Основы природоохранных биотехнологий. Практикум. Учебное пособие

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

ФГБОУ ВО «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ»

Р.Н. ПЛОТНИКОВА, О.Л. МЕЩЕРЯКОВА

ОСНОВЫ ПРИРОДООХРАННЫХ БИОТЕХНОЛОГИЙ

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

ВОРОНЕЖ

2021

УДК 57.01 ББК 30.16 П95

Научный редактор профессор П.Т. СУХАНОВ

Р е ц е н з е н т ы:

кафедра геоэкологии и мониторинга окружающей среды Воронежского государственного университета;

д.т.н. М.Ю. ГРАБОВИЧ (Воронежский государственный университет)

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Воронежского государственного университета инженерных технологий

Плотникова, Р.Н.

П95 Основы природоохранных биотехнологий. Практикум [Текст] : учеб. пособие / Р.Н. Плотникова, О.Л. Мещерякова; Воронеж. гос. ун-тинж. технол. – Воронеж : ВГУИТ, 2021. –99с.

ISBN 978-5-00032-509-4

Издание подготовлено в соответствии с требованиями ФГОС ВО подготовки магистров по направлениям 18.04.02– «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии биотехнологии»; 19.04.01 – «Биотехнология»; 2004. .01 – «Техносферная безопасность». Предлагается учебный материал, необходимый для подготовки и проведения практических занятий.

Оригинал-макет данного издания является собственностью Воронежского государственного университета инженерных технологий, егорепродуцирование (воспроизведение) любым способом без согласия университета запрещается.

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ …………………………………………………… 4

1. ЗАЩИТА АТМОСФЕРЫ ……………………………………….. 5 Практическая работа № 1. Расчет капельного биофильтра …... 5

Практическая работа № 2. Расчет биофильтрационных

установок ………………………………………………………… 14

2.ЗАЩИТА ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ……………………………... 31

Практическая работа № 3. Оценка качества работы

биологических очистных сооружений …………………………. 31

Практическая работа № 4. Расчет двухкамерного

биореактора для очистки сточных вод …………………………. 41

3.ОБРАЩЕНИЕ С ОТХОДАМИ …………………………………. 52

Практическая работа № 5 Получение генераторного газа

методом биометаногенеза …………………………………….... 52

Практическая работа № 6. Биогазовые технологии

и оборудование для крупных животноводческих комплексов ……………………………………………………….. 62

Практическая работа № 7. Проектирование биогазовой

установки …………………………………………………………… 66

4. ЗАЩИТА ПОЧВ …………………………………………………. 77

Практическая работа № 8. Задачи по расчету иловых

площадок …………………………………………………………. 77

5. БИОТОПЛИВО ………………………………………………….. 83

Практическая работа № 9. Совершенствование технологий

производства энергоносителей из возобновляемого сырья биотехнологическим методом …………………………………….. 83

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК …………………………….. 88

ПРИЛОЖЕНИЯ …………………………………………………….. 89

3

ПРЕДИСЛОВИЕ

Дисциплины «Основы природоохранных технологий» и «Биотехнологические процессы защиты окружающей среды» входят в состав основных профессиональных образовательных программ (ОПОП) подготовки магистров по направлениям 18.04.02 – «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии»;19.04.01- « Биотехнология», 20.04.01 – «Техносферная безопасность» и изучаются в первом и втором семестрах соответственно на первом году обучения в магистратуре. В соответствии с требованиями ФГОС ВО подготовки магистров по указанным направлениям целью освоения дисциплин является формирование профессиональных

биотехнологии в охране окружающей среды.

В результате изучения дисциплины студент должен знать основные проблемы и сферы использования биотехнологии; области применения биопрепаратов и их значимость, пути решения экологических проблем, связанные с использованием биотехнологических подходов; основное средозащитное биотехнологическое оборудование; уметь логично и последовательно обосновать принятие технологических решений на основе полученных знаний в области средозащитной биотехнологии, рассчитывать основные параметры средозащитного биотехнологического оборудования; владеть современными методами биотехнологии, использовать их для защиты природы от загрязнения и повышения устойчивости экологических систем, методами подбора основного средозащитного биотехнологического оборудования.

В учебном пособии представлены практические работы, направленные на формирование компетенций в области проектирования и организации средозащитных процессов биотехнологической защиты атмосферы, защитыводных объектов, обращения с отходами,защиты почв, в производстве биотоплив.

4

1 . ЗАЩИТА АТМОСФЕРЫ

Практическая работа № 1.

РАСЧЕТ КАПЕЛЬНОГО БИОФИЛЬТРА

Цель работы – получение навыков расчета технологических и конструктивных параметров капельного биофильтра.

Теоретические сведения

Для освоения компетенций по расчету технологических и конструктивных параметров работы биофильтра необходимо иметь представление о его назначении, порядке работы и устройстве аппарата. Рассмотрим биофильтр, предназначенный для очистки сточной воды методом тонкого фильтрования через специальную загрузку. В процессе фильтрования через загрузку любого типа, как правило, накапливается биологическая масса, называемая биопленкой, представляющая собой многочисленные колонии микроорганизмов.

В состав рабочих элементов биофильтра входят:

-каркас биофильтра, выполняемый из металла или бетона, разделенный на фильтровальные секции (рис. 1);

-фильтрующий материал, заполняющий каждую секцию и

выполненный из керамзита, гравия, песка, стеклянных шариков, полимерных материалов и пр.;

-система водораспределения;

-система дренажей, отводящая очищенную сточную воду;

-система подачи и распределения воздуха, предназначенная для повышения эффективности биологической очистки.

5

Рис. 1. Биофильтрационный аппарат с секционной загрузкой

На рис. 2 представлена принципиальная схема очистки сточных вод с применением биофильтра. Предварительно очищенные седиментационным методом в первичном отстойнике сточные воды, поступают в биофильтрационную установку, где, проходя через загрузочный материал, освобождаются от органических соединений и коллоидных частиц, которые сорбируются на биопленке, покрывающей загрузочный материал. При этом происходит «омоложение» биомассы биопленки. Омертвевшая биопленка, не пособная участвовать в процессе биологической очистки, теряет сорбционные свойства и уносится очищаемой сточной водой из тела биологического фильтра. В седиментаторе второй ступени происходит осаждение омертвевшей биопленки. Высокая эффективность биохимических процессов разложения органических веществ в биофильтре поддерживается кислородом воздуха, поступающего в аппарат.

Особенности очистки сточных вод в капельном биофильтре. В отличие от обычной биофильтрационной установки принцип работы капельного биофильтра основан на изменении механизма подачи сточных вод на очистку (рис. 3). Дляповышения степени очистки при низких концентрациях загрязняющих веществ в биофильтрах такой конструкции очищаемые воды поступают с низкой скоростью: капельно,в крайнем случае – небольшими струями.

6

Рис. 2. Принципиальная схемаочистки сточных вод методом биофильтрации: 1 - ввод сточныхвод; 2 - седиментатор первой ступени;

3 - биофильтрационная установка; 4 - седиментатор второй ступени; 5 - рецикл ила из седиментатора второй ступени;6 - выход очищенной воды; 7,8 - биофильтрационные установки I и II стадий доочистки; 9 - седиментатор третьей ступени; 10 - рециклочищенной воды

Капельные биофильтры рекомендуется использовать на небольших предприятиях, гдерасход загрязненных стоков не превышает 1000 м3/сут. Режим работы капельных биофильтров периодический.

В подобных установках сточные воды также подвергаются предварительной седиментационной очистке, а затем через распределители, установленные над всей поверхностью капельного биофильтра, подаются на биологическую фильтрацию в капельный биофильтр.

Для индивидуальных хозяйств с локальной очисткой бытовых сточных вод применение очистных установок с доочисткой на капельных биофильтрах имеет огромное значение, поскольку очищенные воды могут быть направлены как в отопительную систему индивидуального домового хозяйства, так идля полива сада и огорода.

7

Рис. 3. Углубленная очистка сточных вод с применением капельного биофильтра

В таком случае сточные воды проходят двойную очистку. Предварительная очистка, какв предыдущем случае, требует первичного отстаивания, затемочистки в секционных биофильрах с загрузочным материалом, удалением излишков биопленки во вторичном отстойнике, а затем на очищенные воды поступают на доочистку в капельные биофильтры.

Капельные биофильтры как отдельные элементы (рис. 4), предназначенные для глубокой очистки воды, могутрасполагаться как вне, так ивнутри помещений. При этом загрузочный материал, представленный щебнем, гравием, галькой с крупностью фильтрующих элементов в пределах 25÷40 мм, рекомендуется

8

Рис. 4. Схема круглого биофильтра с реактивным оросителем

Биофильтр для сточных вод, установка которого достаточно проста и может быть выполнена самостоятельно

-не требует подключения к электрическим сетям;

-экологичен;

-компактен;

-гарантирует отсутствие возможности загрязнения стоками водоносных слоев;

-полностью ликвидирует неприятные запахи канализаци-

онных вод.

В случае превышения в сточных водах допустимых показателей по концентрации загрязняющих веществ может резко снизиться пропускная способность капельного биофильтра. Наиболее значимой причиной в этом случае является забивка активной поверхности фильтрующей загрузки и ее заиление.

9

площади следует определить необходимое количество рабочих фильтрующих секций стандартного размера и, соответствен-

но, типоразмер промышленного биофильтра. Количество и характеристики фильтровальных секций зависят от того, как тусроена система распределения, стоков по фильтрующей поверхности. Как правило не менее 2 и не более 6÷8.

В промышленных и индивидуальных установках используется в основном прямоугольные биофильтрационные установки

3×3; 3,6×4; 9×12; 12×12; 15×15; 12×18 м и др. Для таких устано-

вок предусматривается высота загрузочного материала 2,3;

10