Разработка и исследование эффективности экотехнологии очистки и обеззараживания сточных вод на канализационных очистных сооружениях п. Белый Яр

Федеральное агентство по образованию ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ (ТГУ) Биологический институт Кафедра сельскохозяйственной биотехнологии ДИПЛОМНАЯ РАБОТА:

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКОТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ И ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ СТОЧНЫХ ВОД НА КАНАЛИЗАЦИОННЫХ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЯХ П. БЕЛЫЙ ЯР Томск 2009

Проблема защиты водоемов от загрязнений и сохранения водных ресурсов планеты стала одной из самых важных проблем для любой страны мира. Вопросы охраны природных водных объектов, технологии водоподготовки и очистки сточных вод имеют особое значение, поскольку вода является одним из важнейших компонентов системы жизнеобеспечения. Примерно 80% воды для водоснабжения городов и промышленных предприятий забирается из поверхностных водоемов, состояние большинства из которых таково, что существующие очистные сооружения водопровода и приемлемые технологические процессы уже не в состоянии обеспечить требуемое качество воды. Традиционные интенсивные системы требуют высоких затрат энергии и высококвалифицированного труда (Shrader Frechette, K. 1994).

Неудовлетворительное состояние водоисточников связано со сбросом в них недостаточно или совершенно неочищенных городских и промышленных сточных вод и поверхностного стока с площади водосбора. В настоящее время около 30% всего объема сточных вод не подвергается очистке перед сбросом в водоем. Питательные элементы, главным образом соединения азота и фосфора, поступают в водоемы с бытовыми и сельскохозяйственными сточными водами. Особенно часто такая ситуация имеет место в небольших населенных пунктах, где стоимость строительства традиционных очистных сооружений оказывается неподъемной для местных бюджетов. В то же время штрафы и платежи за сброс таких вод составляют значительные суммы (Cairns, J., Jr. 1996).

Давно известны способы естественной очистки. Достоинство ихв относительной дешевизне строительства и эксплуатации, а также в большинстве случаевв высоком качестве очищенной воды; недостатокболее низкая, чем в искусственных сооружениях, интенсивность окислительных процессов. Биологические очистные сооружения в климатических условиях Томской области в зимний период не выполняют своей задачи, что связано с низкой температурой поступающих на очистку сточных вод.

Таким образом, разработка нового типа очистных сооружений, надежно функционирующих зимой, стоимость строительства которых и эксплуатационные затраты в 10−20 раз ниже обычных является актуальной проблемой. Новым перспективным направлением является использование водной растительности. Этот метод является достаточно дешевым, не сложным и эффективным (Robert L. Knight, 2004).

За рубежом известна высокая эффективность очистки сточных вод водной растительностью, однако отечественный опыт в этой области практически отсутствует. Поэтому основной целью предлагаемой работы является: изучение существующего зарубежного опыта использование водной растительности в холодном климате и разработка конкретных мероприятий для модернизации очистных сооружений небольшого населенного пункта Томской области.

В задачи работы входило:

Изучить литературные данные по использованию технологии «constructed wetland» в холодном климате.

Изучить состояние очистных сооружений п. Белый Яр.

Разработать технические мероприятия по достижению нормативов допустимого сброса загрязняющих веществ в р. Кеть со сточными водами поселка с использованием технологий «constructed wetlands», обеспечивающие максимальную интегрированность сооружений в существующий ландшафт.

Провести мониторинг эффективности очистки стоков.

1. Обзор литературы

1.1 Характеристика сточных вод

Сточные воды подразделяют: хозяйственно-бытовые, ливневые (атмосферные) и промышленные. Хозяйственно-бытовые сточные воды образуются при мытье посуды, уборке помещений, приготовлении пищи, стирке белья и так далее. В них содержатся органические и неорганические примеси, патогенные организмы. Атмосферные, или ливневые, воды в основном загрязнены пылью, песком, а в больших городах мазутом, бензином и другими нефтепродуктами. Трудно переоценить значение проблемы, с которой к концу нашего столетия столкнулось человечество — наличием чистой пресной воды (Robert Bastian, 1999).

Азот Многие органические соединения содержат в своем составе азот. К азотсодержащим соединениям относятся такие жизненно важные вещества, как белки и нуклеиновые кислоты. Многие микроорганизмы способны расщеплять макромолекулы белков и нуклеотидов, хотя большинство из них предпочитает в качестве источника питания углеводы.

Азот входит в состав структурных белков, пуриновых и пиримидиновых оснований и других важнейших элементов клеток, а его отношение к углероду приближается к 0,1.

Общее содержание азота в фитомассе различных макрофитов определялось очень многими исследователями и составляет по отношению к сухому весу 1−3%; в листьях концентрация выше, чем в подземных органах. Вероятно, вне конкретных условий определений и задач работ приведение точных данных содержания азота, как и других элементов минерального питания, бессмысленно (Jan Vymazal, 2005).

В водных объектах азот содержится в основном в форме нитрат — иона; окисление восстановленной формы азота в виде аммоний — иона протекает достаточно быстро с участием водной микрофлоры. Хотя молекулярный азот, согласно равновесию с атмосферой, содержится в воде также в значительной концентрации, он достаточно химически инертен и не поглощается непосредственно растениями. Тем не менее, благодаря деятельности азотфиксаторов, к числу которых в водоеме относят цианобактерии, азот реже, чем фосфор, выступает в качестве лимитирующего развитие растений фактора (Robert L. Knight 2004).

Скорость оборота азота в мелководных объектах колеблется в зависимости от гидрологических и морфологических особенностей, гидрохимического состава, рН, температуры и других факторов. Величина составляет от долей % до нескольких % от наличного содержания азота за час в автрофных объектах при общей концентрации азота 2 мг/л (Costanza, R, 1996).

Рассмотрение метаболизма азота специально в водных макрофитах представляет сложную задачу, поскольку наши знания опираются на изучение очень широкого круга растительных организмов. Процессы метаболизма, по-видимому, не столь различны между растениями с разным способом обитания, сколь по видовым и другим особенностям. Все растения в основном получают азот в виде двух форм — нитратной или аммонийной, но способны также поглощать азот и в виде других низкомолекулярных соединений например, мочевины или газообразного аммиака. Однако в натуре значение подобных источников азота невелико.

Аммонификация (минерализация) является процессом, где органический N, биологически преобразован в аммиак. Большая доля (до 100%) органического азота преобразовается в аммиак.

Растворенные в воде органические вещества служат питательным субстратом для очень большой группы организмов-гетеротрофов, преимущественно бактерий и грибов. Гетеротрофная форма жизни основана на метаболизме живыми существами только готовых органических соединений, ранее синтезированных другими живыми организмами. Усвоенные ими органические вещества используются по двум направлениям: для роста и развития (пластический обмен, ассимиляция) и для получения энергии (энергетический обмен). В последнем случае, например у аминокислот, отщепляется аминогруппа в форме аммиака, NH3 (дезаминирование), а образовавшаяся органическая кислота после подготовительных превращений «сгорает» в энергетической «топке». В результате образуется АТФ и выделяются: NH3, СО2 и H2O. Способностью к дезамированию обладает любая живая клетка, поэтому группа микророрганизмов — аммонификаторов весьма многочисленна. Эти микроорганизмы используют для своих нужд не только белки, но и широкий круг органических веществ, обеспечивая их минерализацию, благодаря чему играют очень большую роль в поддержании биологического равновесия (Berry. W, 1987).

Органические вещества всегда присутствуют в воде, грунте. Всеядность аммонифицирующих гетеротрофов при обилии питательного субстрата приводит к их активному размножению в толще воды, что внешне выражается в ее помутнении. Такие планктонные аммонификаторы требуют для своего развития гораздо больших концентраций органических веществ, чем прикрепленные формы. По мере «выедания» органических веществ, численность планктонных форм снижается, и их функции принимают на себя «сидячие» формы (компоненты перифитона). С одной стороны, это сопровождается просветлением воды, с другой — сопряжено с появлением в воде аналитически обнаруживаемых количеств аммонийного азота (Ehrlich, P. R, 1994).

Нормы аммонификации зависят от температуры, pH фактора, отношения C/N, доступных питательных веществ и условий почвы, таких как текстура и структура. Оптимальная температура аммонификаторов 40−60°C, в то время как pH находится в диапазоне между 6.5 и 8.5.

В результате расщепления азотсодержащих органических соединений в большом количестве выделяется аммиак. В природных условиях, в почве и в воде водоема этот аммиак потребляется растениями в процессе роста или подвергается воздействию особой группы микроорганизмов, окисляющих его с образованием азотистой и азотной кислот. Процесс называется нитрификацией. Нитрификация протекает под воздействием особых нитрифицирующих бактерий — Nitrozomonas, Nitrobacter и др. Эти бактерии обеспечивают окисление азотсодержащих соединений, которые обычно присутствуют в загрязненных, природных и некоторых сточных водах, и тем самым способствуют превращению азота сначала из аммонийной в нитритную, а затем и нитратную формы (Christos S, 2006).

Нитрификация обычно определяется как биологическое окисление нитрата аммония с нитритом.

Первая фаза нитрификации-окисление солей аммония в нитриты-протекает по уравнению: 2Н4++3О2=4Н++2NO2-+2H2O

Типичный возбудитель первой фазы нитрификации-Nitrosomonas europaea. Эта бактерия имеет форму укороченного овала, размером 0,6−1,0×0,9−2 мкм, спор не образует.

В присутствие органических веществ обычно наблюдается угнетение роста нитрифицирующих бактерий, но в то же время в природных условиях, на полях орошения и фильтрации наблюдается интенсивная нитрификация.

Вторая стадия нитрификация заключается в окислении образовавшихся в первую фазу солей азотистой кислоты в соли азотной кислоты. Процесс протекает в соответствии с уравнением: 2NO2-+O2>2NO3;

Возбудитель второй фазы нитрификации Nitrobacter winogradsryi.

В природных условиях нитрифицирующие бактерии способны поглощать только тот аммиак, который не использовался другими организмами. Поэтому на интенсивность нитрификации влияет соотношение углерода и азота в среде. Пока есть избыток органических веществ, аммиак расходуется конкурентами нитрификаторов в процессах конструктивного обмена. Гетеротрофные микроорганизмы к тому же усиленно поглощают необходимый нитрифицирующим бактериям кислород (Dougherty. J. M, 2001).

Vymazal (1995) подводит итог, что нитрификация зависит от влияния температуры, значения pH, щелочности воды, неорганического источника C, влажности, микробного населения, концентрации аммонияN и растворенного кислорода. Оптимальная температура для нитрификации в чистых культурах колеблется от 25 до 35 °C, и в почвах от 30 — 40 °C. Holling, C. S. (1996) указал, что минимальная температура для роста Nitrosomonas и Nitrobacter — 5 и 4 °C, соответственно.

В отложениях и почвах, наблюдается денитрификация и нитрат — аммонификация (Jari Koskiaho, 2002). Поэтому, большинство органических веществ может быть окислено молекулой нитрата. Кроме того, сокращение нитрата выполняют ферментативные бактерии, которые не зависят от присутствия нитрата, необходимого для роста при анаэробных условиях.

Денитрификация широко распространённый в природе процесс восстановления нитратов до молекулярного азота, вызываемый бактериями. Денитрификация протекает с образованием нитритов и закиси азота.

Восстановление нитратов осуществляется в цитоплазме с участием ферментного комплекса нитратредуктазы, молекулярный вес которого от 220 000 до 600 000 у разных растений. Энергию, необходимую для восстановления нитратов, бактерии получают в результате окисления органических веществ (углеводы, спирты, органические кислоты), а кислород нитратов является акцептором электрона и водорода. Денитрификация обычно определена как процесс, в котором нитрат преобразован в динитроген, через нитрит, промежуточные звенья, окись азота и закись азота.

С биохимической точки зрения денитрификация — это бактериальный процесс, в котором закиси азота (в ионной и газообразной форме), служат электронными получателями для дыхательного переноса электронов. Электроны несут системы к более окисленной форме N. Энергия сохраняется в ATP, после фосфорилирования, и используется denitrifying организмами, для поддержания дыхания. Денитрификация показана в уравнение Holling, C. S. (1996):

6(СН2О) +4NO-3> 6CO2+2N+6H2O

Эта реакция необратима, и происходит из органического основания, только в анаэробных или бескислородных условиях (А = + 350 к +100 mV). Сокращение нитрата может произойти в присутствии кислорода.

Разнообразные организмы способны к денитрификации. Большинство денитрификаторов бактерии — chemoheterotrophs. Они получают энергию исключительно через химические реакции и органические соединения, и используют ее как источник клеточного углерода.

Бациллы родов, Micrococcus и Pseudomonas являются вероятно самыми важными в почвах и в водной среде. Когда доступен кислород, эти организмы окисляют древесный уголь.

Ассимиляция азота обращается к множеству биологических процессов, которые преобразовывают неорганические формы азота в органические соединения.

Две формы азота, вообще используются для ассимиляция — азот нитрата и аммиак. Аммиак — предпочтительный источник азота для ассимиляции (Robert L. Knight, 2004).

Поглощение листьями неорганических соединений азота для наземных растений (и, по-видимому, гелофитов) обнаруживается в их способности к ассимиляции азотсодержащих газов, например, аммиака или двуокиси азота (NO2) из воздушной среды. В водной среде главным препятствием для поглощения простых соединений азота является кутикула листьев, однако тонкий эпидермис водных листьев позволяет поглощать азот всей их поверхностью, как и корнями (Craig S, 1987).

Центральную роль в метаболизме азота в растениях играет ион аммония, являясь продуктом прямой ассимиляции, а также восстановление нитрат — и нитрит — ионов, мочевины и даже фиксации молекулярного азота. Поглощение ионов аммония протекает в виде двухфазного процесса. Исходная фаза поглощения не ингибируется метаболическими ингибиторами, такими как цианиды. Этот процесс поглощения протекает и при низкой температуре и характерен при избытке аммония в среде. Вторая фаза более зависима от температуры, подавляется ядами, протекает в определенном градиенте, представляет активное поглощение ионов аммония.

Большая часть биомассы, и содержавший ее азот, разлагается, чтобы выпустить углерод и азот. Этот выпуск важен в цикле азота заболоченного места — некоторая часть азота выпускается назад в воду, некоторая фракция подвергнута аэробным процессам. Микроорганизмы и морские водоросли также используют азот (Bergen, S. D, 1994).

1.2 Фосфор

Фосфор в заболоченных водоемах представляет фосфат в органическом и неорганическом составе. Фосфор выполняет не только структурные функции, но и энергетические. В природной воде как повышенное, так и пониженное его содержание приводит к неблагоприятным для биоты последствиям. Поступление фосфора в водоемы происходит за счет различных источников — это вода речного стока, естественные поступления из почв при эрозии, поступление с атмосферными осадками и другие. Наряду с этими естественными источниками поступления Р в водоем существуют и такие, как вынос Р с обработанных сельскохозяйственных угодий, попадание промышленных и бытовых фосфорсодержащих сточных вод. Фосфор, который используется непосредственно водорослями и макрофитами, представляет главную связь между органическим и неорганическим фосфором в заболоченных местах (Anderson. В. С, 2004).

В состав группы неорганического фосфора входят — полифосфаты, линейно сжатые и цикличные. Органический фосфор присутствует, например, в фосфолипидах, нуклеиновых кислотах, полифосфатах.

Формы органического Р могут быть сгруппированы:

Легко разложимый Р.

Медленно разложимый органический Р.

Цикл фосфора в почве существенно отличается от цикла N. Нет никаких изменений валентности во время биотической ассимиляции неорганического Р, или во время разложения органического Р микроорганизмами. Р почвы прежде всего происходит с валентностью +5, потому, что более низкое окисление термодинамически непостоянно.

Особые весьма сложные взаимоотношения в обмене Р происходят между водными массами и грунтом. Происходит накопление Р в грунтах за счет остатков растений и животных, а также адсорбция Р на оседающем сестоне и за счет поглощения самими донными отложениями. Хотя донные отложения являются главным автохтонным резервом Р, в круговорот Р в водоеме органические соединения Р из грунта в анаэробных условиях почти не включаются, а сами минерализуются очень медленно и находятся в неактивном состоянии. Точная природа соединений Р в них изучена недостаточно.

Также мало известно и о сроках захоронения Р в виде остатков организмов. Для неорганического фосфора характерна его ассоциация с железом, алюминием, кальцием, фторидами, а также адсорбция в виде анионов на глинах и органических комплексах. В кислых осадках преобладают комплексы Р с железом и алюминием, в щелочных и нейтральных — фосфат кальция, что касается других форм фосфора, то их превращения зависят прежде всего от жизнедеятельности микроорганизмов, а также от рН, температуры и окислительно-восстановительного потенциала.

На скорость выноса Р из донных осадков влияют содержания кислорода, рН, температура, концентрация фосфора в воде (Jacques Brisson, 2006).

Макрофиты в круговороте Р выполняют по меньшей мере три функции: извлекают Р из воды и накапливают его в своих органах, выделяют его в воду при изменении физиологического состояния и, наконец, прикрепленные растения выполняют «насосную» функцию, перекачивая Р из грунта в надземные органы. Среди различных экологических типов высшей водной растительности только прикрепленные виды растений способны перекачивать Р из грунта в воду, извлекая его корнями и выделяя листьями и побегами в процессе жизнедеятельности (Lemons, J, 1995).

1.3 Состав сооружений расположенных на окраине поселка Белый Яр и технологическая схема

Сооружения расположены на окраине поселка Белый Яр. Сточные воды поселка, посредством насосных агрегатов ГНС, подаются на очистные сооружения в приемную камеру. Далее они попадают на окисление органических загрязнений в два аэротенка с продленной аэрацией, которые сблокированы с двумя вторичными вертикальными отстойниками. Циркуляционный активный ил из вторичных отстойников посредством 4-х эрлифтов подается обратно в аэротенки, а избыточный ил удаляется по мере необходимости на две иловые площадки. Осветленная вода поступает самотеком в два контактных резервуара вертикального типа, где происходит контакт с гипохлоритом натрия. Очищенная вода с остаточным хлором посредством берегового выпуска сбрасывается в протоку р. Кеть.

1.4 Количественная и качественная характеристика стоков

Согласно проекта количественная характеристика стоков должна была определяться по водосливу, установленному в лотке после приемной камеры стоков ОСК. Расчет его был выполнен по истечению воды из отверстий в перегораживающем поток щите, установленном перпендикулярно потоку воды в канале.

На период выполнения данной работы он отсутствовал, а измерение расхода воды проводилось на входе в контактные резервуары по уровню проходящей воды. На него имеются расчетные таблицы, хотя методику расчета проверить не удалось из-за ее отсутствия на сооружениях. В таблице 1 приведены данные по количеству очищенных сточных вод по существующему водосливу за характерную неделю августа 2009 г.

Подробные данные по количеству выходящих из сооружений стоков будут использованы для дальнейших расчетов с целью определения коэфицента часовой неравномерности и по этим данным подобраны пределы производительности насосных агрегатов ГНС поселка. По данным таблицы № 1 количественные показатели выходящих с ОСК стоков следующие:

Средний расход Сср=655,7 м3/сут.

Максимальный суточный расход Смакс. сут.=730 м3/сут.

Максимальный часовой расход Смакс. час.=50 м3/ч.

Среднечасовой расход в максимальные сутки Сср. час.=730/22=30,4 м3/ч.

Коэффициент суточной неравномерности выходящих стоков Ксут.=730/655,7=1,11

Коэффициент часовой неравномерности выходящих стоков Кчас.=50/30,4=1,64

Общий коэффициент неравномерности выходящих стоков

Кобщ .=Кчас.* Ксут.=1,11*1,64=1,82

Что касается притока стоков на ОСК, то в нарушение правил технической эксплуатации и технологических требований к сооружениям полной биологической очистки стоков, он крайне неравномерен в течение часа.

А именно: на ГНС — 2 насосных агрегата

Таблица 1 — «Количественная характеристика стоков на выходе из сооружений»

— рабочий, при существующей автоматике приемного резервуара по максимальным и минимальным уровням наполнения 5−6 минут качает, 40мин. наполнения приемного резервуара в дневное время суток.

— резервный, 8−10 мин. качает, 40−50 минут наполнения приемного резервуара в дневное время суток.

В ночное время суток наполнение приемного резервуара достигает более длительного времени, о чем так же говорят данные таблицы 1 (с 2 до 4 часов ночи).

Для подбора насосных агрегатов ГНС воспользуемся среднечасовым расходом в максимальные сутки, который составляет:

Сср. час.=30,4 м3/ч Однако для обеспечения пропуска максимального часового расхода стоков следует учесть фактический коэффициент часовой неравномерности:

Кчас.=1,64, тогда Q=30,4 1,64=50 м3/ч Таким образом, для обеспечения необходимого пропуска расхода с соблюдением достаточной равномерности подачи стоков, необходимо установить насосы (рабочий и резервный) производительностью 50 м3/час и напором не менее 40 метров по конструкции центробежные, по назначению фекальные.

1.5 Результаты контрольных наблюдений

Гидравлическая нагрузка сточных вод — это объем сточных вод, протекающий в интервал времени, отнесенный к единице поверхности или объема очистных сооружений. Это не подразумевает однородное физическое распределение воды по поверхности заболоченного места. Уравнение определения:

q=Q/A,

где q-гидравлическая норма нагрузки; A-область заболоченного места (земельная площадь); Q-скорость потока воды (Robert H Kadles, 2008).

1. Время пребывания стоков, исходя из гидравлической нагрузки 26,32

Т=tаэр.*n/qср, где tаэр.=400 м3 qср=30,4 м3/ч n=2 Т=26,32

2. Расчет вторичных вертикальных отстойников Удельная гидравлическая нагрузка м3/м2*ч 1,47

Qssd=4,5*kss*Hset/ (0,1*Yi*di), где kss-коэффициент использования объема 0,35

di=2,4 г/л Yi=100 мм3/г Hset=4,5 м.

Допустимая максимальная нагрузка м3/сут. 1161,7

Qсут.=qssd*Sотс.*24/кчас., где кчас.=1,64 Sотс. — площадь отстойников, 54 м².

3. Гидравлическая нагрузка для 1 и 2 фитокарты:

1. 655,7 м3/4250 м2=0,2 м3/(м2-сутки)

2. 655,7м3/2000м2=0,3 м3/(м2-сутки)

4. Температура отстаивания в аэротенке = объем аэротенка/часовой расход

Sаэр*n/qср час n=2 400*2/30,4=26,32ч (Robert H Kadles, 2008).

5. Расчет иловых площадок Годовое количество осадка м3/год w=1898 w=wизб*365

Фактическая нагрузка на площадки м3/м2 q=2,1 q=w/S*n, где S*n-площадь 2-х площадок 900 м².

Сооружения имеют резерв по гидравлической нагрузке, который лимитируется допустимой максимальной нагрузкой на вторичные отстойники. Существующие иловые площадки работают на пределе технических возможностей.

1.6 Зарубежный опыт использование искусственных водно-болотных экосистем для очистки сточных вод в условиях холодного климата

Во многих странах болота уже давно и с большим успехом используют для очистки городских сточных вод. Проекты заболоченных территорий холодного климата, сталкиваются с трудностями. Во время холодного периода, как только образуется ледяной слой на заболоченной территории, температура воды начинает сильно отличаться от температуры воздуха. Температура сточных вод будет 1 или 2 градуса и толщина ледяного слоя станет рассматриваться в проекте. Формирование ледяного слоя уменьшит глубину воды. Поэтому на заболоченных территориях с холодным климатом, делают дополнительный надводный борт, чтобы приспособить ожидаемый слой льда. Вычисление энергетического баланса определяется степенью ледяного формирования. Толщина льда может значительно изменяться из года в год, из-за изменений связанных со снегопадом и температурой (Robert H Kadles, 2008).

Установлено, что в штате Флорида кипарисовые болота удаляют 98% всего азота и 90% всего фосфора из проходящих по ним СВ. В индийском городе Калькутта вообще не существует заводов по очистке сточных вод. Зато все бытовые стоки направляются в комплекс модифицированных водно-болотных угодий, которые используются для разведения рыбы (продукция которой составляет 2,4 т с гектара ежегодно), а также для ирригации рисовых полей.

В США с 2000 года существует пятилетний научно-исследовательский проект по постройке искусственных заболоченных территорий для очистки бытовых и промышленных сточных вод в холодном климате — Wetland Biofilter Sistems. По данным этого проекта применение заболоченных территорий для доочистки СВ имеет ряд преимуществ, по сравнению с традиционными методами:

1) Данный метод может применяться для очистки СВ как отдельного дома, так и целого предприятия;

2) Для строительства и дальнейшего поддержания данной системы требуются незначительные затраты;

3) Для строительства привлекаются небольшие территории. Например, для очистки СВ отдельного дома или коттеджа требуется площадь 5 м X 10 м. Для очистки сточных вод объемом 12.000 литров в день требуется участок в 108 квадратных метров;

4) С помощью данной системы происходит снижение БПК5 и взвешенных веществ на 90%, общего азота и фосфора на 60 -90%, E. coli и др. энтеробактерий на 99.99%;

5) Данная система была разработана, чтобы работать круглогодично на открытом воздухе, в холодном Канадском климате (без подвода тепла), без уменьшения объема очистки и производительности;

6) С помощью такого метода могут быть очищены любые сточные воды с высоким содержанием питательных веществ, органических и взвешенных веществ (бытовые СВ, СВ целлюлозно-бумажных фабрик, сток из оранжерей и т. д.);

7) После такой очистки очищенные воды могут быть использованы для х/б водоснабжения и др. целей.

Данный метод в процессе строительства в Niagara-Under-Glass, Kitchenmaykoosib Inninuwug, TorontoWaldorf School. Завершено в Kortright Centre, Metro Toronto Conservation Authority.

Службу охраны природных ресурсов USDA США интересуют возможности сооруженных болот к очистке сельскохозяйственных стоков в условиях холодного климата.

Таким образом, основной проблемой, с которой столкнулись американские исследователи является в летних условиях — недостаток влаги, который вызывал пересыхание отдельных карт, а в зимних условиях — обледенение отверстий выпуска в трубах и замерзание поверхности секций в условиях малоснежной зимы (Cairns, J., Jr. 1996). В городе в ливневых дренажах находится вода, которая содержит много загрязняющих веществ. Они накапливаются в результате таяния снегов и дождей. В такой воде находится нефть, пестициды, тяжелые металлы, бактерии, вирусы и т. д.

Строительство сооружений около водных объектов (например, дамбы), требует специального разрешения. Сооружения требуется проектировать так, чтобы уменьшить разрушение wetland и улучшить качество воды. Разрешение на какую-либо деятельность, которая может привести к загрязнению воды, выдает организация по охране окружающей среды. Предложенная деятельность не должна нарушать стандарты качества воды. Проектировщикам или менеджерам нужно предусмотреть, чтобы через какое-то время было надлежащее функционирование wetland (Gulding Principles, 2000).

В разное время года преобладает влияние тех или иных абиогенных факторов. Возможность вегетации многих видов определяет температурный фактор.

Воздействие температуры постоянно испытывают все живые организмы. Нередко температура служит сигналом для смены цикла в жизни животных. Температурный фактор в очень большей степени влияет на распределение организмов в водоеме и на интенсивность их обменных реакций.

Понижение температуры переносится микроорганизмами гораздо лучше, чем нагревание. У многих видов вегетативные клетки способны выдерживать однократное замораживание. Причину гибели клеток при замораживании многие исследователи видят в разрушающем действии кристаллов льда, образующихся в клетках. В случае быстрого замораживания (1−100С), когда вместо кристаллов в клетках образуется стекловидная ледяная масса, процент погибших клеток значительно снижается (Joan Garcia, 2005).

Амплитуда температурных колебаний воды намного меньше, чем воздуха. Во время замерзания водоема большое количество выделяющегося тепла препятствует охлаждению нижележащих слоев воды. На отношение организма к температуре влияет характер смены температуры: постепенный или внезапный.

Зимой в спущенных прудах погруженная растительность, как правило, гибнет, оставляя зимующие почки (турионы). Вегетативные побеги из них весной обычно развиваются с некоторой задержкой по сравнению с полуводной растительностью. Возможно, это связано и с тем, что наименее мелкие места прогреваются в первые весенние дни гораздо скорее.

Понижение температуры ниже 15оС способствует уменьшению скорости удаления Р из осадков, что объясняется ослаблением деструкции. На удаление азота так же влияет температурный фактор (Herman, R, 1996).

Способ очистки сточных вод высшей водной растительностью основан на естественных процессах самоочищения, интенсифицированных деятельностью растений. В основу работ был положен лабораторный метод исследования. Результаты исследования показали, что лучшими очистительными свойствами обладает камыш озерный, а наиболее эффективной является трехступенчатая очистка по схеме размещения: камыш — рогоз — тростник. Результаты подобных исследований широко известны. Это пример очистки сточных вод с помощью высших водных растений. Конечно, у каждого из этих растений есть свои недостатки и преимущества. Так камыш препятствует естественной циркуляции воды в водоеме, что приводит к его заболачиванию. Всем известная ряска, очищая водоем от органики, но при этом нарушает его кислородный баланс. Ученые пытаются найти растение с минимальным числом «недостатков», способное максимально эффективно очищать сточные воды. Сейчас в поле зрения исследователей попал новый объект — водный гиацинт (Eichhornia crassipes). Этот тропический вид имеет ряд преимуществ по сравнению с ранее использовавшимися растениями. Во-первых, эйхорния очищает воду глубже, чем другие растения. Во-вторых, она не только не нарушает кислородного баланса, но даже улучшает такие показатели водоема как БПК и ХПК. В-третьих, зеленую массу водного гиацинта можно использовать в промышленности и сельском хозяйстве (Shrader Frechette, K. 1994).

Построенные водно-болотные угодья широко используются для обработки сточных вод в холодном климате. Возникает необходимость в выборе растений для холодных регионов. В составе всего населения водоемов в прибрежных зонах водные растения становятся важнейшими участниками процессов улучшения и восстановления качества воды. Ученые оценивают растения по отношению к сезонам и выбирают растения наиболее устойчивые к холодным регионам. Наиболее приспособленные к холодному климату оказались три вида растений — это рогоз, камыш и осока. Эти растения очищают сточные воды от растворенных органических веществ даже при температуре 40С. У рогоза, камыша и осоки измерили химическую потребность в кислороде, растворенный органический углерод и окислительно-восстановительный потенциал.

Растения различаются между собой по удалению растворенного вещества и окислению происходящего в корневой зоне. Все три вида растений удаляют растворенные органические вещества в холодных условиях. Во время покоя при t=40С удаление из сточных вод органических веществ, происходит интенсивней, чем в период наступления сельскохозяйственного сезона, когда t=240С. Структура сообществ не обнаруживает особых изменений от сезона к сезону. Популяции отдельных видов растений сильно укрепляется по отдельным местообитаниям. Характер осадков от анаэробных с аэробным поверхностным слоем меняется, переходит к анаэробным, в нижних слоях воды кислород исчерпывается, плотные заросли препятствуют циркуляции воды, летом сверху образуются нагретые слои воды, наблюдаются заметные внутрисуточные колебания концентрации кислорода по глубине. Изменение температуры оказывает значительное влияние на удаление растением органического вещества. С изменением температуры начинают адаптироваться микроорганизмы, изменяются разновидности растений (Kadlec, 1997). Корни растений в течение сезона осуществляют транспорт кислорода.

Некоторые ученые предполагают, что транспорт кислорода является важной составляющей в очистке сточных вод (например Cambell и Ogden, 1999). Другие ученые отрицают этот факт, считая, что очистка не может быть эффективной из-за сезонных изменений и перепада температуры.

Растения водно-болотных угодий, как известно, осуществляют транспорт кислорода, чтобы поддерживать анаэробное дыхание и окислять фитотоксичные составы (Fe2+, Mn2+, S2-) в ризосфере. Некоторые растения осуществляют транспорт кислорода в корневой зоне, тем самым поддерживают микробную деятельность (Reddy et al., 1989; Bodelier., 1996; Armstrong, 1990), и это иногда составляет 90% кислорода, входящего в субстрат (Reddy et al., 1989).

Важной особенностью водных растений является обычно мощное, развитие корневищ, играющих в виде различных модификаций роль запасников питательных веществ. Куски корневищ служат зачатками новых растений. Весной после перезимовки подо льдом и снегом запасы питательных веществ в корневищах дают дружный и мощный рост побегов, фактически новых растений. Зимой в спущенных прудах погруженная растительность, как правило, гибнет, оставляя зимующие почки.

В государственном университете Монтаны в Bozeman с апреля 1997 по июль 1999, в оранжереи проводился эксперимент по контролю температуры. Эксперимент проводился в температурных пределах от 40С до 240С. Почасовые температуры колебались, но температуры показанные в рис. 1.1 представляют средние ежедневные температуры оранжереи.

240С

160С

80С

00С Рисунок 1.1 — Ежедневные температуры оранжереи, августа 1998 и января 1999

Дополнительное освещение не использовалось; кумулятивное ежедневное солнечное излучение составляло приблизительно 25% от зарегистрированного солнечного излучения в течение года. Относительная влажность колебалась от 30 до 70%. Температуры оранжереи и солнечного света было достаточно, для поддержания роста растения и для того, чтобы вызвать сезонные циклы покоя и роста.

Были построены тридцать две колонки из многовинилового хлорида (поливинилхлорид), трубы (высотой 60 см и диаметром 20см) заполненной вымытыми горошинами гравия (0,3−1,3 см в диаметре). Аллювиальный гравий был получен из неизвестковой породы вулканического и метаморфического происхождения. Пористось составляла 0,27; пористый объем 4,3, значения не изменялись во время проведения эксперимента. Трубы доступа и пробоотборные трубы были установлены на высоте 5, 15 и глубине 30 см (рис. 1.2).

Верхняя часть окислительно-восстановительной трубы доступа электрода была закрыта резиновым стопором. Каждая колонка функционировала, как независимый периодический реактор.

Зрелая осока, камыш и растения рогоза были собраны в марте и апреле 1997.

Корневища были вымыты от отложений и посажены в колонки заполненные гравием.

Рисунок 1.2 — Непрерывная поставка воды Колонки заполняли раствором стандартной питательной среды с апреля 1997 по сентябрь 1997. Платину с окислительно-восстановительными электродами (Faulkner et al., 1989) устанавливали во всех 32 колонках, и связывали с компьютером через мультиплексор.

Результаты показали, что температура оказывает значительное влияние на корневую зону (рис. 1.3). Растений и их разновидностей было больше там, где преобладала низкая температура. Удаление органического углерода при температуре 40С происходило медленно и не эффективно по сравнению с температурой 240С. В колонках рогоза при температуре 40С удаление органического углерода было не значительным и различия между 40С и 240С не были существенными. В осоке и колонках камыша удаление органического углерода происходило эффективно при любых температурах, но более быстро удаление происходило при 40С, чем при240С. Химическая потребность в кислороде была больше в осоке и колонках камыша, чем в колонках рогоза. Удаление органического углерода для осоки и камыша происходило эффективно при 40С, на протяжении всего периода инкубации. Окислительно-восстановительные потенциалы и концентрации сульфата были высокими после заполнения колонок свежей сточной водой.

Рис. 1.3 — Химическая потребность в кислороде в разные дни инкубационного периода

2. Объект и методы

2.1 Очистные сооружения

Аэротенки Процесс биологической очистки может быть описан как непосредственный контакт загрязнений с оптимальным количеством организмов активного ила в присутствии соответствующего количества растворенного кислорода в течение необходимого периода времени с последующим эффективным отделением активного ила от очищенной воды.

Основные параметры этого процесса должны быть взаимоувязаны, а именно: объем аэротенков, количество и окисляемость загрязнений, время контакта загрязнений с активным илом, Кроме того, аэротенки подразделяются по способу подачи сточных вод и их потоку на смесители (рассредоточенная подача и выпуск сточных вод) и вытеснители («поршневой» характер потока сточных вод), а также по виду аэрации: аэротенки с механической или (наиболее распространенной) пневматической аэрацией.

Аэротенки с пневматической аэрацией состоят из одной или нескольких секций, каждая из которых имеет от 2 до 4 коридоров, отделенных друг от друга продольными направляющими перегородками, не доходящими до одной из торцевых стен. В торцах аэротенка расположены каналы для впуска и отведения сточной воды.

Окисление органических загрязнений в аэротенках происходит за счет жизнедеятельности аэробных микроорганизмов, образующих хлопьевидные скопления — активный ил. Часть органического вещества, непрерывно поступающего со сточными водами, окисляется, а другая обеспечивает прирост бактериальной массы активного ила. Окислительный процесс в аэротенкахвытеснителях происходит неравномерно: в начале аэротенка — быстрее, а по мере приближения к концу и уменьшения количества субстрата — медленнее.

Обычно аэротенк — это резервуар прямоугольного сечения, по которому протекает сточная жидкость, смешанная с активным илом. Воздух, вводимый с помощью пневматических или механических устройств, перемешивает обрабатываемую жидкость с активным илом и насыщает ее кислородом, необходимым для жизнедеятельности бактерий.

Активный ил — это биоценоз организмов минерализаторов, способных сорбировать на своей поверхности и ферментативно окислять в присутствии кислорода органические вещества в сточных водах. Большая насыщенность сточной воды активным илом и непрерывное поступление кислорода обеспечивают интенсивное биохимическое окисление органических веществ, поэтому аэротенки являются одним из наиболее совершенных сооружений для биохимической очистки.

Факторы, определяющие удовлетворительную работу аэротенков:

Наиболее важными факторами, влияющими на развитие и жизнеспособность активного ила, а также качество биологической очистки, являются температура, наличие питательных веществ, содержание растворенного кислорода в иловой смеси, значение рН, присутствие токсинов.

Удовлетворительная работа аэротенков в значительной степени определяется также технологическим режимом эксплуатации, где основное значение имеют:

— оптимальное соотношение между концентрацией загрязнений в поступающей воде и рабочей дозой активного ила (при уменьшении дозы ила возникает эффект повышения нагрузки и снижения качества очистки, при увеличении — затрудняется эффективность разделения ила и очищенной воды во вторичных отстойниках);

— необходимое время контакта загрязнений с активным илом;

— достаточная аэробность системы.

Рассмотрим данные технологические параметры в той же последовательности более подробно.

Процессы, происходящие при биологической очистке сточных вод, в целом можно представить схематически. Часть органических веществ сточных вод окисляется до СО2 и Н2О, а часть идет на синтез запасных веществ и образование новых клеток активного ила. В результате синтеза увеличивается биомасса ила и число организмов. Доза ила по весу служит ориентировочным показателем того, сколько в иловой смеси потребителей загрязнений. Для того, чтобы обеспечить удовлетворительное качество очистки, необходимо привозрастании поступления загрязняющих веществ со сточной водой, увеличивать концентрацию их потребителей, т. е. дозу ила по весу, тогда удельная нагрузка на ил останется стабильной. Поэтому нормы дозы ила устанавливаются в зависимости от нагрузки на ил по ВПК и от технических возможностей разделения очищенной воды от ила во вторичных отстойниках.

В зимний период, когда мощность биологического окисления снижается, аэротенкам необходимо работать с более высокой дозой ила. Так если в летний период доза ила составляла 1,2−1,5 г/дм3,то в зимний ее следует поддерживать в интервале от 1,6 до 2,0 г/дм3.

Если аэротенки работают с регенераторами, то в регенераторах необходимо поддерживать дозу в 2−3 раза большую, чем в аэротенках для обеспечения глубокого доокисления трудноокисляемых соединений.

При нарушении оптимального соотношения между концентрацией загрязнений в поступающей в аэротенки воде и рабочей дозой активного ила, а точнее, при повышении удельной нагрузки на ил, нарушаются его седиментационные свойства и возрастает иловой индекс, наиболее важный показатель его состояния. Иловой индекс — это объем, занимаемый одним граммом активного ила за 30 минут отстаивания в литровом цилиндре. При ухудшении способности ила к седиментации, иловой индекс возрастает, разделение ила и очищенной воды нарушается и приводит к избыточному выносу взвешенных веществ из вторичных отстойников.

В зависимости от технических возможностей своевременной выгрузки осевшего ила из вторичных отстойников, для каждого конкретного сооружения биологической очистки оптимальными будут свои определенные значения илового индекса.

Вторичные отстойники Вторичные отстойники устанавливают после биофильтров для задержания нерастворенных (взвешенных) веществ (представляющих собой частицы отмершей биологической пленки) и после аэротенков для отделения активного ила от очищенных сточных вод. В качестве вторичных применяют горизонтальные, вертикальные и радиальные отстойники.

Основная масса активного ила, отстоявшегося во вторичном отстойнике, должна перекачиваться снова в аэротенк. Однако активного ила осаждается больше, чем нужно для повторного использования, поэтому его избыточное количество следует отделять и направлять на утилизацию. Избыточный ил при влажности 99,2% составляет 4 л/сут. на одного жителя и имеет большую влажность, чем сырой осадок из первичного отстойника, что увеличивает общий объем осадка. У вторичных отстойников нет устройств для сбора и удаления жировых и других плавающих веществ, как правило, применяется разная система откачки осадка. Работу отстойников оценивают по выносу взвешенных веществ, концентрации возвратного ила и влажности осадка. Эти показатели характеризуют его основные функции:

— отделение очищенной воды от активного ила;

— уплотнение ила.

Управление работой вторичного отстойника является очень важной задачей эксплуатирующей службы, поскольку эффективность вторичного отстаивания непосредственно влияет на ход биохимического окисления в аэротенках и в значительной мере определяет содержание взвешенных веществ в очищенной воде, т. е. потери биомассы активного ила и, соответственно, ее прирост.

Если изымать ил из вторичного отстойника больше оптимального количества, то в аэротенк возвращается избыточный объем воды, если меньше, то много осевшего ила собирается в отстойнике и снижается качество очищенной воды. Поэтому задают технологический режим работы вторичного отстойника так, чтобы уровень нахождения ила соответствовал предусмотренному проектом. Эффективность работы вторичного отстойника зависит от соответствия реальной гидравлической нагрузки ее проектным значениям и равномерности ее распределения, а также от своевременного непрерывного и равномерного режима удаления осадка. Своевременность удаления осадка можно контролировать по значениям дозы возвратного ила и его уровню с помощью контрольных эрлифтов.

На каждом очистном сооружении следует экспериментально установить оптимальную дозу «возвратного ила», при которой максимально возможное количество ила возвращалось бы в систему очистки при обеспечении минимального выноса взвешенных веществ из вторичных отстойников.

Кислород участвует не только в дыхании организмов, он отводит продукты метаболизма и токсины (во вторичном отстойнике эти продукты аккумулируются в хлопьях при неудовлетворительном окислении загрязнений в аэротенках). Потребление кислорода во вторичных отстойниках меньше, чем в аэротенках, так как нагрузка на ил невелика. Однако в случае промстоков (с большой концентрацией загрязняющих веществ в виде суспензий и коллоидов, которые адсорбируются илом и плохо окисляются в аэротенках) при условии залеживания ила во вторичном отстойнике загрязняющие вещества продолжают окисляться в нем, при этом токсины и продукты анаэробного распада и метаболизма во вторичных отстойниках отводятся плохо, и ил загнивает.

Следовательно, степень рециркуляции ила из вторичного отстойника в случае промышленных токсичных сточных вод должна определяться только скоростью оседания ила во вторичном отстойнике, что обеспечит минимальный период нахождения ила в бескислородных условиях.

Во вторичных отстойниках даже небольшое залеживание осадка дает гниение и ухудшение режима аэрации по всей системе. Гниющий возвратный ил расстраивает систему очистки и в результате ее эффект существенно снижается.

Поэтому система удаления ила из вторичных отстойников должна предусматривать работу в условиях ежедневных пиковых нагрузок, а не среднесуточных и осуществляться круглосуточно, а не периодически, что иногда допускается в целях экономии электроэнергии.

Контролировать нагрузки по взвешенным веществам на вторичные отстойники необходимо по дозе активного ила в поступающей в них воде.

Нарушение процесса отделения активного ила от очищенной воды во вторичных отстойниках:

Наиболее частая причина ухудшения качества очистки сточных вод — избыточный вынос активного ила из вторичных отстойников. Причины этого многообразны, а воздействующие факторы взаимосвязаны так, что трудно выделить из них основные и второстепенные. Избыточный вынос взвешенных веществ из вторичных отстойников не только вызывает ухудшение качества очистки и, как следствие, загрязнение водоема, принимающего эти сточные воды, но и приводит к нарушению самого процесса очистки и ухудшению качества утилизируемого осадка (повышение его влажности). В результате избыточной потери ила уменьшается его необходимый прирост, что приводит к снижению окислительной мощности аэротенков, понижению уровня метаболизма активного ила и его устойчивости к неблагоприятному влиянию промышленных сточных вод.

2.2 Определение БПК в водах скляночным методом

Находящиеся в воде микроорганизмы в процессе своей жизнедеятельности используют растворенный в воде кислород для органического окисления органический соединений, в том числе загрязняющих веществ.

Количество кислорода, израсходованное в определенный промежуток времени в процессе биохимического окисления органических веществ, содержащихся в анализируемой воде, называется биологическим потреблением кислорода. Этот показатель является некоторой условной мерой загрязнения вод органическими соединениями, в особенности достаточно легко подвергающиеся биохимической деградации.

Скорость биодеградации органических ЗВ зависит от множества факторов. В среднем можно полагать, что при 200С за 5 суток окисляются около 70% соединений, за 10 и 20 суток — соответственно 90 и 99%. Однако для практических целей полное окисление слишком длительно и его как правило не используют.

БПК5 находят как разность между содержанием кислорода в анализируемой пробе воды и после инкубации.

Величина БПК5 для водных объектов рыбохозяйственного назначения нормируется не более 2 мг/л.

Настоящий РД устанавливает тетраметрическую методику определения БПК5 в пробах поверхностных вод суши и очищенных СВ при содержание органических веществ, эквивалентном потреблению молекулярного кислорода в диапозоне 1,0 — 11,0 мг/л. При величине БПК5 более 6 мг/л определение следует проводить при соответствующем разбавлении пробы.

Если проба не содержит визуально заметного количества взвеси, 1,0 — 1,4 л.(дм3) ее помещают в достаточно большую колбу, устанавливают рН в пределах 6 — 8 по универсальной индикаторной бумажке добавлением раствора соляной кислоты или гидроксида натрия 1М/л и доводят температуру до 200С. затем энергично в течение 10 минут встряхивают колбу для притока кислорода.

Если проба содержит грубую взвесь, ее наливают в склянку вместимостью не менее 1 л. и отстаивают 0,5 — 1 час. После отстаивания собирают сифоном осветлившийся слой воды в колбу для насыщения кислородом. Если не осветлилось, то фильтруют.