Доочистка сточных вод химического предприятия от неорганических веществ с использованием элодеи и роголистника (90.

являются растениями - аккумуляторами таких металлов как железо, цинк, марганец, в наименьшей степени - меди и никеля. В технологиях доочистки концентрации загрязняющих веществ в элодее и роголистнике на единицу их массы не превышают нормативных значений концентраций тяжелых металлов в кормах сельскохозяйственных животных и удобрениях за счет прироста биомассы растений. Полученные в результате экспериментальных исследований зависимости изменения концентраций в воде и в водных растениях во времени позволяют рассчитать значения коэффициентов диффузии тяжелых металлов из воды в элодею и роголистник.

В пятой главе построена дискретная математическая модель биогидроботанической очистки сточной воды; разработана компьютерная программа моделирования работы водоочистного сооружения с использованием высшей водной растительности «CLEANING»; разработана блок-схема технологии доочистки промышленных сточных вод на базе использования элодеи

ироголистника; предложен вариант утилизации избытка биомассы водных растений в качестве сырья для получения биогаза для объектов энергетики; оценен предотвращенный экологический ущерб от попадания загрязняющих веществ в природные водоемы при внедрении технологии доочистки сточных вод с помощью элодеи и роголистника.

Разработана дискретная математическая модель процесса доочистки воды в очистном сооружении с посаженными в него водными растениями, где происходит процесс диффузии загрязняющих веществ из воды в растения. Математически описаны изменения концентраций загрязняющих веществ в воде

ирастениях во времени при доочистке в стоячей воде.

где х(t), у(t) – концентрации загрязняющих веществ в воде и в растении соответственно в произвольный момент времени t, (мг/л) и х(t=0)=х0, у(t=0)=y0; V1 и V2 – объемы очищаемой воды и водных растений, (м3); коэффициент

V1 V2 Sb; S – площадь поверхности водных растений, (м2); b – коэффициент

V1V2

диффузии (м/с); t – время, (с).

Полученные соотношения (1) позволяют определить изменение концентрации загрязняющего вещества в зависимости от времени и экспериментальным путем определить значения коэффициента диффузии загрязняющих веществ из воды в водные растения для стоячей воды. Для элодеи он составил 0,021 0,003 мм/с, для роголистника – 0,019 0,003 мм/с при температуре 22-230С, влажности воздуха – 60% и естественном освещении в весенне – осенний период. При совместном культивировании элодеи и роголистника коэффициент диффузии составил 0,026 0,002 мм/с.

11

Экспериментальное исследование показало, что для относительно низких скоростей течения воды в интервале от 0,1 до 0,5 м/с может быть использован коэффициент диффузии как для случая стоячей воды.

В общем случае связь концентрации загрязняющих веществ в воде и в водных растениях на входе и выходе произвольного элемента объема очистного сооружения с учетом коэффициента диффузии можно найти следующим образом:

где t l - время прохождения очищаемой воды со скоростью Vх (м/с)

Vx

длины элемента объема очистного сооружения l (м); S0 – удельная площадь поверхности водных растений, (1/м); К – коэффициент заполнения очистного сооружения водными растениями.

Соотношение (2) выполняются тем точнее, чем меньше t . Последовательно применяя соотношение (2) можно найти концентрацию

загрязняющих веществ в воде и в водных растениях в любом сечении очистного сооружения, в том числе и на выходе.

В процессе очистки воды с помощью высших водных растений масса растений растет (рис.5), при этом изменяется коэффициент заполнения очистного сооружения водными растениями.

Соотношения (3) позволяют в модели процесса очистки при расчете концентраций загрязняющих веществ в очищаемой воде и в водных растениях учесть прирост биомассы во времени.

сучетом прироста, т.е. увеличения биомассы.

Воснову соотношения (3) положена дискретная математическая модель очистного сооружения с загрузкой из водных растений

Соотношение (2) позволяет определить необходимый объем очистного

сооружения (Vоч.соор.):

где использованы вышеприведенные обозначения, а также S0 – удельная площадь водных растений в единице объема очистного сооружения, (1/м); R –

12

расход очищаемой воды (м3/с); Кз – коэффициент запаса, отражающий динамический диапазон концентраций на выходе из очистного сооружения (5). Поскольку концентрация загрязняющего вещества на выходе из очистного сооружения должна быть ПДКрыбохоз., то для процесса очистки в очистном сооружении Кз>1

где хПДК – предельно – допустимая концентрация загрязняющего вещества на выходе из очистного сооружения (мг/л), хn – концентрация загрязняющего вещества на выходе из очистного сооружения, (мг/л).

Выражение (4) позволяет оценить необходимый объем очистного сооружения при заданном значении расхода воды, известных параметрах водных растений, концентрациях загрязняющих веществ на входе в очистное сооружение, нормативных значений концентраций загрязняющих веществ на выходе из очистного сооружения, коэффициенте заполнения очистного сооружения водными растениями и коэффициенте запаса. Математическая модель очистки загрязненных вод с помощью высших водных растений положена в основу компьютерной программы доочистки загрязненных вод «CLEANING».

Компьютерная программа «CLEANING» позволяет смоделировать процесс доочистки загрязненных вод до нормативных значений; рассчитать объем очистного сооружения и его загрузки; анализировать работу очистного сооружения во времени с учетом периодической замены растительной массы; разрабатывать оптимальные технологические схемы очистки вод; оценивать эффективность очистки («самоочистки») водными растениями в естественных проточных водоемах; анализировать работу водоочистного сооружения с загрузками любой природы при известных эквивалентных параметрах загрузки.

Областью применения программы являются разработка инженерных систем очистки и доочистки загрязненных вод; ландшафтный дизайн городов с возможностью улучшения качества природных вод; выращивание водной растительной массы для задач альтернативной энергетики – устройство метантенков; моделирование процесса очистки загрязненных вод в учебном процессе. Программа может быть использована при проведении лабораторных и практических работ по различным экологическим дисциплинам в области защиты окружающей среды и гидробиологии. Программа предназначена для условий скоростей течения жидкости через очистное сооружение отличных от нуля.

Компьютерная программа включает блок параметров воды на входе очистного сооружения, блок параметров очистного сооружения и параметров водного растения (рис.6).

Интерфейс компьютерной программы включает:

-параметры воды на входе очистного сооружения: среднее значение (по поперечному сечению канала) скорости воды, расход воды, вид загрязняющего вещества, исходная концентрация загрязняющего вещества;

-параметры очистного сооружения: площадь поперечного сечения, длина сооружения, число контейнеров с загрузкой, вид загрузки – водное растение;

-параметры водного растения: отношение рабочей площади поверхности растения к объему растения (S0, 1/м), скорость диффузии (b, мм/с), максимальная

13

удельная скорость роста биомассы растений (a, 1/сутки), начальная плотность заполнения контейнера растениями (К0) и максимальная плотность заполнения контейнера растениями (Кm).

Рисунок 6 - Рабочее окно компьютерной программы «CLEANING»

Вправом верхнем углу расположено окно с информацией о ПДКрыбохоз. загрязняющего вещества.

Вправой нижней части находится блок с информацией об общих характеристиках сооружения (объем, биомасса растений, масса загрязняющих веществ в растениях), о характеристиках контейнера (объем, загружаемая биомасса) и данные текущей перезагрузки контейнеров (изъятая биомасса, изъятое загрязняющее вещество, загружаемая биомасса).

Для реализации технологии доочистки сточных вод химического предприятия с использованием элодеи и роголистника нами предлагается очистное сооружение - биоплато, которое представляет собой сетчатые емкости, заполненные водными растениями и закрепленные на понтонах. Размер ячеи емкостей должен соответствовать размерам погруженных в них водных растений. Рекомендуемый коэффициент заполнения емкостей в начале процесса доочистки

-0,4 - 0,6, в конце - 0,8 - 0,9. Для работы очистного сооружения на базе элодеи и роголистника в начальный момент времени рекомендуется использовать

14

соотношение «вода : элодея : роголистник» как 3:1:1. Необходимость замены элодеи и роголистника и объем новой загрузки водных растений рассчитывается в автоматизированном режиме в программе «CLEANING». Извлеченная из садков избыточная биомасса элодеи и роголистника может быть использована в качестве биотоплива (рис.7).

Поскольку программа «CLEANING» позволяет оценить оптимальное время очистки, появляется возможность планирования технологических работ на очистном сооружении.

Рисунок 7 - Схема использования избытка биомассы водных растений в качестве альтернативного вида топлива в биоэнергетике

Блок-схема процесса доочистки химически загрязненных производственных сточных вод с использование элодеи и роголистника представлена на рис.8.

Блок - схема включает в себя блок доочистки с использованием водной растительности и вовлечением в оборот очищенной воды. Поскольку вода доводится до нормативного качества, она может быть возвращена в водоем. Второй блок схемы включает получение биогаза на базе метанового сбраживания биомассы водных растений, как альтернативного источника энергии. Эти блоки связаны посредством автоматизированного анализа процесса доочистки с помощью компьютерной программы «CLEANING», которая позволяет рассчитать время очистки воды, объем водной растительности, периодичность ее замены и дальнейшего использования в процессе метанового сбраживания.

15

2.Загустина, С.Д. Снижение сбросов нефтесодержащих стоков предприятий за счет использования биосорбентов из натурального сырья /С.Д.Загустина // Научная студенческая конференция, посвященная «Дню энергетика»: Казань, 6-10 декабря 2004 года: Тезисы докладов. - Казань: Казан.

гос. энерг. ун-т, 2005. - С. 142.

3.Загустина, С.Д. Некоторые результаты исследования применения Elodea сanadiensis L. при доочистке загрязненных тяжелыми металлами вод с целью повышения эффективности использования водных ресурсов / С.Д.Загустина, М.Л.Калайда // Труды VI Международного симпозиума «Ресурсоэффективность

иэнергосбережение». - Казань, 29 ноября- 2 декабря 2005 / Под общей редакцией Б.П. Павлова, Е.В. Мартынова, М.К. Антипина, В.И. Пузакина, И.М. Мустафина.- Казань: Каз.гос.ун-т им.В.И.Ульянова-Ленина, 2006 .- С.442-449

4.Загустина, С.Д. Перспективы использования Elodea сanadiensis L. в биотехнологии доочистки сточных вод химического предприятия /С.Д.Загустина, М.Л.Калайда // Ресурсосберегающие, водо- и почвоохранные биотехнологии, основанные на использовании живых экосистем (сборник материалов 1-ой Всероссийской научной конференции.- Казань, 2006. - С.166-170.

5.Загустина, С.Д. Некоторые результаты исследования возможности применения Elodea сanadiensis L. при доочистке загрязненных вод от органических примесей / С.Д.Загустина, М.Л.Калайда // Материалы докладов IX аспирантско-магистерского научного семинара, посвященного «Дню энергетика» / Под общ. ред. д-ра физ.-мат. наук, проф. Ю.Я.Петрушенко. - Казань: Казан. Гос.

Энерг. ун-т, 2006. – С.90.

6.Загустина, С.Д. Некоторые результаты исследования химического состава сточных вод при их доочистке с помощью Elodea сanadiensis L. /С.Д.Загустина, М.Л.Калайда// Материалы докладов первой Всероссийской молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» / Под общ. ред. д-ра физ.-мат. наук, проф. Ю.Я.Петрушенко. - Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2006. –

С.152.

7.Загустина, С.Д. Анализ существующих установок для производства биогаза из биомассы водных растений / С.Д.Загустина, М.Л.Калайда // Материалы докладов II молодежной Международной конференции «Тинчуринские чтения» / Под общ. ред. д-ра физ.-мат. наук, проф. Ю.Я.Петрушенко. - Казань: Казан. гос. энерг. ун-т., 2007. – С.89.

8.Загустина, С.Д. Некоторые экологические и биохимические аспекты патологии у Elodea сanadiensis L. в условиях управляемых экосистем / С.Д. Загустина, М.Л.Калайда // Расширенные материалы Международной научнопрактической конференции, Борок, 17-20 июля 2007 года. М.: Россельхозакадемия 2007 – 564 с. Под редакцией д.б.н., проф. В.Р.Микрякова, д.б.н., проф. А.М.Наумовой, д.б.н., проф. А.Л.Никифорова-Никишина, к.б.н. Е.А.Заботкиной, к.б.н. Д.В.Микрякова. Печатается по решению Оргкомитета Международной научно-практической конференции. – С.346-350.

9.Загустина, С.Д. Биогидроботаническая площадка – перспективное сооружение для доочистки вод / С.Д.Загустина, М.Л.Калайда // Труды V международной научной конференции «Инновации в науке и образовании-2007».

18

– Калининград: Калининградский государственный технический университет, 2007. - в двух частях, часть 1. - С.443

10.Загустина, С.Д. Особенности накопления некоторых токсикантов элодеей и роголистником при доочистке производственных сточных вод /С.Д.Загустина, М.Л.Калайда// Материалы докладов III-й молодежной Международной научной конференции «Тинчуринские чтения», посвященной 40летию КГЭУ / Под общ. ред. д-ра физ.-мат. наук, проф. Ю.Я.Петрушенко. - Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2008. – С.167.

11.Загустина, С.Д. Биоплато как способ доочистки дренажных вод города /С.Д. Загустина, М.Ф. Хамитова // Материалы докладов IV-й Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» / Под общ. ред. д-ра физ.-мат. наук, проф. Ю.Я.Петрушенко. В 4 т.; Т.3. – Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2009 – 272 с. – С. 197-199.

12.Загустина, С.Д. Экологический мониторинг водных экосистем с использованием высшей водной растительности / С.Д.Загустина, М.Л.Калайда // Материалы международной научно-практической конференции «Инновации сегодня: образование, наука, производство», посвященной 70-летию профессора Костина В.И. Ульяновск: Ульяновская ГСХА. - 2009.- С. 78-81.

13.Калайда, М.Л. Возможности использования водной растительности в природоохранных технологиях доочистки сточных вод / М.Л. Калайда, С.Д. Загустина //- Деп. в ВИНИТИ КГЭУ 26.05.2005, №750

14Калайда, М.Л. Биогидроботанический способ очистки сточных вод как элемент экологического управления прибрежными зонами / М.Л.Калайда, С.Д.Загустина // Труды IV международной конференции «Инновации в науке и образовании-2006». - Калининград: Калининградский государственный технический университет, 2006. - в двух частях, часть 1. -С.426.

15.Калайда, М.Л. Использование гидробионтов в доочистке сточных вод как метод повышения эффективности водных ресурсов / М.Л.Калайда, С.Д.Загустина, Т.П.Синютина // Сб. докладов VII Междунар. симпоз. «Энергоресурсоэффективность и энергосбережение», Казань, 5-7 дек. 2006 г. - Казань: Изд-во «Центр инновац. технологий», 2006. - С.466-473.

16. Калайда, М.Л. Гидробионты для доочистки / М.Л.Калайда, С.Д.Загустина, Т.П.Синютина // Межотраслевой информационно-аналитический журнал «Ресурсоэффективность в Республике Татарстан». - 2007. - №1. - С.28-30.

17.Калайда, М.Л. Биоплато как способ доочистки дренажных вод города и сточных вод промышленных предприятий / М.Л. Калайда., Л.К. Говоркова, С.Д. Загустина, М.Ф. Хамитова // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. - 2009.- № 7-8.- С. 123-129.

18.Калайда, М.Л. Доочистка производственных сточных вод с помощью высших водных растений /М.Л. Калайда, С.Д. Борисова// Экология и промышленность России. - 2010. - №3. – С.33-35.

19.Калайда, М.Л. Аккумулирование загрязняющих веществ водными растениями и возможности утилизации растительной массы / М.Л. Калайда, С.Д. Борисова // Бутлеровские сообщения. - 2010. – Т.21. - №9.- С.33-39.

20.Свидетельство РФ об отраслевой регистрации электронного ресурса №00176 от 19.08.2009. Компьютерная программа моделирования работы

19

водоочистного сооружения с использование высшей водной растительности «CLEANING» / М.Л.Калайда, С.Д.Загустина, А.В.Петров.

21. Zagustina, S.D. Use of adaptation hydrobionts in biotechnology of sewage treatment /M.L.Kalayda, S.D. Zagustina // Modern problems of aquatic toxicology. International workshop, September 20-24, 2005, Borok, 2005. P.53 - 54.

20