Защита водных объектов от загрязнения биоорганическим материалом очищенных стоков в регионах с резко континентальным климатом

Актуальность работы обусловлена необходимостью стабилизации и улучшения качества вод природных водных объектов за счет снижения на них антропогенной нагрузки, в том числе уменьшения загрязнений, поступающих со сточными водами, прошедшими очистку на очистных сооружениях.

Особенно остро стоит этот вопрос в регионах с резко континентальным климатом. В-таких регионах из-за особенностей природно-климатических условий водные источники отличаются особой уязвимостью. В значительные по длительности периоды года состояние водных объектов полностью определяется качеством сбрасываемых сточных вод.

Коммунально-бытовые сточные воды в настоящее время, как правило, очищаются методом биологической очистки. При этомне делается поправки в принципиальной схеме на различие в температурном режиме регионов с различными климатическими условиями, хотя общеизвестно, что на устойчивость и эффективность работы станций биологической очистки существенное влияние оказывает температура. Имеется незначительное число данных об эксплуатации сооружений биохимической очистки в холодных регионах. Для регионов с резко континентальным климатом таких данных почти нет.

В технологической схеме сооружений биологической очистки существует проблема адвективного выноса активного ила, обусловленная его недостаточной седиментационной способностью. В регионах с резко континентальным климатом ситуация усугубляется и становится критической для водотоков — приемников стоков в периоды низких температур и ее резких суточных колебаний.

При биологической очистке сточных вод в результате жизнедеятельности бактерий сточная вода очищается от исходных органических примесей, доступных бактериям для усвоения, но при этом происходит загрязнение стока частицами ила с плохими седиментационными свойствами, содержащими органические и неорганические метаболиты, ведущее к загрязнению водных объектов биоорганическим материалом.

Решение проблемы улучшения качества природных вод в районах с резко континентальным климатом должно учитывать особенности образования и функционирования биоценоза экологической системы активного ила, связанные с природно-климатическим температурным режимом.

Таким образом, научное обоснование и разработка эффективных методов снижения эффекта внешней нагрузки по биоорганическому материалу на водотоки, принимающие биохимически очищенные сточные воды в районах с резко континентальным климатом, являются актуальными.

Объектом исследования является водохозяйственный, комплекс, включающий сооружения биологическойочистки городских сточных вод, загрязненных частицами активного ила, и реку — приемник.

Предмет исследования — методы минимизации адвективного выноса активного ила в водоток — приемник, в том числе, флокуляция-полиэлектролитами биологической системы, представленной зооглейно-мицеллярным конгломератом микроорганизмов активного ила с плохими седиментационными свойствами, адвективно выносимого с очистных сооружений биологической очистки в водные объекты в холодное время года и в периоды смены сезонов.

Идея работы: использование способа интенсификации седиментацион-ной способности активного ила, представленного микроорганизмами с преобладающим конструктивным обменом, ингибирования их прироста в холодное время года на сооружениях биологической очистки для повышения качества вод природных водных объектов в регионах с резко континентальным климатом.

Целью исследования является научное обоснование наиболее эффективного метода улучшения седиментационных свойств адвективно выносимого с очистных сооружений в водные объекты активного ила в условиях резко континентального климата для улучшения качественных показателей вод водных источников.

Основные задачи исследования:

1) Проанализировать современные способы доочистки биологически очищенных сточных вод с позиций технологической и эколого-экономической эффективности в суровых климатических условиях.

2) Оценить возможности биологической очистки в регионах с резко континентальным климатом.

3) Обосновать эффективность применения конкретных способов доочистки стоков в районах с длительным холодным периодом.

4) Экспериментально обосновать выбор эффективных режимов агрегирования частиц зооглейно-мицеллярных агрегатов активного ила.

5) На основании исследования усовершенствовать типовую схему биологической очистки сточных вод для регионов с резко континентальным климатом.

Методологической базой исследования в области биохимической очистки сточных вод в суровых климатических условиях послужили работы Быковой С. П., Ливке В. А., Поповой Г. П., Поклонского И. К. и др., в области механизма флокуляции работы Борца М. А., Вейцера Ю: И., Карасева К. И., Кульско-го JI.A., Jla Мера В. К., Мязина В. П., Неберы В. П., Фоши C.B. и др.

Методы исследования. При использовании комплексного подхода в работе применен общелогический структурно-функциональный метод системного анализа, методы эмпирического исследования: эксперимент, наблюдение, сравнение, описание, измерениеметоды теоретического исследования: гипоте-тико-дедуктивный метод, метод восхождения от абстрактного к конкретномустатистические методы, метод обобщений.

В экспериментальных исследованиях применены методы: микроскопический, фотометрический, метод обработки данных наблюдений с использованием математической статистики. В работе использованы методические рекомендации по проведению оперативного гидробиологического контроля на сооружениях биологической очистки.

Положения, выносимые на защиту.

1. Работа очистных сооружений биологической очистки в условиях резко континентального климата отличается цикличностью, не зависящей от технологического процесса, ввиду чего в весенне-осенние сезоны необходимо применять меры по перманентной минимизации поступления активного ила в водные объекты — приемники стоков.

2. Защита водотоков от выноса активного ила в условиях резко континентального климата наиболее эффективна с использованием флокулянтов, а выбор типа электролита основан на максимальной эффективности и оптимальном расходе флокулянта для интенсификации седиментационной способности ад-вективно выносимого активного ила.

3. Предложенная основа усовершенствованной технологической схемы, биологической очистки стоков для условий резко континентального климата базируется на подаче эффективной, смеси флокулянтов на входе во вторичные отстойники и подаче обработанного флокулянтом ила в «голову» сооружений.

Достоверность научных положений, подтверждена использованием стандартных методик, выполнением аналитических работ в лаборатории, имеющей государственную аттестациюустановлением качественной и количественной сходимости расчетных характеристик с имеющимися материалами стационарных наблюдений, удовлетворительной сходимостью лабораторных и натурных исследований при доверительной вероятности не менее 95%.

Личный вклад автора состоит в: анализе и оценке возможности применения современных методов до-очистки сточных вод в районах с суровыми природно-климатическими условиями;

— выявлении цикличности в работе очистных сооружений биологической очистки в регионах с резко-континентальным климатом;

— проведении экспериментальных исследований флокуляции биологической дисперсной системы, представленной зооглей-но-мицеллярными конгломератами психрофильной микрофлоры хлопка активного ила полиэлектролитами, определение их эффективных видов и доз;

— математической обработке данных и установлении вида зависимости между скоростью уплотнения иловой жидкости, коэффициентом пропускания надиловой жидкости и расходом эффективных флокулянтов;

— предложенном усовершенствовании технологической схемы действующих очистных сооружений биологической очистки для минимизации сбрасываемых загрязнений в водные объекты с целью улучшения их качественных показателей в районах с резко континентальным климатом.

Научная новизна: выявлена цикличность в работе сооружений биологической очистки сточных вод в регионах с резко континентальным климатомпредложено и научно обосновано применение флокулянтов и оптимальные режимы по их расходам в схеме биохимической очистки в вышеуказанных регионахпредложен метод прерывания запуска действия механизма процесса естественного ухудшения седиментационных свойств активного ила.

Практическая значимость исследования заключается в: а) улучшении качества вод водных объектов регионов с резко континентальным климатом за счет интенсификации седиментационной способности активного илаб) интенсификации гравитационной коагуляции в первичных отстойниках за счет использования предложенного метода в стандартной схеме биологической очисткив) возможности ингибирования конструктивного обмена микроорганизмов в зимнее время за счет предложенного способаг) рекомендациях по применению флокулянтов на очистных сооружениях биологической очистки в районах с резко континентальным климатом в периоды повышенного адвективного выноса активного ила.

Результаты исследований используются при чтении лекций и проведении лабораторных занятий по дисциплинам «Химия и микробиология воды», «Улучшение качества вод» в Читинском государственном университете. Внедрение и использование результатов диссертационных исследований в производстве и в учебном процессе подтверждено соответствующими актами.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на 6 и 7 Всероссийских научно-практических конференциях «Кулагинские чтения в 2006, 2007 годах, на 9-ом международном симпозиуме «Чистая вода России-2007», ежегодных научно-практических конференциях ЧитГУ и научных семинарах кафедры ВХИЭ в 2005; 2009 г. г.

Публикации. Основные положения диссертационной работы представлены в 9 работах, в том числе одна статья в издании, рекомендованном ВАК для публикации результатов кандидатских и докторских диссертаций. По результатам исследования подана заявка на выдачу патента на изобретение.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 150 наименований. Работа изложена на 150 страницах, включая 12 таблиц, 21 рисунок, 3 приложения на 4 страницах.

3.5 Выводы.

В результате проведенных экспериментов по флокулированию адвектив-но выносимого с очистных сооружений биологической очистки активного ила, биоценоз которого сложился естественным путем при соблюдении стандартных технологических операций в холодное время и в период экстремальных суточных перепадов температур при смене сезонов сделаны следующие выводы:

1. Анионоактивные флокулянты не эффективны в процессе флоку-ляции данной биологической системы.

2. Катионные флокулянты оказывают наибольшее влияние на грязевые включения в составе сточной жидкости и в меньшей мере на процесс флокуляции биологической системы активного ила.

3. Наилучший результат по образованию сфлокулированных агрегатов получен при применении смеси двух флокулянтов: ВПК и ПААсф.

4. При выборе критериев для математического описания принято во внимание наличие взаимосвязи между скоростью уплотнения хлопка активного ила, коэффициентом пропускания надиловой жидкости и расхода эффективного флокулянта.

5. Экспериментальные данные для смеси флокулянтов описываются логарифмической зависимостью между указанными параметрами.

6. На действующих очистных сооружениях введение рекомендуемых доз флокулянтов для получения ожидаемого эффекта необходимо производить на входе во вторичные отстойники.

7. Предложенный метод повышает качество очистки сбрасываемых сточных вод без применения сооружений, требующих больших капитальных затрат, улучшает качество поверхностных вод — приемников биологически очищенных стоков, улучшая в целом экологическую ситуацию водных объектов в регионах с резко континентальным климатом.

4 УЛУЧШЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ В РЕЗУЛЬТАТЕ ПРИМЕНЕНИЯ ПРЕДЛАГАЕМОГО МЕТОДА.

При поступлении в водный объект примесей активного ила процессы, приводящие: к ухудшению качества воды, превалируют над процессами самоочищенияЭкосистема водного объекта изменяется в этом случае необратимо^ и наблюдается прогрессирующее загрязнение вод.-В:результате водный объект теряет свое: значение не только как среда обитания-полезных гидробионтов, но и как «фабрика» по продуцированию водных ресурсов, пригодных к использованию: Особенностью: любых загрязнений, даже сравнительно малой интенсивности (микрохимических)-, является: их медленное и незаметное действие в. форме хронических интоксикаций,, которые могут приобретать массовый характер;

Опытами установленочто при очень длительном (1 —1,5 года) и постоянном внесении в воду значительных количеств легкораспадающегося органического вещества не только возрастает концентрация^ органических веществ, происхождение которых связано с увеличением' биомассы бактерищ грибов^водо-рослей, высшей? водной^ растительности, зоопланктона, но. и повышается* концентрация кремния, общего железа и фосфора;

Загрязнение природных вод обусловлено, в значительной степени, несовершенными технологиями очистки стоков. В частности, распространенный, метод биологической очистки городских сточных вод ведет к значительному ухудшению качественных показателей принимающих сбросы водотоков.

Взвешенные вещества в сбрасываемой очищенной сточной жидкости представляют собой практически не выпавший в осадок активныйил и имеют достаточно близкий с последним микроэлементный состав.

В целом, это ведет к загрязнению водных объектов не только-взвешенными веществами, но и минеральными, а также стойкими и трудноподдающимися окислению органическими соединениями, нарушению кислородного режима в водотоке. Изменение газового режима приводит к изменению адаптированного естественного биоценоза, обеспечивающего процессы самоочищения. При этом резко возрастают значения показателей качества воды в водных объектах, зависящие от концентрации органических веществ: БПК — комплексного биохимического и гидробиологического показателя, ХПК — косвенного показателя содержания биохимически «жестких», в основном, органических веществ. Исследования показывают, что только 35% суммы органического вещества по ХПК относится к растворимому усвояемому органическому веществу, а 40% представляют собой недиализуемые большие молекулы. Такое содержание приводит к увеличению соединений с антиокислительной" активностью. Анти-оксиданты взаимодействуют с перекисями. и их радикалами или. между собой. В комплексе их антиокислительное действие увеличивается, что приводит к торможению процесса самоокисления органических веществ растворенным кислородом. А это, в свою очередь, приводит к увеличению в составе очищенных сточных вод группы стойких органических веществ, которые поступают в водный объект и значительно ухудшают качественные показателей способность к самоочищению водных объектов.

Кроме этого, органические вещества в сбросных сточных водах представляют собой ассоциированные комплексы органических и неорганических соединений, в том числе и органометаллические комплексы. С увеличением сброса очищенных сточных вод, содержащих адвективно выносимый активный ил, возрастает концентрация микроэлементов в воде и донных отложениях водных объектов.

Содержание в иле водных объектов, принимающих стоки, титана, бария, марганца, кобальта, молибдена, йода в 5 — 10 разцинка, никеля, и свинца в 100 разхрома и меди более, чем в 1000 раз превышает их концентрации в живом веществе организмов суши.

В форме сложных органоминеральных комплексов, преимущественно во взвешенном состоянии, происходит миграция — тяжелых металлов. Имеются данные, что на участках, отдаленных от мест загрязнения, большая часть соединений азота, фосфора, металлов определяется не в виде минеральных соединений, а в составе органических и взвешенных веществ. Аккумуляция их во взвеси и донных отложениях значительно влияет на биохимические процессы, деструкции органических веществ.

Взвеси и коллоиды очищенных городских сточных вод, представленные частицами активного ила, содержат до 80% органических веществ. Было установлено при изучении распада органических веществ бытовых сточных вод при аэрации в присутствии активного ила, что даже при полной нитрификации в очищенной жидкости не удается понизить перманганатную> окисляемость ниже 20 мг/л. Сама. жидкость при-длительной аэрации приобретает желтоватый оттенок из-за образования стойкого органического вещества.

При этом следует отметить, что твердая фракция органических веществ очищенных сточных вод, представленная хлопьями активного ила, окисляется в очень малой степени: Известно, что скоростьбиоразложения любого >химического соединения, находящегося во взвешенном’состоянии, значительно меньше, чем скорость-его'биоразложения в растворенном виде. Вфезультате, в-водотоках, принимающих такие сбросные воды, концентрация трудно окисляемых органических веществ возрастает. Органические загрязнения являются хорошей средой для развития бактерий, вирусов, грибков, составляющих бактериальное загрязнение.

Концентрации растворенных соединений в водной среде водных объектов во много раз> ниже их концентраций внутри клеток большинства микроорганизмов. Следовательно, концентрация органических соединений в природных водах достигают некоторого, порогового уровня, при котором возможна жизнедеятельность. только тех микроорганизмов, которые обладают эффективной системой* потребления этих соединений: Многие микроорганизмы способны использовать разнообразные химические соединения, но проникнуть в клетку микроорганизмов могут только химические соединения с малой молекулярной массой.

Избыток органических веществ ведет к нарушению равновесия в экосистеме, что сказывается на химико-биологическом состоянии водных объектов. При этом следует отметить, что заметное ухудшение качества воды водотоков, принимающих сбросные воды, происходит не только в период поступления, но и в результате вторичного загрязнения, вызванного разложением органической части донных отложений, образующихся при частичном оседании твердой фазы стока. Накопление полуразложившихся остатков приводит к заиливанию дна водотока.

В целом, все перечисленные факторы ведут к деструкционным процессам в водных объектах, принимающих биологически очищенные стоки.

В районах с резко континентальным климатом стрессовая экологическая ситуация водных объектов, вызванная сбросом биологически очищенных сточных вод, усугубляется природно-климатическими экстремальными условиями. с длительным холодным периодом. Влияние загрязнений на химико-биологическое состояние водных объектов в этих условиях особенно ощущается.

В среднем, концентрация взвешенных веществ в виде адвективно выносимых частиц активного ила в сбросе сточных вод в реку Чита с городских сооружений биологической очистки составляет 33,8 мг/л. При этом следует отметить, что в периоды повышенного адвективного выноса такая концентрация о достигает 50,0 мг/л и выше. При общем сбросе 36 500 ООО м в год (проектная мощность очистных сооружений) в реку поступает ежегодно, в среднем, до 1233,7 т взвешенных веществ в виде частиц активного ила. В периоды повышенного выноса (50,0 мг/л) такая концентрация достигает 5 тонн В’сутки.

Ясно, что при таком постоянном поступлении загрязняющих взвешенных веществ в виде частиц активного ила состояние принимающего водотока — р. Чита прогрессирующе ухудшается.

Исходя из данных лабораторных экспериментов, в результате применения разработанной автором технологии происходит, как показано далее, улучшение оседания адвективно выносимого активного ила почти в два раза (1,74 раза). Применение предлагаемой технологии приводит к количественному снижению поступающих в водный объект взвешенных веществ во столько же раз. В результате происходит компенсация эффекта внешней нагрузки на водные источники по взвешенным веществам.

Это означает, что количественные значения показателей содержания таких ингредиентов, как ХПК, БПК, органометаллических комплексов, стойких органических веществ, взвешенных веществ ниже сброса очищенных городских сточных вод также значительно понижаются. Содержание кислорода при этом возрастает. В целом, это приводит к повышению самоочищающей способности водного объекта — приемника сбросов и к улучшению водно-экологической обстановки.

В регионах с резко континентальным климатом применение флокулянтов предлагается только в экстремальные периоды, когда экосистемы принимающих стоки водотоков наиболее уязвимы и происходит повышенный адвективный вынос активного ила. Коэффициент смешения в такие периоды равен 0. Поэтому в расчетах концентрации взвешенных веществ, допустимой к сбросу, например, в водный объект рыбохозяйственного значения — р. Чита, следует принимать предельно допустимую концентрацию водных объектов рыбохозяйственного значения. В действующем в настоящее время «Приказе № 96» от 28 апреля 1999 года «О рыбохозяйственных нормативах» Государственного Комитета Российской Федерации по рыболовству в общих требованиях к составу и свойствам воды водных объектов, используемых для рыбохозяйственных целей указывается, что содержание взвешенных веществ в контрольном створе (пункте) не должно увеличиваться по сравнению с естественными условиями более, чем на 0,25 мг/куб. дм. Можно сделать вывод, что концентрацией взвешенных веществ, допустимой к сбросу в такие периоды (когда коэффициент смешения имеет нулевые значения) является 0,25 мг/дм3. На практике же средняя концентрация взвешенных веществ именно в эти периоды достигает 50 и более мг/куб. дм.

Расчет предполагаемого экологического эффекта от внедрения предлагаемого способа.

1. Расчет платы за сброс взвешенных веществ до внедрения предлагаемого способа.

В основе расчета — средняя годовая концентрация взвешенных веществ в о сбросе с очистных сооружений г. Чита в р. Чита (33,8 мг/дм) с учетом ПДК (0,25 мг/дм3), получаем количество взвешенных веществ в виде активного ила в тоннах за год:

3,38* 10″ 5−9,125 * 10″ 7) т/м3 *10'5* 36 500 000=1222,75 тонн/год В соответствии с действующим в настоящее время постановлением Правительства российской Федерации № 344 о нормативах платы за сбросы загрязняющих веществ норматив платы за сброс 1 тонны взвешенных веществ в пределах установленных лимитов сбросов равен 1830 рублей. Плата за сброс:

2 237 632,5 руб * 1,05 *1,62 = 3 806 212,8 руб, где 1,05 — коэффициент, учитывающий экологический фактор состояния водного объекта для Читинской области (Забайкальского края).

1,62 — коэффициент, учитывающий переход от 2003 (дата принятия постановления) года к 2009 году.

С применением предложенного метода содержание взвешенных веществ о понижается с 33,8 мг/куб. дм до 16,2 мг/дм (в 1,74 раза) в среднем в год. Плата за сброс тогда составит: (1,62 *10″ 5- 9,125*10″ 7) * 36 500 000 = 584 т 584 * 1830 * 1,05 * 1,62 = 1 817 892,7 рублей.

Экологический эффект составит: 3 806 212,8 руб. — 1 817 892,7 руб.= 1 988 320,1 руб./год ~ 2000 тыс. руб./год.

Для реки Чита предполагаемый природоохранный эффект выражается в снижении количества поступающего со стоками биоорганического материала, рассчитанного следующим образом:

Средняя годовая концентрация взвешенных веществ в сбросе с очистных сооружений г. Чита в р. Чита (33,8 мг/дм3).

С учетом ПДК (0,25 мг/дм), количество взвешенных веществ в виде активного ила в тоннах за год в р. Чита:

3,38*10'5−9,125 * 10″ 7) т /м3 *10″ 5* 36 500 000=1222,75 тонн/год Применение предложенного метода снижает содержание взвешенных веществ с 33,8 мг/куб. дм до 16,2 мг/дм (в 1,74 раза) в среднем в год.

Количество взвешенных веществ в виде активного ила в тоннах за год в р.

Чита:

1,62 *10−5- 9,125*10″ 7) * 36 500 000 = 584 т.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате выполненной работы установлено, что:

1. Водные объекты — приемники биологически очищенных стоков в регионах с резко континентальным климатом подвергаются повышенному загрязнению биоорганическим материалом.

2. Периоды повышенного загрязнения водоприемников биоорганическим материалом связаны с цикличностью в работе очистных сооружений биологической очистки, обусловленной природно-климатическими условиями региона, и не устраняются проведением стандартных технологических операций.

3. Эффект внешней нагрузки по взвешенным веществам на водные источники можно компенсировать улучшением седиментационной способности активного ила на очистных сооружениях. Приоритетным для решения задачи в условиях резко континентального климата является физико-химический метод с использованием флокулянтов.

4. При анализе динамики и механизма образования, по уплотнению сфло-кулированных агрегатов зооглейно-мицеллярных конгломератов активного ила, сложившегося в естественных условиях под воздействием длительного периода низкой температуры и ее резких суточных перемен, при внесении реагентов с различными функциональными группами наилучшие показатели имеет смесь.

3 3 флокулянтов: ВПК + ПАА сф в концентрациях 0,25 мг/дм и 1,5 мг/дм соответственно.

5. Математической обработкой экспериментальных данных установлено, что имеет место логарифмическая зависимость между скоростью уплотнения хлопка активного ила и расходом эффективного флокулянта и линейная зависимость между коэффициентом пропускания надиловой жидкости и расходом эффективной смеси полиэлектролитов.

6. На основании проведенных исследований предложено:

1) В регионах с резко континентальным климатом компенсировать эффект внешней нагрузки по взвешенным веществам на водные объекты введением эффективной смеси флокулянтов на очистных сооружениях биологической очистки на входе во вторичные отстойники.

2) В технологии очистки использовать свойства образовавшейся сверх-мицеллярной структуры для интенсификации гравитационной коагуляции в первичных отстойниках подачей в них сфлокулированных агрегатов.

3) Прерывать запуск действия механизма процесса естественного отбора ухудшения седиментационных свойств активного ила подачей обработанного флокулянтами ила «в голову сооружений».

4) Использовать свойства сверхмицеллярной структуры для ингибирова-ния конструктивного обмена микроорганизмов подачей обработанного флокулянтами ила в канал возвратного ила.

Предлагаемая автором технология позволяет улучшить качество вод водных объектов по содержанию биоорганического материала адвективно выносимого активного ила.

Таким образом, в результате исследования решена важная научно-практическая задача по улучшению водно-экологической обстановки в регионах с резко континентальным климатом.