Снижение содержания фосфатов в сточных водах городских очистных сооружений на примере работы очистных сооружений г. Чистополя тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.02.08, кандидат химических наук Галанцева, Лилия Фагимовна

• Галанцева, Лилия Фагимовна
• кандидат химических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат химических наук Галанцева, Лилия Фагимовна

ОГЛАВЛЕНИЕ.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1 Характеристика коммунально-бытовых сточных вод.

1.2 Влияние фосфатов на водные объекты.

1.3 Очистка сточных вод от фосфатов.

1.3.1 Химические (реагентные) методы удаления соединений фосфора из сточных вод.

1.3.2 Физико-химические методы удаления соединений фосфора из сточных вод.

1.3.3 Биологические методы удаления соединений фосфора из сточных вод.

1.3.3.1 Активный ил и его сообщество.

1.3.3.2 Развитие микроорганизмов активного ила в различных режимах эксплуатации очистных сооружений.

1.3.4 Интенсификация процессов биологической очистки сточных

1.3.4.1 Биологически-активные соединения для стимулирования микробной активности в процессах биологической очистки сточных вод.

1.3.5 Сочетание биологической очистки с химическим осаждением фосфатов в сточных водах.

1.4 Об эффектах сверхмалых концентраций биологически-активных соединений.

1.5 О вероятных причинах биологических эффектов веществ с позиций структуры воды.

Глава 2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

2.1 Подготовка исходных реактивов.

2.1.1 Приготовление солей в различных концентрациях.

2.1.2 Характеристика исходного активного ила.

2.1.3 Характеристика сточной воды.

2.1.4 Мониторинг сточных вод.

2.1.5 Характеристика карбонатных пород на Утяковском карьере.

2.1.6 Характеристика исходного шлака литейного производства.

2.2 Изучение влияния солей бисоксиметиловой кислоты на аэробную очистку сточных вод.

2.3 Анализ биологической активности микроорганизмов активного ила.

2.4 Оценка прироста биомассы в процессе культивирования.

2.5 Методики проведения количественных химических анализов сточных вод.

2.5.1 Определение значений ХПК.

2.5.2 Определение рН среды.

2.5.3 Определение фосфат-ионов.

2.5.4 Определение ионов аммония.

2.5.5 Определение нитрат-ионов.

2.5.6 Определение нитрит-ионов.

2.5.7 Определение содержания хлоридов.

2.5.8 Определение содержания общего железа.

2.5.9 Определение сухого остатка.

2.5.10 Определение сульфат-ионов.

2.5.11 Определение токсичности сточных вод методом биотестирования.

2.6 Модификация шлака литейного производства соляной кислотой.

2.7 Метрологическая проработка результатов экспериментов.

2.7.1 Обработка результатов прямых измерений.

2.7.1.1 Определение погрешностей измерения массы.

2.7.1.2 Определение погрешности измерения объема титранта, пошедшего на анализ сточной воды.

2.7.1.3 Определение погрешности измерения объема титранта, пошедшего на холостую пробу.

2.7.2 Обработка результатов косвенных измерений.

2.7.2.1 Обработка результатов на примере ХПК.

2.7.2.2 Акт метрологический обработки.

3 ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ.

3.1 О некоторых недостатках в анализе сточных вод на фосфор.

3.2 Применение известкового метода для очистки сточных вод от фосфатов.

3.3 исследование возможности использования шлака литейного производства и мергеля при очистке сточных вод от фосфатов.

3.3.1 Использование шлака и мергеля в процессе доочистки сточных вод от фосфатов на стадии предосаждения.

3.3.2 Использование шлака и мергеля в процессе доочистки сточных вод от фосфатов на стадии постосаждения.

3.3.3 Применение модифицированного шлака литейного производства при очистке сточных вод от фосфатов.

3.3.4 Применение комбинированного метода последовательной очистки сточных вод от фосфатов с добавлением модифицированного шлака литейного производства и мергеля.

3.4 Исследование биологически активных соединений при очистке сточных вод.

3.5 Поиск новых соединений и их влияние на очистку сточных вод предприятия «Чистополь-Водоканал» от фосфатов.

3.6 Влияние солей бис(гидрооксиметил)фосфиновой кислоты на процессы биологической очистки.

3.6.1 Влияние триазоловой соли бис(гидрооксиметил)фосфиновой кислоты на процесс биологической очистки сточных вод и определение оптимальной концентрации биологически активного вещества для очистки сточных от фосфатов вод активным илом.

3.6.2 Влияние диметилгидразиновой соли бис(гидрооксиметил)фосфиновой кислоты на процесс биологической очистки сточных вод и определение оптимальной концентрации биологически активного вещества для очистки сточных от фосфатов вод активным илом.

3.6.3 Сравнительная характеристика диметилгидразиновой и триазоловой солей бис(гидрооксиметил)фосфиновой кислоты.

3.6.4 Влияние аминопиридиновой * соли бис(гидрооксиметил)фосфиновой кислоты на процесс биологической очистки сточных вод и определение оптимальной концентрации биологически активного вещества для очистки сточных от фосфатов вод активным илом.

3.6.5 Влияние ЩчГ-дифенилгуанидиновой соли бис(гидрооксиметил)фосфиновой кислоты на процесс биологической очистки сточных вод и определение оптимальной концентрации биологически активного вещества для очистки сточных от фосфатов вод активным илом.

3.7 Исследование новых соединений и их влияние на процесс биологической очистки сточных вод биологических очистных сооружений.

3.8 Исследование амидофоса и его влияние на процесс биологической очистки сточнх вод биологических очистных сооружений.

3.9 Сравнительный анализ соединений, способствующих снижению фосфатов в биологических очистных сооружениях.

ВЫВОДЫ.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Снижение содержания фосфатов в сточных водах городских очистных сооружений на примере работы очистных сооружений г. Чистополя»

В настоящее время с развитием городского хозяйства и промышленного производства увеличивается техногенная нагрузка на водные ресурсы.

Современные тенденции к увеличению концентрации населения в городах отражаются на объемах образуемых коммунально-бытовых отходов. В связи с тем, что в ряде случаев в водоемы сбрасываются неочищенные или плохо очищенные стоки, в них скапливается большое число и большая масса различных химических веществ [1]. При этом сточные воды являются основными источниками загрязнения природных водоемов, которые в свою очередь используются для бытовых, промышленных и рекреационных нужд.

Способности естественных водоемов к самоочищению не безграничны, и рассчитывать на них при современных масштабах развития промышленности, сельского хозяйства и активной деятельности человека не приходится. И поскольку наблюдается качественная деградация водных ресурсов, приводящая к деградации биогеценоза, охрана гидросферы остается актуальнейшей экологической задачей на современном этапе развития человечества [2].

Постоянными компонентами коммунально-бытовых сточных вод являются органические вещества и биогенные элементы.

Легкоокисляемые органические соединения обуславливают развитие микроорганизмов, в том числе патогенных, в результате чего водоемы замедленного водообмена превращаются в очаги инфекций. Разложение органических веществ (и химическое, и микробиологическое) сопровождается снижением концентрации растворенного кислорода в водоемах и даже к полному его удалению, что приводит к заморам рыб и невозможности нормального функционирования микробиологических сообществ. При этом образуются метаны, сероводород и другие вредные соединения. В результате в воде создается «мертвая зона» [1].

Среди биогенных элементов особого внимания заслуживают соединения азота и фосфора, поскольку их избыточное поступление в водные объекты приводит к эвтрофикации последних. Лимнологические исследования зарегистрировали возникновение эвтрофикации при концентрации растворенных неорганических соединений азота и фосфора в водоемах в

3 3 количествах, превышающих 0.3 мг/дм и 0.015 мг/дм соответственно. В настоящее время стало очевидным, что антропогенное эвтрофирование захватило практически все водные объекты [3].

В результате эвтрофирования нарушаются процессы саморегуляции в биоценозах, доминируют хлорококковые водоросли и цианобактерии, вызывая «цветение» воды. Побочными эффектами этого процесса являются повышение рН, уменьшение содержания растворенного кислорода, создание анаэробных зон в нижних слоях водоемов с выделением метана, сульфидов, продуцирование цианобактериями токсинов и фенольных соединений, ухудшение эстетической привлекательности водоемов вследствие застоя и почернения воды. Все это также приводит к возникновению заморных явлений у рыб, обуславливает невозможность использования воды в качестве питьевой, создает помехи в водопользовании, способствует образованию биологических обрастаний в технологических аппаратах и коммуникациях, осложняет эксплуатацию оборудования. Отмечено, что затраты на очистку таких эвтрофированных вод резко возрастают [3,4].

Кроме того, разнообразные соединения фосфора оказывают вредное воздействие на гидробионты и здоровье человека [5].

Установлено, что удаление из сточных вод одного из основных биогенных элементов - фосфора приводит к предотвращению процесса «цветения» воды в водоеме, куда сбрасываются эти сточные воды [5]. Однако перед очистными сооружениями ставятся задачи достижения установленных жестких норм на сброс в водоемы загрязняющих веществ, что предполагает организацию эффективной комплексной очистки сточных вод.

Несмотря на достаточно большое число способов очистки сточных вод от фосфатов, описанных в научно-технической отечественной и зарубежной литературе, вопрос повышения эффективности очистки остается актуальным.

Очистные сооружения коммунальных хозяйств, запроектированные и построенные более тридцати лет назад, не всегда обеспечивают качество очистки сточных вод в соответствии с нормативами (табл. 1).

Таблица 1

Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ [6, 7, 8]

Показатель Виды водопользования и водопотребления

Хозяйственно-питьевое Культурно-бытовое Рыбо-хозяйственное

Биологическое потребление о кислорода (БПКполн), мг/дм 3.00 6.00 3.00

Химическое потребление кислорода (ХПК), мг/дм до 15.00 до 30.00

Фосфаты, мг/дм3 водоемы: олиготрофные мезотрофные эвтрофные - 0.30 0.04 0.10 0.20

Полифосфаты (в пересчете на о фосфаты), мг/дм 3.50 3.50

Перспективным представляется использование карбонатных пород, характеризующихся высоким содержанием оксидов кальция и магния, которые при переходе в раствор могут осаждать фосфат-ионы в виде малорастворимых соединений, а также являться активными центрами их адсорбции. Перспективным видится также возможность использования отходов производства, обладающих высокой степенью дисперсности при очистке воды от фосфатов и способных выступать в двойственной роли: как реагент и как сорбент.

Среди применяемых в настоящее время систем и принципов очистки сточных вод едва ли не самое значимое место занимают биологические методы, как наиболее перспективные и экологически оправданные. Биологический метод основан на использовании специфических биологических сообществ, носящих общее название активного ила.

Однако традиционные биологические очистные сооружения (БОС) работают с перегрузкой и часто не выдерживают современных требований к качеству очищенной воды, а также к стабильности и устойчивости работы.

В связи с вышеизложенным, исследование возможности интенсификации процессов очистки стоков с повышенным содержанием фосфатов путем стимулирования функционирующего биоценоза активного ила является приоритетным направлением в поиске способов снижения фосфора в сточных водах БОС.

Значительные резервы повышения эффективности процессов биологической очистки состоят в использовании химических стимуляторов биохимического окисления. В настоящее время проводится поиск новых синтетических биорегуляторов, способных в низких (1-10"10 - 1-10"4 моль/л) и сверхнизких (1-10"20 - 1 -10"11 моль/л) концентрациях повышать скорость очистки [9, 10]. Такой подход значительно снижает расход биорегулятора и исключает его воздействие на очищенную воду.

Существующие в настоящее время гипотезы механизма действия водных растворов биологически активных веществ (БАВ) в области низких концентраций не могут объяснить природы этого достаточно распространенного явления [9, 10]. Для объяснения накопившихся фактов высокой физиологической активности водных растворов БАВ необходимо раскрыть физико-химические закономерности, присущие разбавленным водным растворам, выяснить влияние низких и сверхнизких концентраций растворенных веществ на процессы структурообразования в водных системах, установить взаимосвязь структурообразования, свойств водных растворов и их биоэффектов. Учитывая уникальную роль воды в биологических процессах, установление таких закономерностей может открыть пути для решения многих фундаментальных проблем, в той или иной степени связанных с живыми системами, таких, например, как нормализация состояния окружающей природной среды. Использование веществ в области низких и сверхнизких концентраций в процессе интенсификации очистки сточных вод производственных стоков решает такие проблемы как:

• экономия энергии на барботаж и подачу воздуха;

• отсутствие дополнительных отходов после использования веществ в сверхнизкой концентрации.

Актуальность темы. В создавшейся ситуации высокого антропогенного давления на окружающую природную среду встает ряд задач по интенсификации очистки сточных вод. Одна из задач связана с очисткой от соединений фосфора, обусловленная все более возрастающей степенью эвтрофикации поверхностных водоемов, что в значительной мере определяет экологическую ситуацию, как в России, так и за рубежом. Попадая в водоемы, фосфат насыщает, а порой перенасыщает их экологические системы. В результате возникают многообразные отрицательные последствия, разрушающие природные экосистемы.

Существующие технологии на ряде биологических очистных сооружений работают с большим напряжением, а постоянно возрастающие масштабы промышленности, сельского хозяйства и активной деятельности человека требуют интенсификации процессов очистки. Одним из вариантов снижения фосфатов в сточных водах является использование, во-первых, карбонатных пород, высокое содержание оксидов кальция и магния в которых способствует осаждению фосфат-ионов в виде малорастворимых соединений; во-вторых, отходов производства с высокой степенью дисперсности, способных выступать в двойственной роли: как реагент и как сорбент. Другой вариант -интенсификация процессов биологической очистки, заключающаяся в стимулировании микроорганизмов - деструкторов загрязняющих веществ с использованием химических веществ, обладающих биологической активностью.

Известно, что некоторые органические соединения выполняют функцию активизации биотической деятельности микроорганизмов. Наиболее часто применяемым препаратом является янтарная кислота и ее производные. Вместе с тем дефицит подобных продуктов и избирательная активность к определенным биообъектам требуют изысканий новых эффективных соединений, выступающих в качестве биостимуляторов микробной активности. Таким образом, поиск соединений, способствующих эффективной биоочистке сточных вод, является актуальной задачей.

Целью работы является разработка способа очистки фосфатсодержащих сточных вод до значений нормативов допустимых сбросов (НДС) путем интенсификации функционирования биоценоза активного ила и адсорбционной очисткой шлаком и местными карбонатными породами. Для достижения этой цели были поставлены следующие основные задачи:

1. Выявить физико-химические закономерности и определить условия проведения процесса очистки фосфатсодержащих сточных вод шлаком и карбонатными породами.

2. Оценить возможность стимулирования микроорганизмов активного ила фосфорорганическими соединениями в низких и сверхнизких концентрациях.

Научная новизна. Впервые исследован ряд солей фосфиновых и фосфоновых кислот, показавших влияние на ход процесса биологической очистки, и выявлена их оптимальная концентрация для снижения содержания фосфатов в сточных водах.

Предложен способ изъятия фосфора стимулирующим влиянием на активный ил с последующей доочисткой шлаком и карбонатными породами.

Доказана возможность доочистки фосфатсодержащих сточных вод модифицированным шлаком литейного производства ООО «Чистопольский судостроительный-судоремонтный завод» и карбонатными породами (мергелем) из карьера «Утяковский» Чистопольского муниципального района РТ. Определено оптимальное соотношение компонентов в смеси (шлак-мергель) и стадия их применения в технологическом процессе.

Предложен способ кислотной модификации шлака, повышающий его реагентно-сорбционные свойства.

Выявлены недостатки использования методики измерений массовой концентрации фосфат-ионов в пробах природных и очищенных сточных вод фотометрическим методом восстановлением аскорбиновой кислотой в связи с наличием в сточных водах соединений фосфора, не гидролизующихся до фосфатов.

Практическая значимость работы заключается в том, что найдены и исследованы химически синтезированные органические соединения, позволяющие повысить эффективность биологических очистных сооружений и сократить длительность процесса биообезвреживания. Представлена схема очистки сточных вод, позволяющая снизить содержание фосфатов на примере работы очистных сооружений города Чистополя.

Апробаиия работы. Основные результаты работы докладывались на: Международной научно-практической конференции «Роль мелиорации в обеспечении продовольственной и экологической безопасности России», Москва, МГУП, 14 - 16 апреля 2009 г.; 4-ой Международной научно-практической конференции «Наука и практика: проблемы, идеи, инновации», Чистополь, Республика Татарстан: ИНЭКА, 24 апреля 2009 г.; 4-й Международной научно-практической конференции «Наука и практика: проблемы, идеи, инновации», Чистополь, Республика Татарстан: ИНЭКА, 25 -26 ноября 2009 г.; на Республиканской практической конференции «Повышение предпринимательской активности молодежи РТ» в рамках Республиканской программы «Шаг вперед», Казань, Республика Татарстан, Торгово-промышленная палата РТ, 20 сентября 2010 г.

Данная работа награждена премией главы Чистопольского муниципального района РТ за успехи в научной деятельности (г. Чистополь, 2010 г.).

Публикаиии. Основные положения диссертационной работы опубликованы в печати в 7 статьях, в том числе 3 публикации в изданиях, включенных в перечень периодических изданий ВАК, и в 3 тезисах докладов.

Структура диссертационной работы.

Диссертация изложена на 165 страницах, состоит из введения, литературного обзора, экспериментальной части, обсуждения результатов,