Повышение эффективности работы очистных сооружений с учетом самоочищающей способности рек

1 Современное состояние изученности процесса самоочищения.14.

1.1. Основные понятия и определения.14.

1.2. Важнейшие факторы, обуславливающие процессы самоочищения.17.

1.2.1. Роль растворенного кислорода в процессе самоочищения.17.

1.2.2. Влияние массы микроорганизмов на интенсивность самоочищения.20.

1.3 Методы расчета самоочищения водоемов.27.

Актуальность работы. В настоящее время вопросы охраны водных ресурсов и их рациональное использование приобретает исключительное значение в связи с усилением техногенного пресса на окружающую природную среду. Природные ресурсы используются расточительно и неэффективно около половины населения России вынуждены использовать воду не соответствующую гигиеническим требованиям. Из р. Десна для питьевых целей берет воду г. Киев и г. Брянск и несколько мелких городов эта же река является приемником сточных вод на всем протяжении. Для предотвращения загрязнения речных вод необходимо строительство очистных сооружений требующих значительных затрат. Важной проблемой является разработка научно обоснованных рекомендаций по оценке влияния сточных вод на качество воды рек, кроме учета разбавления сточных вод на различных расстояниях от выпуска необходимо учитывать влияние на формирование качества воды химических, физико-химических и биохимических процессов взаимодействия веществ.

Настоящие исследования посвящены этим вопросам. Работа выполнялась в соответствии с целевой государственной территориальной программой восстановления и охраны водных объектов по Брянской области. Она так же соответствует федеральной целевой комплексной научно-технической программе «Экологическая безопасность России» раздел 7 — «Приоритетные для России прикладные проблемы глобальной экологической безопасности» и раздела 10 — «Рациональное использование природных ресурсов».

Конечная цель исследования — разработка мероприятий по выполнению Россией международных обязательств, отраженных в «Конвенции о защите и использовании трансграничных водотоков и международных озер» В рамках данной проблемы выполнены исследования по договору с Главным управлением природных ресурсов и охраны окружающей среды МПР России по Брянской области «Установление самоочищающей способности приоритетных по антропогенным нагрузкам малых рек бассейна р. Днепр в Брянской области» (2002;2004 г. г.) тема исследований соответствует координационно-тематическому плану Брянской государственной сельскохозяйственной академии (1998;2004г.г.).

Цель работы — совершенствование методов расчета, обеспечивающих эффективное функционирование очистных сооружений, экономию ресурсов, повышение качества реконструкции. Обосновывающих технологические схемы утилизации сточных вод, исключающих загрязнение окружающей среды, на основе создания кинетических моделей и изучения кинетики процесса размножения микроорганизмов в сточных водах во времени и по длине, на малых реках и в очистных сооружениях.

Задачи исследования:

1) Раскрыть механизм перехода органических загрязнений содержащихся в сточных водах в биомассу.

2) Определить возможность описания процесса математическими выражениями, характеризующими изменение концентрации микроорганизмов выражаемой через БПК.

3) Построить модель обратимого перехода субстрата в биомассу во времени и по длине потока, выполнить ее анализ, дать методы определения параметров, привести графики экспериментальной проверки модели.

4) Построить и проверить экспериментально модель ассимиляции кислорода микроорганизмами сточной жидкости.

5) Построить и проверить экспериментально модель изменения концентрации кислорода в воде за счет диффузии по длине водного потока.

6) Построить модель изменения концентрации растворенного кислорода за счет диффузии и биохимического потребления при совместном протекании этих процессов и дать рекомендации по регулированию растворенного кислорода.

7) Построить модель размножения микроорганизмов в аэротенках непрерывного и периодического действия.

8) Проверить. постоянство ответственного за продолжительность очистки скоростного коэффициента во времени и в пространстве, сравнить его с коэффициентом неконсервативности. Выяснить возможность раздельной оценки коэффициента скорости размножения //, и гибели /лг микроорганизмов.

9) Исследовать экспериментально изменение содержания растворенного кислорода в воде на каналах, при переходах через перепады, на водосбросных трактах через плотины прудов.

10) Построить модель изменения уровней воды во время половодья на малых реках.

11) Разработать методику расчетов аэротенков, биопрудов и биоводохранилищ, полей фильтрации, инфильтрационных биоплато, биоканалов, прудов накопителей, усовершенствовать технологию очистки сточных вод с учетом самоочищающей способности малых рек.

12) Разработать рекомендации и показать на примерах возможность использования кинетических моделей, полученных в ходе исследований, как инструмента анализа функционирования очистных сооружений с целью их реконструкции.

Методика исследований. Методической базой работы является метод математического моделирования нашедший широкое применение в химической физике в рамках этого подхода строятся и анализируются соответствующие кинетические модели, которые представляют собой систему линейных дифференциальных уравнений, исследования их проводится современными математическими методиками. Широко исследуются достижения основоположников науки об очистке сточных вод и самоочищающей способности рек адекватность расчетных результатов реальности проводится сравнением с экспериментальными данными полученными в ходе собственных полевых исследований и лабораторных анализов и результатами наблюдений других исследователей.

Химико-биологические анализы, отобранных в полевых условиях проб воды, проводились в Клинцовском отделе бассейновой гидрохимической лаборатории ФГВУ «Центррегионводхоз», аттестованной в Системе аккредитаций аналитических лабораторий (центров) аттестат № POCCRU 0001.512 471, и в лаборатории Брянского филиала Федерального Государственного учреждения «Специализированная инспекция аналитического контроля по Центральному региону», лаборатории которой аккредитованы на техническую компетентность и зарегистрированы в Государственном реестре под № РОСС RU.0001.511 747.

Определение растворенного кислорода, БПК, общей минерализации, pH, проводилось на месте в полевых условиях. Общая минерализация определялась карманным кондуктометром Dist 3 фирмы «HANNA Instruments International», pH (водородный показатель) рН-метром фирмы «HANNA Instruments International». При определении растворенного кислорода и биохимического потребления кислорода (БПК) использовался прибор АНИОН — 7040 (кислородомер), изготовленный научно-производственной фирмой «Инфраспок-Аналит» г. Новосибирск. Научная новизна:

— построена модель, описывающая взаимодействие двух обобщенных кинетических единиц — субстрата и микроорганизмов при обратимом переходе концентрации субстрата в концентрацию микроорганизмов;

— установлен экспериментальный факт постоянства максимальной логарифмической скорости размножения Ц1М0 при значительном изменении общих запасов субстрата;

— построена модель ассимиляции кислорода по длине водного потока;

— построена модель концентрации кислорода в воде за счет диффузии и биохимического потребления;

— даны рекомендации по регулированию растворенного кислорода;

— построена модель размножения микроорганизмов в аэротенках, непрерывного и периодического действия;

— разработана методика расчета изменения концентрации микроорганизмов в пространстве;

— обнаружены новые научные факты распределения кислорода в каналах и водосбросных трактах через плотины прудов.

Практическая значимость работы и достоверность результатов. Полученные кинетические модели могут найти применение в различных задачах очистки сточных вод и охраны водных объектов: оценка возможного загрязнения рекопределение длины пути самоочищения в малых рекахпланирование состава сооружений очисткипроектирование расположения водозаборов на рекахкак инструмент анализа функционирования существующих очистных сооружений с целью их реконструкции.

В диссертации разработаны методы расчета и даны примеры анализа конкретных очистных сооружений Брянской области: расчеты аэротенковбиопрудов и биоводохранилищ, полей фильтрации, инфильтьрационных биоплато, биоканаловпрогноз изменения концентрации микроорганизмов по длине водотокадана методика использования кинетической модели для выявления и прогнозирования негативных изменений водной среды на существующих объектах очистки сточных водданы предложения об учете самоочищающей способности рек при решении вопроса о необходимости строительства сооружений доочистки.

Использование практических рекомендаций дает экономический эффект в результате экономии материальных ресурсов при строительстве очистных сооружений, и природоохранного (водоохранного) эффекта.

Работы по анализу проб воды водных объектов осуществляли гидрохимические лаборатории аттестованные в системе аккредитаций аналитических лабораторий (центров). Все используемые в полевых исследованиях приборы имеют сертификат Государственного стандарта Росси и занесены в Государственный Реестр, средств измерений. Результаты расчетов апробированы на экспериментальных материалах других исследователей.

Основные положения защищаемые в работе: Комплекс кинетических моделей размножения микроорганизмовМетоды расчета очистных сооружений и самоочищающей способности водных потоков;

Методы совершенствования параметров функционирования системы очистки.

Реализация работы. Исследования выполнены непосредственно по заданиям производственных организаций с учетом их пожеланий. Отчеты о работе, рекомендации и указания переданы организациям и в установленном порядке внедряются в строительство и использованы в системе очистки. Рекомендации по совершенствованию биологической очистки внедрены на очистных сооружениях ООО Агрофирма «Крахмал-Патока» п. Климово Брянской области, использование сети мелиоративных каналов за очистными сооружениями п. Кокино Выгоничского района Брянской области внедрено ФГУ «Управление „Мелиоводхоз“» в целях совершенствования биологической очистки на очистных сооружениях. Сведения и рекомендации, приведенные в отчетах по исследованию самоочищающей способности приоритетных по антропогенным нагрузкам рек бассейна реки Днепр в Брянской области, используются в работе Главного управления природных ресурсов. Результаты работы используются в учебном процессе по специальности комплексное использование и охрана водных ресурсов, инженерные системы сельскохозяйственного водоснабжения и водоотведения: в лекционных курсах при изложении теоретических вопросов в курсовых и дипломных проектах при определении рациональных параметров системы очистки.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на ежегодных конференциях профессорского преподавательского состава.

Брянской сельскохозяйственной академии с 1994 по 2004 г. г. На совещании «По выполнению Украинско-Российского межправительственного Соглашения о совместном использовании и охране трансграничных водных объектов» проходившем 28−30 августа 2002 г. в городе Брянске. На научно технических советах Главного управления природных ресурсов и охраны окружающей среды МПР России по Брянской области в 2000;2004 г.

Результаты расчетов апробированы на материалах наблюдений других исследователей, собственных исследований на реках Снов, Волосовка, Бабинец, Московка, Олешня, Надва, Ланеток, Ирпа в разные периоды года. Исследования выполнены на кафедре экологии и мелиорации земель Брянской государственной сельскохозяйственной академии под руководством зав. каф. д.т.н. проф. Василенкова Валерия Федоровича при личном участии автора с 1995 г. по 2004 г. в соответствии с заданием Главного управления природных ресурсов и охраны окружающей среды МПР России по Брянской области (№ государственной регистрации 01.20.304 100 инвентарный номер 02.2003. 3 154 2002 г- № государственной регистрации. 01.20.304 100 инвентарный номер 02.2004. 401 484).

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в следующих работах:

1. Чехонадских B.C., Варывдин A.B., Ивченко JI.B. Экологические вопросы рекультивации карьеров в поймах малых рек. /В сборнике: Достижения науки и передовой опыт в производство и учебно-воспитательный процесс. Материалы межвузовской научно-практической конференции. -Брянская ГСХА, 1995. — С. 56−58.

2. Ивченко JI.B. Распределение загрязняющих веществ в малой реке. / В сборнике: Проблемы природообустройства и экологической безопасности. Материалы XI межвузовской научно-практической конференции Брянская ГСХА, 1998.-С.31−35.

3. Ивченко JI.B. К построению модели изменения уровней воды./В сборнике: Актуальные проблемы экологии на рубеже третьего тысячелетия и пути их решения. Часть вторая. Материалы Международной научно-практической конференции. — Брянск, 1999. — С. 659−661.

4. Василенков В. Ф., Ивченко Л. В. Математическая модель самоочищения. / В сборнике: Проблемы природообустройства и экологической безопасности. Материалы XVI межвузовской научно-практической конференции — Брянская ГСХА, 2003 — С.5−11.

5. Ивченко Л. В. Разбавление сточных вод. / В сборнике: Проблемы природообустройства и экологической безопасности. Материалы XVI межвузовской научно-практической конференции. — Брянск, 2003. — С.27−30.

6. Ивченко Л. В. Экспериментальные исследования насыщения сточных вод кислородом в каналах. / В сборнике научные работы молодых ученыхАграриев центрального федерального округа. — Брянск, 2003. — С. 126−127.

7. Ивченко Л. В. Анализ экспериментальных исследований аэрирования воды. /В сборнике научных работ молодых ученых — Аграриев центрального федерального округа. — Брянск, 2003. С. 128−129.

8. Василенков В. Ф., Ивченко Л. В. Рекомендации по совершенствованию биологической очистки на очистных сооружениях п.Климово./ В сборнике: Конструирование, использование и надежность машин сельскохозяйственного назначения. Сборник научных работ. — Брянск, 2004. — С.88−95.

9. Василенков В. Ф. Ивченко Л.В. Модели ассимиляции кислорода и изменения его в воде за счет диффузии и биохимического потребления. / В сборнике: Проблемы экологической безопасности и природопользования. Материалы Международной научно-практической конференции. — М.: Норма, 2004. — Вып. 5. — С. 162−164.

Ю.Василенков В. Ф., Ивченко Л. В. Методы расчета биологических прудов и инфильтрационных биоплато. / В сборнике: Проблемы экологической безопасности и природопользования. Материалы Международной научно-практической конференции. — М.: Норма, 2004. — Вып. 5. С. 165 166.

11.Василенков В. Ф., Ивченко Л. В. «Исследование самоочищающей способности приоритетных по антропогенным нагрузкам рек бассейна реки Днепр в Брянской области» зарегистрировано ВНТИЦ № ГР 01.20.304 100, инв. № 02.20 03 3 154. — Брянск, 2002. — 61 с.

12.Василенков В. Ф., Ивченко Л. В. «Исследование самоочищающей способности приоритетных по антропогенным нагрузкам рек бассейна реки Днепр в Брянской области». Часть 2. зарегистрировано ВНТИЦ № ГР 01.20.304 100, инв. № 02.20 04 1 484. — Брянск, 2003. — 82 с.

13. Ивченко Л. В., Косьянчук А. Н. Определение качества воды водоемов. -Брянская ГСХА, 2004. — 34 с.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографии, 5 приложений. Объем работы 197 страниц текста, иллюстрировано 17 рисунками, 42 таблицами.

Выводы.

1. Механизм перехода органических загрязнений субстрата в биомассу, положенный в основу построения математических моделей, принят в виде схемы: Z + M —>Z+Z—>Z+M-, отражающей взаимодействие органических загрязнений M с микроорганизмами Z, предполагающей, что Z-это упорядоченное M и наоборот M — это разупорядоченное Z. Схема отражает факт отмирания клеток (М-). Принято, что погибшие клетки Мснова используются в качестве субстрата (М=М-) и процесс является обратимым: Z+M<-«2Z.

2. В схемах, отражающих механизм процесса, удобно оценивать количество субстрата и клеток одними единицами измерения, а именно в единицах БПК. Выражать концентрацию микроорганизмов в единицах БПК как эквивалентную трансформированному количеству субстрата предложено впервые. Проверка моделей на экспериментальном материале показала оправданность этого предложения.

3. Получена система дифференциальных уравнений, отражающая уменьшение скорости размножения микроорганизмов по длине реки и во времени и возрастание скорости гибели микроорганизмов, следствием чего является подтвержденный экспериментами экстремальный характер зависимости общей скорости изменения концентрации микроорганизмов по длине реки и во времени, а также Sобразный характер кинетической кривой накопления концентрации микроорганизмов во времени и по длине реки. В отличии от широко распространенных в расчетах моделей описывается изменение концентрации микроорганизмов, а не органических загрязнений и, кроме того, модель описывает изменения по длине потока при замене переменной времени на длину. Модель отражает процесс самоочищения по длине реки.

4. Построена и проверена экспериментально модель ассимиляции кислорода микроорганизмами сточной жидкости. Модель позволила определить дыхательную активность микроорганизмов опытным путем, используя электрохимические способы определения растворенного кислорода. Такие определения выполнены впервые. Уравнение ассимиляции кислорода микроорганизмами проверено на сточной жидкости распределительного лотка очистных сооружений г. Дятьково, результаты проверки хорошие, что позволяет использовать метод для определения экспериментальным путем на основе модели дыхательную активность микроорганизмов.

5. Впервые получена и проверена экспериментально модель изменения концентрации кислорода в воде за счет диффузии по длине водного потока. При построение поверочных графиков зависимости растворенного кислорода от длины потока воды в канале впервые применен метод корректировки длины потока на его скорость. Модель позволяет определять коэффициент массопередачи кислорода.

6. Построена модель изменения концентрации растворенного кислорода в воде за счет диффузии и биохимического потребления при совместном протекании этих процессов. На основе модели для практических целей рекомендовано использовать уравнение зависимости концентрации кислорода от концентрации микроорганизмов при поступлении кислорода из воздуха в жидкость. Даны рекомендации по определению констант уравнения, что позволяет выбрать оптимальные пути регулирования растворенного кислорода. При постоянном составе органических соединений в стоках и определенном составе микроорганизмов регулировать можно равновесную концентрацию растворенного кислорода и коэффициент массопередачи. Впервые предлагается регулировать коэффициент массопередачи путем изменения скорости течения сточной жидкости в сбросном канале после очистных сооружений.

7. Получена новая математическая модель размножения микроорганизмов в аэротенках непрерывного и периодического действия. На основе модели получена формула, позволяющая определять длительность процесса окисления при разной глубине очистки, коэффициенты разбавления при разной продолжительности очистки и количество избыточного поступления стоков от насосной станции, которое следует направить в пруд-накопитель.

8. Экспериментально установлено постоянство скоростного коэффициента //, м0для каждого сезона года при разных значениях начальной концентрации микроорганизмов, постоянен так же коэффициент по длине реки, что существенно облегчает расчеты в практических задачах. Используемый в существующих методах расчета аналогичный коэффициент неконсервативности меняется и во времени и по длине потока. В диссертации даны рекомендации как определить раздельно коэффициент скорости образования {?1 и скорости гибели ц2 микроорганизмов, что ранее не делалось.

9. Обнаружены новые научные факты распределения растворенного кислорода в каналах на перепадах и водосбросных трактах через плотины прудов.

Ю.Построена и проверена экспериментально новая модель изменения уровней воды во время половодья на малых реках, позволяющая определять время подъема и спада уровней и рассчитать время опорожнения прудов-накопителей.

11 .На основе полученных моделей разработаны новые методы расчетов аэротенков, биологических прудов и биоводохранилищ, полей фильтрации, инфильтрационных биоплато, биоканалов.

12.Даны рекомендации и примеры использования кинетических моделей как инструмента анализа функционирования существующих очистных сооружений с целью их реконструкции;