Разработка технологии снижения негативного воздействия бытовых сточных вод на морские экосистемы (на примере Приморского края)
Обозначения и сокращения
Введение
Глава 1 Изученность проблемы удаления биогенных элементов из сточных вод при их доочистке
1.1 Показатели после полной биологической очистки сточных вод
1.2 Применяемые технологии и средства в мировой практике доочистки сточных вод
Глава 2 Обоснование основных требований к степени доочистки сточных вод
2.1 Минимизация органических веществ
2.2 Параметры и свойства остаточных органических примесей после биологической очистки сточных вод
2.3 Интенсификация биологической очистки сточных вод от биогенных элементов
2.4 Роль микроорганизмов в доочистке сточных вод
Глава 3 Основы теории микробиологической деструкции растворенной органики при медленном фильтровании сточных вод
3.1 Численная реализация математической модели, описывающей кинетику биохимической деструкции коллоидных систем
3.2 Численная реализация универсальной модели фильтрации сточных
вод
Глава 4 Экспериментальная часть
4.1 Техника безопасности
4.2 Методы исследования и применяемое оборудование
4.3 План эксперимента
4.4 Создание медленного фильтра
4.5 Полупромышленные испытания кассетного медленного фильтра
4.5.1 Результаты эксперимента при фильтрации в течении двух суток
4.5.2 Результаты эксперимента при фильтрации в течении десяти суток
4.6 Доочистка сточных вод известными методами
4.7 Токсикологическая оценка сточных вод
4.9 Рекомендации по практическому использованию бесплёночного медленного фильтра с вертикальной фильтрующей поверхностью
4.10 Перспективы дальнейшей разработки технологии
Выводы ………………………………………………………………………………………………………99 Список литературы
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель,
задачи, отражены научная новизна, теоретическая значимость и практическая
ценность результатов исследований, их достоверность, изложены положения,
выносимые на защиту.
В первой главе изучены проблемы удаления биогенных элементов из
сточных вод при их доочистке. Установлено, что действующие нормативы
обязывают проводить не только полную биологическую обработку стоков, но
и их третичную очистку. Невозможно обеспечить надежную экологическую
защиту водных объектов. Зачастую более важным фактором, определяющим
превышение допустимой нагрузки на водные объекты, оказывается
несоответствие используемых в практике технологий очистки сточных вод
современным экологическим требованиям по предупреждению загрязнения
окружающей среды.
Изучены КОС «Центральные» г. Владивостока, на которых выявлен
узел загрязнения – блок доочистки сточных вод, самопромывные песчаные
фильтры. Из вторичного отстойника вода выходит с содержанием аммония
2,18 мг/л и фосфора 1,14 мг/л, но после доочистки на песчаных фильтрах её
качество ухудшается, так как на данных очистных сооружениях доочистка
воды осуществляется на самопромывных песчаных фильтрах, что
обуславливает высокую кольматацию и рост патогенных микроорганизмов
на поверхности зернистой загрузки.
Наиболее распространённые технологии третичной очистки воды в
мире – химические, сорбционные и мембранные. В настоящее время очистка
городских и бытовых сточных вод основана на устранении биогенных
элементов активным илом в аэротенках. Доочистка сточных вод в
большинстве изученных канализационных очистных сооружений проходит
физико-химическим путём, лишь в немногих очистных сооружениях
применяется биологическая доочистка сточных вод (постепенно переходят
на физико-химическую доочистку), так как с ней возникают проблемы,
связанные с самой конструкцией фильтров доочистки.
Во второй главе приведены обоснования требований к доочистке
сточных вод. Современные общемировые тенденции экологической защиты
водных экосистем связаны прежде всего со снижением на них антропогенной
нагрузки и совершенствованием водных мелиораций. Основным
стратегическим направлением при этом считается предупреждение
загрязнения водных объектов и использование экологически чистых
технологий производства в различных отраслях деятельности. Особое
значение при решении проблем регулирования нагрузки на окружающую
среду, в частности, на водные объекты, имеет, как известно, снижение
негативного влияния от сбросов сточных вод. В связи с этим важнейшим
моментом оказывается повышение эффективности систем очистки сточных
вод с целью предупреждения экологически опасных сбросов. Уже считается
недопустимым сброс неочищенных и недостаточно очищенных стоков, а
ужесточение требований экологической защиты природных объектов
определяет необходимость доочистки сточных вод.
Чаще всего используемые в технологии доочистки сточных вод
биологические фильтры с песчаной, щебёночной и гравийной загрузками
являются неэффективной технологией, уступая место биофильтрам с
пластиковыми загрузками, которые по сравнению с традиционными имеют
более высокий индекс пустот (70–95 %) (50–60 %) и более низкую
заиляемость.
Коллоидные соединения органических веществ в ходе химического
окисления могут менять дисперсность и непрогнозируемо изменять
структуру молекул, взаимодействуя с другими продуктами окисления. Об
этом свидетельствуют показатели КОС «Центральные» таких биогенных
элементов, как фосфаты (на входе 0,63 мг/л, после вторичных отстойников
0,50 мг/л) и аммоний (на входе 38,12 мг/л, после вторичных отстойников 2,18
мг/л).
Процесс обеззараживания реагентами недостаточно очищенных стоков
провоцирует появление токсинов, сброс которых в водные объекты и
систему третичной очистки недопустим.
В третьей главе описаны основы теории микробиологической
деструкции растворенной органики при медленном фильтровании.
Приведена численная реализация адекватной математической модели,
описывающей кинетику биохимической деструкции коллоидных систем.
Моделировались стационарные процессы биохимической деструкции с
целью определить, при какой скорости возникает биосорбционное окисление.
Первичные результаты эксперимента представляли собой точки в
координатах «концентрация–время». Все точки усреднялись по трём-
четырём значениям.
В нашем случае очевидны следующие явления.
1. Контакт аммония и фосфатов с микроорганизмом-деструктором, без
которого невозможен биохимический процесс.
2. Угнетающеедействиевнешнейсредынаспособность
микроорганизмов к деструкции, определяемое концентрациями аммония и
фосфатов в сточных водах.
Влияние первого явления, как и в химической кинетике, может быть
оценено степенной зависимостью от концентрации. Содержание второго
явления – распределение удельной скорости окисления с увеличением
концентрации субстрата. Коэффициент, учитывающий эту зависимость,
равен единице при нулевой концентрации веществ и стремится к нулю при
увеличении загрязнителя.
Из рисунка 1 видно, что чем меньше удельная скорость окисления
аммонийных соединений и фосфатов, тем меньше их концентрация в
сточных водах, что доказывает эффективность и необходимость медленного
фильтрования при их доочистке. Полученная численная реализация модели
является универсальной для расчёта конкретных, нестационарных процессов
фильтрации. Доказано, что максимально эффективная удельная скорость при
окислении аммонийных соединений составляет 13–45 мг/гч, при окислении
фосфатов – до 2,3–15 мг/гч, что в свою очередь доказывает эффективность и
необходимость медленного фильтрования при доочистке сточных вод,
эффективность которой зависит от возраста микроорганизмов, их
патогенности и скорости течения воды. Методы химического анализа
сточных вод предполагают необходимость регулирования технологии
очистки воды.
Влияние концентрации аммония и фосфатов в воде
на скорость биосорбционного окисления
V – удельная скорость окисления
азота и фосфора , мг/гч
8Фосфаты
6Аммоний
00,40,81,21,62
– концентрация аммония и фосфатов в воде, мг/л
Рисунок 1 – Влияние концентрации аммония и фосфатов в воде на скорость
биосорбционного окисления после двух дней фильтрации
В четвёртой главе проведено экспериментальное исследование, в ходе
него для третичной очистки сточных вод, создан кассетный бесплёночный
фильтр, задача которого – улучшить эффективность доочистки, упростить
технологию и технические свойства фильтра без дополнительных
эксплуатационных затрат.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной
задачи, выражается в глубокой очистке сточных вод от сложно
обрабатываемых, нерастворимых соединений биогенных элементов,
обусловленной следующими факторами:
– наповерхностифильтрующейзагрузкиизсетчатого
полипропиленового волокна иммобилизируется непатогенная, анаэробная
биологическаямасса,которая, выделяяэнзимы,элиминирует
нерастворённые и коллоидные загрязнения;
– пористость сетчатого полипропиленового волокна составляет не
менее 80 %, что определяет повышенную грязеёмкость и продолжительность
фильтроцикла;
– время созревания непатогенной микрофлоры минимально, не
превышает двух суток и проводится путём создания искусственного
биоценоза с использованием непатогенных, эффективных штаммов
микроорганизмов;
– биоплёнка нарастает внутри кассеты с полипропиленовым волокном
за счёт высокой пористости, а следовательно, высокой грязеёмкости, поэтому
обеспечивается увеличение фильтроцикла;
– съёмные фильтрующие кассеты не нуждаются в регенерации в
течение года;
– регенерация кассет происходит за пределами устройства, а процесс
замены занимает не более двух минут.
Схема в разрезе установки приведена на рисунке 2, визуализация
кассетного фильтра – на рисунке 3.
С целью доочистки сточных вод из вторичных отстойников на КОС
«Центральные» г. Владивостока проведены испытания с наростанием
микроорганизмов на кассете с фильтрующими загрузками в течение двух
суток с добавлением биодеструкторов «Байкал-ЭМ1» и «ЭМ-Био» для
ускорения процесса деструкции. Выявлено, что препарат «ЭМ-Био» работает
эффективнее, чем «Байкал-ЭМ1». Перед фильтрационными испытаниями
измерен объём порового пространства, который составил 90 %.
Для оценки эффективности фильтрующей загрузки отбор проб
проводился из вторичных отстойников до и после фильтрации на кассете.
На рисунке 2 схематически показан вертикальный разрез кассетного
фильтра. Изображены корпус 1, съёмные фильтрующие кассеты 2 и 3 с
фильтрующими загрузками 4 и 5 соответственно, водонепроницаемые
перегородки 6, подводящие патрубки 7, подводящий коллектор 8, отводящий
трубопровод 9 очищенной воды, отводящие патрубки 10 очищенной воды,
отводящий коллектор 11 очищенной воды, отводящий трубопровод 12
осадка.
Концентрацию ионов аммония и фосфора определяли по методикам,
рекомендуемым в специальной литературе: аммоний – с реактивом Несслера,
фосфаты – со смешанным реактивом.Экспериментальные данные
приведены в таблице 1. По полученным данным определена эффективность
сорбции (рисунок 4).
Рисунок 2 – Схематически показан вертикальный разрез
кассетного фильтра
Рисунок 3 – Визуализация кассетного фильтра
Таблица 1 – Экспериментальные данные
№До обработки, изПослеVi – удельная
пвторичныхобработки наскорость
Скорость
р Объём СВ,отстойников,медленномокисления,
фильтрации,
олмг/лфильтре, мг/лмг/гч
л/ч
б
NH4PO4NH4PO4NH4PO4
ы
1200,42,532,512,451,462,3312,86
2400,82,532,512,381,272,157,03
3601,22,532,512,50,922,455,42
4801,62,721,322,521,332,180,82
510022,721,322,211,281,330,69
Выявлено, что эффективность доочистки сточных вод от биогенных
элементов бесплёночным медленным фильтром по отношению к аммонию
составляет 63,3 %, по отношению к фосфатам – 18,8 %. По результатам
двухдневного эксперимента установлено, что эффективность очистки очень
низкая. Это показывает, что для доочистки сточных вод на данном фильтре
двух дней недостаточно, так как для нарастания биомассы требуется больше
времени.
Э, %7063,3
49,4
41,8
Аммоний
18,8
20Фосфаты
7,3
103,15,93
12345
Рисунок 4 – Эффективность сорбции аммония и фосфатов беспленочным
медленным фильтром после двух дней фильтрации
Проведены исследования доочистки на медленном фильтре в течение
десяти суток. На основании данного эксперимента выявлено, что
эффективность доочистки сточных вод составляет по аммонию 46 %, по
фосфатам – 92 %. Для улучшения эффективности доочистки был добавлен
биопрепарат-деструктор «ЭМ-Био». При добавлении «ЭМ-Био» удалось
достигнуть эффективности доочистки по фосфатам 98 %. Поверхность
фильтрующей загрузки после введения биопрепарата исследована на видовой
состав на микроскопе «МИКМЕД-6 LOMO WF10Х/22».
По данным СЭМ определено содержание в очень большом количестве
прокариотов, в основном это лактококки и лактобациллы. Так как при
доочистке сточных вод проходит процесс ферментации, а такая питательная
среда, как биогенные элементы, необходима для жизнедеятельности
анаэробных микроорганизмов, в данном случае деструкторами являются
лактококки и лактобациллы. Микроорганизмы, которые отвечают за
кольматацию и застаивание воды, в фильтре не обнаружены.
Для наращивания биомассы на поверхности фильтрующей загрузки,
т.е. для эффективной работы биофильтра, требуется не больше десяти дней.
В целях сравнения методов доочистки были проведены эксперименты
известными методами с различными коагулянтами.
Результаты эксперимента представлены в таблице 2.
Таблица 2 – Результат экспериментов различными реагентами
ВеществоДо обработки,ПослеpHЦветЭффектив
из вторичныхобработки,раствораность, %
отстойников,мг/лпосле
мг/лобработки
Al(OH)aClbXnH2O (Аква-аурат30) (5 мл)
NH40,70,045прозрачный94
PO41,330,055прозрачный96
Al2(SO4)(13 мл) и NaOH5%(1,5 мл)
NH40,70,015прозрачный99
PO41,330,0125прозрачный99
FeSO4(13мл)
NH40,70,034прозрачный54
PO41,330,324прозрачный98
FeSO4(13 мл) и NaOH5%(1,5 мл)
NH40,70,25желтый46
PO41,330,385желтый85
Из таблицы 2 видно, что эффективность при использовании Аква-
аурата30 составляет 94 % по аммонию и 96 % по фосфатам, однако при
отличном эффекте доочистки от биогенных элементов есть и негативные
последствия его применения: в воде после доочистки данным реагентом
остаются ионы алюминия.
Эффективность доочистки сернокислого железа составила по аммонию
54 %, по фосфатам – 98 %. Сточная вода содержит аммонийные соединения,
при взаимодействии которых с сернокислым железом выделяется гидрат
аммиака. При доочистке сточных вод сернокислым железом при
использовании подщелачивания происходит такая же химическая реакция с
выделением гидрата аммиака, так как рН в данном случае на ход реакции не
влияет. По данным из таблицы видно, что подщелачивание уменьшает
эффективность доочистки сточных вод сернокислым железом, по аммонию
эффективность доочистки составила 46 %, по фосфатам – 85 %.
Проведено исследование токсикологической оценки сточных вод. В
качестве тест-объекта использована морская микроводоросль H. akashiwo,
выделенная в заливе Петра Великого (Японское море, Владивосток). Для
исследования отобраны образцы сточных вод (таблица 3) перед подачей на
канализационные очистные сооружения «Центральные» г. Владивостока в
приемнике сточных вод, из вторичных отстойников, после существующего
песчаного самопромывного фильтра, после полупромышленной установки –
кассетного медленного фильтра и пробы воды, доочищенной химическими
реагентами. Для химической доочистки сточных вод из вторичных
отстойников отобраны образцы по 300 мл с добавлением известных
реагентов для дефосфатизации воды.
Таблица 3 – Исследуемые пробы
№Краткое
Место отбора проб
пробынаименование
1Приёмник сточных водInlet
2Сточная вода после вторичных отстойниковSC
Сточная вода после существующих фильтров “Dynasand
3FF
DS600AE”
Сточная вода после полупромышленной установки,
4SF
кассетного медленного фильтра
Сточная вода после вторичных отстойников с добавлением
5FeSO4
раствора сернокислого железа 15 мг/л
Сточная вода после вторичных отстойников с добавлением
6Al2(SO4)3
раствора сернокислого алюминия 10 мг/л
Сточная вода после вторичных отстойников с добавлением
7АА
раствора раствор Аква-аурата30 5 мг/л
Оценку негативного воздействия сточных вод на клетки
микроводорослей проводили в 12-луночных планшетах. В каждую лунку
помещали 2 мл культуры клеток микроводорослей и 2 мл разбавленной
рабочей суспензии для получения итоговых 10, 25 и 50%-ных растворов воды
с очистных сооружений. В контрольную группу клеток добавляли
неионизованную воду, полученную на установке “SGWASSER Ultra Clear
TWF/EL-ION UV plus TM“ (“Siemens“, Германия). Для каждой
использованной концентрации и контрольной группы применяли три
биологических повторности. Подсчёт клеток микроводорослей и
регистрацию биохимических изменений в ходе эксперимента проводили на
проточном цитометре “CytoFLEX“ (“Beckman Coulter“, США) с программным
пакетом “CytExpert v.2.4“. Клетки микроводорослей после воздействия
сточных вод оценивали с помощью флуоресцентного красителя йодида
пропидия (PI) (“Molecular Probes“, Eugene, OR, США) в соответствии со
стандартным протоколом – 3 мкм в течение 20 мин. Синий лазер (488 нм)
проточного цитометра “CytoFLEX“ был выбран в качестве источника
возбуждающего света. Образцы измеряли при скорости потока 50 мкл/мин в
течение 30 с на канале ECD 610 нм. Время регистрации показателей (72 ч)
было выбрано в соответствии со стандартными методами, используемыми
для оценки токсичности веществ и материалов в водной среде на
микроводорослях.
Ингибирование скорости роста клеток микроводорослей следует
оцениватькаккритерийпрямогоцитотоксическогодействия.
Статистический анализ полученных результатов был выполнен с
применением программного пакета “GraphPad Prism 8.0.2“ (“GraphPad
Software“, США). Для анализа использовался однофакторный тест “ANOVA“.
Результаты оценки ингибирования скорости роста микроводоросли H.
akashiwo после воздействия сточных вод, отобранных на КОС
«Центральные» г. Владивостока, представлены на рисунке 5.
Выявлено, что сточные воды перед очистными сооружениями, а также
вода, обработанная реагентами, негативно влияют на H. akashiwo.
Установлена высокая степень экологической опасности сточных вод,
обработанных реагентами. Токсикантами в данном случае стали соединения
алюминия, который является антагонистом по отношению к магнию и
фосфору. Соли магния не оказывают токсического эффекта на морские
микроводоросли H. akashiwo, более того, фосфор – питательный компонент
для водорослей, который в достаточном количестве содержится в сточных
водах. Сернокислое железо обладает малым токсическим эффектом, но при
соединении со сточной водой, содержащей преимущественно аммонийные
соединения, выделяет гидрат аммиака, а он уже является токсичным
веществом. Вода после медленного кассетного фильтра оказывает
наименьший токсический эффект на морскую микроводоросль H. akashiwo.
Heterosigma akashiwo, 72 h
InletSCFFSFFeSO4 Al2(SO4)3AA
100✱✱✱
✱✱✱
Живые клетки, %
Alive cells, %
✱✱✱
✱✱✱
✱✱✱✱✱✱
0 10 25 500 10 25 500 10 25 500 10 25 500 10 25 500 10 25 500 10 25 50
Concentration, %
Концетрация, %
Рисунок 5 – Ингибирование скорости роста микроводорослей
H. akashiwo после 72 ч воздействия образцов сточных вод, полученных
на КОС «Центральные»
* р < 0,05, ** р < 0,001, *** р < 0,0001
Далее автором даны рекомендации по практическому применению
бесплёночного медленного фильтра с вертикальной фильтрующей
поверхностью. В качестве сооружений глубокой доочистки сточных вод для
КОС г. Большого Камня приняты кассетные фильтры с загрузкой из
вспененного дроблёного пенополистирола с крупностью зерен 2-3 мм и
насыпным весом 17–22 кг/м3, высота фильтрующей загрузки – 0,3–0,5 м, и
параллельных вертикальных слоёв полипропиленового волокна с размером
ячеек 3–5 мм, высота фильтрующей загрузки – 0,25–0,3 м. Коэффициент
неоднородности загрузки – 1,8–2,0. Скорость фильтрования при нормальном
режиме – 0,1-0,2 м/ч, форсированном – до 5 м/ч. Расстояние между
спаренными кассетами – 1,5 м. Определены расчётные характеристика
фильтров.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В заключение исследования автором сделаны следующие выводы.
1.В системы доочистки сточных вод целесообразно включать
бесплёночные медленные фильтры, обеспечивающие снижение содержания
органических веществ любого вида до технологически возможного
минимума и уменьшение высокотоксичных хлорорганических соединений,
которые приводят к гибели ряда морских микроводорослей H. akashiwo.
2.На основе реализации численных решений и математического
моделирования доказано, что максимально эффективная удельная скорость
при окислении аммонийных соединений составляет 13–45 мг/гч, при
окислении фосфатов – до 2,3–15 мг/гч, что подтверждает эффективность и
необходимость внедрения медленного фильтрования при доочистке сточных
вод.
3.Теоретически и экспериментально подтверждена высокая
эффективность усовершенствованной технологии доочистки сточных вод
при использовании бесплёночных медленных фильтров, преимущества
которых заключаются в увеличении длительности фильтроцикла при
повышенной грязеёмкости фильтрующих элементов, отсутствии промывных
вод при упрощенной регенерации, что позволяет рекомендовать эти
фильтры для широкого применения как при разработке и строительстве
новых очистных сооружений, так и при реконструкции существующих.
4.Экспериментально определено, что эффективность работы
беспленочного медленного фильтра для доочистки сточных вод,
включающих коллоидные и растворённые комплексоорганические
соединения, не подвергшиеся деструкции, определяют наличие фосфатов и
аммония.
5.В ходе проведенных экспериментов на действующих очистных
сооружениях КОС «Центральные» г. Владивостока доказано, что реагентная
обработка сточных вод приводит к гибели микроводоросли H. akashiwo, а
следовательно, существенно может изменять биоценоз морских акваторий, в
то время как сточные воды после доочистки на медленных кассетных
фильтрах оказывают наименьший токсический эффект на морские
экосистемы.
Актуальность темы исследования связана с необходимостью опти- мизации технологии многоступенчатой очистки сточных вод от биогенных примесей для уменьшения негативного воздействия на состояние окружаю- щей среды [1].
Важная задача очистных технологических процессов – удаление из во- ды, прошедшей биохимическую обработку, биогенных элементов и некото- рых специфичных загрязнителей. При этом исследования особенностей обра- зования коллоидных систем, остающихся в стоках после аэротенков и вто- ричных отстойников, нуждаются в дополнительной проработке. Необходимо значительно повысить эффективность многоступенчатой очистки без приме- нения сложных технологий обработки антропогенных сточных вод [2]. Свя- зано это не только с недостаточно полным удалением остаточных загрязне- ний, после биологической очистки [3] , но и с их низкими эксплуатационны- ми качествами, к которым прежде всего, относятся:
– короткий межрегенерационный период при интенсивном снижении скорости фильтрации;
– необходимость использования значительных объёмов очищенной во- ды при гидравлической регенерации загрузки;
– трудности при выборе дозы реагента для доочистки сточных вод.
Таким образом, следует признать, что такие устройства, как самопро- мывные песчаные фильтры, не всегда справляются с задачами доочистки сточных вод. При этом исследование причин, определяющих проблемы экс- плуатации этих фильтровальных аппаратов, позволит уточнить направление совершенствования технологических приемов очистки сточных вод фильтро- ванием.
Имеющиеся проблемы на установках очистных станций требуют про- должения исследований, направленных на разработку и применение новых технологий, одна из которых – использование в многоступенчатых системах очистки сточных вод специальных медленных фильтров с вертикальной фильтрующей поверхностью. В сочетании с биотестированием сточных вод на уровне промышленного мониторинга [4, 5], применение усовершенство- ванных фильтров позволит существенно снизить негативное воздействие на морские экосистемы.
Исследование морских экосистем в данном направлении позволяет по- нять влияние тех или иных токсикантов сточных вод на клеточные структуры и их функции, так в работе проведено биотестирование в Каламитском зали- ве, где наблюдалось близкое соотношение зеленых и бурых водорослей, что позволяет отнести эти акватории к относительно чистым точкам [6]. Основ- ным продуцентом органического вещества в водной среде является фито- планктон [7]. Так как он находится в основании трофической пирамиды, из- менение его численности и биоаккумуляции им токсичных веществ способ- ны оказать влияние на все последующие звенья пищевой цепи, прежде всего, на зоопланктон, рыб и человека [8, 9]. В современных условиях анализ при- чин экологической опасности при защите водных объектов в большинстве случаев производится в связи с поступлением в них сточных вод с недоста- точной степенью очистки, содержащих токсичные вещества [10, 11]. При сбросе сточных вод после реагентной обработки возникает опасность для морских экосистем, которая в большей степени связана с образованием кан- церогенов, а они по степени воздействия на среду существенно превышают уровень, возникающий при сбросе вообще неочищенных хозяйственно – бы- товых сточных вод [12, 13]. Биотестирование сточных вод после биологиче- ской и реагентной обработки находит всё более широкое применение в про- изводственном экомониторинге уже более 100 лет [14, 15].
Цель работы – разработка технологии снижения негативного воздей- ствия бытовых сточных вод на морские экосистемы.
Согласно данной цели, поставлены задачи:
– исследовать технологию очистки сточных вод на канализационных очистных сооружениях (КОС) «Центральные» г. Владивосток; – получить численную реализацию модели биохимических процессов, протекающих в медленном фильтре доочистки;
– усовершенствовать бесплёночный медленный фильтр с вертикальной фильтрующей поверхностью;
– исследовать работу медленного фильтра в полупромышленных усло- виях;
– отработать технологические режимы медленного фильтра доочистки сточных вод;
– исследовать прикреплённые микроорганизмы на поверхности загруз- ки разработанного фильтра;
– провести оценку токсикологического загрязнения окружающей среды от КОС «Центральных» при сбросе сточных вод в Амурский залив г. Влади- востока;
– разработать рекомендации по проектированию медленных кассетных фильтров и реконструкции существующих фильтров доочистки сточных вод.
Степень разработанности темы исследования. Изученность пробле- мы удаления загрязняющих веществ из сточных вод при их доочистке пред- ставлена в работах: Н.С. Жмур (2003), М. Maha Hussein (2014), С.В. Гетман- цев (2002), Г.К. Матниязова (2012), Г.С. Фомина (2000), В.Л. Головин (2011), М.П. Петров (2011), В.Ю. Борисова (2017) и др.
Вопросы биомониторинга сточных вод рассматривались в работах: О.И. Оскольская (2022), В.Л. Балашова (2017), В.Я. Пушкарь (2006), A.B. Karazhanova (2021), Н.В. Соколова (2002), Ю.Е. Домашенко (2008) и др.
Научная новизна – впервые разработана технология доочистки сточ- ных вод с использованием медленного фильтрования на беспленочном кас- сетном фильтре (патент РФ No 204915), который обеспечивает деструкцию коллоидных загрязнителей, в том числе биогенных элементов. Впервые дока- зана высокая эффективность медленного фильтрования путём проведения химической и токсикологической оценки доочистки сточных вод при ис- пользовании разработанной автором технологии. Практическая ценность заключается в проведении промышленных испытаний кассетного бесплёночного медленного фильтра с вертикальной фильтрующей поверхностью, который предназначен для доочистки сточных вод и может быть использован на всех канализационных очистных сооруже- ниях.
Теоретическая значимость заключается в разработке алгоритма до- очистки сточных вод медленным фильтрованием на бесплёночном кассетном фильтре, способствующем снижению негативного воздействия доочищенных сточных вод на морские экосистемы. Обоснована возможность повышения эффективности очистки бытовых сточных вод. Получена численная реализа- ция модели биохимических процессов, протекающих в медленном фильтре доочистки, которая доказывает эффективность работы медленного фильтро- вания от биогенных элементов. Разработаны рекомендации по проектирова- нию медленного фильтра для канализационных очистных сооружений.
Методология и методы исследования. Методологической основой исследования стали прикладные и фундаментальные методы промышленной экологии. Исследования основаны на теории массообмена, гидравлике, фи- зической химии и биотехнологии.
Методы исследования включают аналитические методы, системный анализ, планирование эксперимента, статистическую обработку эксперимен- тальных данных, фотометрический метод определения содержания аммония и фосфора в воде, проточную цитометрию для измерения количества клеток микроводорослей, сканирующую электронную микроскопию биомассы.
Положения, выносимые на защиту:
1. Технология медленного фильтрования на кассетном бесплёночном фильтре обеспечивающая эффективную деструкцию коллоидных частиц, в том числе биогенных элементов.
2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований под- тверждающих возможность эффективной замены фильтров различных кон- струкций на кассетный медленный фильтр с вертикальной фильтрующей по- верхностью, который имеет длительный фильтроцикл и упрощённую регене- рацию фильтрующих элементов, без использования промывной воды и реа- гентов.
3. Использование тест-метода (ингибирование скорости роста морской микроводоросли Heterosigma akashiwo), апробированного на очистных со- оружениях г. Владивостока, дооснащенных разработанными кассетными фильтрами с вертикальной фильтрующей поверхностью.
Степень достоверности результатов. Достоверность представленных результатов обеспечивается:
– с помощью математических методов обработки результатов исследо- вания и планирования эксперимента;
– использованием поверенных новых измерительных приборов необ- ходимой точности;
– наименьшим стандартным отклонением результатов эксперимента с применением знаний в области гидравлики, коллоидной, физической химии и биотехнологии.
Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в разработке конструкции кассетного фильтра (патент РФ No 204915). Разрабо- тана техническая документация и выполнен монтаж экспериментальной установки, проведены исследования и обработаны их результаты. Сформу- лированы рекомендации по практическому использованию кассетного мед- ленного фильтра с вертикальной фильтрующей поверхностью, изложены перспективы развития технологии. Апробация результатов работы. Осу- ществлялась в форме докладов, сообщений на научно-практических конфе- ренциях и участия в программах разных уровней:
1. Региональная научно-практическая конференция «Молодежь и научно-технический прогресс» (Владивосток, 2019 г.).
2. Региональная научно-практическая конференция студентов, ас- пирантов и молодых учёных по естественным наукам (Владивосток, 2019 г.) 3. IV международная очно-заочная научно-практическая конферен- ция молодых учёных и студентов «Актуальные проблемы развития городов» (Макеевка, 2020 г.).
4. Международная очно-заочная конференция «БиоТехВод» (Ма- кеевка, 2020 г.).
5. Региональная научно-практическая конференция «Молодежь и научно-технический прогресс» (Владивосток, 2020 г.).
6. Материалы представлены в качестве проекта No 20-38-90004 для гранта РФФИ «Аспиранты» (Владивосток, 2020 г.).
7. XXVII Международная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов» МГУ им. Ломоносова (Москва, 2020 г.).
8. Международный конгресс молодых учёных в рамках Междуна- родного молодежного научного форума «Ломоносов» МГУ им. Ломоносова (Москва, 2020 г.).
9. V открытая международная очно-заочная научно-практическая конференция молодых учёных и студентов «Актуальные проблемы развития городов» (Макеевка, 2021 г.).
10. Второй форум аспирантов “Я выбираю науку! (Алтай, 2021 г.).
11. Международный конкурс проектов «Технические науки» Наука
плюс (Саратов, 2020 г.).
12. Международная конференция «Ломоносов» МГУ им. Ломоносо- ва (Москва, 2021 г.).
13. Всероссийская научно-практическая конференция «Молодая наука» (Москва, 2021 г.).
14. XXIV International Scientific conference on Advance In Civil Engi- neering Construction the formation of living environment (Москва, 2020 г.).
15. Национальная премия в области экологических технологий «Эко- тех-Лидер» за разработку кассетного фильтра в номинации «Перспектива» (Москва, 2021 г.). 16. Международная мультидисциплинарная конференция по про- мышленному инжинирингу и современным технологиям FarEastCon (Владивосток, 2021 г.).
17. XXV International Scientific conference on Advance In Civil Engi- neering Construction the formation of living environment (Москва, 2022 г.).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, и 4 статьи в междуна- родных журналах, зарегистрированных в базе данных Scopus и Web of Sci- ence. Получен 1 патент на полезную модель.
Объём и структура диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключе- ния, списка литературы. Работа содержит 122 страницы машинописного тек- ста, 23 рисунка, 16 таблиц, список литературы из 163 наименований.
Исследование выполнено при поддержке Российского фонда фунда- ментальных исследований «Аспиранты» научный проект No 20-38-90004.
Автор выражает глубокую признательность научному руководителю к.т.н., профессору ДВФУ Головину Виктору Леонтьевичу; сотрудникам НОЦ «Нанотехнологии» ДВФУ к.б.н. Кириченко Константину Юрьевичу и Пикуле Константину Сергеевичу; д.б.н. Голохвасту Кириллу Сергеевичу; д.б.н., профессору Блиновской Яне Юрьевне; д.т.н., профессору Слесаренко Вячеславу Владимировичу; к.б.н., сотруднику ЦКП «Морской биобанк» Национального научного центра морской биологии имени А.В. Жирмунского ДВО РАН Маркиной Жанне Васильевне за ценные советы и поддержку при выполнении работы.
Публикации автора в научных журналах
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.8 (373 отзыва)
5 (8 отзывов)
5 (154 отзыва)
4.7 (46 отзывов)
4.7 (96 отзывов)
4.5 (330 отзывов)
4.6 (522 отзыва)
4.9 (5 отзывов)
5 (49 отзывов)
