биогенных загрязнений, и после которого сточные воды могли быть спущены в водоём с минимальным негативным воздействием на экосистему.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
• исследовать методы биологической очистки сточных вод с достижением качества очистки смеси промышленных и хоз-бытовых сточных вод от биогенных загрязнителей (нитратов) до нормативных показателей;
• исследовать благоприятные условия для удовлетворительного функционирования активного ила и улучшения седиментационных свойств в процессе биологической очистки и разработать технологические решения для создания необходимых условий.
Объект исследования. Объектом исследования является технологический процесс биологической очистки сточных вод на очистных сооружениях ОАО «Тольяттиазот».
Теоретическая и методологическая база исследования.
Теоретической базой исследования являются нормативно-правовые документы, регулирующие деятельность по охране поверхностных и подземных вод, результаты теоретических исследований отечественных и зарубежных авторов по вопросам водоочистки, опыт по внедрению современных технологий биологических методов на станциях очистных сооружений, патенты на изобретение в области совершенствования методов биологической очистки.
Методологической базой являются экспериментальные методы исследований сточных вод в лабораторных условиях и сопоставление результатов с проектом нормативов допустимых сбросов.
Научная новизна исследования заключается в разработке усовершенствованного метода биологической очистки за счёт введения дополнительной зоны денитрификации и интенсификации зоны нитрификации путём внедрения инновационных методов аэрации.
Выявлены аспекты, обуславливающие превышение норматива очищенных сточных вод по содержанию загрязняющих веществ (азот нитратный, взвешенные вещества) на исследуемых очистных сооружениях.
Рассмотрены условия, определяющие удовлетворительный процесс биологической очистки сточных вод. Разработана схема подачи органических реагентов от узла приготовления и дозирования на участке биологической очистки для создания удовлетворительных условий функционирования активного ила и достижения оптимального соотношения органических веществ и биогенных элементов в сточных водах.
Определены технические решения, выполнение которых позволит получить на выходе с очистных сооружений стабильные данные о качестве сточной воды в соответствии с критериями сброса сточных вод в водоём рыбохозяйственного назначения и проектом НДС.
Теоретическая и практическая значимость диссертации заключается в том, что на основе проведённого исследования выявлены основные причины несоответствия нормам сброса очищенных сточных вод на большинстве очистных сооружений и последствия нарушений на экосистему. Разработано технологическое решение для биологической очистки сточных вод на очистных сооружениях ОАО «Тольяттиазот» с достижением качества очистки до нормативных требований. Определены основные условия, влияющие на процесс биологической очистки сточных вод.
Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие основные положения:
• оценка качества очистки сточных вод после модернизации участка биологической очистки на очистных сооружениях ОАО «Тольяттиазот» с выделением зон с различными кислородными режимами и внедрением инновационных методов аэрации;
• количественные показатели загрязняющих веществ в очищенных сточных водах до проведения исследования и после модернизации;
• создание благоприятных условий для удовлетворительного функционирования активного ила за счёт необходимого количества и оптимального соотношения органических веществ и биогенных элементов в сточных водах;
• предложенные технологические решения рекомендованы для применения очистки сточных вод на очистных сооружениях с аналогичным технологическим процессом и загрязняющими веществами.
Степень достоверности и апробация результатов. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на научно-практических семинарах кафедры «Управление промышленной и экологической безопасности».
Список работ, опубликованных автором по теме диссертации. По проблемам водоочистки, рассматриваемым в диссертации, автором опубликованы статьи в изданиях, рекомендованных ВАК:
• «Роль аэрационных систем в повышении эффективности биологической очистки сточных вод», сборник материалов ХХ11 Международной научно-практической конференции «Приоритетные научные направления: от теории к практике» (Издательство ЦРНС, Новосибирск, 2016)
• «Интенсификация анаэробной стадии биологической очистки сточных вод», научный журнал «Вестник магистратуры» (г. Йошкар-Ола, 2016).
Структура работы. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, списка использованной литературы, приложений. Основная часть исследования изложена на 99 страницах, текст иллюстрирован 5 таблицами, 19 рисунками, 2 приложения, использовано 41 источник.
Реализация проектных решений в первую очередь должна обеспечивать природоохранные мероприятия, направленные на сохранение и улучшение существующего качества очистки сточных вод, сбрасываемых в природный водоём.
Предлагаемое решение по модернизации метода биологической очистки в условиях производственной площадки очистных сооружений ОАО «Тольяттиазот» позволяет достичь повышения качества очистки сточных вод по аммонийным соединениям (аммонийным солям и нитратам) и взвешенным веществам. Превышение данных соединений ведёт к неизбежной эвтрофикации водоёмов и нарушению стабильности экосистемы.
Результат очистки достигается за счёт введения дополнительной зоны денитрификации на этапе биологической очистки и интенсификации зоны нитрификации путём внедрения инновационных методов аэрации. При выборе оборудования для реализации данных методов учитывается неудовлетворительное состояние механической очистки, что позволяет достичь высокого качества очистки без реконструкции сооружений мехочистки. Подача метанола и раствора фосфорной кислоты на участке биологической очистки обеспечивает оптимальное соотношение органических веществ и биогенных элементов в сточных водах, рекомендованное СНиП 2.04.03-85. При выполнении дополнительно рекомендуемых мероприятий, на выходе с очистных сооружений мы можем получить стабильное качество очищенных сточных вод, согласно нормативным требованиям.
Выполненный сравнительный анализ характеристик очистки стоков, представленный в таблице 5, с введением изменений в технологической схеме участка биологической очистки, путем введения дополнительной зоны денитрификации и замены аэрационной системы, позволит достичь следующих результатов:
• снизить содержание в очищенных сточных водах нитратов до значений ниже ПДК, ранее которые находились на верхнем пределе, а при пиковых нагрузках превышали значения ПДК;
• снизить содержание в очищенных сточных водах других соединений азота;
• снизить содержание в очищенных сточных водах взвешенных веществ вследствие улучшения седиментационных свойств активного ила;
• создать благоприятные условия для удовлетворительного функционирования активного ила за счёт необходимого количества и оптимального соотношения органических веществ и биогенных элементов в сточных водах, соотношение Б1 lI<5:N:P в пропорции100:5:1 после внедрения технологии выдерживается;
• повысить эффективность использования (растворения) кислорода воздуха.
Таблица 5 - Сравнительная характеристика полученных результатов, после внедрения технологии на БОС ОАО «Тольяттиазот»
Определяемый показатель | Вход на БОС, мг/дм3 | Осветлённые сточные воды перед входом в аэротенк, мг/дм3 | Выход после БОС до внедрения технологии, мг/дм3 | Выход после БОС после внедрения технологии, мг/дм3 | Допустимая концентрация , мг/дм3
Азот аммонийный | 30,75±4,59 | 30,75±4,59 | 0,24±0,08 | 0,11±0,03 | 8,75
Ион аммония | 41,00 | 41,00 | 0,31 | 0,21 | 11,22
Нитрат-анион | 1,70±0,51 | 1,70±0,51 | 74,69±11,30 | 14,35±1,27 | 74,69
Азот нитратный | 0,39 | 0,39 | 17,18 | 3,74 | 17,18
Нитрит-ион | 0,51±0,07 | 0,51±0,07 | 0,043 | <0,02 | 0,08
Азот нитритный | 0,15 | 0,15 | 0,016 | <0,006 | 0,02
Карбамид | 28,65±7,16 | 28,65±7,16 | 16,91 | 5,47 | 44,94
Фосфаты (по фосфору) | 1,08±0,17 | 5,83±0,9 | 0,98 | 0,84 | 1,15
БПК полный | 632,5±31,0 | 608,5±32,0 | 2,12 | 1,52 | 19,5
БПК5 | 632,7 | 612,4 | 0,94 | 0,73 | 13,0
Взвешенные вещества | 434,74±43,47 | 158,4 | 8,3±0,9 | 4,6±0,8 | 9,2
Метанол | 5,85±0,13 | 4,93 | <0,1 | <0,1 | 0,78
Сухой остаток | 914,0±82,26 | 883,32 | 1337,75 | 956,35 | 1337,75
Конец таблицы 5.
На основе литературного анализа, были выделены наиболее эффективные инновационные проекты, в большей степени приемлемые для рассматриваемых очистных сооружений, с применением следующего оборудования:
• диффузоры Vibrair производства компании Alfa Laval, Швеция;
• погружные лопастные мешалки AMG производства компании Grundfos A/S, Дания;
• станция приготовления типа СП2000-4, станция дозирования типа DST- 2000-DME-60-10-AR.2 (ЗАО «НПК Медиана-Фильтр», Россия).
Внедрение технологии нитри-денитрификации на участке биологической очистки на очистных сооружениях ОАО «Тольяттиазот» на базе предложенного оборудования даёт следующие преимущества:
1. Обеспечение эффективной очистки по всем соединениям азота в соответствие нормам сброса;
2. Снижение негативного воздействия на окружающую среду;
3. Снижение платы за сброс биогенов;
4. Обеспечение равномерной аэрации, полного перемешивания иловой смеси и исключение образования «бурунов»;
5. Энергоэффективность за счёт использования механического перемешивания и высокой эффективности использования кислорода аэрирующего воздуха, что даёт возможность использования воздуходувки меньшей производительности;
6. Возможность работать в сложных условиях, обусловленных неудовлетворительным состоянием сооружений механической очистки;
7. Исключение возможности образования участков залежей и гниения ила, тем самым устраняется вынос взвешенных веществ с очищенными сточными водами.
Аэрация в аэротенке до замены аэрационных элементов и после замены представлена на рисунке 19.
Рисунок 19 - Аэрация в аэротенке: а) до замены аэрационной системы; б) после замены аэрационной системы
Очистные сооружения ОАО «Тольяттиазот» рассматриваются как типичные, разработка по внедрению технологии нитри-денитрификации на базе предложенного оборудования может быть применена на очистных сооружениях с аналогичной технологической схемой.
Основные положения и сущность научно-исследовательской работы также отражены в докладе «Роль аэрационных систем в повышении эффективности биологической очистки сточных вод» на международной научно-практической конференции «Приоритетные научные направления: от теории к практике» (Новосибирск: издательство НГТУ,2016). Вопросы по методам обеспечения легкоокисляемой органикой сточных вод для удовлетворительного протекания процесса биологической очистки рассмотрены в статье автора «Интенсификация анаэробной стадии биологической очистки сточных вод», опубликованной в научном журнале «Вестник магистратуры» (г. Йошкар-Ола, 2016).
Результаты проведенных исследований свидетельствуют о правильном выборе технического решения для модернизации участка биологической очистки на очистных сооружениях ОАО «Тольяттиазот», что позволяет получить на выходе стабильные данные о качестве сточной воды в соответствии с критериями сброса сточных вод в водоём рыбохозяйственного назначения и проектом НДС.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
