3169

На правах рукописи

ПУШНИКОВ МИХАИЛ ЮРЬЕВИЧ

ОЧИСТКА ПРИРОДНЫХ ВОД БИОСОРБЦИОННЫМ МЕТОДОМ

05.23.04 -Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2000г.

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии ордена Трудового Красного Знамени комплексном научноисследовательском и конструкторско-технологическом институте водоснабжения, канализации, гидротехнических сооружений и инженерной

гидрогеологии «ФГУП НИИ ВОДГЕО».

Ведущая организация - Государственный проектный институт азотной промышленности (ГИАП).

Защита состоится 6 декабря 2000 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета К 033.05.02 в Федеральном государственном унитарном предприятии - ордена Трудового Красного Знамени комплексном научно-исследовательском и конструкторско-технологическом институте водоснабжения, канализации, гидротехнических сооружений и инженерной гидрогеологии «ФГУП НИИ ВОДГЕО» по адресу: 119826, г.Москва, Комсомольский проспект, 42.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИ ВОДГЕО

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы. В последние годы в ряде регионов сложилось тяжелое положение с обеспечением населения доброкачественной питьевой водой, необходимого элемента жизнедеятельности человека. От ее качества зависит состояние здоровья людей, уровень их санитарно-эпидемиологического благополучия, степень комфортности, и, следовательно, социальная стабильность общества. Поэтому решение проблемы обеспечения населения России безопасной для здоровья питьевой водой является одной из важнейших государственных задач.

В настоящее время качество воды большинства природных водоисточников не удовлетворяет нормативным требованиям. Это вызвано нарастающим в последние годы загрязнением водоемов веществами антропогенного происхождения. Качество воды многих рек на европейской и азиатской частях страны, характеризуется повышенными концентрациями фенолов (до 7-8 ПДК), хлорорганических пестицидов (до сотен мг/л), аммонийного и нитритного азота (до 10-16 ПДК), нефтепродуктов (до сотен и тысяч ПДК), ионов Zn, Cu, Pb (десятки ПДК).

На действующих водопроводных станциях в основном применяются технологии, не соответствующие современному уровню загрязнений, и часто не обеспечивающие требования санитарных правил и норм «Питьевая вода Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества» (СанПиН 2.1.4.559-96). В связи с этим, в сочетании с традиционными технологиями необходимо применять новые методы, позволяющие обеспечить существующие нормативы.

Впоследнее время в нашей стране и за рубежом на станциях водоподготовки применяют традиционные схемы в сочетании со ступенью предварительной биологической очистки, которая позволяет удалять природных загрязнений в начале технологической цепочки.

Всложившейся ситуации перспективным является применение в качестве ступени биологической предочистки воды технологии, совмещающие в себе процессы

сорбции загрязнений и их биологического окисления в одном сооружении, что позво-

лит удалять наряду с природными загрязнениями также загрязнения антропогенного характера.

Одним из методов, позволяющих реализовать данную технологию, является разработанный в НИИ ВОДГЕО новый биотехнологический способ глубокой очистки сточных вод - биосорбция. Разработанный первоначально в качестве метода глубокой доочистки сточных вод он нашел успешное применение для очистки воды от ряда специфических загрязнений. Исследования, проведенные на чистых биорезистентных и трудноокисляемых веществах, позволили распространить применению биосорбционного метода на природные воды, которые отличаются от сточных более низкими концентрациями загрязнений, наличием преимущественно трудноокисляемых веществ, сезонным характером их появления в периоды относительно непродолжительных паводков, а также низкими температурами воды в течение длительного зимнего периода.

Принципиальная возможность применения биосорбционного метода в качестве ступени предочистки продемонстрирована специалистами НИИ ВОДГЕО результатами обширных исследований. Однако недостаточная научная информация но ряду вопросов ограничивала сю широкое применение в схемах водоподготовки.

Диссертационная работа направлена на дальнейшее изучение биосорбционного процесса, на разработку конструкции биосорбционных аппаратов, позволяющих создать оптимальный технологический и экономический режимы работы в условиях водоподготовки.

Научно-исследовательские работы проводились к лаборатории технологических схем НИИ ВОДГЕО по плану ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НИР ГНЦ НИИ ВОДГЕО в рамках темы 3.1 .«Разработка научного обоснования глубокого удаления токсичных и трудноокисляемых загрязнений из природных и сточных вод биосорбционным методом», а также по хоз. договору № 5193 с МП ПО «ВОДОКАНАЛ» г. Рязань по теме «Исследование эффективности биосорбционного метода для очистки речной воды города Рязани».

Цель настоящей работы заключается в разработке технологии и методики расчета биосорбционного способа очистки питьевой воды, применяемого на стадии предочистки. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

5

•проведен анализ результатов научно-исследовательских работ и данных промышленных испытаний сооружения и аппаратов для биологической предочистки природных вод различного состава;

•оценен современный уровень научных разработок, показывающий преимущество использования иммобилизованных (прикрепленных) микроорганизмов на различных носителях для окисления биорезистентных и биоокисляемых загрязнений присутствующих в природных и сточных водах.

•проанализированы и обоснованы представления о биосорбционном окислении загрязнении антропогенного и природного характера;

•в реальных условиях проведены длительные испытания биосорбционного процесса очистки природной воды. Установлено влияние температуры, получены кинетические константы и зависимости позволяющие рассчитать биосорбер на требуемую степень очистки при любой температуре;

•определен гидродинамический режим работы биосорбера являющийся оптимальным по технологическим параметрам, исследованы гидравлические характеристики активированных углей различных марок применяемых в биосорберах;

•разработана новая конструкция водораспределительной системы биосорбеPB;

•разработана методика расчета биосорбера, позволяющая определить основные технологические и конструктивные параметры;

•определена технико-экономическая эффективность внедрения биосорбци-

онной предочистки на станциях водоподготовки.

Научная новизна результатов, полученных автором диссертации, состоит в

следующем:

•впервые получены кинетические зависимости удаления из природных вод органических загрязнений, аммонийного азота и цветности биосорбционнымметодам;

•экспериментально подтверждена высокая барьерная роль биосорберов в условиях сильного антропогенного загрязнения водоисточников;

•впервые экспериментально установлена возможность использования биосорберов в условиях низких температур, вплоть до 0,5 0C;

•получена зависимость влияния температуры (в диапазоне от 0,5 до 250C) на интенсивность процессов биосорбционного окисления органических соединений и аммонийного азота. Показано, что влияние температуры на кинетику окисления органических загрязнений и нитрификации природных вод описываетсяуравнением Аррениуса. Найденызначения коэффициентови констант, входящих в это уравнение;

•установлено влияние гидродинамической обстановки в псевдоожиженном

слое ГАУ на эффективность биосорбционных процессов.

Практическое значение работы состоит в разработке методики технологического и гидравлического расчета биосорберов. Впервые получены основные технологические параметры работы биосорберов на природной воде. Разработана конструкция водораспределительной системы, обеспечивающая оптимальные гидродинамические условия в псевдоожиженном слое угля биосорбера. Использование полученных научных и производственных результатов позволяет расширить область применения биосорберов в различных технологических схемах водоподготовки.

Внедрение результатов работы. На основе выполненных исследований разработаны рекомендации на проектирование технологической схемы доочистки природных вод загрязненных антропогенными соединениями. Рекомендации внедрены при разработке рабочей документации промышленных установок по очистке подземных вод на водопроводных станциях: пос. Перегребное, пос. Сорум и пос. Светлый Западной Сибири производительностью 1500 м3/сут.

Апробация работы. Доклад по результатам работы был представлен на четнсргом международном конгрессе «Вода: экология и технология» Экватек-2000 Результаты исследований докладывались на научном техническом совете НИИ ВОДГЕО.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 2 статьи и получен патент «Способ биологической очистки воды oт трудноокисляемых opганических соединений»,№2156748,27.09.2000г.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов и списка литературы из 97 наименований. Общий объем диссертации 1 1 2 страниц, содержит 33 рисунков, 4 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Введение посвящено обоснованию актуальности темы диссертации, показано, что в условиях сильного антропогенного загрязнения воды природных водоисточников для достижения требуемых нормативов качества питьевой воды в сочетании с традиционными схемами водоподготовки целесообразно применять биотехнологию на стадии предочистки. Одним из перспективных при обработке природных вод является биосорбционный метод очистки, разработанный в НИИ ВОДГЕО.

Во введении определена цель, приведены основные положения работы, изложена научная новизна, практическая значимость и данные о внедрении результатов исследований в производстве.

Впервой главе диссертации представлен обзор результатов исследований и промышленной реализации в отечественной и зарубежной практике методов и средств очистки природных вод загрязненных веществами антропогенного характера.

Вусловиях, когда действующие станции водоподготовки не могут обеспечить современные требования ГОСТ, в связи с тем, что при их разработке не учитывалось сильное антропогенное загрязнение водоисточников имеющее место в настоящее время, на ряде станций, проектируются и внедряются дополнительные ступени, позволяющие получить питьевую воду необходимого качества. Как одно из средств, улучшения качества воды перед осветлением используется предварительное хлорирование. Однако при первичном хлорирование в очищенной воде образуются токсичные хлорорганические соединения, появление которых вызвано взаимодействием активного хлора с присутствующими в природных водах органических соединениями природного и антропогенного происхождения.

Внастоящее время разработан ряд технологий, основанных на сочетании традиционных методов обработки воды с озонированием и сорбцией на гранулированном активированном угле. В результате многочисленных исследований подтвердилась возможность достижения по этим технологиям нормативных требований в от-

ношении нефтепродуктов», фенолов,хлорфенолов,полиароматическихуглеводородов, различных классов пестицидов и других токсичных соединений, Однако, применение озонирования связано с высокими капитальными и эксплуатационными затратами, а сорбционная очистка па активированном угле ограничена в связи с проблемами регенерации больших объемов сорбента после 1-1,5 лет эксплуатации.

В сложившейся ситуации наиболее перспективным направлением в решение проблем, связанных с получением доброкачественной питьевой воды, является применение биотехнологий на стадии предочистки, Применение биологических методов позволит удалить значительное количество загрязнений природного и антропогенного происхождения уже на начальной стадии обработки волы, что сократит расход реагентов и приведет к снижению количества образующегося осадка при дальнейшей реагентной обработке.

Развитие исследований в области биотехнологии показывает, что в последние годы большой интерес у исследователей вызывает иммобилизация ферментов и бактерий путем закрепления их на инертной и обычно нерастворимой матрице. Многочисленные исследования выявили широкие возможности иммобилизованных биосистем. Использование иммобилизованных микроорганизмов позволяет применять биологические методы для очистки природных вод от различных трудноокисляемых и токсичных веществ. Благодаря иммобилизации создаются условия для роста специфических микроорганизмов - деструкторов сложных органических веществ, обладающих низкой скоростью роста и неспособных развиваться в традиционных очистных сооружениях со свободно плавающей биомассой. В последнее время в зарубежной и отечественной практике широкое распространение получило применение сооружений с прикрепленной микрофлоры, в которых в качестве материалов-носителей применяются различные зернистые и гранулированные материалы, такие как песок, керамзит, стекло, пластмассы, цеолиты и, наконец, активированные угли.

Одним их ведущих направлений в совершенствовании технологии водоподгоговки является использование биосорбционных методов, позволяющих совмещать в пространстве и во времени адсорбцию загрязнений и их дальнейшую биодеструкцию, что технологически и экономически перспективно. Процесс с прикрепленной микро-

флорой на практике реализуется в сооружениях со стационарной загрузкой типа биофильтр, а также в реакторах со взвешенным слоем загрузочного материала.

Адсорбция на активированном угле наиболее распространенный метод глубокой очистки природных вод. Особенно эффективен активированный уголь при удалении загрязнений антропогенного характера.

Современныйуровеньпониманиямеханизмовфункционирования"биоактивного" угля может быть сформулирован следующим образом. Во время обработки воды активированный уголь начинает адсорбировать органические вещества, некоторые из которых могут служить субстратом для развития микроорганизмов, которые в течение некоторого времени будут брать на себя основную роль в процессе очистки, увеличивая срок службы сорбента. Не сорбирующие инертные материалы (кокс, керамзит, песок и др.), по-видимому, не смогут обеспечить такой же эффективности как активированный уголь, однако это оказывается верным только при удалении органических веществ при низких концентрациях.

На основании литературного обзора и данных оценки состояния работы технологических схем водоподготовки, в условиях сильного антропогенного загрязнения природных водоисточников сформулированы следующие выводы:

-традиционные схемы водоподготовки не позволяют обеспечить существующие нормативы, предъявляемые к питьевой воде, поэтому необходимо применять современные технологии очистки воды;

-наиболее рационально осуществлять биологическую предочистку, которая позволит снизить уровень природных загрязнений, поступающих на последующие стадии очистки;

-благодаря ряду технологических и экономических преимуществ на стадии предочистки биосорбционная технология, реализуемая в аппаратах с псевдоожиженным слоем активированного угля, может рассматриваться как

весьма перспективная для удаления антропогенных загрязнений.

Вторая глава диссертации посвящена развитию теоретических представлений биосорбционного окисления загрязнений и динамики роста микроорганизмов в сооружениях с прикрепленной микрофлорой, а также влияния температуры на процессыокисления.

Анализ современных тенденций развития биологических методов и техноло-

гий биологической очистки природных вод свидетельствует о том, что наиболее перспективным направлением интенсификации процессов с использованием микроорганизмов является их иммобилизации на носителях.

Прикрепление микроорганизмов на различных насадках упрощает и облегчает

их селекцию и адаптацию, позволяет более эффективно использовать явление естественного отбора при окислении органического субстрата.

В популяции микроорганизмов имеется целый спектр исходных, медленно рас-

тущих видов, осуществляющих деструкцию трудноокисляемых органических загрязнений, которые в обычном сооружении вымываются. Применение насадок позволит задерживать эти виды и тем самым осуществлять окисление органических загрязнений, которые в природных водах находится в очень низких концентрациях и окисляются с низкой скоростью. Экспериментально показано, что окисление биорезистентных субстратов возможно только на носителе, обладающем адсорбционной активностью по отношению к этим субстратам.

Механизм процесса биосорбционного окисления подтвержден эксперименталь-

ными исследованиями, проведенными зарубежными и отечественными специалистами в широком диапазоне варьирования параметров, с различными загрузочными материалами и обрабатываемыми водами различного состава. При биосорбции происходит концентрирование трудноокисляемого органического субстрата, который находится в очень низких концентрациях в природных водах с одновременным его трансформированием в биоразлогаемую форму, и последующей десорбцией продуктов в биопленку.

Кинетические закономерности изъятия загрязнений и динамики росса микро-

организмов в сооружениях с прикрепленной микрофлорой целесообразно описывать уравнениями ферментативных реакций, что позволит более правильно отразить сущность протекающих на загрузке процессов и создаст теоретическую основу для объяснения механизма и математического описания процесса.

Работами Mono и Иерусалимского H.Д. было показано, что скорость роста

биомассы (μ) описывается уравнением аналогичным уравнению Михаэлиса-Ментен: