Глубокая очистка сточных вод от трудноокисляемых органических загрязнений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.04, кандидат технических наук Нечаев, Игорь Алексеевич

• Нечаев, Игорь Алексеевич
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Нечаев, Игорь Алексеевич

ВВЕДЕНИЕ.

1.СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА УДАЛЕНИЯ ТОКСИЧНЫХ И ТРУДНООКИСЛЯЕМЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ И 3 СТОЧНЫХ ВОД.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ОСНОВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

4.1. Деструкция продуктов переработки нефти биосорбционным методом.

4. ]. I. Окисление гесадекана.

4.1.2. Биоразложение ксилола.

4.2. Изучение кинетики биосорбционного окисления хлорорганических соединений.

4.2.1.Деструкция хлорфенола в биосорберах.

4.2.2. Удаление дихлорэтана на биосорберах.

4.3. Оценка эффективности удаления органических совдинений,. содержащих фосфор, биосорбционным методом.

4.4. Окисление СПАВ в биосорберах.

5. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛГОГИИ ГЛУБОКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД БИОСОРБЦИОННЫМ МЕТОДОМ.

5.1. Испытания на реальной сточной воде АФ «Токем».

5.2. Экономическое обоснование биосорбционной счистки производственных стоков от трудноокисляемых и токсичных веществ.

5.3. полупромышленные испытания на биологически очищенной сточной воде очистных сооружений пос. Свердловский.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Глубокая очистка сточных вод от трудноокисляемых органических загрязнений»

Сброс сточных вод промышленности, сельского хозяйства и хозяйственно-бытовых стоков является существенным фактором, вызвавшим серьезное загрязнение водоемов веществами антропогенного характера. Самоочищающая способность водоемов не обеспечивает их восстановления. Это привело к увеличению в водоисточнике как отдельных загрязнений, так и общего содержания органических веществ, и, в конечном итоге, обусловило ухудшение общей экологической ситуации в стране.

Одним из важнейших вопросов в решении проблемы предотвращения загрязнения водных объектов сточными водами является изыскание наиболее эффективных методов очистки сточных вод и рациональных конструкторских и технологических решений, обеспечивающих увеличение мощности очистных сооружений, повышение эффективности их работы и повышение качества очищенной воды. Традиционные методы биологической очистки часто не обеспечивают современные высокие требования к качеству очищенных сточных вод при их сбросе в водоемы. В то же время использование методов физико-химической и химической очистки сточных, вод в большинстве случаев оказывается малоприменимым из-за большого расхода дефицитных и дорогих реагентов. Кроме того, например, реагентный метод часто приводит к увеличению солесодержания очищаемой воды и образованию большого количества трудно обрабатываемых осадков.

В настоящее время в большинстве развитых стран особое внимание уделяется разработке и внедрению технологий биологической очистки с использованием иммобилизованных микроорганизмов. Такие технологии реализуются как оснащением уже существующих аэрационных сооружений специальными насадками, так и строительством специально разработанных сооружений.

Наиболее перспективными являются сооружения с псевдоожиженным слоем гранулированного загрузочного материала. В этом случае в качестве загрузки может быть использован широкий спектр различных зернистых или гранулированных материалов, что позволяет расширить область применения метода в целом.

Российские требования к качеству сточных вод перед их сбросом в водоем являются одними из наиболее жестких в мире. Так, например, требования к качеству сточных вод при их сбросе в водоем для стран членов Общего рынка и Финляндии по БПК и взвешенным веществам составляют 15-20 и 20-30 мг/л, для России, соответственно 2-Змг/л и 3 мг/л.

Таким образом, для условий России становится обязательным включение в технологическую схему ОЧИСТКИ сточных еод сооружений доочистки, которые должны обеспечивать глубокое и эффективное удаление как традиционных, так и специфических загрязнений антропогенного происхождения.

В связи с этим основная цель настоящей работы - разработка технологии и методики расчета сооружения - биосорбера для глубокого удаления из сточных вод токсичных и трудноокисляемых загрязнений.

Научная новизна

• Впервые изучена кинетика разложения биосорбционным методом трудноокисляемых и токсичных органических загрязнений, наиболее часто встречаемых в биологически очищенных сточных водах и нормируемых при сбросе в водоем (нефтепродукты, хлор- и фосфорорганические соединения, СПАВ). Получены кинетические зависимости и константы уравнений ферментативной кинетики для этих веществ.

• Научно подтверждена ключевая роль активированного угля в удалении трудноокисляемых органических загрязнений. Установлено, что единственным способом достижения нормативов ПДК рыбохозяйственного водоема является применение в биосорбционных сооружениях сорбционных материалов.

• Определены оптимальные условия для проведения процесса биосорбционного окисления трудноокисляемых и консервативных веществ.

Новизна научных результатов и технологий подтверждена патентами на изобретение:

1. «Способ очистки от хлорорганических соединений» Пат.N22005695. Заявл. 05.12.91г. .

2. «Способ очистки воды от трудноокисляемых органических соединений». Пат.№2079447.Риссия, МКИ (6) С 02 Р 3/02. Заявл. 08.11.1994г. Опубл. 20.05.97r. Бюл. №14

3. «Способ биологической очистки воды от трудноокисляемых органических соединений». Патент. Решение РОСПАТЕНТа о выдаче от 23.05.2000г. Заявка № 2000104092.

Практическое значение работы.

• Разработана технология очистки сточных вод от трудноокисляемых органических веществ на биосорберах до нормативов ПДК рыбохозяйственного водоема.

• Получены технологические расчетные параметры глубокой очистки сточных вод на биосорберах.

• Разработана методика расчета биосорбера.

Разработанная технология апробирована на полупромышленной установке, работающей на тонкосуконной фабрике поселка, им. Я.М.Свердлова, заложена в проект АФ «ТОКЕМ».

Ориентировочный годовой экономический эффект по приведенным затратам может составить 5^9тыс.руб.

Заключение диссертации по теме «Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов», Нечаев, Игорь Алексеевич

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Промышленные сточные воды предприятий химической, нефтеперерабатывающей и др. отраслей промышленности требуют локальной очистки перед выпуском в городскую канализацию или в водоем, так как концентрации специфических ингредиентов и органических загрязнений по ХПК в стоках может в десятки раз превышать нормативные требования. Анализ отечественных и зарубежных литературных источников показал, что биосорбционный метод обеспечивает широкие возможности решения задач экологической безопасности объектов, сточные воды которых загрязнены трудноокисляемыми и токсичными органическими веществами.

2. Впервые изучена кинетика разложения биосорбционным методом трудноокисляемых и токсичных органических загрязнений, наиболее часто встречаемых в сточных водах и нормируемых при сбросе в водоем (нефтепродукты, хлор- и фосфорорганические соединения, СПАВ). Получены кинетические зависимости и константы уравнений ферментативной кинетики для этих веществ.

3. Научно обоснована ключевая роль активированного угля в удалении трудноокисляемых органических загрязнений. Установлено, что единственным способом достижения нормативов ГЩК рыбохозяйственного водоема является применение в биосорбционных сооружениях сорбционных материалов.

4. Разработана технология очистки сточных вод от трудноокисляемых органических веществ на биосорберах до нормативов ПДК рыбохозяйственного водоема. Получены технологические расчетные параметры глубокой очистки сточных вод на биосорберах.

5. Большой объем экспериментальных исследований с различными классами органических загрязнений и найденные кинетические константы биосорбционного окисления этих веществ позволили произвести оптимизационные расчеты с целью разделения процесса по ступеням и определения степени очистки на каждой ступени.

6. Сравнительная технико-экономическая оценка показала, что оптимизация технологической ©семы на основе кинетических уравнений и полученных констант позволяет сократить приведенные затраты на строительство очистных сооружений в 3 раза. Ожидаемый экономический эффект составит 349 тыс. рублей.

7. Экспериментально установлено, что сооружение с прикрепленными микроорганизмами, обеспечивает более глубокую очистку воды от органических загрязнений, чем сооружения со свободноплавающей биомассой. При иммобилизация создаются благоприятные условия для адаптации, осуществлению процессов автоселекции и отбора, приводящие к формированию специфических биоценозов, обладающих эффективным метаболизмом при низкой скорости роста, не способных развиваться в сооружениях со свободноплавающей микрофлорой. За счет иммобилизации достигается более глубокая очистка по БПК и ХПК, а самое гпавное, появляется возможность удаления из сточных вод трудноокисляемых органических загрязнений. Определены оптимальные условия для проведения процесса биосорбционного окисления трудноокисляемых и консервативных веществ.

8. Разработанная в процессе исследований технология биосорбционной очистки рекомендуется к использованию при создании локальных очистных сооружений промышленных предприятий и сооружений доочисгки, сточные воды которых содержат трудноокисляемые и токсичные загрязнения (нефтепродукты, хпор-фосфорорганические соединения СПАВ и др.)

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Нечаев, Игорь Алексеевич, 2000 год

1. Smith Sidney. A Process for Rurifying Water. Патент № 1120311, Англия.

2. Патент № 1424872, C02, Франция.

3. Артамонова H.A. и др. Способ очистки сточных вод, содержащих синтетические анионные ПАВ. Патент № 2077505, Россия. МПК С 02 F1/58. Опубл .20.04.97.

4. Fhier О. «Озон для обработки механической и питьевой воды». Maschinenuerd und elektrotechnide. 1981, т35, №5, стр.129-133.

5. Orgler К., «Технические и экономические возможности производства озона в количестве более 1т в час.» Wasser Berlin. 1981, N5.

6. С.Н.Бурсова, В.И.Жаворонкова, Р.Ф.Моисеева. «J чистка сточных вод от ПАВ озонированием», Водоснабжение и санитарная техника, 1990г.,№7.

7. Хоята Фумитака Юкава Такащ. Япония, № 54-55179, заявл.01.11.77г., № 52-1318000, опубл.25.05.79г.

8. Handbook of ozone technology and application. Boston.1984.V.2.

9. Рожнятовский И. И. Озонирование сточных вод коксохимических заводов -эффективный метод обеззараживания.

10. Daiel, Spassov. « Возможности радиционно-химической очистки сточных вод, содержащих додецилбензолсульфонаты и нонилфенилполигликолевые эфиры». Istopenproxis 1979г., т15, №7.

11. Ласков Ю.М., Шеханцев И.М. «Исследование возможности очистки сточных вод, содержащих анионные СПАВ, озонированием.» Сб.трудов МИСИ, 1971г.,№87.

12. Коренков В Н. и др. « Способ очистки сточных вод от поверхностно-активных веществ». Авт. сеид. СССР. Кл. С02 С5/04, №607785, зачв.09.01.76. .опубл.26.04.78г.

13. Патент США, №4305311, С02 1\52, опубл. 11.12.81г.

14. Смотрекова М.Д. и др. « Использование перекиси водорода для обезвреживания концентрированных растворов пенообразователей» Нефтепереработка и нефтехимия, М-1984г. №5.

15. Rechard Jves, Brener Lucieu. «Удаление детергентов из питьевой воды при помощи озона». Ozone techendog and Appl., N22, Baston e.a. 1984, p.63-75.

16. Патент США № 5116509. Способ очистки сточных вод ультрафилетовым облучением. МКИ В 01D 61/42, В01 D 61/44. Опубл. 26.05.92г.

17. Geschaftsubernnahme über H202/UV-oxidation in Techikumsanlage. Galvanotechnik. 1993, 84, №9.

18. Undersuchungen im Bereich UV-Oxidation. Galvanotechnik. 1993, 84, №10.

19. Verfahren und Vorrichtung zur Abwasserbehandlung. Патент ФРГ № 4000369. МКИ С 02F 1/32, С 02F 1/72. Опубл. 11.07.91г.

20. Verfahren und Vorrichtung zur Photolyse von organischen Schaaaaaadstoffen in Wasser. Патент ФРГ №4111663. МКИ С 02F 1/32. Опубл. 15.10.92г.

21. Jue Р., Bickley R. «Mineral water from waste». Chem.Brit. 1992, 28, №11ю

22. Kaouah F., Ait-Amar Н. Адсорбция некоторых органических соединений, содержащихся в воде, на активном угле и минеральной глине. Tech., sei., meth.-1998. №3.

23. Graese S.L. Granular Activated Carbon Filter-Adsorber System. Jour.AWWA, 1987.Dec.

24. Биотехнология. Под ред. акад. ААБабаева. "Наука", Москва, 1984г.27. .G.F.Fndrews.Chi Tien. An Analisis of Bacterial Growth in Fluidized-Bed Adsorption Colomn. AIChE Journal, vol.28,N 2p.182-189.1982

25. Очистка сточных вод с использованием Linpor-способа. Renz Sanierrung einer Restabwasser-klaanlage mit dem Linpor Verfahren. "Wasser, Luft und Betr. ""1986 (1), N1-2, 52, 54, 56-57.

26. Прикрепленная микрофлора при биологической очистке "Chem. Ing. Techn." 1984, 56, N8, 599-608.

27. Биодеструкция ксенобиотиков в реакторах со стационарным слоем загрузки." Environ Progr." 1993, N12, N4, 306-311.

28. Очистка сточных вод отбеливания целлюлозы в анаэробно-аэробньсх системах со взвешенным слоем загрузки .Fahmy и др. Water Sei. AndTechnol. 1991, 24, N3, 4.

29. Окисление в биореакторе с трубчатой загрузкой. Kojema Syunshi, "Toxico!. And Env." 1993, 39, N3, 242-246.

30. Загрузочный материал для биологической очистки сточных вод. Россия, пат. N2004505. МКИ С 02 Г/08. Шимко И.Г., Шматова В.Н. и др. Заявл. 1992, опубл. 1993, БИ 45-46.

31. Процесс биоразложения примесей хлорированных углеводородов в сточныхводах. "Chem. Eng." (USA), Suppe, 1993.

32. Голодные микроорганизмы утилизируют метилвнхлорид. SommerfieW, Tomt. и др. "Chem. Procees" (USA), 1992, 55, N3.

33. Зв.Гвоздяк П.И., Могилевич Н.Ф., Куликов И., Романова Е.А.,Неэдойминов В.И. Очистка фенолсодержащих сточных вод закрепленными микроорганизмами. //Химия и технология воды.-1989.-11, N1.-C.73-75 -Рус.; рез. англ.

34. Швецов В.Н., В.М.Власкин Формирование биопленки на твердом носителе при очистке сточных вод в биосорберах. Труды института ВОДГЕО. Очистка сточных вод и обработка осадков замкнутых систем водного хозяйства промышленных предприятий. М., 1985г.

35. Ред. Алексеев М.И. Сооружения и способ природных и сточных вод. //ЛИСИ. Межвузовский темат. сб. тр.-Л.-1990.-94с. ил.-Рус.

36. Giller P. Промышленное испопьзование биофильтров на побережье Франции. Проектирование, опыт эксплуатации. //Water Sei. & Tech no.-1990.-22, N1-2-C.281-292.-Англ.

37. HaggbJom Max M., Apajalahti Juha H.A.,Salkinoja-Salonen M.S. Разложение (биологическое) хлорированных фенолов, присутствующих в сточных водах целлюлозного производства. Water Sci.& Technol.-1988.-20,N 2.-С.205-208-англ.

38. Reiily Kirk Т. & К. Использования иммобилизованных бактерий для разложения арамотический компонентов сточных вод деревообрабатывающих производств. //Water . Sei.& Techno!.-1988(1989).-20, N 11-12.-С. 95-100.-Англ.

39. Пат.DD 283129А5, ГДР, МКИ С 02 F 3/12. Способ биохимической очистки циансодержащих сточных вод. Заявл. 16.05.89; опубл. 03.10.90.

40. Guteyas Holger, Holst Joachim. Z. Исследования биологической регенерации насыщенного загрязнениями активного угля. Wasser-und Abwasser- Forsch.-1989 -22,N4 С.170-174(нем.)

41. Möbius С.Н. Биофильтрация метод достижения требуемых законодательством характеристик сточных вод. //Papier.-1991.-45, N 10А-С.49-55.-Нем,; рез. англ.

42. Haser W.M., Wolki M. Возможности биологической фильтрации при доочистки сточных вод предприятий бумажной промышленности. "Allg. Pap.-Rdsch.", 1988, 112, N 24-25 654, 656, 660 (нем.).

43. Sharp К. К. «Аппарат и метод обработки сточных вод при использовании аэробных и анаэробных микроорганизмов с одновременной деодорацией выделяющихся газов». Патент США № 5578214, МПКМПК(6) В 01 D61/00, заявл.20.07.95г., опубл. 26.11.96г.

44. Weber W.J.Jr. et ai. "Biologically-Extended Physicachemical Treatment". Proc.6th.Conf.of the inter Assoc. Water Poll.Res. Pergamon Press, Oxford, U.K. 1973.

45. Weber W.J.Jr., and Sing Weichi. " Integrated Biological and Physicochemicai Treatment for Reclamation of Wastewater". Рос. International Conference on Advanced Treatment and Reclamation of Wastewater, June,1977.

46. VoncfO. Annual Review Microbiology. 1949, 3, 371.

47. Лруапимский Н.Д., Неронова Н.М. «Количественная зависимость между ■нцекрацией продуктов обмена и скоростью роста микроорганизмов», ♦клан АН СССР, 1965, т.161, №6.

48. Н.С.Печуркин, И.АТерсков. "Автоселекционные процессы в непрерывной культуре микроорганизмов". Ан.СССР, Сиб.отд. Новосибирск. 1973г.

49. Besik F. "High Rate Adsorption-Bio-Oxidation of Domestic Sewage" Water and Sew. Works, 120, 6, 1973.

50. Friedman L.D. and al. "Improving Granular Carbon Treatment". U.S.Environmental Protection Agency, Water Quality Office,GDN, Washington, 1971.

51. McGriff E.C. "Wastewater Treatment Design Related to Biological Growth Supported by Activated Carbon",U.S.Department of Commerce, Office of Water Resources Research. Publication N PB 222175, July, 1973.

52. Weber W.J.Jr., et al. "Biologically-Extended Phystcochemical Treatment", Proc.6th Conference on Water Pollution Research,Israel,Junt,1972.

53. Weber W. J. Jr "Integrated Biological and Physico-Chemical Treatment for Reclamation of Wastewater. Ind. Water Eng., 14, 7,1977.

54. Jary D.Lowry, et al. "The role of adsorption in biologically extended activated carbon coloms". Journal W.P.C.F.,vol.52., N 2,1980.

55. Vtfeichi Sing, et al., "Bio-physico-chemical adsorption model systems for wastewater treatment", Journal W.P.C.F., vol. 51., N 11, November, 1979.

56. P.Lafrance,et al. "Bacterial Growth on Granular activated carbon. An examination by scanning electron microscopy". University de Limoges, France, Technicfl note, October, 1982

57. Патент 2005695 C1 Способ очистки воды от хлорорганических соединений. Швецов В.Н., Морозова К.М., Нечаев И.А.

58. Патент 1045543. Установка для глубокой очистки сточных вод. Скирдов И.В., Швецов В.Н., Морозова К.М.

59. Патент 1367376 Установка для глубокой очистки сточных вод. Скирдов И.В., Швецов В.Н., Морозова К.М.,Захарова О.Э.

60. Wuhrnann К. "Stream purification", Water Polution Microbiology, R. Mitchell,ed., Wiley-lnterscience, New York, N.Y., 1972.

61. Robert C. Hoehn., et al. "Effects of thickness on bacterial film". J.W.P.C.F., vol. 45., N 11, 1973.

62. Van der Kooij.D. 'Process During Biological Oxidation in Filters", Oxidation Techniques in Drinking Water Treatment. W. Kuhn and H. Sontheimer,Eds.,U.S.EPA Report N 570/9-79-020, 1979,p.689-706.

63. Биотехнология. Под ред. акад. ААБаева. "Наука", Москва, 1984, 302с.

64. Werner,P., Klotz M. and R. Schweisfurth. "Microbiological Studies of Activated Carbon Filtration", Oxidation Techniques in Drinking Water Treatment. W. Kuhn and H. SortheimerTEds.,U.S.EPA Report N 570/9-79-020,1979,p.678-688.

65. Andrews, G.F., and Chi Tien "Bacterial Film Growth in Adsorbent Surfaces". AlChE Journ. (vol.27, N 3), May, 1981.

66. Л. Уэбб. Ингибиторы ферментов и метаболизма. Общие принципы торможения, изд."Мир", 1966.

67. Тривен М. Иммобилизованные ферменты. Под ред. чл.корр.АН СССР И.В. Березина. "Мир", Москва, 1983.213с.

68. Смирнов А.Д. Сорбционная очистка воды. Ленинград, "Химия" Л.О., 1982.

69. B.E.Rittmann, P.L. McCarty." Model of steady-state-Biofitm Kinetics". .Biotechnology and Bioengineering, vol.XXII, p.p.2343-2357 (1980).

70. B.E.Rittmann, C.W. Brunner. "The nonsteadystate biofilm process for advanced organics removal". JWPCF, vol.56, №7,1984.9T. Разложение гербицидов. Под ред. Керни П. и Кауфмана Д. Москва. Изд "Мир". 1971.

71. Thierrin Joseph and al. Скорости естественного разложения бензола, толуола, этилбензола, ксилола и нафталина в среде сульфатредуцирующих грунтовых вод, Hydrol. Sci.J. 1993. vol.38. N 4. р.309-322.

72. Metal E.S.ret al. Разложение 4-хлорфенола во время процесса денюрификации в кипящем слое. J. Environ. Sci. and Health А -1993., vol.28, N 8, p.1801-1811.

73. Larson R.J.,et al. Кинетика и практическое значение биоразложения линейного алкилбензолсульфоната в окружающей среде. J.Amer.Oil Chem.Soc. 1993.wl.70, N 7, p. 645-657.

74. Способ микробиологического удаления легколетучих хлорорганических соединений из загрязненных грунтовых или поверхностных вод. Заявка 3917595 ФРГ, МКИ С 02 F 3/06. Заяв.27.05.89. Опубл. 08.11.90.

75. Технологическая установка для биологического окисления хлорированных органических растворителей, заявка 3916737 ФРГ, МКИ А 62/ D -3/00. 3аявл.23.05.89. 0публ.18.01.90.

76. Способ аэробной или анаэробной очистки сточных вод. Заявка 4201167 ФРГ. МКИ С 02 F 3/08. заяв. 17.01.92. Опубл 22.07.93.

77. Crafts A.S. The Physiologiy and Biochemistry of Herbicides.Academic Press, N.Y., Chap. 3,1964

78. F. R. Brunsbach, W.Reineke. «Разложение хлорбензола специализированными микроорганизмами». Applied Microbiology Biotechnology. 1994, 42.

79. J.Havel, W.Reineke. «Деградация различных хлорированных бифенилов культурой Pseudomonas". FEMS Microbiology Letters 78,1991.

80. F.R.Brunsbach, W.Reineke. Разложение хлорированного анилина специализированными микроорганизмами. Applied Microbiology Biotechnology. 1993, 40.

81. Биохимическая деструкция хлорорганических веществ при очистке сточных вод . World Wastes. 1992. 35. №3.

82. McClure N. Fry J. С. Генная инженерия для очистки сточных вод. J.Inst. Water and Environ. Manag, -1991.5 №6.1. У»