Интенсификация биологической очистки хозяйственно-бытовых сточных вод с применением биосорбционного фильтрования на природных цеолитах

Экологически устойчивое развитие России невозможно без решения проблем, обусловленных воздействием техногенных факторов на природную окружающую среду.

Биологический метод очистки промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод как самый распространенный сохраняет за собой, по данным научно-технического прогноза, ведущее положение. Несмотря на длительный опыт применения этого метода, он продолжает совершенствоваться, разрабатываются новые типы сооружений и модифицируются известные конструкции. В новых разработках заметна тенденция развития комбинированных сооружений, принцип действия которых совмещает ряд технологических процессов (например, аэротенки, окситенки и т. п.), что вызвано стремлением к интенсификации биохимических процессов и снижению приведенных затрат.

Однако биологический метод очистки сточных вод характеризуется в настоящее время довольно высокими концентрациями загрязняющих веществ на выпуске в рыбохозяйственные водоемы. Кроме того, при биологическом методе обработки в его настоящем состоянии разрушаются только относительно простые органические и аммонийные соединения. Неорганические соединения, токсины, комплексные соединения промышленного происхождения связываются с биомассой или отчасти разрушаются, но степень очистки их ниже установленных норм сброса в природные водоемы.

Необходимо отметить, что в период широкого внедрения биологических методов очистки недостаточно исследовались наносимый ущерб и последствия при сбросе в природные водоемы биологически очищенных сточных вод (БОСВ), отличающихся присутствием органических веществ и тяжелых металлов. В настоящее время на эксплуатирующихся очистных сооружениях канализации становится очевидной актуальность доочистки БОСВ.

При обосновании ПДК большинства вредных веществ, сбрасываемых в водоемы, не изучалось их влияние на иммуннобиологические свойства организмов, не учитывалось их аллергенное и канцерогенное действие. Также не была учтена возможность аккумуляции тканями рыб и придонных организмов токсичных веществ, таких, как органические соединения ртути, а также синергизм токсичного действия тяжелых металлов при их совместном присутствии в водоемах. Как биогенный элемент, избыточный аммонийный азот в реках вызывает бурное цветение и рост водорослей, нарушая самоочищающую способность и кислородный режим.

В этой связи требуется комплексная обработка БОСВ с применением комбинированных систем доочистки, сочетающей в себе наиболее полно окисляемые биохимические процессы нитрификации-денитрификации (ЪТН/-И), доокисление органических соединений по БПКполн, эффективная сорбция тяжелых металлов на сорбентах и осветление (взвешенные вещества) фильтрованием. При этом основное внимание в предлагаемых схемах должно быть уделено использованию растворенного кислорода (3−6 мг.

Ог/дм) в БОСВ и активной микрофлоры для «прикрепления» на поверхности зернистых материалов. Такое использование благоприятных факторов для полноты протекания биохимических и сорбционных процессов привлекательно-тем, — что образование биопленки происходит самопроизвольно в процессе фильтрования.

В частности, в бассейне оз. Байкал отведение недостаточно очищенных сточных вод в водные объекты производится с превышением ПДС по содержанию взвешенных веществ, аммонийного азота, органических загрязнений по БПК, нефтепродуктов, что оказывает определенное влияние на самоочищающую способность и состояние рек Селенга и Уда. Такая ситуация требует комплексного подхода к решению проблемы с использованием физико-химических и биохимических методов обработки сточных вод.

Около 70% территории республики Бурятия относится к водосборному бассейну оз. Байкал, поэтому в целях обеспечения охраны и рационального природопользования водных ресурсов региона к сточным водам предъявляются возрастающие требования по предельно-допустимым сбросам (ПДС) в водоемы рыбохозяйственного назначения. В связи с этим становится актуальной задача отыскания достаточно экономичных и эффективных методов очистки сточных вод.

Влияние сброса БОСВ на состояние качества реки Селенга. Река Селенга относится к числу крупных водных объектов Восточной Сибири. Ее длина составляет более 1024 км. Площадь бассейна водосбора — 447 060 км, средний расход воды в районе г. Улан-Удэ — 917 м/с. Химический состав в реке формируется в значительной степени под влиянием загрязняющих веществ. Они поступают с территории Монголии, Читинской области крупными притоками рек Чикой, Хилок и Уда, протекающих по республике Бурятия и впадающих в р. Селенга [1]. Воды реки Селенга относятся по уровню минерализации к III и IV группам природных вод I типа.

По данным Лимнологического института РАН, в сравнении с другими реками река Селенга в настоящее время выносит в Байкал около 65% растворенных минеральных и органических веществ и более 90% взвешенных веществ и нефтепродуктов от общего поступления этих веществ с речным стоком.

Влияние Улан-Удэнского промузла на загрязнение р. Селенга как рыбохозяйственного водоема высшей категории достаточно велико. Неорганизованный сток поступает с территорий через малые реки, организованные сбросы — через ливневую канализацию и выпуски.

Концентрации загрязнений р. Селенга, мг/дм.

Показатель 500 м выше выпуска очистных сооружений канализации выпуск очистных сооружений канализации 500 м ниже выпуска очистных сооружений канализации.

Температура,°С 15.0 19.3 15.4.

РН 7.8 8.0 7.8.

Взвешенные вещества 77.4 10.5 82.3.

БГЖ5, мгОг/ дм 1,5 8.5 1.7.

Хлориды 1.5 50.9 1.75.

Сульфаты 9.2 52.8 13.2.

Нефтепродукты 0.3 0.50 0.34.

Фенолы 0.0003 0.002 0.0004.

Азот аммонийный 0.5 8.05 0.61.

Азот нитратов 0.1 11,65 0.19.

N нитритов 0.002 0.3 0.002.

Фосфор (Р04)3″ 0.077 1.50 0.078.

Медь 0.031 0.012 0.026.

Цинк 0.005 0.015 0.014.

Хром общий н/о 0.004 н/о.

Никель н/о 0.014 0.015 очищенных сточных вод городской системы канализации. Степень загрязненности воды р. Селенга выше города, до и после очистных сооружений приведена в табл.1.(среднемногогодовые за 1991;98 гг.). Сброшенные сточные воды в р. Селенга Улан-Удэнского промышленного узла отнесены к категориям: недостаточно очищенные — 51,59−55,42 млн. м3 л и загрязненные — 0,005−0,007 млн. м соответственно в 1997;99 гг.

Среднегодовые и максимальные концентрации взвешенных веществ, минеральных и загрязняющих веществ в контрольном створе были выше, чем в фоновом. Средние концентрации нефтепродуктов были в пределах 3−10 ПДК, фенолов и 0.5−1,0 ПДКмеди — 10−15 ПДКцинка и никеля — 1−1,5 ПДК. Минерализация воды реки, как обычно, зависела от ее водности: в период зимней межени она была средней, а в летний период — малой. Максимальное количество взвешенных веществ зарегистрировано в количестве 115 мг/дм на подъеме уровня воды в контрольном створе [2]. Данные табл.1 показывают, что по большинству загрязняющих веществ выпуск городских сточных вод оказывает определенное влияние. По некоторым веществам отмечается увеличение концентрации загрязнений после выпуска с очистных сооружений, в мг/дмЗ: взвешенных веществ — с 77.4 до 82,3 (6.3%), т. е. увеличение более, чем на 0.75 мг/лазота аммонийного — с 0,51 до 0,61 (16%), нефтепродуктов — с 0,3 до 0,34 (13.3%) — меди — 10−16 (26%) и цинка и никеля (3−4%).

Таким образом, сброс биохимически очищенных сточных вод оказывает влияние на качество воды реки Селенга, в основном, по органическим соединениям (БПК), взвешенным веществам, аммонийному азоту, тяжелым металлам и нефтепродуктам. В последнее время наблюдалась тенденция уменьшения содержания нефтепродуктов на выпуске. По данным 1997;99гг оно составило соответственно 0,2 — 0,017 мг/дмЗ. По остальным показателям было ухудшение качества воды — нитритов до ПДК, по остальным — в пределах ПДК[3].

В этой связи подход к решению проблемы доочистки биохимически очищенных сточных вод фильтрованием и сорбцией основан на использовании природных цеолитов, разрабатываемых в непосредственной близости от источников загрязнения окружающей среды.

Особую значимость приобретает сорбционная технология кондиционирования воды, базируемая на использовании уникальных и универсальных материалов, какими являются цеолитсодержащие туфы. В настоящее время завершена предварительная оценка перспективных месторождений туфов Бурятии, Забайкалья, Приморья и Якутии, которые могут быть с высокой эффективностью использованы в качестве сорбентов для оздоровления и охраны окружающей среды. Поэтому использование универсальных свойств природных туфов для разработки методов очистки сточных вод следует отнести к числу важнейших перспективных направлений сорбционной технологии.

Исходя из вышеизложенного, была поставлена цель: интенсифицировать процессы биологической очистки хозяйственно-бытовых сточных вод на завершающей стадии на основе использования природных минеральных цеолитов.

Для достижения этой цели в работе необходимо было решить следующие задачи:

— изучить физико-химические и механические свойства кварцитов, цеолитсодержащих туфов для доочистки БОСВ;

— выявить закономерности извлечения и возможности интенсификации процесса удаления взвешенных веществ, органических соединений из БОСВ и увеличения задерживающей способности слоем цеолитовой загрузки при фильтровании;

— найти пути повышения сорбционной способности природных цеолитов по извлечению аммонийного азота и тяжелых металлов;

— провести опытно-промышленные испытания и сравнение технологии доочистки БОСВ на фильтрах с кварцитовой и цеолитовой загрузками на очистных сооружениях канализации.

Методы исследования. В качестве основных методов исследования использованы: ДТА, рентгенофазовый анализ, фотоколориметрия, пламенная фотометрия, объёмная тригонометрия, потенциометрия, атомно-абсорбционная спектрофотометрия и рН-метрия. Обработка результатов производилась на ЭВМ.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

— определена связь между скоростью фильтрования БОСВ и физико-химическими свойствами цеолитовых туфов, которая обуславливается адгезионными свойствами и межзерновой пористостью сорбента;

— впервые показано, что эффективное извлечение растворенных примесей на цеолитах по биосорбционному и ионообменному механизмам достигнуто после предварительного изъятия взвешенных веществ, окисления органических веществ «прикрепленной» микрофлорой на зернистых загрузках;

— определены равновесные и кинетические параметры сорбции тяжелых металлов из БОСВ. Установлено, что процесс сорбции ионов на природном клиноптилолите протекает по смешаннодиффузионному механизму, при этом число ионообменных центров в цеолите, принимающих участие в ионном обмене, составляет около 50% эффективной емкости сорбента.

Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ по программам: «Биосферные и экологические исследования», ГНТП «Экологические процессы химии и химической технологии», ГНТП «Цеолиты России» за 1989;94 гг. и хозяйственным договорам по темам (1989;1992, 2000гг.): «Разработка технологических схем доочистки и обеззараживания сточных вод и осадков для проектирования очистных сооружений райцентров Республики Бурятия» и «Доочистка биологически очищенных сточных вод от взвешенных веществ с использованием цеолитов и кварцитов», «Создание эффективной технологии доочистки хозяйственно-бытовых сточных вод на очистных сооружениях канализации МУП ЖКХ Республики Бурятия» .

Практическая значимость. Успешно проведены испытания усовершенствованной технологии доочистки биохимически очищенных сточных вод — фильтрованием и сорбцией на городских очистных сооружениях г. Улан-Удэ.

Технология доочистки БОСВ фильтрованием и сорбцией была принята Министерством строительства и ЖКХ в качестве рабочего документа на проектирование очистных сооружений и реконструкцию очистных сооружений канализации МУЛ ЖКХ Республики Бурятия.

Изученные равновесные и кинетические параметры извлечения тяжелых металлов из многокомпонентных растворов были положены в основу комплексной технологии очистки медьсодержащих стоков с замкнутым циклом водопотребления и реализованы на Улан-Удэнском предприятии «Приборостроительное объединение» .

Апробация работы. Теоретические и экспериментальные разделы диссертации, результаты производственного испытания и внедрения научных разработок обсуждались и одобрены на 4 конференциях, 1 семинаре, в том числе: «Охрана окружающей среды и человек», 1988, г. Кызыл- «Исследование и применение природных цеолитов», 1988, г. Тбилиси- «Интенсификация работы станции очистки сточных вод путем внедрения новейших достижений науки и техники», 1990, г. Томск- «Экологически чистые технологические процессы в решении проблем охраны окружающей среды», г. Иркутск, 1996; «Эколого-безопасные технологии освоения недр Байкальского региона»: Современное состояние и перспективы", 2000, Улан-Удэ.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Закономерности процессов доочистки БОСВ безреагентным фильтрованием от взвешенных веществ, интенсификация режимов осветления;

2. Закономерности и особенности биосорбционного окисления, ионного обмена аммонийного азота и тяжелых металлов БОСВ на цеолитах;

3. Технология доочистки БОСВ с применением природных цеолитов.

5. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. На основании анализа современного состояния биологической очистки бытовых сточных вод, содержащих нефтепродукты и тяжелые металлы, обоснована необходимость их глубокой обработки с применением цеолитсо-держащих туфов как сорбентов комплексного действия. Обоснована целесообразность доочистки биохимически очищенных сточных вод в особо охраняемой водосборной территории бассейна оз. Байкал по приоритетным загрязнителям.

2. Изучены количественные закономерности извлечения взвешенных веществ из БОСВ фильтрованием через кварцит и клиноптилолит в зависимости от скорости тока воды и потерь напора в загрузке. Установлено, что при повышении скорости фильтрования до 9−10 м/ч с цеолитовой загрузкой не происходит значительного снижения скорости в течение фильтроцикла и повышение потерь напора. Это обусловлено большей удельной поверхностью, повышенными адгезионными свойствами и большей межзерновой пористостью цеолитовых туфов по сравнению с кварцитами и при этом достигается:

— увеличение производительности фильтра за счет увеличения скорости фильтрования до 8−10 м/ч;

•2.

— повышение грязеемкости фильтра от 2−3 до 12−14 кг/м ;

— возможность применения безреагентного фильтрования;

— уменьшение расхода воды на промывку на 20−30%.

Таким образом, определены пути интенсификации фильтрования БОСВ.

3. Оптимизированы основные технологические параметры фильтрования в процессе доочистки БОСВ. Установлено, что при однородном слое загрузки продолжительность работы фильтра находится в прямой зависимости от прироста потерь напора и выражается уравнением: у = 0,009х + 0,022, а при разнородном — зависимость имеет криволинейный характер: у = 0,026е°'ОВЗх. Разработан фотометрический способ определения взвешенных веществ в сточной воде (Заявка на патент N 2 000 116 207/20. Положительное решение).

4. Установлены закономерности комбинированной сорбции — ионного и биосорбционного изъятия аммонийного азота из БОСВ на цеолитах. Показано, что за счет работающей биопленки увеличивается сорбционная и окислительная способность цеолита к иону аммония дополнительно на 43% и составляет 0.12 мг-экв/г.

5. Отработаны технологические режимы работы фильтров, обеспечивающих доочистку БОСВ до нормативных требований к воде рыбохозяйствен-ного водоема. Размещение фильтров по последовательной двухступенчатой схеме позволяет эффективно использовать ионообменную емкость цеолита и увеличить продолжительность фильтрования до 30 часов и сорбции, в зависимости от скорости пропускания воды, до 120−450 часов.

6. Для широкого внедрения эффективной технологии доочистки с использованием цеолитов в качестве загрузок для фильтров разработаны исходные требования к проектированию и рекомендации по их применению на существующих городских и вновь строящихся локальных очистных сооружениях канализации МУП ЖКХ Республики Бурятия. Годовой экономический эффект от реализации технологии доочистки БОСВ с применением цеолитов составит в ценах 1999 года 874 тыс. руб.