Очищення стічних вод від мінерального азоту в проточних біореакторах - Автореферат

Традиційні технологічні схеми вилучення мінеральних сполук азоту із СВ вимагають участі двох мікробіологічних процесів - нітрифікації (окислення іонів амонію до нітрат-іонів) і денітрифікації (відновлення нітрат-іонів до газоподібного азоту). Вперше проведено комплексні (лабораторні й натурні) експериментальні дослідження явища одночасної нітрифікації-денітрифікації (ОНД) при очищенні СВ від мінерального азоту: - встановлено, що процес очищення води від МА активним мулом з флокулами більшого розміру (аж до деякого критичного) йде більш ефективно; показано, що ефективність очищення води від МА досягає максимального значення при деякій оптимальній концентрації кисню Сопт.; дано фізичне пояснення встановленому факту, а саме: при Сопт. виникає рівноважно-оптимальне співвідношення аеробних і аноксидних зон всередині флокули, що позитивно відбивається на одночасному протіканні процесів нітрифікації та денітрифікації (ОНД); Вперше побудовано чисельну модель, яка описує гідродинамічні та дифузійні процеси в явищі одночасної нітрифікації-денітрифікації (в та поза флокул активного мулу); модель дозволяє проводити розрахунки ефективності мікробіологічного очищення води від мінерального азоту при різній концентрації розчиненого кисню та різних розмірах флокул активного мулу. Спосіб включає розділення стічної води, що поступає на очищення, на два потоки, перший з яких обробляється в аеробному біореакторі іммобілізованими нітрифікуючими бактеріями з метою окислення амонію до нітриту, а другий - іммобілізованими анаеробними гетеротрофними бактеріями в анаеробному біореакторі з метою деструкції органічних забруднень.Залежність ефективності очищення води від концентрації розчиненого кисню має екстремальний характер - найбільш ефективно процес очищення води від мінерального азоту йде при концентрації кисню Сопт.?3-4 мг/л; надано фізичне пояснення встановленого факту, а саме: при Сопт. виникає рівноважно-оптимальне співвідношення аеробних і аноксидних зон всередині флокули, що позитивно відбивається на одночасному протіканні процесів нітрифікації та денітрифікації (ОНД). Тестовими дослідами з використанням гідразину й гідроксиламіну встановлено, що в біохімічних процесах очищення вод від мінерального азоту беруть участь недавно відкриті ANAMMOX-бактерії, які здійснюють анаеробне окислення амонію нітритами; ANAMMOX-процес - альтернатива класичному процесу денітрифікації. Запропоновано спосіб біологічного очищення стічних вод від амонію (за участю ANAMMOX-бактерій), якій включає розділення потоку стічної води, що надходить на очищення, на два потоки. При такій схемі можна досягти дуже високої ефективності очищення стічних вод від мінерального азоту: концентрація NH4 з 3 ммоль/л знижується до нуля, нітрити не виявляються, а концентрація нітратів, що утворилися на виході з ANAMMOX-процесу сягає ~5%. Чисельна модель, що описує гідродинамічні й дифузійні процеси в явищі ОНД (в і поза флокулою активного мулу), дозволяє проводити розрахунки ефективності мікробіологічного очищення води від мінерального азоту при різній концентрації розчиненого кисню і різних розмірах флокул.

1. З використанням явища ОНД (одночасна нітрифікація-денітрифікація) ефективність очищення води від мінерального азоту (МА) активним мулом з середнім розміром флокул 280 мкм в 1,5 рази вища, ніж мулом з розміром флокул 200 мкм; приріст ефективності очищення зумовлений інтенсифікацією процесу денітрифікації.

2. Залежність ефективності очищення води від концентрації розчиненого кисню має екстремальний характер - найбільш ефективно процес очищення води від мінерального азоту йде при концентрації кисню Сопт.?3-4 мг/л; надано фізичне пояснення встановленого факту, а саме: при Сопт. виникає рівноважно-оптимальне співвідношення аеробних і аноксидних зон всередині флокули, що позитивно відбивається на одночасному протіканні процесів нітрифікації та денітрифікації (ОНД).

3. Тестовими дослідами з використанням гідразину й гідроксиламіну встановлено, що в біохімічних процесах очищення вод від мінерального азоту беруть участь недавно відкриті ANAMMOX-бактерії, які здійснюють анаеробне окислення амонію нітритами; ANAMMOX-процес - альтернатива класичному процесу денітрифікації.

4. Запропоновано спосіб біологічного очищення стічних вод від амонію (за участю ANAMMOX-бактерій), якій включає розділення потоку стічної води, що надходить на очищення, на два потоки. Перший обробляється в аеробному біореакторі нітрифікуючими бактеріями, які окислюють амоній до нітриту, а другий - анаеробними гетеротрофними бактеріями в другому - анаеробному біореакторі. Після цього обидва потоки обєднуються й обробляються в безкисневих умовах ANAMMOX-бактеріями в третьому біореакторі (ANAMMOX-реактор). При такій схемі можна досягти дуже високої ефективності очищення стічних вод від мінерального азоту: концентрація NH4 з 3 ммоль/л знижується до нуля, нітрити не виявляються, а концентрація нітратів, що утворилися на виході з ANAMMOX-процесу сягає ~5%.

5. Для надійного утримування ANAMMOX-бактерій в ANAMMOX-реакторі запропоновано використати їхню іммобілізацію на полімерному волокнистому носієві.

6. Чисельна модель, що описує гідродинамічні й дифузійні процеси в явищі ОНД (в і поза флокулою активного мулу), дозволяє проводити розрахунки ефективності мікробіологічного очищення води від мінерального азоту при різній концентрації розчиненого кисню і різних розмірах флокул. Модель можна рекомендувати для попередніх розрахунків ефективності очищення СВ від МА при проектуванні промислових проточних біореакторів.

7. Чисельна модель, що описує гідродинамічні процеси в аеротенку-відстійнику, дозволяє одержати розподіл ліній функцій току в аеротенку та розрахувати компоненти швидкості в різних його зонах, а також визначити області замкнутої циркуляції рідини (вихори). Зокрема, у придонній області аеротенку за рахунок всмоктуючій ерліфтної здатності аероційно-циркуляційної колони (АЦК) та дії замкнутого кутового вихору відбувається змучування активного мулу і захоплення його потоком в АЦК. Модель можна рекомендувати для попередніх розрахунків ефективності очищення СВ від МА при проектуванні промислових проточних біореакторів.

8. Отримані експериментальні та теоретичні результати використано для оптимізації процесу очищення стічних вод від мінерального азоту на діючій станції очищення стічної воді в смт. Новий Світ. Річний економічний ефект від впровадження складає 520 тис. гривень.

9. Одержані результати використовуються в навчальному процесі - включені у спецкурс «Захист атмосфери та гідросфери від забруднень» для студентів спеціальності «Компютерний еколого-економічний моніторинг».

ПЕРЕЛІК ОСНОВНИХ ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Ступин А.Б. Применение биологического метода для утилизации азота в сточных водах коксохимических предприятий / А.Б.Ступин, М.В.Бескровная, В.И.Нездойминов // Вісник Донецького університету. - Серія А. Природничі науки. - 1998. - № 2. - С. 136-139.

2. Ступин А.Б. Анаэробная микробиологическая очистка сточных вод коксохимических производств / А.Б.Ступин, М.В.Бескровная // Наук.-практич. конференція «Донбас - 2020: охорона довкілля та екологічна безпека». - Збірка доповідей. Т. 1. - Донецьк, 2001. - С.143-146.

3. Бескровная М.В. Особенности нитри-денитрификации при очистке фенольных сточных вод / М.В.Бескровная, В.И.Нездойминов // Праці Міжнародного семінару ЮНЕСКО «Базові науки і вода» / Ред. кол. О.Б. Ступін, П.В. Асланов. - Донецьк: ДОННУ, 2003. - С. 104-106.

4. Бескровная М.В. Изменение форм минерального азота при культивировании активного ила в условиях аэрации / М.В.Бескровная // Вестник ДОНГАСА. - 2006. - № 2(58). - С.87-91.

5. Нездойминов В.И. Влияние концентрации растворенного кислорода на процессы одновременной нитри- и денитрификации / В.И.Нездойминов, М.В.Бескровная, В.В.Белоусов // Вісник Донецького Університету, Сер. А: Природничі науки. - 2006. - № 2. - С. 333-337.

6. Бескровная М.В. Микробиологическое удаление минерального азота с участием обогащенной культуры бактерий ANAMMOX, выделенной из активного ила очистных сооружений / М.В Бескровная // Праці наук. конф. проф.-викладацького складу ДОННУ за підсумками наук.-дослід. Роботи за період 2005-2006 рр. Секція фізичних і компютерних наук 18-24 квітня 2007 р. Донецьк-2007. - С.122.

7. Нездойминов В.И. Математическая модель распределения циркуляционных потоков жидкости в шахтных аэротенках с пневматической аэрацией / В.И.Нездойминов, М.В.Бескровная, В.В.Белоусов // Математичне моделювання. - 2007. - № 1(16). - С. 109-113.

8. Ступин А.Б. Математическое моделирование процесса биологической очистки сточных вод минерального азота / А.Б.Ступин, М.В.Бескровная, В.С.Оверко и др. // Вісник Донецького університету, Сер. А.: Природничі науки, 2007, вип. 2. - С. 363-366.

9. Бескровная М.В. Возможное участие ANAMMOX-бактерий в процессах одновременной нитри- денитрификации. Збірник наук. Праць ЛНАУ / М.В.Бескровная // Ред.. В.Г.Ткаченко. - Луганськ: вид-во ЛНАУ, 2008. № 82. С.198-203.

10. Оптимизация процесса биологического удаления минерального азота из сточных вод / М.В.Бескровная // Науково-практичний журнал «Вода і водоочисні технології». - 2008. - № 3 (27). - С. 44-48.

11. Пат. № 33353 Україна МПК С 02 F 3/30. Спосіб біологічного очищення стічних вод від амонію / Гвоздяк П.І., Безкровна М.В., Михайловська М.В.; заявники і власники Гвоздяк П.І., Безкровна М.В., Михайловська М.В. - № u 2007 12571; Заяв. 13.11.2007; Опубл. 25.06.2008; Бюл. № 15 - 5 с.

Размещено на .ru