Эффективность применения биосорбционно-мембранной технологии для очистки природных вод. Кинетические характеристики процессов биосорбционной очистки. Технологии биосорбционно-мембранной очистки вод от биорезистентных и канцерогенных органических веществ.
Аннотация к работе
Коренное улучшение технико-экономических характеристик биотехнологий очистки природных вод весьма перспективно в направлении создания гибридной биосорбционно-мембранной технологии с порошкообразным активированным углем, максимально использующей достоинства биосорбционного метода и мембранного фильтрования. Актуальность работы вызвана тем, что в условиях постоянно возрастающей степени загрязнения водоисточников ксенобиотиками возникла необходимость в разработке гибридной биосорбционно-мембранной технологии для глубокой очистки природных вод от биорезистентных и канцерогенных органических веществ. Цель настоящей работы состояла в научном обосновании новой технологии удаления из природных вод биорезистентных и канцерогенных органических веществ (ксенобиотиков) в мембранном биореакторе с ПАУ, в котором реализуется гибридный процесс мембранного фильтрования и биосорбционного окисления на биоактивном порошкообразном активированном угле, и в сопоставлении результатов с традиционным физико-химическим методом очистки. Для реализации поставленной цели были определены следующие задачи: - обосновать целесообразность и эффективность применения биосорбционно-мембранной технологии для очистки природных вод; выполнить технико-экономическую оценку разработанной технологии биосорбционно-мембранной очистки вод от биорезистентных и канцерогенных органических веществ (ксенобиотиков) в сравнении с традиционной схемой.Для обоснования экономической эффективности применения биосорберов в схемах подготовки питьевой воды в условиях сильного антропогенного загрязнения водоисточника выполнено технико-экономическое сравнение двух альтернативных вариантов станций водоподготовки производительностью 10000 м3/сут. Решетки грубой очистки для удаления крупных включений - процеживатели (решетки тонкой очистки) с прозором 2-3 мм для исключения попадания с сырой водой в БМР мелкой взвеси, которая может привести к зашламлению мембранных элементов - БМР - обеззараживание. 1 - решетки грубой очистки; 2 - первичное хлорирование; 3 - подача рабочего раствора коагулянта; 4 - подача рабочего раствора флокулянта; 5 - смеситель; 6 - камера хлопьеобразования; 7 - горизонтальный отстойник; 8-песчаный фильтр; 9 - сорбционный фильтр (загрузка АГ-3); 10-обеззараживание; 11 - резервуар чистой воды; 12 - потребителю. Второй вариант - традиционная схема: осветление - первичное хлорирование - коагуляция - обеззараживание (рис. Воздуходувки ZL 3000(производительность Qвоз требуемое 1250 м3/ч, n-37КВТ) 2 шт (1раб., 1рез.) 630 1260 - - -Впервые предложена и научно обоснована биосорбционно-мембранная технология очистки природных вод от биорезистентных органических веществ антропогенного характера (ксенобиотиков). Теоретически и экспериментально обоснованы преимущества и условия применения биосорбционно-мембранного метода для очистки природных вод, характеризующихся относительно низкими концентрациями загрязнений, наличием преимущественно трудноокисляемых веществ, сезонным характером их появления в периоды относительно непродолжительных паводков и низкими температурами в течение зимнего периода. Нефтепродукты удаляются при применении биосорбционно-мембранного метода на 84-96% (в зависимости от заданного технологического режима и концентрации загрязнений в сырой воде), при коагуляции степень удаления - 40-50%; СПАВ в БМР составляла 99,5%, коагулированием - 15%; фенол удаляется в БМР на 99%, при коагулировании - 9%. Изучен механизм биосорбционно-мембранного процесса очистки природных вод с использованием порошкообразных сорбентов, показано, что в биосорбционно-мембранных реакторах процессы биологического окисления ксенобиотиков (нефтепродукты, СПАВ, фенол) адекватно описываются уравнениями ферментативной кинетики, экспериментально определены кинетические константы уравнений ферментативной кинетики, которые позволяют рассчитать установки БМР для достижения заданной степени очистки.
Вывод
1. Впервые предложена и научно обоснована биосорбционно-мембранная технология очистки природных вод от биорезистентных органических веществ антропогенного характера (ксенобиотиков).
2. Теоретически и экспериментально обоснованы преимущества и условия применения биосорбционно-мембранного метода для очистки природных вод, характеризующихся относительно низкими концентрациями загрязнений, наличием преимущественно трудноокисляемых веществ, сезонным характером их появления в периоды относительно непродолжительных паводков и низкими температурами в течение зимнего периода.
3. Качество воды, прошедшей обработку в БМР, удовлетворяет требованиям САНПИН 2.1.4.1074-01 по всем основным загрязняющим компонентам.
4. Исследования на реальной природной воде подтвердили высокую эффективность удаления ксенобиотиков биосорбционно-мембранным методом, по сравнению с традиционной физико-химической очисткой (коагуляцией). В схеме с БМР практически полностью удаляются взвешенные вещества и азот аммонийный. Нефтепродукты удаляются при применении биосорбционно-мембранного метода на 84-96% (в зависимости от заданного технологического режима и концентрации загрязнений в сырой воде), при коагуляции степень удаления - 40-50%; СПАВ в БМР составляла 99,5%, коагулированием - 15%; фенол удаляется в БМР на 99%, при коагулировании - 9%.
5. Изучен механизм биосорбционно-мембранного процесса очистки природных вод с использованием порошкообразных сорбентов, показано, что в биосорбционно-мембранных реакторах процессы биологического окисления ксенобиотиков (нефтепродукты, СПАВ, фенол) адекватно описываются уравнениями ферментативной кинетики, экспериментально определены кинетические константы уравнений ферментативной кинетики, которые позволяют рассчитать установки БМР для достижения заданной степени очистки.
6. Разработана методика расчета биосорбционно-мембранных реакторов для очистки природных вод.
7. Определены оптимальные технологические параметры очистки природных вод биосорбционно-мембранным методом, обеспечивающие достижения нормативов САНПИН 2.1.4.1074-01: концентрация ПАУ в реакторе 20-25 г/л; удельная скорость окисления органических загрязнений (ПО) 4,81 г/кг.сут; нефтепродуктов - 0,35 г/кг.сут; фенола - 0,05 г/кг.сут.
8. Применение БМР в технологических схемах водоподготовки позволит существенно сократить количество реагентов, за счет удаления природных загрязнений на БМР, отказаться от первичного хлорирования, использования ступени глубокой доочистки для удаления специфических загрязнений антропогенного характера (ксенобиотиков), что приведет к значительному снижению эксплуатационных затрат на очистку.
9. Выполнена технико-экономическая оценка биосорбционно-мембранного метода очистки, по сравнению с традиционной схемой. Внедрение предлагаемого метода очистки на станции производительностью 10000 м3/сут позволит получить годовой экономический эффект 3 087 900 рублей.
10. По результатам проведенных исследований разработан технологический регламент на проектирование сооружений по глубокой очистке природных вод, содержащих канцерогенные и биорезистентные загрязнения, с применением биосорбционно-мембранной технологии в рамках Государственного контракта от 26 апреля 2007г. № 02.515.11.5026.
Список литературы
1. Швецов В.Н., Морозова К.М., Смирнова И.И. Очистка природных вод на мембранных биореакторах// Сборник докладов 5-ого Международного конгресса по управлению отходами и природоохранным технологиям ВЭЙСТТЭК-2007. М., 2007г.
2. Смирнова И.И. Удаление ксенобиотиков из природных вод в биосорбционн-мембранных//Сборник статей Международной научно-практической конференции “Биотехнология. Вода и пищевые продукты”: М., 2008г.
3. Shvetsov V.N., Morozova K.M., Smirnova I.I. Natural water treatment for xenobiotics by biosorption-membrane method// IWA regional conference “Membrane technologies in water and waste water treatment”. Conference proceedings. 2008г.
4. Швецов В.Н., Морозова К.М., М.Ю Пушников, Смирнова И.И.Очистка природных вод биосорбционно-мембранным методом// Водоснабжение и санитарная техника. 2007г . №11.
5. Смирнова И.И. Очистка природных вод от ксенобиотиков биосорбционно-мембранным методом. Проекты развития инфраструктуры города. Вып. 8 Перспективные направления развития технологии и проектирования в водохозяйственном комплексе города //Сб. научных трудов. - М.: Прима-пресс Экспо, 2008г.
6. Швецов В.Н., Морозова К.М., Смирнова И.И. Развитие биомембранных технологий очистки природных вод// Водоснабжение и санитарная техника. №9, 2009г.
7. Швецов В.Н., Морозова К.М., Киристаев А.В., Смирнова И.И. Способ очистки сточных вод от органических соединений, азота и фосфора. Патент №2351551 от 10.04.2009г.
8. Швецов В.Н., Морозова К.М., Семенов М.Ю., Смирнова И.И. Способ очистки природных вод от органических соединений. Патент №2370460 от 26.05.2009 г.