Очистка сточных вод с помощью мелафена

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Казанский национальный исследовательский технологический университет»

(ФГБОУ ВПО  КНИТУ)

Кафедра            Химической кибернетики

Факультет         Пищевых технологий

Специальность «Рациональное использование материальных и энергетических ресурсов»

Группа                6191-11

Курсовая работа

Очистка сточных вод с помощью мелафена

Выполнил студент 5 курса ________________________ Петрова Е. А.

Проверила _______________________________________ Валеева Р. Т.

Казань 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение  4

1 Литературный обзор      5

1.1 Биологическая очистка сточных вод                                       5

1.2 Аэробный и анаэробный методы биологической очистки сточных вод                                                                                                                     5          

1. Аэробные процессы в биохимической очистке сточных вод

                                                                                                                  6

      1.2.2  Основные  преимущества анаэробной очистки  сточных вод перед аэробной                                                                                                 7

1.3 Биоценоз активного ила                                                                     9

1.4 Перспективы  развития анаэробной очистки  сточных вод            10

1.5 Препарат мелафен                                                                           11

         1.6 Постановка задач исследования                                                     13

           1.6.1 Задачи исследования                                                              13

         1.6.2 Объекты исследований                                                            13

2.1 Экспериментальные исследования                                                 14

            2.1.1 Сравнительный анализ систем биологической очистки сточных вод с применением различных биологических активных веществ на МУП «Водоканал»                                                                                         15

            2.1.2 Сравнительный анализ систем биологической очистки сточных вод в динамических условиях на МУП «Водоканал»                   16

            2.1.3 Сравнительный анализ систем биологической очистки сточных вод в динамических условиях на МУП «Водоканал»                   17

                2.1.4 Сравнительный анализ систем биологической очистки сточных вод на ОАО «Казанский завод синтетического каучука»             18

            2.1.5 Сравнительный анализ систем биологической очистки сточных вод с применением различных биологических активных веществ на ОАО «Казанский завод синтетического каучука»                                        19

          2.1.6  Описание экспериментов биологической очистки сточных вод очистных сооружений ОАО «Казаньоргсинтез»                                          20

          2.1.7 Экспериментальные данные в динамических условиях с использованием мелафена в сравнении с традиционной биологической очисткой                                                                                                          22

          2.1.8 Микробиологический анализ активного ила на ОАО «Казаньоргсинтез»                                                                                         23

        3.1 Схема очистки сточных вод с применением мелафена на ОАО «Казаньоргсинтез»                                                                                         24

        3.2  Результаты анализов при проведении опытно – промышленных испытаний                                                                                                       25

              3.2.1  Оценка состояния активного ила с дегидрогеназой (ДАИ)в апреле – мае 2007 года                                                                                       26

                3.2.2  Оценка состояния активного ила по показателю ДАИ в феврале – марте 2008 год                                                                                                      27

    3.2.3 Оценка состояния активного ила по показателю ДАИ в апреле – мае 2008 года                                                                                                        28

         4.1 Влияние мелафена на биоценоз активного или в процессе интенсификации биологической очистки сточных вод                                  29

        Заключение                                                                                                 31

        Список использованной  литературы                                                        33

Введение

Проблема очистки промышленных стоков и подготовки воды для технических и хозяйственно-питьевых целей с каждым годом приобретает все большее значение, поэтому необходимо найти наиболее эффективный, простой, но вместе с тем экономичный метод очистки сточных вод.[1]

  Среди применяемых в настоящее время систем и принципов очистки сточных вод едва ли не самое значительное место занимают биологические методы как наиболее перспективные и экологически оправданные. Биологическая очистка – это, прежде всего, деструкция чуждых природной воде соединений, осуществляемая безреагентным путем, который основан на использовании специфических биологических сообществ, носящих общее название активного ила.[2]

Основой биологической очистки воды является способность биоценоза активного ила разрушать, окислять и утилизировать органические вещества промышленных сточных вод (СВ), а также способность микроорганизмов объединяться в хлопья. Благодаря этой способности осуществляется отделение очищенной сточной воды от активного ила[3]

Развитие в области промышленности и хозяйственной деятельности человека приводит к расширению спектра загрязнений в сточных водах, увеличению их токсичности, и, как следствие, к угнетению биоценоза активного ила, что снижает эффективность биологического метода очистки сточных вод.[1] В последние годы в нашей стране и за рубежом ведутся активные поиски способов интенсификации классических методов биологической очистки, в том числе и с помощью добавления биологически активных веществ (БАВ) [4] ,направленные также на создание новых инженерных сооружений,  схем и интенсификация очистки за счет введения различных технологических приемов.

Применение БАВ увеличивает эффективность и качество очистки сточных вод, сокращает сроки запуска объектов биологической очистки в эксплуатацию, расширяет возможности использования биологической очистки в условиях низких температур и защищает культуры активного ила и биологической плёнки от воздействия вредных веществ, например, солей тяжёлых металлов, гербицидов и пестицидов [5].

1. Биологическая очистка сточных вод

В настоящее время метод очистки СВ активным илом является наиболее универсальным и широко применяемым при обработке стоков. Использование технического кислорода, высокоактивных симбиотических иловых культур, стимуляторов биохимического окисления, различного рода усовершенствованных конструкций аэротенков позволило в несколько раз повысить производительность метода биологической очистки. Значительные резервы скрыты также в области интенсификации массообмена.

Биологическая очистка СВ представляет собой результат функционирования системы активный ил – сточная вода, характеризуемой наличием сложной многоуровневой структуры. Биологическое окисление, составляющее основу процесса, является следствием протекания комплекса взаимосвязанных процессов различной сложности: от актов обмена электронов до сложных взаимодействий биоценоза с внешней средой [6].

Процесс биологической очистки предназначен для обезвреживания промышленных СВ, в частности химических и нефтехимических производств. Он основан на способности гетеротрофных микроорганизмов использовать для питания разнообразные неорганические (сульфиды, сероводород, нитриты, аммиак и др.) и органические соединения, находящиеся в СВ. Последние являются для них источником углерода [6].

1.2 Аэробный и анаэробный методы биологической очистки сточных вод

Известны два метода биологической очистки сточных вод: аэробный и анаэробный. Аэробный осуществляется бактериями при наличии в воде кислорода и является основным способом биологической очистки, применяемым в промышленности. Анаэробный осуществляется бактериями, не требующими кислорода и заключается в сбраживании органических веществ в закрытых аппаратах без доступа воздуха – метантенках [7].

Использование свойства адаптации бактерий ила позволяет успешно решить вопросы биологической очистки СВ химических производств, содержащих сложные органические соединения неприродного происхождения [8].

1. Аэробные процессы в биохимической очистке сточных вод

Метод биохимической очистки сточных вод активным илом заключается в переработке скоплениями аэробных микроорганизмов органических загрязнений при их частичной или полной минерализации в присутствии кислорода, подаваемого в аэротенк, и последующим разделением прореагировавшей смеси.

Существует две большие группы аэробных процессов биологической очистки – экстенсивные и интенсивные. К экстенсивным относятся методы, непосредственно не связанные с управляемым культивированием микроорганизмов – это поля орошения, поля фильтрации, биопруды. Микроорганизмы, находящиеся в верхних слоях почвы полей орошения и фильтрации или воде биопрудов образуют ценозы, за счет деятельности которых и происходит очистка воды. В процессе дыхания микробов органические вещества окисляются, и освобождается энергия, необходимая для жизненных функций микроорганизмов [9].

В основе интенсивных способов лежит деятельность активного ила и биопленки, то есть естественно возникшего биоценоза, формирующегося на каждом конкретном производстве в зависимости от состава СВ и выбранного режима очистки.

Необходимыми условиями для жизнедеятельности организмов, способствующих очистке, и эффективного использования аэробных очистных сооружений являются:

• наличие в сточных водах органических веществ, способных окисляться биохимически;
• непрерывное снабжение сооружений кислородом в достаточном количестве;
• активная реакция очищаемой воды (в пределах рН 7 – 8,5); температура воды не ниже 10 °C и не выше 30 °C;
• наличие биогенных элементов – азота, фосфора, калия в необходимых количествах;
• содержание минеральных солей в воде не выше 10 г/дм3;
• отсутствие токсичных веществ в концентрациях, способствующих гибели микроорганизмов [10].

Существующие традиционные биологические методы обработки в аэробных условиях, хотя и решают данную проблему, но не способны обезвреживать высококонцентрированные стоки трудно окисляемых органических веществ.

В этой связи привлекают внимание микроорганизмы, способные к превращениям органических веществ без участия кислорода - сбраживанием либо восстановлением переменновалентных элементов в их окисленной форме, то есть анаэробным путем. Интерес к анаэробной очистке сточных вод стимулирует и все возрастающая стоимость обработки промышленных сточных вод и дефицит энергии.

1.2.2  Основные преимущества анаэробной  очистки сточных вод перед аэробной

Основные преимущества анаэробной очистки сточных вод перед аэробной заключаются в том, что:

1) 80% затрат при очистке  воды в аэротенках приходится на аэрацию. Из-за высокой стоимости компрессоров, насосов, аэрирующих устройств и другого технического оборудования способ аэробной очистки экономически невыгоден, а значит, замена такой обработки на анаэробную значительно снижает стоимость очистки;

2) экономический коэффициент  аэробов составляет 75-80%, в то время  как анаэробов не превышает 15%, то есть из 1 т съеденного органического  вещества аэробы образуют до  800 кг биомассы, анаэробы – менее 150 кг. Использование анаэробов в значительной мере решает сложную проблему избыточного ила;

3) использование анаэробных  микроорганизмов позволяет получать  такие энергетически ценные продукты, как метан или сероводород. Правильно  организованный анаэробный процесс  дает возможность получить биогаз  с содержанием метана до 80%;

4) отсутствие аэрации  предотвращает аэрозольный вынос  биомассы в воздух и тем  самым способствует экологичности биоочистки и уменьшению санитарной зоны вокруг биологических сооружений.

Таким образом, сами по себе процессы анаэробной очистки являются недорогими в эксплуатации и генерируют биогаз, имеющий определенную ценность. Особенно выгодно проводить анаэробную очистку концентрированных стоков, поскольку окисление в анаэробных условиях большого количества органических веществ сопряжено с высокими энергозатратами.

Понятно, что она не лишена и некоторых недостатков. Так, она требует довольно длительного времени для первичного запуска очистного сооружения в работу, более тщательного и ответственного обслуживания, строгого соблюдения техники безопасности [5, 6].

Следует различать анаэробную очистку сточной воды и анаэробную обработку ила. Различие состоит в том, что в первом случае большая часть содержащихся в стоке органических веществ находится в растворенном виде. Если необходимо удалить растворенные органические вещества, то следует использовать такой процесс, в котором достигается достаточно полный и длительный контакт между сточной водой и микроорганизмами, осуществляющими анаэробный процесс. Это означает, что в отличие от процесса анаэробной обработки ила в процессе анаэробной очистки сточной воды существует большое различие между временем гидравлического удерживания и возрастом ила [7].

3. Биоценоз активного ила

По внешнему виду активный ил представляет собой хлопьевидную массу светло-серого, желтовато-коричневого или коричневого цвета. Хлопья состоят из большого числа многослойно расположенных бактериальных клеток, заключенных в слизь. Подобные бактериальные скопления получили название зооглей [11].

Средний размер хлопьев ила 1 – 4 мм, но в зависимости от условий в биоокислителе может изменяться от долей миллиметра до 30 – 40 мм.

Хлопьеобразование – процесс сложный, и механизм его до конца не выяснен. Часто его объясняют накоплением на поверхности клеток внеклеточных полимеров (в основном полисахаридов и белков), имеющих анионоактивные и неионогенные группы. Взаимодействие высокомолекулярных полимеров приводит к возникновению между отдельными клетками связующих мостиков и образованию сложной структуры. Способность активного ила образовывать хорошо оседающие хлопья – важнейшее его свойство, а эффективность очистки сточных вод в аэротенках в значительной степени зависит от последующего процесса отделения активного ила от очищенной воды.

Способность активного ила к оседанию характеризуется значением илового индекса. Благодаря очень развитой поверхности хлопьев активный ил (около 100 м3 на 1 г сухого вещества) на них сорбируются коллоидные и взвешенные вещества, в результате чего хлопья ила представляют собой сложную совокупность микроорганизмов, продуктов их жизнедеятельности и инертных частиц, которому присуща способность удерживать большое количество воды в основном в связанном состоянии. Биохимическая активность ила – способность его к изъятию и окислению органических примесей СВ – оценивают по скорости потребления кислорода и по содержанию в нем ферментов [10].

Активный ил состоит на 70% из живых организмов и около 30% составляют твердые частицы неорганической природы [9].

1.4 Перспективы развития анаэробной очистки сточных вод

Знание экологических факторов и механизмов регуляции процесса очистки позволяет целенаправленно искать пути интенсификации биологической очистки, в том числе и в условиях действующих очистных сооружений. Проблема оптимизации систем биологической очистки сточных вод включает в себя задачи выбора оптимальной технологической схемы, оптимизации технико-экономических и биохимических показателей процесса, оперативного оптимального управления процессом в ходе эксплуатации очистных сооружений. При этом все эти задачи подчинены основному пункту обеспечения надежной и универсальной очистки – нормальной жизнедеятельности биоценоза активного ила [12].

Одним из способов интенсификации процесса биоразложения компонентов СВ является применение биологически активных веществ (БАВ) в качестве селективного стимулятора процесса биоразложения трудноокисляемых компонентов.

Данный метод увеличивает эффективность и качество очистки СВ, сокращает сроки запуска объектов биологической очистки, например, аэротенков и биофильтров, в эксплуатацию, расширяет возможности использования биологической очистки в условиях низких температур и защищает культуры активного ила и биологической пленки от воздействия вредных веществ, например, солей тяжелых металлов, гербицидов и пестицидов [13].

Вещество биологически активное – это любое вещество, вырабатываемое организмом и получаемое им извне и оказывающее либо стимулирующее, либо подавляющее воздействие на происходящие в организме процессы [14]. К ним относятся различные гормоны, ингибиторы, ферменты, ростовые вещества и другие.

Механизм стимулирующего влияния добавляемых в питательную среду компонентов может быть различным. Чаще всего стимуляция вызвана тем, что добавка является фактором роста или же биогенным элементом. К числу основных факторов роста, влияющих на физиологическую активность микроорганизмов, можно отнести следующие группы веществ: витамины; аминокислоты, пурины и пиримидины, органические кислоты и углеводы. Стимулирующий эффект может быть объяснен или несбалансированностью состава питательной среды по факторам роста, или неспособностью микроорганизмов синтезировать метаболиты в достаточном количестве [15].

Эффект, наблюдаемый при использовании факторов роста, очевидно, нецелесообразно отождествлять с действием биостимуляторов, относящихся к различным классам веществ. Биостимуляторы, применяемые в настоящее время в микробиологических процессах, условно можно разделить на две группы: стимуляторы неспецифического и специфического действия.

1.5 Препарат  мелафен

Одним из новых БАВ положительно влияющего на микроорганизмы активного ила и следовательно улучшающего степень очистки CВ является мелафен.

Мелафен представляет собой меламиновую соль бис(оксиметил)фосфиновой кислоты с химической формулой:

Мелафен не обладает токсическим, мутагенным, ДНК-повреждающим, генотоксическим действием в широком диапазоне исследованных концентраций от 0,46∙10–9 М до 0,46∙10–3 М [19]. Установлено, что препарат относится к IV классу – незначительно опасные вещества со слабо выраженной кумуляцией. LD50 при пероральном введении составляет 6500 мг/кг для крыс и 2000 мг/кг для мышей [16].

Препарат мелафен в сверхнизких концентрациях оказывает ярко выраженный ростостимулирующий эффект на клетки хлореллы, увеличивает интенсивность процессов фотосинтеза и дыхания, содержания хлорофилла, повышает скорость выделения метаболического тепла – показателя энергетического статуса клеток, незначительно увеличивает образование супероксид анион радикала клетками хлореллы. Препарат мелафен обладает полифункциональной физиологической активностью, сравнимой с таковой природных фитогормонов, в частности кинетина.

Изучение действия мелафена, используемого в сверхнизких концентрациях, который по своим свойствам близок природным регуляторам роста, более дешевого и технологичного в производстве, представляет интерес для специалистов в области биотехнологии для решения задач, связанных с повышением продуктивности, качества и адаптивного потенциала как сельскохозяйственных растений, так и решения задач в области защиты окружающей среды.

Показана способность мелафена в конечной концентрации 10–6 мг/ дм3 оказывать бактериостатическое и бактерицидное действие на бактерии родов Вacillus, Micrococcus, Serratia. Предполагается, что отсутствие какого-либо эффекта при исследовании влияния Мелафена на бактерии родов Вacillus, Micrococcus, Serratia связано с их высокой устойчивость к данному физиологически активному соединению, что требует дальнейшего подбора концентраций и анализа влияния препарата на рост и жизнедеятельность данных микроорганизмов [17].

1.6 Постановка задач исследования

На основании анализа литературных данных выявлено, что исследования в области биологической очистки сточных вод занимают должное внимание.

Цель состояла в исследовании влияния мелафена на биоценоз активного ила с целью интенсификации биологической очистки сточных вод городских очистных сооружений Муниципального унитарного предприятия «Водоканал» (ГОС МУП «Водоканал»), промышленных сточных вод  
ОАО «Казанский завод синтетического каучука» и ОАО «Казаньоргсинтез».

1.6.1 Задачи исследования

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Исследование возможности применения мелафена для интенсификации биологической очистки сточных вод.

2. Исследование влияния препарата на состояние и показатели активного ила в процессе биологической очистки в аэротенке и на стадии регенерации.

3. Выделение и исследование микроорганизмов, входящих в состав активного ила, изучение влияния мелафена на рост полученных культур бактерий родов Bacillus, Micrococcus и Serratia.

4. Разработка технологических рекомендаций для проведения опытно-промышленных испытаний для интенсификации биологической очистки сточных вод с применением мелафена в концентрации 10-6 мг/дм3.

5. Оценка предотвращенного ущерба окружающей среде при применении мелафена для интенсификации биологической очистки сточных вод.

1.6.2 Объекты исследований

В качестве объектов исследований были выбрана смешанная популяция микроорганизмов, входящих в состав анаэробного ила, полученного на основе активного ила городских очистных сооружений, сброженного в течение 4–х недель при температуре 38 °С.

Активный ил для экспериментов отбирался из регенератора секции биологической очистки сточных вод МУП «Водоканал».

По внешнему виду активный ил представлял собой мелкие плотные хлопья светло–коричневого цвета, запах илистый, надыловая жидкость прозрачная. Иловый индекс составлял 250 см3/г, доза ила – 3,5 г/ дм3.

После сбраживания ил приобретал черную окраску, характерный запах разложившихся органических веществ, и было обнаружено бурное выделение биогаза, в состав которого входил сероводород.

2.1 Экспериментальные  исследования

Экспериментальные исследования биологической очистки  сточных вод производят на установке, состоящей из двух конструкционно идентично выполненных упрощенных физических моделей биологических очистных сооружений, смонтированных на одной технологической раме. Установка предназначена для проведения сравнительных экспериментов:

- контрольный аэротенк реализовывает следующие процессы:  биологическая очистка сточных вод и биологическая очистка с использованием янтарной кислоты;

- опытный аэротенк представлен для проведения процесса биологической очистки сточных вод с использованием Мелафена.

Аэротенк представляет собой реактор, куда подается воздух и иловая суспензия для очистки сточных вод. Рабочий объем аэротенка 2 литра, внутренний диаметр 60-80 мм, высота 1000 мм. Аэрация иловой смеси и сточной воды в аэротенке осуществляется техническим воздухом, диспергируемым с помощью пористого камня. Расход воздуха на аэрацию регулируется ротаметром.

Анализы поступающей сточной воды, ила, очищенной воды производятся с использованием проб, взятых в аэротенке.

Для микробиологического анализа активного ила на стадии регенерации берется 1 дм3 активного ила, поступающего на стадию регенерации, и осуществляется его аэрация путем подачи технического воздуха, который диспергируется пористым камнем. Концентрация Мелафена и янтарной кислоты составляет 10-6 мг/дм3.

В экспериментах на очистных сооружениях МУП «Водоканал» при использовании системы биологической очистки с янтарной кислотой в качестве контроля по сравнению с очисткой в присутствии мелафена получены следующие результаты.

2.1.1 Сравнительный  анализ систем биологической  очистки сточных вод с применением различных биологических активных веществ на МУП «Водоканал»

Таблица 1 – Сравнительный анализ систем биологической очистки сточных вод с применением различных биологически активных веществ на очистных сооружениях МУП «Водоканал»

Время пребывания выбрано 3,5 часа, что соответствует времени пребывания сточных вод в аэротенках МУП «Водоканал».

Из данных, представленных в таблице 1, видно, что система в присутствии мелафена на 20% превзошла биологическую очистку с использованием янтарной кислоты по значениям ХПК.

Далее на городских очистных сооружениях МУП «Водоканал» проведены два эксперимента в динамических условиях.

Длительность первого эксперимента составила 7 часов (два полных цикла очистки). Препарат вносился в аэротенк в начале эксперимента. Результаты представлены в таблице 2.

2.1.2 Сравнительный  анализ систем биологической  очистки сточных вод в динамических  условиях на МУП «Водоканал»

Таблица 2 – Сравнительный анализ систем биологической очистки сточных вод в динамических условиях на очистных сооружениях МУП «Водоканал»

Во втором эксперименте (таблица 3) было решено внести мелафен на стадии аэрации за 16 часов до начала эксперимента в количестве, необходимом для достижения концентрации 10-6 мг/дм3. Длительность эксперимента составила три полных цикла при времени пребывания 3,5 часа. Значение ХПК исходной сточной воды – 160 мг/дм3.