Глубокая очистка сточных вод в биореакторах с прикреплённой биомассой тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.04, кандидат технических наук Чан Тхань Шон

• Чан Тхань Шон
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Чан Тхань Шон

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Глубокая биологическая очистка сточных вод от биогенных элементов (литературный обзор).

Выводы

ГЛАВА 2. Теоретическое обоснование процессов глубокой ^ биологической очистки сточных вод с удалением биогенных элементов.

2.1. Удаление органических соединений в аэробных условиях.

2.2. Процесс нитрификации.

2.3. Процесс денитрификации.

2.4. Анаэробное окисление азота (Апашшох). lW 2.5. Биологическое удаления фосфора.

Выводы

ГЛАВА 3. Исследование глубокой биологической очистки сточных вод с использованием прикреплённой биомассой на процессы удаления биогенных элементов.

3.1. Задачи исследований.

3.2. Моделирование исскуственной сточной воды и методы анализа.

3.3. Технологическая схема Ml. Методы проведения исследования. Результаты исследований и их обсуждение

3.4. Технологическая схема М2. Методы проведения исследования. Результаты исследований и их обсуждение

Щ* 3.5. Технологическая схема МЗ. Методы проведения исследования. Результаты исследований и их обсуждение

Выводы

ГЛАВА 4. Определение константы кинетики скорости изъятия субстрата из экспериментальных данных. Моделирование биореактора с прикрепленной биомассой.

4.1. Химическая кинетика реакции.

4.2. Теория ферментативной кинетики. Уравнение Михаэлиса-Ментена.

4.3. Применение законов биохимической для области биохимической очистки сточных вод.

4.4. Моделирование биореактора в условии стационарной кинетики.

Выводы

ГЛАВА 5. Практическое применение результатов исследований.

Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Глубокая очистка сточных вод в биореакторах с прикреплённой биомассой»

Поступление биогенных веществ оказывает существенное влияние на состояние водоёма. Но процесс антропогенного эвтрофирования обратим. При прекращении поступления в водоём хотя бы одного из биогенных элементов, качество воды в водоёме восстанавливается, поэтому, для предотвращения эвтрофикации водоёмов в различных странах мира были введены нормативы, лимитирующие сброс биогенных элементов в водные объекты. В странах ЕС норма выпуска по биогенным элементам ужесточена и составляется 10 мг/л по общему азоту и 1 мг/л по фосфору [42 ], в Китае эти цифры составляются 15 мг/л и 0,5 мг/л соответственно [79]. Наиболее жесткие требования по норме выпуска биогенных элементов предъявляются в Российской Федерации, так например, установленные предельно допустимые концентрации (ПДК) по аммонийному азоту (NH4+ -N) составляет 0,39 мг/л, азоту нитритов (N02" -N) - 0,02 мг/л, азоту нитратов (N03" -N) - 9,1 мг/л . Согласно действующим ПДК в России при сбросе сточных вод в водоёмы с 1991 года были установлены ПДК на содержание фосфатов. В последней редакции норм [42, 29] были введены предельно допустимые концентрации фосфатов для водоёмов различного уровня трофности : 0,2 мг Р/л для эвтрофных, 0,15 мг Р/л для мезатрофных и 0,05 мгР/л для олиготрофных водоёмов.

Ухудшение качества воды водных объектов напрямую связано с развитием процессов антропогенного эвтрофирования. Для решения этой сложной проблемы необходимо максимально снизить сброс в водные объекты биогенные вещества - соединения азота и фосфора.

В последние годы нормативы по сбросу биогенных веществ в водные объекты России были значительно ужесточены (до 0,05 мгР/л для олиготрофных водоёмов) и, в настоящее время, существенно превышают мировые стандарты.

Городские сточные воды являются одним из основных источников поступления биогенных элементов в водоёмы. Подавляющее большинство коммунальных очистных сооружений, построенных ранее в России, не были предназначены для глубокой очистки сточных вод (содержащих в своём составе соединения азота и фосфора) до требуемых нормативов. Это было связано, прежде всего, с тем, что ранее использованная директивная базы, а также нормативная база для проектирования очистных сооружений (СНиП 2.04.03-85 и др.) не принимала в расчёт необходимость столь глубокого удаления из очищенных сточных вод биогенных элементов. В настоящее время учёные всего мира уделяют большое внимание разработке новых и усовершенствованию существующих методов очистки сточных вод от биогенных элементов. Вопрос удаления органических веществ и биогенных веществ является первоочередным шагом в направлении улучшения качества очищенных сточных вод и в наибольшей степени отвечает задачам улучшения экологического состояния водной среды.

Целью настоящей работы является: разработка и исследование технологии глубокой биологической очистки бытовых сточных вод на биофильтре затопленного типа (биореакторе).

Задачи работы;

1. Исследование процесса удаления биогенных элементов с использованием прикреплённой на носителе активной биомассы доочистки биофильтра затопленного типа стадии доочистки.

2. Исследование процесса удаления биогенных элементов с использованием прикреплённой на носителе активной биомассы биофильтра затопленного типа (биореактор).

3. Изучение закономерностей удаления соединений азота и фосфора в процессе биологической очистки использованием прикреплённой на носителе активной биомассы.

4. Определение кинетических параметров и математических зависимостей процессов глубокой биологической очистки с использованием прикреплённой на носителе активной биомассы.

5. Определение оптимальных условий процесса и технологических параметров для расчёта необходимого количества загрузочного материала, режима подачи воздуха.

6. Теоретическая разработка методики расчета и моделирования для биофильтров затопленного типа ( биореакторов ).

7. Практическое применение разработанных технологических схем для реконструкции или строительства новых очистных сооружений.

Научная новизна

- Экспериментально доказана возможность удаления соединения азота на затопленном биофильтре (биореакторе).

- Разработана новая конструкция затопленного биофильтра с пониженной кислородной и аэробной зонами, позволяющая получать высокий эффект очистки по основным показателям: органические соединения, взвешенные вещества и азотные соединения.

- Экспериментально доказана стабильность и устойчивость биологической системы очистки сточных вод от органических веществ и соединений азота с использованием прикреплённой на носителе активной биомассы.

- Получены кинетические параметры и математические зависимости для описания процесса биологической очистки сточных вод в биореакторе с загрузочным материалом.

- Теоретически разработана методика расчёта новой конструкции затопленного биофильтра (биореактора).

Практическая значимость

- Разработаны новые технологические схемы глубокой очистки сточных вод от взвешенного вещества, органических веществ и соединений азота с использованием прикреплённой на носителе активной биомассы. - Определены основные технологические параметры работы биореактора для обеспечения глубокого удаления соединений азота и из сточных вод. Внедрение результатов

На основании результатов проведённых исследований разработан методический подход к реконструкции или проектированию вновь строящихся очистных сооружений.

На основании полученных результатов выданы рекомендации на проектирование реконструкции типовых очистных сооружений малой и средней мощности в республике Вьетнам.

Предложены новые технологические схемы глубокого удаления биогенных элементов из бытовых сточных вод для небольших городов и населённых пунктов.

Заключение диссертации по теме «Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов», Чан Тхань Шон

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1- Экспериментально доказана возможность использования систем с прикреплённым активным илом для глубокой биологической очистки бытовых сточных вод от органических веществ, взвешенных веществ и азотных соединений в различных комбинациях с чередующими пониженным кислородным и аэробными зонами.

2- Разработана принципиальная новая конструкция затопленного биофильтра, сочетающего в себе функции биохимического окислителя загрязнения и фильтрации, и позволяющего на его базе разработать новые технологические схемы глубокой очистки и доочистки бытовых сточных вод. Затопленный биофильтр может работать в качестве блока доочистки Ml (без рециркуляции и в замене вторичного отстойника), также работать самостоятельно ( с рециркуляцией R=150%) в различных схемах М2, МЗ.

3- Экспериментально установлено, что процесс удаления соединения азота в схемах М2, МЗ с рециркуляцией (R=150%) протекает, более глубоко, чем в схеме Ml с блоком доочистки при очистке сточных вод с концентрацией БПК5 до 300 мг/л.

4- Экпериментально установлено, что только биологическим путём в системе биологической очистки с применением прикреплённой биомассы не удалось снизить концентрацию фосфора (Р04 ) ниже требуемой нормы. Показано, что обеспечение требуемых норм очистки по азоту и фосфору может быть получено только в технологических схемах с раздельными процессами очистки и доочистки.

5- Определены кинетические параметры (Кт и рт) и математические зависимости для определения концентрации аммонийного азота в очищенной сточной воде затопленного биофильтра в качестве блока доочистки (Схема Ml). Получены математические зависимости для определения концентрации БПК5 и азотных соединений (NH4+, N03") при его самостоятельной работе (схема М2). Определены константы скорости изъятия органических загрязнений в пониженной кислородной зоне затопленного биофильтра (К=1,26 час*1), также получены математические зависимости для определения концентрации БПК5 в очищенной воде, и соответствующих концентрации (NH/), и (NO3") у выхода из зоны пониженного кислородного режима (МЗ).

6- Теоретически разработаны метод расчетов и моделирования для затопленных биофильтров ( биореакторов).

7- На основании результатов проведенных исследований выданы рекомендации на проектирование реконструкции типовых канализационных очистных сооружений во Вьетнаме, реконструкции очистной станции Л производительностью 20.000 м /сут.

8- Разработаны технологические схемы глубокой доочистки сточных вод в сочетании с физико-химическим методом ( коагулянты) удаления фосфора.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Чан Тхань Шон, 2005 год

1. Абрамов А.В. Биологическая и биосорбционная доочистка сточных вод на гранулированной и волокнистой загрузках./ А.В. Абрамов., Н.И. Куликов. // Сборник научных трудов ВНИИ ВОДГЕО- М.,1991. с24-29.

2. Беспамятков Г.П. Предельно-допустимые концентрации химических вешества в окружающей среде. Справочник. / Г.П. Беспамятков, Ю.А. Кротов.-Л.Химия, 1985. 528с.

3. Березин И. В. Практический курс химической и ферментативной кинетики./ И. В. Березин, А.А. Клемов.- М.: 1976.

4. Бронштейн И.Н. Справочник по математике./ И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев. -М., 1986.

5. Буцева Л. Н. Реагенный способ удаления соединения фосфора из сточных вод. / Л. Н. Буцева, Л.В. Гадурина, B.C. Шонтондина, В.Ю. Акимов, С.Е. Рубекин, В.А. Степанов .//Вода и экология 4- 2000. с 36-40.

6. Варфоломеев С.Д. Биокинетика: практический курс./ С.Д. Варфоломеев, К.Г. Гуревич. М.: ФАИР-ПРЕСС, 1999.- 720с.: ил.

7. Васильев. Б.В. Технология биологического удаления азота и фосфора на станциях аэрации./ Б.В. Васильев, Б.Г. Мишуков, И. И.Иваненко.// Журнал Водоснабжение и Сантехника 8, 2001. с22-25.

8. Воронов Ю. В. , Саломеев В.П., Ивчатов A.JI. Реконструкция и интенцификация работы канализационных сооружений./ Ю. В. Воронов, В.П.Саломеев, A.JI. Ивчатов. -М.: Стройиздат,. 1989.-224с.

9. П.Воронов Ю.В. Интенсификация работы биологических окислителей./ Ю.В. Воронов. Диссертация Д.Т.Н. 05.23.04 -М., 1989.

10. Воронов Ю.В. Примеры расчетов биологических фильтров и станции биофильтрации./ Ю.В. Воронов, В.П. Саломеев. -М., 1983. МИСИ им. Куйбышева.

11. Воронов Ю.В. К вопросу математического моделирования биофильтров./ Ю.В. Воронов, С.В. Яковлев // МИСИ сб.науч.трудов №143. Канализация и очистка сточных вод, 1977. с 21-27.

12. Гигиенические требования к охране поверхностных вод. Санитарные правила и нормы СанПиН 2.1.5.980-00.

13. Гогина Е. С. Оптимизация процесса удаления соединения азота из бытовых сточных вод./ Е. С. Гогина.- Диссертация К.Т.Н.05.23.04.- М., 2000.

14. Голубовская Э. К. Биологические основы очистки сточных вод./ Э. К. Голубовская. Учебные пособие для строительных специальных выших учебных заведений.- М., Вышая школа, 1978.

15. Дмитриева А.П. Глубокая биологическая очистка сточных вод коксохимических предприятий./ А.П. Дмитриева. -Диссертация К.Т.Н. 05.23.04. Водоснабжение и канализация, 1984 МИСИ. Науч. Руководитель Я.А.Карелин.

16. Ерелин Е.Н. Основы химической кинетики./ Е.Н. Ерелин. Учеб.способие студентов химических факультетов., М. Вышая школа- 1976.

17. Залетова Н. А. Очистка городских сточных вод от биогенных веществ. (Соединение азота и фосфора)./ Н. А. Залетова.- Диссертация доктора Т.Н. 05.23.04-М., 1999.

18. Дёрффель. К. Статистика в аналитической химии. / К. Дёрффель. Перевод с немецкого Л. Н. Петровой. Под реакцией к.т. н. Ю. П. Адлера. -М. Мир, 1994.

19. Калицун В. И. Лабораторный практикум по водоотведению и очистке сточных вод./ В. И. Калицун, Ю.Н. Ласков, Ю.В. Воронов, Е.В. Алексеев. Учебное пособие для вузов. -М., Стройиздат, 2000.-272с.

20. Ласков Ю.М. Пример расчетов канализационных сооружений./ Ю.М. Ласков, Ю.М. Воронов, В.И. Калицун. Учебное пособие.- М., Стройиздат, 1986.- 158с.

21. Лурье Ю.Ю. Унифицированные методы анализа вод./ Ю.Ю. Лурье.-Москва. Химия. 1971.

22. Методика технологического контроля работы очистных сооружений городской канализации.-Москва.Стройиздат, 1977.

23. Морозова К.М. Очистка шерстомойных сточных вод от органических загрязнений и соединений азота./ К.М. Морозова, Л.А. Петрова.// Сборник научных трудов ВНИИ ВОДГЕО. М.,1991. с15-23.

24. Лукиных Н.А. Методы доочистки сточных вод./ Н.А. Лукиных, В.Л. Липман, М. Критул. Стройиздат, 1978.

25. Научный отчет по теме «разработать методику определения различных форм азота в очищенных сточных водах», ОНТИ АКХ, М., 1987.

26. Николаев А. Н. Исследование влияния возраста активного ила на эффективность биологической дефосфотации в системе аэротенк-вторичный отстойник./ А. Н. Николаев, Н.Ю. Большаков, Н. А. Фетюлина. // Вода и эккология 2- 2002. с 29-38.

27. Перечень предельно- допустимых концентраций и ориентировочно безопастных уровей воздействия вредных веществ для воды рыбохозяйствееных водоемов. Комитет Российской федерации по рыболовству, охране природы.-Мединор, Москва, 1995. 220 с.

28. Правила oxpoHi поверхневих вод вщ забрунення зворотними водами. Затверджено постановою Кабшету MiHicTpiB Украши вщ 25, березня 1999р. №465.

29. Правила охраны поверхностных вод ( типове положение). Государственной комитет СССР по охране природы. -Москва 1991г. 34 с.

30. Родзилер Н.Д. Предельно- допустимые сбросы вешества./ Н.Д. Родзилер.-ВСТ, 1985, №2. с 11-13.

31. Развитие Московской канализации. Сборник научных трудов. Московское государственное предприятие Мосводоканал. Москва, 2003г.

32. Сагадеева JI. В. Глубокая очистка сточных вод от биогенных элементов./ JI. В Сагадеева. -М., 1973. Диссертация К.Т.Н. зашишена 9/4/1974. (МИСИ).

33. Санитарные правила и нормы охраны поверхностых вод от загрязнения СанПиН 4630-88. ( Вводиться вновь с 01.01.1989.) Общесоюзные санитарно-гигиенические и санитарн-противоэпидимические правила и нормы. 71 с.

34. СНИП 2.04.03.-85. Канализация наружные сети и сооружения. Москва 2003.

35. Соколова Е.В. Биохимическая нитрификация сточных вод в затопленном биофильтре./ Е.В. Соколова, Т.В. Полежаева // Сборник научных трудов ВНИИ ВОДГЕО- М.,1991. с 104-107.

36. Соколова Е.В. Биологическая денитрификация сточных вод на контактной среде. Диссертация К.Т.Н. 04850015773.-М., 1985.

37. Справочник проектировщика. Канализация населенных мест и промышленных предприятий. Мостройиздат, 1981г.

38. Келети. Т. Основы ферментативной кинетики./ Т. Келети. Перевод с английского. Канд. Хим. Наук Л.Ю. Бровко. Канд. Хим. Наук. Е. И. Дементьевой и О.А. Гандельман. Под реакцией д-ра хим. Наук. Б. И. Курганова. -М. Мир, 1990.

39. Таварткиладзе И.М. Сорбционные процессы в биофильтрах./ И.М. Таварткиладзе. М. Стройиздат 1989. Охрана окружающей природной среды.

40. Югер. Ж. JI. Кинетические методы исследований химических процессов./ Ж. Югер, JI. Сажюс. Скр. Перевод с франц. А.С.Елинера.- JI.Химия, 1972. 424с.

41. Яковлев С. В. Водоотведение и очистка сточных вод./ С. В Яковлев, Ю.В. Воронов.- Издательство ассоциации строительных вузов. Москва, 2002.

42. Яковлев С.В. Биологические процессы в очистки сточных вод./ С.В. Яковлев, Т.А. Карюхина.- М. Строиздат, 1980.

43. Яковлев С.В. Очистка производственных сточных вод./ С.В. Яковлев, И.В. Скирдов, В.Н. Швецов и др. -М. Стройиздат, 1985.

44. Яковлев С.В. Биологическая очистка производственных сточных вод. Процессы, аппараты и сооружение./ С.В. Яковлев, И.В. Шведов. -Мостроиздат, 1985.

45. Яковлев С.В. Биологические фильтры. 2-ое издание переработка и дополнение./ С.В. Яковлев; Ю.В. Воронов. -Мостроиздат, 1982. Охрана окружающей природной среды.

46. Яковлева Е.А. Анаэробнно-аэробная биологическая очистка городских сточных вод./ Е.А. Яковлева. -Диссертация. МИСИ им. В.В. Куйбышева. 1989-1996.

47. A.C.Van Haandel. The actived sludge process-3. Single sludge denitrification./ A.C.Van Haandel., G.A. Ekama and G. v. R. Marais.- Department of Civil• Engineering, University of Cape Town, Rondebosch 7700, South Africa.//

48. Water Re.search Vol. 15. pp. 1135 to 1152. 1981 0043-1354/81/101135. Printed in Great Britain Pergamon Press Ltd.

49. Asher Brenner. Effect of feed composition, aerobic volume fraction and recycle rate on nitrogen removal in the single- sludge system. / Asher Brenner* and Yerachmmiel Argaman.// War. Res. Vol. 24, No. 8. pp. 1041-1049, 1990.

50. Bigot.B. A new Generation of Biological Aerated Filters./ B. Bigot., X. Le 0 Tallec.// Journal CIWEM, 1999, 13, October. № 13/5, с 363-368.

51. В. Hodkinson. Development of Biological Aerated Filters: a review./ В., Hodkinson., J.B. Williams J.//- CIWEM, 1999, 13 August; № 13/4, с 250-254.

52. C.F. Seyfried. One-stage deammonification : nitrogen elimination at low costs./ C.F. Seyfried, A. Hippen, C. Helmer, S. Kunst, К. H. Rosenwinkel.// Water Science and Technology: Water Supply Vol 1 Nol pp 71-80 © IWA Publishing 2001.

53. Clair N. Sawyer. Chemistry for Environmental Enggineering./ Clair N. Sawyer. Perry L. McCarty. Gene F. Parkin. McGraw-Hill International Editions. Copyright © 1994.

54. Gilberto Garutil. Full-scale ANANOX® system performance./ Gilberto Garutil, Andrea Giordano2 and Francesco Pirozzi2*.// ISSN 0378-4738 = Water SA Vol. 27 No. 2 April 2001.

55. Garrett, M.T. "Kinetics of removal of soluble BOD by activated Sludge"./ Garrett, M.T., and C. N. Sawayer.// in Proceedings, 7th Industrial Waste Conference, Purdue University, West Lafayette, Ind., Vol. 36, 1960, p.5.

56. Щ 61.Grady, C. P. L, Jr. "Effect of Influent Substrate Concentration on the kineticsof Natural Microbial Populations in continuous Culture "./ Grady, C. P.L, Jr., and D.R. Williams.// Water Research, 9, 171 (1975).

57. Grady, P. "Kinetics of Multicompanent substrate removal by Activated sludge "./ Grady, P., M. Dohanyos, and J. Chudoba. // Water Research, 9, 637 (1975).

58. Ingo Schmidt. Anaerobic Ammonia Oxidation in the Presence of Nitrogen Oxides (NOx) by Two Different Lithotrophs./ Ingo Schmidt, Cristian

59. Hermelink, Katinka van de Pas-Schoonen, 1 Marc Strous,l Huub J. op den

60. Camp,l J. Gijs Kuenen,2 and Mike S. M. Jetten 1. // Applied and environmetal microbiology. Nov. 2002, p. 5351-5357 Vol. 68, No. 11.

61. Jan Liessens. Removing Nitrate with a methzlotrophic Fluidiyed Bed: Microbiological Water Quality./ Jan Liessens., Richard Germonpre.// Journal AWWA, April, 1993.

62. Larry D. Benefild. Biological Process design for Wastewater treatment./ D. Benefild. Larry, W. Randall. Clifford. Prentice- Hall, Inc., Englewood Cliffs, NJ 07632. ©1980.

63. Marc Strous. Key Phylosophy of Ananerobic Ammonium Oxidation./ Strous. Marc, J. Gus kuenen, and Mike S. M. Jetten.// Applied and environmetal microbiology. July 1999, p. 3248-3250. Vol. 65, No. 7.

64. Mogens Henze. Wastewater treatment: Biological and Chemical Prosseses./ Henze Mogens, Poul Harremoes, Jes la Cour Jansen, Erik Arvin. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 1995.

65. Pearce. P. A nitrification model for Mineral-Media Trickling Filters./ P. Pearce., S. Williams.//J. CIWEM, 1999, 13 April; № 13/1, с 84-92.

66. Rolf Eliasen. Industrial Water Pollution Control./ Eliasen Rolf, H. King Paul, and K. Linskley Ray. McGraw-Hill International Editions. Copyright © 1989.

67. Tom D. Reynold. Unite Operation and Process in Environmental Engineering./ D. Reynold Tom- Texas A&M University. Broocks-Cole Engineering division Monterey. A division of Wadsworth, Inc., Belmont California, ©1982.

68. Hao. X.D. A proposed sustainable BNR plant with the emphasis on recovery of COD and phosphate./ X.D. Hao., Van Loostrdrecht.// Water science and technology. Vol 48 Nol pp 77-85.©IWA.2003.

69. Wastewater engineering. Treatment, Disposal and Reuse. Metcalf & Eddy, Inc. McGraw-Hill international editions. Civil Engineering Series. Thirth edition, 1991.

70. William K. Oldham. Development of biological nutrient removal technology in western Canada./ K. Oldham. William, Rabinowtz. Barry.// Can. J. Civil Engineering. 28(Suppl.l): 92-101(2001), с 92-101.

71. Тгйп Dure На. Xu ly nuoc sinh hoat qui mo vua va nho. Due Ha Trln.Nha xuat ban khoa hoc va ky thuat. Ha noi-2002. Чан Дык Xa. Очистная станция малой и средней производительности. Издательство науки и технологии. Ханой-2002.

72. TCVN 6772:2000-.Вьетнамский стандарт. Требование к качеству очищенной сточной воды.

73. TCXD 188:1996 .Вьетнамский СНиП.