Снижение содержания биогенных элементов в процессе биологической очистки городских сточных вод высшими водными растениями

На правах рукописи

КАЛИНИНА Елена Васильевна

Снижение содержания биогенных элементов

В ПРОЦЕССЕ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ

ГОРОДСКИХ СТОЧНЫХ ВОД

высшими водными растениями

03.00.16 – Экология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Пермь 2007

Работа выполнена в Пермском государственном техническом университете.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Рудакова Лариса Васильевна

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Ручкинова Ольга Ивановна

кандидат технических наук

Абрамов Николай Федорович

Ведущая организация: Естественно – научный институт (ЕНИ)

Пермского государственного университета

Защита состоится 23 мая 2007 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.188.07 при Пермском государственном техническом университете, по адресу: 614990 г. Пермь, Комсомольский пр., 29, ауд.423, главный корпус.

Факс (342) 239-17-72

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского государственного технического университета.

Автореферат разослан 20 апреля 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук,

профессор Рудакова Л. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Биологическая очистка – наиболее распространенный способ удаления органических веществ из городских сточных вод (Жмур Н.С., 1997 г.). В России биологические очистные сооружения (БОС) составляют около 55 % от общего числа всех очистных сооружений. В последние десятилетия отмечается тенденция изменения качественного состава городских сточных вод за счет увеличения доли азот- и фосфорсодержащих органических веществ. Многие БОС, запроектированные 40 – 45 лет назад и соответствующие природоохранным нормативам того времени, в настоящее время по техническим причинам не могут обеспечить соблюдения предельно-допустимых сбросов (ПДС) загрязняющих веществ в природные водоемы, в том числе биогенных элементов (солей азота и фосфора). Фактическая эффективность очистки городских сточных вод от биогенных элементов на БОС не превышает 20-40% по фосфатам (в пересчете на фосфор) и 30-90 % по азоту аммонийному. Поступление биогенных элементов в природный водоем в концентрациях, превышающих предельно-допустимые, приводит к эвтрофированию водоема и гибели водной флоры и фауны.

В связи с этим актуальной становится разработка методов и технологий по снижению содержания биогенных элементов в процессе биологической очистки городских сточных вод. По литературным данным (Винберг Г.Г., 1966; Seidel K., 1978; Магмедов В.Г., 1984, 1986, 1988; Samkaram Unni K., 1990; Чистяков Н.Е., 1992; Матвеев В.И., 1997; Кравец В.В., 1999; Скирдов И.В., 1999; Савельева Л.С., 2000; Бондаренко В.В., 2000, 2001; Курцевич Е.П., 2001; Верещагина И.Ю., 2004; Диренко А.А., 2006) эффективным методом удаления биогенных элементов является использование высших водных растений (ВВР). Имеются сведения об использовании отдельных ВВР в технологическом процессе биологической очистки городских сточных вод. В то же время, в литературе не приведены закономерности изъятия солей азота и фосфора ВВР в зависимости от технологических параметров, отсутствует информация о подборе ВВР и их использовании в климатических условиях Западного Урала, недостаточно сведений о технических устройствах для размещения ВВР на БОС.

Цель работы заключалась в разработке технологии и технических решений по снижению содержания биогенных элементов в процессе биологической очистки городских сточных вод высшими водными растениями.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

1. Провести аналитические исследования по оценке возможности использования ВВР для удаления биогенных элементов в процессе биологической очистки городских сточных вод.

2. На примере БОС г. Перми изучить условия функционирования биологических очистных сооружений, как источника загрязнения природных водоемов биогенными элементами.

3. Экспериментально обосновать возможность использования ВВР в технологии биологической очистки городских сточных вод. Определить оптимальные условия процесса: виды ВВР, плотность посадки, общую биомассу, место размещения.

4. Изучить закономерности изъятия солей азота и фосфора ВВР в зависимости от технологических параметров: расхода сточных вод (Q) и плотности биомассы растений (ПБ). Разработать математическую модель процесса.

5. Разработать технологию снижения содержания биогенных элементов в процессе биологической очистки городских сточных вод ВВР и техническое устройство для минимизации антропогенного воздействия БОС.

Объект исследования: городские сточные воды, поступающие на биологические очистные сооружения г. Перми; высшие водные растения, извлекающие соли азота и фосфора: валлиснерия спиральная (Vallisneria spiralis) и рдест курчавый (Potamogeton crispus).

Предмет исследования: качественные и количественные характеристики городских сточных вод, закономерности изъятия солей азота и фосфора из биологически очищенных сточных вод высшими водными растениями.

Методы исследований. В работе использовался комплекс методов: теоретические исследования, методы системного анализа, математического моделирования, математической статистики, корреляционно-регрессионного анализа, материального баланса, физико-химические и гидробиологические методы, экспериментальные исследования с применением лабораторных и укрупненных лабораторных установок.

Научная новизна работы состоит в том, что:

• установлены параметры процесса снижения содержания биогенных элементов в очищенных сточных водах: виды ВВР, плотность биомассы ВВР, время контакта ВВР со сточными водами, расход сточных вод, скорость и количество изымаемых загрязнений;
• получена зависимость интенсивности поглощения солей азота и фосфора ВВР в биологически очищенных сточных водах от расхода сточных вод и плотности биомассы растений;
• установлена максимальная эффективность изъятия азота аммонийного 66%, азота нитратов 34%, азота нитритов 27,0%, фосфатов 41,0% растениями Vallisneria spiralis при плотности биомассы 7 г/дм3, времени контакта 240 минут и расходе стоков 6 м3/сут на 1 м3 сооружений;
• разработана математическая модель, описывающая зависимость интенсивности изъятия солей азота и фосфора ВВР от расхода сточных вод и плотности биомассы растений;
• разработано техническое устройство для использования ВВР в процессе биологической очистки городских сточных вод и обосновано его использование в третичном отстойнике (патент РФ на полезную модель № 58118 от 10.11.2006 г.).

Практическая значимость работы состоит в том, что:

• разработана технология снижения содержания солей азота и фосфора ВВР в процессе биологической очистки городских сточных вод;
• определен предотвращенный экологический ущерб при использовании ВВР для снижения содержания солей азота и фосфора в процессе биологической очистки городских сточных вод;
• разработаны рекомендации по оптимизации биологической очистки сточных вод г. Перми;
• результаты исследований используются в учебном процессе в курсах лекций по дисциплинам «Общая экология», «Основы микробиологии и биотехнологии» рабочего учебного плана подготовки специалистов по направлению «Защита окружающей среды».

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Биологические очистные сооружения являются источником загрязнения природных водоемов биогенными элементами.

2. Интенсивность и эффективность изъятия солей азота и фосфора Vallisneria spiralis и Potamogeton crispus зависят от технологических параметров (расхода стоков Q и плотности биомассы ПБ растений).

3. Математическая модель, описывающая зависимость интенсивности изъятия солей азота и фосфора от расхода стоков и плотности биомассы растений, построенная по результатам проведенного регрессионного анализа статистических данных, носит линейный характер.

4. Техническое устройство для использования ВВР на завершающих этапах (третичные отстойники) биологической очистки городских сточных вод позволяет снизить содержание азота аммонийного на 66%, азота нитратов на 34%, азота нитритов на 27 %, фосфатов на 41 %.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международной конференции «Экологический менеджмент. Пути снижения экологической нагрузки и оптимального использования природных ресурсов» (г. Амстердам, 2003 г.); VI и VII Международных конгрессах «Вода: экология и технология» («Экватек–2004», «Экватек–2006», г. Москва); Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Экология: проблемы и пути решения» (г. Пермь, 2006 г); Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы геологии, охраны окружающей среды и управление качеством экосистем» (г. Оренбург, 2006 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы химической технологии и подготовки кадров» (г. Стерлитамак, 2006 г.).

Публикации. Основные положения диссертации отражены в 12 научных работах. Общий объем работ составляет 3,7 п.л., из них лично автора - 2,6 п.л.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, 2 приложений, список литературы включает 200 источников, в том числе 47 иностранных. Объем диссертации составляет 152 страницы машинописного текста, включающих 35 таблиц и 33 рисунка.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель и задачи работы, предмет и объект исследований, показаны научная новизна и практическая значимость работы.

Глава первая «Современные технологии и технические решения по удалению солей азота и фосфора в процессе биологической очистки сточных вод» посвящена аналитическому обзору современных технологий и технических решений удаления биогенных элементов из сточных вод. Рассмотрены теоретические основы процесса биологической очистки сточных вод.

Технологии интенсификации биологической очистки городских сточных вод предусматривают удаление биогенных элементов методами нитрификации – денитрификации и дефосфотации, применением носителей биомассы, использованием химических реагентов и биокатализаторов. Однако, эколого-экономический эффект от внедрения предлагаемых технологий не оправдывает материальных затрат (Жмур Н.С., 2003; Мишуков Б.Г., 2002).

Анализ технологий и технических решений выявил возможность использования ВВР для доочистки сточных вод. К основным типам сооружений с ВВР относятся: ботанические площадки (Магмедов В.Г., 1988); фитофильтрационные устройства (Асонов А.М., 2000); биологические пруды (Кравец В.В., 1999; Скирдов И.В., 1999); искусственные заболоченные участки; биоплато (Савельева Л.С., 2000; Верещагина И.Ю., 2004); биоинженерные сооружения (Эйнор Л.О., 1990; Бондаренко В.В., 2000; Гмызина Н.Б., 2003). ВВР (Cyperus alternifolius, Najas microdon, Eichhornia sp.) применяют в технологических схемах традиционной биологической очистки, например, в проточном канале (Чистяков Н.Е., 1992; Матвеев В.И., 1997, Курцевич Е.П., 2001). На практике для очистки применяются в основном плавающие на поверхности и полупогруженные растения, что является препятствием для их круглогодичного использования на Западном Урале, так как отрицательные зимние температуры приводят к вымерзанию надземной части растений.

Недостаточность сведений об использовании ВВР в технологии биологической очистки сточных вод в климатических условиях Западного Урала и о влиянии технологических параметров на процессы удаления биогенных элементов определяют актуальность выбранных направлений исследований.

Глава вторая «Программа, объем и методы исследования». Для решения задачи оптимизации снижения содержания биогенных элементов в биологически очищенных сточных водах использован эмпирический подход. Основным параметром оптимизации являлось содержание солей азота и фосфора, факторами воздействия - изменение расхода сточных вод и плотности биомассы ВВР. В экспериментальных исследованиях использовали виды: Vallisneria spiralis и Potamogeton crispus. Их выбор обусловлен произрастанием в природных водоемах в климатических условиях Западного Урала, возможностью круглогодичного использования за счет температурного режима очищаемых сточных вод (от +12 °С до +26 °С), благоприятного для роста и развития растений, а также особенностями их вегетации.

Экспериментальные исследования проводили на модельных установках в лабораторных и опытно-промышленных условиях. Основными технологическими параметрами при проведении экспериментальных исследований являлись: плотность биомассы растений (4-16 г/дм3) и расход сточных вод (6-47 м3 в сутки на 1 м3 сооружений). Диапазон изучаемых технологических параметров установлен на основании литературных данных (Дмитриева Н.Г., Эйнор Л.О., 1985; Матвеев В.И., 1997) и фактического расхода сточных вод на БОС г. Перми. Контролируемые показатели: азот аммонийный, азот нитратов, азот нитритов, фосфаты. Определение содержания контролируемых показателей проводили по утвержденным методикам (ПНДФ 14.1.1-95, ПНДФ 14.1:2.3-95, ПНДФ 14.1: 2.4-95, ПНДФ 14.1:2.112-97). Надежность результатов определений обеспечивало проведение исследований в аккредитованном лабораторном центре, с использованием стандартных методик отбора проб, подготовки их к анализу, проведения аналитических исследований и обработки результатов. Общее количество аналитических определений - 3864. Для интерпретации полученных в ходе экспериментальных исследований результатов использовали показатели эффективности и интенсивности (количество изъятых солей азота и фосфора в граммах на 1 кг растений в сутки) изъятия солей азота и фосфора. Обработку данных экспериментальных исследований осуществляли с помощью пакета программ Microsoft Excell (версия 7.0 для Windows) и Statistica 5.0. Достоверность различий между средними величинами оценивали согласно t-критерию Стьюдента, различия считались значимыми при р < 0,05.

Глава третья «Оценка влияния биологических очистных сооружений г. Перми на природный водоем». БОС г. Перми являлись основным объектом исследования, так как по технологической схеме процесса, качественному составу сточных вод, поступающих на очистку, и основным технологическим показателям эксплуатации типичны для большинства городов России.

Исходными данными для изучения объекта исследований служили проектно-техническая документация и материалы лабораторного контроля работы сооружений биологической очистки сточных вод за период с 1974 г. по 2005 г.

В настоящее время расход сточных вод составляет 385 тыс. м3/сут., что соответствует проектной мощности. На рис. 1 представлена технологическая схема БОС г. Перми.

Рис. 1. Технологическая схема БОС г. Перми

Динамика поступления загрязняющих веществ на БОС г. Перми по результатам многолетних наблюдений представлена на рис. 2, 3. Анализ данных свидетельствует о снижении содержания в городских сточных водах показателей ХПК, БПК, азота аммонийного, нефтепродуктов. В то же время, объемы поступления фосфатов, СПАВа и СПАВн имеют тенденцию к увеличению, что создает предпосылки к повышению содержания биогенных элементов в очищенных сточных водах.

Рис. 2. Динамика ХПК, БПКполн, нефтепродуктов, взвешенных веществ

Рис. 3. Динамика биогенных элементов, СПАВа, СПАВн

Фактические показатели эффективности работы БОС г. Перми по удалению биогенных элементов значительно ниже проектных (табл. 1), что объясняется изменением качественных и количественных характеристик сточных вод, поступающих на очистку, изношенностью технологического оборудования и несвоевременной корректировкой технологического режима. Нормативы ПДС и фактическое содержание биогенных элементов в очищенных сточных водах представлены в табл.2.

Таблица 1

Эффективность удаления биогенных элементов на БОС г. Перми, %

Показатели	По проекту	2003 г.	2004 г.	2005 г.
Фосфаты	64±3,2	42,0±2,1	26,0±1,3	32,0±1,6
Азот аммонийный	97,2±4,86	95,4±4,77	95,0±4,75	95,0±4,75

Таблица 2

Нормативы ПДС и фактическое содержание биогенных элементов

в очищенных сточных водах, мг/дм3

Показатели	ПДС	2003 г.	2004 г.	2005 г.
Фосфаты	1,2±0,12	0,99±0,099	1,18±0,118	1,3±0,13
Азот аммонийный	0,65±0,254	0,6±0,23	0,76±0,296	0,64±0,25
Азот нитритов	0,074±0,01	0,064±0,009	0,1±0,01	0, 1±0,01
Азот нитратов	10,2±2,35	9,1±2,09	10,4±2,39	9,7±2,23

В сточных водах после биологической очистки в 2004 г. и 2005 г. зафиксировано превышение нормативов ПДС по содержанию солей азота (азот аммонийный на 17 %, азот нитратов на 2 %, азот нитритов на 35 %) и фосфора (на 8 %). Это указывает на необходимость дополнительной очистки биологически очищенных сточных вод от солей азота и фосфора.

Глава четвертая «Закономерности изъятия солей азота и фосфора высшими водными растениями из биологически очищенных сточных вод» посвящена анализу результатов экспериментальных исследований.

Экспериментальные исследования позволили выявить положительную динамику извлечения азота аммонийного, азота нитратов и фосфатов Vallisneria spiralis, Potamogeton crispus и Vallisneria spiralis совместно с Potamogeton crispus при различных плотности биомассы, времени контакта и расходах сточных вод (рис. 5 – 7).

Рис. 5. Динамика извлечения азота аммонийного

Рис. 6. Динамика извлечения азота нитратов

Рис. 7. Динамика извлечения фосфатов

В ходе экспериментальных исследований по удалению биогенных элементов установлен ряд закономерностей, связанных с изменением плотности биомассы и расхода сточных вод.

Увеличение ПБ растений с 7 до 16 г/дм3 (Vallisneria spiralis) и с 4 до 14 г/ дм3 (Potamogeton crispus):

• не приводит к повышению эффективности изъятия биогенных элементов, а в ряде случаев снижает ее, например, при расходе сточных вод 8 м3/сут эффективность изъятия азота аммонийного падает от 64 до 16 % (для Vallisneria spiralis) и от 58 до 40 % (для Potamogeton crispus);
• снижает интенсивность изъятия биогенных элементов. Так, при расходе сточных вод 8 м3/сут интенсивность изъятия азота аммонийного падает с 0,29 г/сут до 0,08 г/сут (вариант с Vallisneria spiralis) и с 1,15 г/сут до 0,25 г/сут (вариант с Potamogeton crispus).

Изменение расхода сточных вод с 47 до 6 м3/сут на 1 м3 сооружений приводит:

• к снижению интенсивности изъятия биогенных элементов, например, в варианте с Vallisneria spiralis интенсивность изъятия азота аммонийного падает с 0,34 г/сут до 0,1 г/сут; фосфатов с 0,56 г/сут до 0,07 г/сут ( ПБ = 16 г/л); в варианте с Potamogeton crispus соответствующие показатели при ПБ=14 г/л по азоту аммонийному изменяются от 1,03 г/сут до 0,23 г/сут.;
• к увеличению эффективности изъятия биогенных элементов во всех вариантах.

Полученные закономерности можно объяснить изменением абиотических факторов (освещенность) в результате увеличения ПБ, что приводит к нарушению процессов фотосинтеза и снижению эффективности (табл. 4) и интенсивности (рис. 8) изъятия биогенных элементов. Снижение интенсивности изъятия биогенных элементов при снижении расхода стоков (рис. 9) объясняется тем, что за сутки очистку проходит меньшее количество стоков. Снижение расхода стоков увеличивает время контакта ВВР со сточными водами и, соответственно, увеличивает эффективность изъятия биогенных элементов (табл. 5).

Таблица 4

Эффективность изъятия солей азота и фосфора ВВР при различной

Показатели	Эффективность изъятия солей азота и фосфора, %
	Vallisneria spiralis при плотности биомассы			Potamogeton crispus при плотности биомассы		Potamogeton с Vallisneria 16 г/дм3
	7 г/дм3	14 г/дм3	16 г/дм3	4 г/дм3	14 г/дм3
Азот аммонийный	5,1±0,26 64,1±3,21	15,5±0,78 40,0±2,0	15,5±0,7 23,0±1,15	25,4±1,27 61,3±3,07	26,4±1,32 46,4±2,32	6,8±0,34 27,3±1,37
Азот нитратов	9,1±0,46 20,5±1,03	1,0±0,05 8,3±0,42	08,8±0,4	023,3±1,2	1,4±0,07 10,7±0,54	2,9±0,15 7,1±0,36
Фосфаты	4,5±0,23 16,9±0,85	4,2±0,21 12,9±0,65	4,7±0,24 9,8±0,49	3,3±0,17 8,8±0,44	0,8±0,04 30,0±1,5	0,4±0,02 11,4±0,57

плотности биомассы

В ходе эксперимента при различных параметрах расхода стоков и плотности биомассы ВВР установлено, что извлечение азота нитритов происходит после адаптации растений к очищенным сточным водам и формирования на поверхности корней микробиоценоза (бактерии, водоросли, простейшие), способствующего процессам нитрификации. Видовой состав микроорганизмов био-

Таблица 5

Эффективность изъятия Vallisneria spiralis солей азота и фосфора при плотности биомассы 14 г/дм3, %

Показатели	Расход стоков на 1 м3 сооружений, м3/сутки
	47	24	16	12	8	6
Азот аммонийный	15,5±0,78	22,7±1,14	28,2±1,41	32,7±1,64	36,4±1,82	40,0±2,0
Азот нитратов	1,0±0,05	2,3±0,12	3,8±0,19	6,0±0,3	6,8±0,34	8,3±0,42
Фосфаты	4,2±0,21	8,3±0,42	8,3±0,42	7,9±0,4	10,0±0,5	12,9±0,65

пленки обрастания корней идентичен видовому составу микроорганизмов активного ила, что свидетельствует о выносе микроорганизмов из третичного отстойника и фиксации их на грунте и корнях растений.

Укрупненные лабораторные исследования проводили с адаптированными к очищенным сточным водам ВВР. Показатели эффективности изъятия солей азота и фосфора адаптированными водными растениями при различной плотности биомассы приведены в табл. 6.

Из приведенных данных следует, что максимальная эффективность изъятия солей азота и фосфора достигнута растениями Vallisneria spiralis.

Рис. 8. Зависимость интенсивности изъятия солей азота и фосфора 1 кг растений Vallisneria spiralis и Potamogeton crispus от плотности биомассы

Рис. 9. Зависимость интенсивности изъятия солей азота и фосфора Potamogeton crispus при различных расходах стоков (плотность биомассы 14 г/л)

после адаптации при плотности биомассы 7 г/дм3 и расходе стоков 6 м3/сут

Для адаптированных растений влияние плотности биомассы на эффективность изъятия солей азота и фосфора менее существенно, чем для растений до адаптации. Для Potamogeton crispus отмечено в некоторых случаях снижение эффективности и интенсивности изъятия солей азота и фосфора. Это явление сопровождалось ухудшением общего состояния растений, вероятно, связанного с более низкой по сравнению с Vallisneria spiralis способностью к адаптации в специфических абиотических условиях.

Таблица 6

Эффективность изъятия солей азота и фосфора адаптированными ВВР

при различной плотности биомассы

Показатели	Эффективность изъятия солей азота и фосфора, %
	Адаптированная Vallisneria spiralis при плотности биомассы		Адаптированный Potamogeton crispus при плотности биомассы
	7 г/дм3	14 г/дм3	4 г/дм3	14 г/дм3
Азот аммонийный	57,1±2,86 65,7±3,29	62,3±3,12 68,0±3,4	20,5±1,03 60,0±3,0	31,8±1,59 56,0±2,8
Азот нитратов	18,8±0,94 33,8±1,69	22,6±1,13 26,0±1,3	1,6±0,08 27,0±1,35	0 19,5±0,98
Азот нитритов	16,0±0,8 27,0±1,35	8,9±0,45 22,0±1,1	2,9±0,15 14,3 ±0,72	2,2±0,11 11,0±0,55
Фосфаты	18,8±0,94 41,2±2,06	15,0±0,75 30,0±1,5	2,6±0,13 8,9±0,45	5,0±0,25 15,0±0,75

В результате проведенного регрессионного анализа статистических данных разработана математическая модель процессов, представляющая собой линейную зависимость интенсивности изъятия солей азота и фосфора от расхода стоков и плотности биомассы растений. Определены уравнения регрессии, коэффициенты детерминации – R2 и коэффициенты корреляции – r.

Уравнение регрессии зависимости интенсивности (И) изъятия солей азота и фосфора от расхода стоков и плотности биомассы растений имеет вид:

И = a1 + a2 Q + a3 ПБ, (1)

для азота аммонийного И = 1,16 + 0,014 Q – 0,081 ПБ (2)

(R2 = 0,5; r по Q = 0,324, по ПБ = 0,633),

для азота нитратов И = 7,59 + 0,028 Q – 0,4979 ПБ (3)

(R2 = 0,74; r по Q = 0,124, по ПБ = 0,726),

для фосфатов И = 0,732 + 0,00328 Q – 0,0415 * ПБ (4)

(R2 = 0,8; r по Q = 0,164, по ПБ = 0,692).

По коэффициенту корреляции (2 – 4) связь между интенсивностью изъятия солей азота и фосфора и расходом стоков оценивается как умеренная и слабая и не рекомендуется к использованию в практических целях. По коэффициенту корреляции (2 – 4) связь между интенсивностью изъятия солей азота и фосфора и плотностью биомассы растений оценивается как значительная. Указанные связи могут быть использованы в практических целях.

Таким образом, проведенные экспериментальные исследования подтверждают возможность использования ВВР в процессе биологической очистки для снижения содержания солей азота и фосфора. Использование Vallisneria spiralis более предпочтительно, чем Potamogeton crispus ввиду лучшей адаптации к качеству стоков, круглогодичного периода вегетации и технологичности выращивания.

Глава пятая «Технология снижения биогенных элементов высшими водными растениями в процессе биологической очистки городских сточных вод». Представлены технология и техническое решение снижения содержания солей азота и фосфора в процессе биологической очистки городских сточных вод высшими водными растениями, расчет размеров устройства для изъятия сверхнормативного содержания солей азота и фосфора в очищенных городских сточных водах и эколого-экономической анализ разработанной технологии.

На основании результатов многолетних наблюдений составлен материальный баланс по биогенным элементам:

На рис. 10 представлена схема размещения устройства с ВВР для снижения содержания солей азота и фосфора в процессе биологической очистки городских сточных вод. При разработке технического устройства для использования водных растений в процессе биологической очистки городских сточных вод для удаления биогенных элементов был использован пакет программы «Компас».

Рис. 10. Схема размещения устройства с ВВР для снижения содержания солей азота и фосфора в процессе биологической очистки сточных вод: 1 – отстойник; 2 – П - образный желоб; 3 – водосборный лоток

Принцип работы устройства: сточная вода после биологической очистки на сооружениях с активным илом направляется в третичный отстойник для разделения водно-иловой смеси. После отстаивания восходящий поток очищенной воды проходит через водопроницаемые стенки и дно П-образного желоба. В желобе происходит доочистка сточных вод ВВР, которые извлекают из сточной воды соли азота (азот аммонийный, азот нитратов, азот нитритов) и фосфора. Высоту П-образного желоба выбирают из условия полного погружения растений в толщу воды. С целью предотвращения выноса ВВР из желоба стенка, прикрепляемая к водосборному лотку, должна быть выше уровня воды в желобе. В качестве материала для изготовления П-образного желоба может быть использована синтетическая сетка с мелкими ячейками (теоретический размер ячейки в свету: между нитями основы - 0,119 мм, между нитями утка - 0,867 мм). Расход сточной воды в отстойнике (около 9 м3/сут на 1 м3 сооружений) является достаточным для процесса извлечения солей азота и фосфора. Доочищенная сточная вода из желоба самотеком поступает в водосборный лоток. Из водосборного лотка по трубопроводу очищенная сточная вода отводится в открытый канал очищенных стоков. Для стабильной работы устройства необходимо контролировать расход стоков и плотность биомассы растений. При увеличении плотности биомассы выше 14 г/дм3 излишки удаляются и направляются на площадки компостирования органических отходов.

Величина предотвращенного экологического ущерба от загрязнения водной среды биогенными элементами при внедрении разработанной технологии составляет 3448,5 тыс.руб/год.

ВЫВОДЫ

1. На основании аналитического обзора современных технологий и технических решений удаления биогенных элементов из сточных вод установлена возможность использования высших водных растений в технологиях биологической очистки городских сточных вод. Эффективность использования ВВР для очистки стоков составляет 2,5 97 % по соединениям азота и 6 99 % по фосфатам.

2. По результатам многолетних наблюдений за качественными и количественными характеристиками городских сточных вод, поступающих на БОС г.Перми, как основного объекта исследования, выявлена тенденция увеличения содержания азот- и фосфорсодержащих органических веществ. Средниие превышения нормативов ПДС биогенных элементов в биологически очищенных сточных водах, сбрасываемых в природный водный объект (р. Кама) составляют: азот аммонийный на 17 %, азот нитратов на 2 %, азот нитритов на 35 % и фосфора на 8 %.

3. Экспериментально определены оптимальные условия процесса изъятия солей азота и фосфора ВВР при биологической очистке городских сточных вод: в качестве ВВР более эффективно и технологично использование Vallisneria spiralis, размещенной в третичном отстойнике, плотность биомассы растений 7 г/дм3, время контакта – 120 мин при расходе сточных вод 11 м3/сут на 1 м3 сооружений.

4. В ходе экспериментальных исследований по удалению биогенных элементов установлены закономерности: увеличение ПБ растений не изменяет или снижает эффективность изъятия биогенных элементов, а также снижает интенсивность изъятия биогенных элементов; снижение расхода сточных вод (Q) приводит к уменьшению интенсивности и повышению эффективности изъятия биогенных элементов.

5. В результате проведенного регрессионного анализа статистических данных разработана математическая модель процессов, представляющая собой линейную зависимость интенсивности изъятия солей азота и фосфора от расхода стоков и плотности биомассы растений. Определены уравнение регрессии, коэффициенты детерминации (R2) и коэффициенты корреляции (r).

6. Разработана технология снижения содержания биогенных элементов в процессе биологической очистки городских сточных вод, включающая техническое устройство для размещения ВВР в третичном отстойнике. Технологические параметры работы устройства: расход стоков – 11 м3/сут на 1 м3 сооружений; плотность биомассы растений Vallisneria spiralis – 7 г/л; достигаемая эффективность удаления азота аммонийного – 66 %, азота нитратов – 34 %, азота нитритов – 27 %, фосфатов – 41 %. Предотвращенный экологический ущерб от внедрения технологии составляет 3448,5 тыс.руб/год.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Калинина Е.В. Оптимизационные решения для удаления биогенных элементов при биологической очистке сточных вод/ Я.И.Вайсман, Л.В.Рудакова, Е.В.Калинина// Экологический менеджмент. Пути снижения экологической нагрузки и оптимального использования природных ресурсов: материалы международной конференции. Амстердам, 26 – 28 ноября 2003. Amsterdam, 2003. С.149 – 155.

2. Калинина Е.В. Оптимизационные решения для удаления биогенных элементов при биологической очистке сточных вод/ Я.И.Вайсман, Л.В.Рудакова, Е.В.Калинина// Шестой международный конгресс - Вода: экология и технология «Экватек-2004»: материалы конгресса. Часть II. Москва, 1 – 4 июня 2004. с. 673 – 674.

3. Калинина Е.В. Интенсификация биологической очистки городских сточных вод/ Е.В.Калинина// Вопросы охраны окружающей среды: 3-й сборник научных трудов; Перм. гос. техн. ун – т. Пермь,2005. с. 77 – 86.

4. Калинина Е.В. Методы снижения содержания солей азота и фосфора в сточных водах в процессе биологической очистки/ Е.В. Калинина // Экология: проблемы и пути решения: материалы XIV Международной научно–практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (21 – 22 апреля 2006 г., г. Пермь). Пермь, 2006. с. 140 – 143.

5. Калинина Е.В. Очистка сточных вод от биогенных элементов с помощью водных растений/ Я.И.Вайсман, Л.В.Рудакова, Е.В.Калинина// Материалы всероссийского семинара заведующих кафедрами экологии и охраны окружающей среды; Пермь, 2006. с. 54 – 61.

6. Калинина Е.В. Использование водных растений для удаления солей азота и фосфора из биологически очищенных сточных вод/ Я.И.Вайсман, Л.В.Рудакова, Е.В.Калинина// Седьмой международный конгресс - Вода: экология и технология «Экватек-2006»: материалы конгресса. Часть I. Москва, 30 мая – 2 июня 2006. Москва, 2006. с. 70.

7. Калинина Е.В. Использование водных растений для доочистки сточных вод от биогенных элементов/ Я.И.Вайсман, Л.В.Рудакова, Е.В.Калинина// Экология и промышленность России. 2006. №11, с. 9-11.

8. Патент РФ на полезную модель № 58118 от 10.11.2006. Устройство для биологической очистки сточных вод/Я.И.Вайсман, Л.В.Рудакова, Е.В.Калинина.

9. Калинина Е.В. Закономерности изъятия солей азота и фосфора высшими водными растениями в процессе биологической очистки сточных вод/ Е.В. Калинина // Проблемы геологии, охраны окружающей среды и управление качеством экосистем: материалы всероссийской научно–практической конференции. Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2006. с. 114 – 118.

10. Калинина Е.В. Применение высших водных растений для удаления биогенных элементов на сооружениях биологической очистки/ Е.В.Калинина // Актуальные проблемы химической технологии и подготовки кадров: материалы Всероссийской научно–практической конференции (28 – 29 сентября 2006 г, г. Стерлитамак). Стерлитамак, 2006. с. 328 – 333.

11. Калинина Е.В. Снижение содержания соединений азота и фосфора высшими водными растениями в процессе биологической очистки/ Е.В.Калинина //Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации транспортных сооружений. Механизация строительства. Охрана окружающей среды: сборник рефератов и научных статей студентов – дипломников и аспирантов автодорожного факультета. Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун–т, 2006. с. 115 – 121.

12. Калинина Е.В. Удаление биогенных элементов в процессе биологической очистки городских сточных вод высшими водными растениями/ Е.В.Калинина, Л.В.Рудакова//Сборник научных трудов ПГТУ: Актуальные проблемы дорожно-транспортного комплекса. Охрана окружающей среды. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун–т, 2007, с.230-244.