Снижение токсичности и остаточной загрязненности сточных вод целлюлозно-бумажных предприятий при различных вариантах биологической очистки 05. 21. 03 Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины

05.21.03 – Технология и оборудование химической

переработки биомассы дерева; химия древесины

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

кандидата технических наук

Архангельск – 2007

Работа выполнена на кафедре лесохимических производств

Архангельского государственного технического университета

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор, заслуженный

работник высшей школы РФ

кандидат технических наук,

доцент Кузнецова Л.Н.
Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Новожилов Е.В.,

кандидат технических наук

Личутина Т.Ф.

Ведущая организация: Всероссийский научно-исследовательский

институт целлюлозно-бумажной

промышленности (ОАО «ВНИИБ»),

Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится «25» мая 2007 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д.212.008.02 в Архангельском государственном техническом университете (163002 г. Архангельск, набережная Северной Двины, 17).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Архангельского

государственного технического университета.

Автореферат разослан « » апреля 2007 года.

Ученый секретарь диссертационного совета,

канд. хим. наук, доцент __________ Т.Э. Скребец

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В настоящее время проблема качества очистки сточных вод ЦБП в условиях повышенных антропогенных нагрузок на водоисточники является весьма актуальной. На всех целлюлозно-бумажных предприятиях России и на большинстве предприятий аналогичного профиля за рубежом для очистки сточных вод перед сбросом в водоем применяются биологические методы в аэротенках различной конструкции. Биологическую очистку в аэротенках можно модифицировать путем перевода ее в режим биосорбции, что повышает эффективность очистки. Также в настоящее время для решения проблем в области очистки сточных вод ЦБП и защиты окружающей среды активно развивается направление биоинтенсификации, связанное с созданием микробных смесей для дополнения биологической популяции активного ила, что, по мнению производителей, позволит достичь стабильности в работе систем биологической очистки.

Известно, что токсичность сточных вод сульфатцеллюлозных предприятий значительно снижается и в присутствии хозяйственно-бытовых вод. Поэтому перераспределение имеющейся подачи хозяйственно-бытовых вод может сыграть положительную роль в процессе очистки сточных вод.

Таким образом, исследования, направленные на изучение снижения токсичности сточных вод ЦБП при различных вариантах биологической очистки, актуальны, особенно при использовании методов биотестирования, которые позволяют констатировать факт наличия токсичности воды, учитывая эффекты синергизма и антагонизма компонентов; ее пригодность для жизни гидробионтов, обеспечивающих процессы самоочищения в водоеме.

Целью данной работы являлось: исследование различных вариантов биологической очистки для снижения токсичности и остаточной загрязненности сточных вод ЦБП.

Для достижения цели решались следующие задачи:

1. 
   исследование влияния добавки активного угля в существующие системы аэрации на показатели токсичности и остаточной загрязненности при биологической очистке сточных вод;
   
2. 
   исследование влияния специально наработанного селекционного биопродукта на ферментативную и окислительную способность активного ила при очистке сточных вод от загрязнений в условиях острых опытов и в режиме адаптации;
   
3. 
   токсикологическое исследование содержащихся в сточных водах ЦБП специфических загрязнений;
   

Впервые установлена степень токсичности и количественно определена связь между показателями токсичности и уровнем загрязненности сточных вод ЦБП при различных вариантах их биологической очистки.

Доказано, что добавление активного угля в качестве носителя биомассы микроорганизмов существенно влияет на эффективность очистки сточных вод. Выявлена оптимальная дозировка гидроксида натрия, вводимая при получении активных углей методом термохимической активации.

Установлено, что коррекция состава активного ила введением селекционного биопродукта благоприятно влияет на процесс биологической очистки сточных вод ЦБП. Опытным путем подобрана оптимальная дозировка биопродукта в сточные воды.

Выявлено положительное влияние введения хозяйственно-бытовых сточных вод на II ступень при 2-х ступенчатой схеме биологической очистки на качество стока.

Показано, что применение методов биотестирования для характеристики исследуемых сточных вод ЦБП оперативно сигнализирует об опасном воздействии химического загрязнения на жизнедеятельность водных организмов.

Исследуемые варианты биологической очистки могут найти практическое применение для снижения токсичности сточных вод ЦБП: применение определенных марок углей при расходе 25 мг/л и дозирование биопродукта концентрацией 40 мг/л позволяет снизить токсичность в несколько раз.

Для повышения биологической очистки сточных вод ЦБП при 2-х ступенчатой схеме рекомендуется часть хозяйственно-бытовых сточных вод, поступающих на очистку, подавать непосредственно на 2-ю ступень, минуя 1-ю.

Выявлено положительное влияние вводимого биопродукта на снижение содержания специфических загрязнений сточных вод: фенолов, метанола и сульфатного лигнина. Перераспределение хозяйственно-бытовых вод позволит предприятию снизить содержание в стоках фенолов и даже сульфатного лигнина.

Для практического применения рекомендуется одновременное использование двух методов определения токсичности воды: методы с использованием в качестве тест-объекта цериодафний Ceriodaphnia affinis и водорослей Scenedesmus quadricauda, что характеризует различную чувствительность к действию токсикантов гидробионтов из разных систематических групп. Для экспресс-оценки токсического действия сточных вод следует рекомендовать метод с использованием в качестве тест-объекта инфузорий Paramecium caudatum.
Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались на международных научно-технических конференциях в г. Архангельске «Экология Северных территорий России. Проблемы, прогноз ситуации, пути развития, решения» (2002 г.), «Современная наука и образование в решении проблем экономики европейского Севера» (2004 г.), на ежегодных научно-технических конференциях Архангельского государственного технического университета (2004-2007 г.), на международной научно-практической конференции в г. Санкт-Петербурге «Современные техника и технологии очистки сточных вод и водоподготовки в целлюлозно-бумажной промышленности» (2007 г.)

По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Диссертация включает в себя: введение; аналитический обзор литературы; методическую часть; экспериментальную часть, содержащую 3 раздела; технологическую часть; экономическую часть и общие выводы.

Содержание работы изложено на 145 страницах, включая 37 рисунков и 9 таблиц, библиография содержит 320 наименований.
На защиту выносятся:

- результаты модификации биологической очистки сточных вод в аэротенках путем перевода ее в режим биосорбции;

- результаты влияния селекционной биодобавки и хозяйственно-бытовых вод на динамику изъятия загрязнений в условиях острых опытов и адаптации активного ила в процессе биологической очистки сточных вод;

- оценка целесообразности применения методов биотестирования для характеристики сточных вод ЦБП;

- разработанные технологические схемы биологической очистки промышленных сточных вод с добавлением биопродукта, активного угля и перераспределением хозяйственно-бытовых вод, экономическая эффективность введения добавок и применения методов биотестирования при контроле качества сточных вод.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
В аналитическом обзоре литературы рассмотрены способы усовершенствования биологической очистки сточных вод. Отмечено, что в настоящее время накоплен большой опыт эксплуатации станций биосорбционной очистки сточных вод в присутствии самых разнообразных адсорбентов и выявлены преимущества по сравнению с биологической очисткой. Также для решения проблем в области промышленной очистки сточных вод ЦБП и защиты окружающей среды активно ведутся и успешно внедряются за рубежом на предприятиях ЦБП и других отраслях разработки по усилению популяции бактерий водоочистных систем. В отечественной и зарубежной гидробиологической литературе по оценке качества воды водоемов и водотоков, подверженных антропогенному воздействию, методам биотестирования отводится важнейшее место среди известных методов оценки состояния водных объектов и их экосистем. В мировой практике используется более сотни различных методов биотестирования для определения токсичности сточных вод.
Методики исследования

Исследование влияния активных углей на степень очистки сточных вод проводили на модельном стоке, который готовили из черного щелока разбавлением водой. Активные угли, используемые для исследования, были получены на экспериментальной установке кафедры лесохимических производств из древесных опилок методом термохимической активации при различной дозировке гидроксида натрия.

В качестве адаптированных штаммов микроорганизмов использовали специально наработанный микробиологический продукт. Экспериментальные исследования проводили в модельных тенках на сточных водах, ежесуточно поставляемых в лабораторию кафедры лесохимических производств, в условиях острых опытов, адаптации активного ила и в режиме продленной аэрации.

При исследованиях моделировались условия очистки сточных вод характерные для ЦБП.

Экспериментальное исследование методом биотестирования проводилось на трех тест-объектах: цериодафниях Ceriodaphnia affinis, водорослях Scenedesmus guadricauda (Turp.) Breb. и инфузориях Paramecium caudatum по методикам определения токсичности воды. Оценка эффективности очистки сточных вод по остальным показателям проводилась с использованием действующих методик.
Экспериментальная часть состоит из 3 разделов.

1. Влияние активных углей на степень очистки сточных вод

Экспериментальным путем выявлялась возможность повышения эффективности биологической очистки сточных вод введением носителя биомассы - активного угля в аэротенки.

Активные угли, используемые для исследования, были получены методом термохимической активации с гидроксидом натрия (NaOH) при следующих условиях:

• 
  предварительная выдержка сырья в 3 % фосфорной кислоте;
  
• 
  предпиролиз при температуре 450 °С в течение 180 минут;
  
• 
  пиролиз при температуре 700 °С в течение 90 минут.
  

Исследование проводили на модельном стоке, который готовили из черного щелока, отобранного, как и активный ил, на Соломбальском ЦБК, разбавлением водой 1:100 с последующей нейтрализацией. Продолжительность аэрирования составляла 20 ч., продолжительность отстаивания 1 ч., регенерация ила 3 ч. Таким образом, продолжительность цикла – 24 ч. Количество циклов – 10.

Экспериментальное исследование методом биотестирования проводилось на трех тест-объектах: водорослях Scenedesmus guadricauda (Turp.) Breb., цериодафниях Ceriodaphnia affinis и инфузориях Paramecium caudatum. Из полученных результатов следует, что очищенная вода без разбавления токсична для всех выбранных гидробионтов, и, чтобы получить результаты, тестирование проводили при разбавлениях (рисунок 1).

а

б

в

Рисунок 1 - Изменение степени токсичности воды при очистке с использованием активных углей в различных циклах при тестировании: а - на инфузориях (разбавление 32 раза); б – на водорослях (разбавление 4 раза); в – на цериодафниях (разбавление 8 раз); - цикл 1; - цикл 3; - цикл 5; - цикл 7; - цикл 9; - предел токсичности

В результате очистки воды с использованием активных углей количеством 25 мг/л наибольшее снижение степени токсичности наблюдается для углей Д14 и Д13 (до 50 %), то есть биосорбционная очистка при использовании этих углей эффективна, так как исследуемая вода в данных разбавлениях не токсична для гидробионтов.

Эффективность внесения углей подтверждается результатами исследования степени очистки сточной воды по показателям ХПК и БПК₅. Из полученных данных, после 3-х часового аэрирования исследуемых вод (рисунок 2), наблюдается значительное снижение содержания загрязнений, особенно в присутствии АУ № 14 (улучшение по БПК₅ и ХПК на 12% и 22% соответственно). Удовлетворительные результаты получены и при использовании АУ № 11 и АУ № 13 (улучшение до 10% и 18% соответственно).

Результаты экспериментального исследования биосорбционной очистки проб сточной воды после 20 часового аэрирования свидетельствуют, что изъятие загрязнений в присутствии АУ № 14 наиболее полно (степень очистки по ХПК и БПК возрастает на 11% и 8%), хотя положительные результаты получены по этим показателям и при использовании остальных марок углей (рисунок 3).

Если сравнить полученные данные после 3-х и 20-ти часов аэрирования, можно сделать вывод о том, что именно в течение первых 3 часов от начала аэрирования

а

б

Рисунок 2 – Очистка сточной воды по показателю (в %): а) ХПК, б) БПК после 3 ч. аэрирования: - контроль; - АУ № 11; - АУ № 12; - АУ № 13; - АУ № 14

наблюдается наибольшее изъятие загрязнений из сточных вод во всех опытах, но наиболее интенсивно удаляются загрязнения в опытах с сорбентами.

а

б

Рисунок 3 - Очистка сточной воды по показателю (в %): а) ХПК, б) БПК после 20 ч. аэ-рирования: - контроль; - АУ № 11; - АУ № 12; - АУ № 13; -АУ № 14

Наиболее положительно себя зарекомендовали АУ № 13 и АУ № 14. Опираясь на экономические показатели синтеза углей, наиболее предпочтительным из анализируемых углей является уголь Д13, требующий для своего получения значительно меньше гидроксида натрия, вводимого на стадии термохимической активации, чем уголь Д14.

Экспериментальным путем производилась коррекция биопопуляции активного ила Архангельского ЦБК (АЦБК) внесением адаптированного биопродукта.

2.1 Динамику изъятия загрязнений в присутствии биопродукта в условиях острых опытов с использованием активного ила 1-й и 2-й ступени (АИ) проводили на следующих стоках АЦБК:

• 
  общий сток + активный ил 1-й ступени;
  
• 
  общий сток после 1-й ступени + активный ил 2-й ступени;
  
• 
  сток с усреднителя + активный ил 1-й ступени;
  
• 
  сток с усреднителя + активный ил 2-й ступени;
  
• 
  сток III очереди + активный ил 1-й ступени;
  
• 
  сток III очереди + активный ил 2-й ступени;
  
• 
  сток после 1-й ступени+5 и 10% хозяйственно-бытового стока (ХБС)+АИ 2-й ступени.
  

Из полученных данных биотестирования на трех тест-объектах следует, что наиболее благоприятно действующей на качество воды общего стока после биологической очистки, аэрируемого с активным илом 1-й и 2-й ступени, является добавка биопродукта количеством 40 мг/л – при этой дозировке токсичности не наблюдается._. В целом даже минимальное количество вносимых штаммов биопродукта (ШТ) оказывает благоприятное действие на очистку стоков (рисунок 4).

Очистка общего стока с активным илом 1-й ступени	Очистка общего стока после 1-й ступени с активным илом 2-й ступени
Рисунок 4 - Сравнение результатов биотестирования и степени очистки по ХПК (%), сточная вода без разбавления общего стока: I - сток после очистки; II - сток с 20 мг/л ШТ после очистки; III - сток с 30 мг/л ШТ после очистки; IV - сток с 40 мг/л ШТ после очистки; - токсикологический показатель по водорослям, % отклонения от контроля; - токсикологический показатель по дафниям (хрон.), % отклонения от контроля; - степень очистки стока по ХПК через 1 ч.; - степень очистки стока по ХПК через 3 ч.; степень очистки стока по ХПК через 8 ч.; - степень очистки стока по ХПК через 22 ч.

При обработке стока активным илом 2-й ступени результаты биотестирования оказались более высокими, чем с илом 1-й ступени, так как активный ил 2-й ступени обычно работает в условиях, когда из сточных вод изъято около половины всех биологически окисляемых загрязнений.

Вносимые штаммы биопродукта оказывают благоприятное действие на очистку стоков с усреднителя. Проявление токсического характера сточных вод 1-й ступени можно объяснить их изначально сильной загрязненностью, о чем свидетельствует показатель ХПК: сток, аэрируемый с активным илом 1-й ступени более загрязнен, чем сток с илом 2-й ступени (ХПК 690 мг/л и 590 мг/л, соответственно), степень очистки данного стока по ХПК при обработке воды активным илом 2-й ступени оказалась более высокой, чем с активным илом 1-й ступени, но даже в экстремальных условиях работы аэротенков штаммы биопродукта проявляют свою эффективность (рисунок 5).

Очистка стока с усреднителей активным илом 1-й ступени	Очистка стока с усреднителей активным илом 2-й ступени
Рисунок 5 - Сравнение результатов биотестирования и степени очистки по ХПК (%), сток с усреднителя без разбавления: I – сток после очистки; II – сток с 20 мг/л ШТ после очистки; III - сток с 30 мг/л ШТ после очистки; IV - сток с 40 мг/л ШТ после очистки; - токсикологический показатель по водорослям, % отклонения от контроля; - токсикологический показатель по дафниям (хрон.), % отклонения от контроля; - степень очистки стока по ХПК через 1 ч.; - степень очист- ки стока по ХПК через 3 ч.; - степень очистки стока по ХПК через 8 ч.; - степень очистки стока по ХПК через 22 ч.

Учитывая полученные данные, было принято решение оценить действие селекционного биопродукта в самых нетипичных условиях очистки сточных вод. Для этого аэрированию был подвергнут один из трех потоков, причем самый загрязненный - сток III очереди предприятия.

Полученные результаты по показателю токсичности стока III очереди проявляются с той же закономерностью, что и при определении токсичности общего стока и стока с усреднителя, то есть чем больше количественное соотношение вносимого биопродукта (до 40 мг/л), тем меньше индекс токсичности (рисунки 4, 5, 6). Ввод биопродукта улучшает очистку по показателю ХПК, особенно при концентрации 40 мг/л (на 12% с активным илом 1-й ступени и на 3% с активным илом 2-й ступени).

Очистка стока III очереди активным илом 1-й ступени	Очистка стока III очереди активным илом 2-й ступени
Рисунок 6 - Сравнение результатов биотестирования и степени очистки по ХПК (%), сточная вода без разбавления стока III очереди: I - сток после очистки; II - сток с 20 мг/л ШТ после очистки; III - сток с 30 мг/л ШТ после очистки; IV - сток с 40 мг/л ШТ после очистки; - токсикологический показатель по водорослям,% отклонения от контроля; - токсикологический показатель по дафниям (хрон.), % отклонения от контроля; - степень очистки стока по ХПК через 1 ч.; - степень очистки стока по ХПК через 3 ч.; - степень очистки стока по ХПК через 8 ч.; - степень очистки стока по ХПК через 22 ч.

Таким образом, проведенное экспериментальное исследование, подтверждает, что штаммы биопродукта проявляют свою эффективность даже при работе в экстремальных условиях.

Экспериментальное исследование по перераспределению хозяйственно-бытового стока проводили на сточных водах, прошедших цикл биологической очистки в аэротенках-смесителях 1-й ступени. В сток перед аэрацией в модельных тенках вводили штаммы биопродукта и хозяйственно-бытовые сточные воды в количествеве 5 и 10 % от общего стока. Аэрацию осуществляли во всех случаях с использованием активного ила 2-й ступени.

Взятая нами добавка биопродукта количеством 40 мг/л, во всех случаях оказывает на активность ила 2-й ступени положительное влияние (рисунок 7).

а	б
1

а	б
2

а	б
3

Рисунок 7 - Изменение токсичности по результатам биотестирования: 1- на водорослях Scenedesmus guadricauda (Turp.) Breb., 2 - на инфузориях Paramecium caudatum, 3 - на цериодафниях Ceriodaphnia affinis; а - сток после 1-й ст. + АИ 2 ст.+ 5% ХБС; б - сток после 1-й ст. + АИ 2-й ст. + 10% ХБС; - сток до биол. очистки; - сток после биол. очистки + ХБС ; - сток после биол. очистки;

- сток после биол. очистки + ШТ 40 мг/л; - сток после биол. очистки

+ ХБС; - сток после биол. очистки + ХБС + ШТ 40 мг/л; - предел токсичности

Добавка хозяйственно-бытовых вод (5 и 10 % от общего стока) оказывает на тест-объекты стимулирующее действие, которое особенно проявляется при дальнейшем разбавлении стока.

В воде с совмещенной добавкой биопродукта количеством 40 мг/л и хозяйственно-бытовых вод эффект стимуляции также проявляется, но он незначителен и в пределах нормы, то есть добавленные микроорганизмы уравновешивают стимулирующее воздействие хозяйственно-бытовых вод, и вместе с этим идет эффективное изъятие токсикантов активным илом. Таким образом, благодаря микроорганизмам биопродукта и введению всего хозяйственно-бытового стока или его части сразу на вторую ступень биологической очистки, минуя первую, можно повысить степень изъятия токсичных загрязнений из сточной воды в процессе аэрирования. Это подтверждается и основным показателем очистки сточных вод: улучшается изъятие загрязнений по показателю ХПК - при 5%-й добавке хозяйственно-бытового стока на 7% и на 8% при введении всего хозяйственно-бытового стока на вторую ступень биологической очистки.
2.2 Изучение влияния биопродукта и хозяйственно-бытовых вод на динамику изъятия загрязнений в условиях адаптации активного ила

Все исследования на следующем этапе проводили аэрированием в модельных тенках стока после 1-й ступени биологической очистки с активным илом 2-й ступени. Сточная вода поставлялась на кафедру 1 раз в сутки (утром) и на этой воде реализовывали 2 цикла – нечетный и четный. Продолжительность аэрации равнялась 9 часам, продолжительность регенерации активного ила – 2 часа. Общая продолжительность одного цикла составила 12 часов.

Учитывая результаты первого этапа экспериментальных исследований, варианты формирования стоков для аэрирования отличались следующим образом:

1. 
   Сток после 1 ступени + активный ил 2 ступени (контроль);
   
2. 
   Сток после 1 ступени + 40 мг/л биопродукта;
   
3. 
   Сток после 1 ступени + 5 % ХБС;
   
4. 
   Сток после 1 ступени + 5 % ХБС + 40 мг/л биопродукта.
   

Особенность проведения опытов заключалась в том, что активный ил, отделяемый по окончании каждого цикла аэрирования, использовался в следующем цикле. Биопродукт вводился в сточные воды (варианты 2 и 4) один раз на первом цикле. Качество поставляемой воды каждый раз менялось, что вызывало стрессовую реакцию микроорганизмов активного ила в нечетных циклах, именно в это время проводили анализ проб на токсичность. Таким образом, проверялись их адаптационные возможности на протяжении 10 циклов. Ввод хозяйственно-бытового стока осуществляли в начале каждого цикла.

По результатам биотестирования добавка хозяйственно-бытового стока значительно влияет на улучшение очистки воды (рисунок 8), но, как и в остром эксперименте вызывает стимуляцию роста численности тест-объектов в ее последующих разбавлениях, что, как и ингибирование, негативно сказывается на качестве стока.

Наиболее рациональна совмещенная добавка микроорганизмов и 5% хозяйственно-бытовых вод в сток, т.к не оказывает отрицательных последствий при дальнейших разбавлениях.

Положительное влияние биопродукта сказывается и на ассимиляции загрязнений, характеризуемых показателем БПК - на 2% и ХПК - на 6% (рисунок 9). Ситуация существенно меняется при вводе в сточную воду, наряду с биопродуктом, 5% хозяйственно-бытового стока – улучшение по показателю БПК до 4%, по ХПК до 9%.

а

б

Рисунок 8 – Диаграмма, иллюстрирующая изменение степени токсичности воды в различных циклах при биотестировании: а - на водорослях Scenedesmus guadricauda (без разбавления, 100%); б - на инфузориях Paramecium caudatum (разбавление в 4 раза, 25%); I - сток после 1-й ст. оч.; II - сток после 1-й ст. оч. с 5 % ХБ; III - сток после очистки а.и. 2-й ст.; IV - сток после очистки а.и. 2-й ст. и ШТ; V - сток после очистки а.и. 2-й ст. и 5 % ХБ; VI - сток после очистки а.и. 2-й ст.+ШТ+5 % ХБ; - цикл 1; - цикл 3; - цикл 5; - цикл 7; - цикл 9; - предел токсичности

а

б

Рисунок 9 – Очистка сточной воды по показателю а - ХПК, б - БПК после 20 ч. аэрирования (в %): - контроль; - сток + ШТ; - сток + 5% ХБ; - сток + ШТ + 5% ХБ

Таким образом, можно заключить, что микроорганизмы биопродукта стабилизируют процесс биологической очистки, а в сочетании с вводом в сточную воду, поступающую на 2-ю ступень биологической очистки, части хозяйственно-бытовых сточных вод, процесс изъятия загрязнений ещё более интенсифицируется.

3. Исследование содержащихся в сточных водах специфических загрязнений

Одной из задач исследований являлось изучение влияния вводимых микроорганизмов биопродукта на биологическое разрушение специфических загрязнений сточных вод. В качестве специфических загрязнений, оказывающих влияние на процесс биологической очистки, для исследования были выбраны: сульфатный лигнин, фенолы и метанол (рисунок 10).

В условиях острых опытов были исследованы сточные воды общего стока и стока III очереди. Под общим стоком понимали среднесуточные пробы воды, отбираемые через каждые 2 часа перед 1-й и 2-й ступенями биологической очистки и, как и сточные воды III очереди, аэрировали с активным илом 1-й ступени, затем с активным илом 2-й ступени. Сток III очереди был выбран с целью исследования возможности биологической очистки стока, как наиболее сложного по составу загрязнений.

а

б

в Рисунок 10 - Изменения содержания в сточных водах специфических загрязнений (мг/л) а - сульфатного лигнина, б - метанола, в – фенолов; - общий сток до очистки; - сток III очереди до очистки; -общий сток после очистки; -общий сток после очистки+40 мг/л ШТ; - сток III очереди после очистки; - сток III очереди после очистки 40 мг/л ШТ

Полученные экспериментальные данные позволяют сделать следующие выводы: в первую очередь констатируем, что активный ил достаточно хорошо адаптирован на ассимиляцию фенолов, метанола и даже сульфатного лигнина. Степень изъятия метанола из сточных вод превышает 97%, а фенолов – 99%. Сульфатный лигнин удаляется почти на 60% из общего стока и на 87% из стока III очереди после биологической очистки. Во-вторых, полученные данные убедительно свидетельствуют о положительном влиянии введенного биопродукта на снижение содержания всех трех исследуемых нами загрязнителей сточных вод.

Полученные данные по изучению динамики изъятия загрязнений в условиях адаптации активного ила свидетельствуют о следующем: в случае изъятия из сточных вод сульфатного лигнина наблюдается тенденция к снижению в первых циклах аэрации (рисунок 11), в отношении биологического окисления фенолов можно говорить о благоприятном влиянии на процесс как биопродукта (до 48 %), так и хозяйственно-бытового стока (до 74 %).

	а
б
Рисунок 11 - Изменение содержания массовой концентрации (мг/дм3) а - сульфатного лигнина, б – фенолов; : - цикл 1; - цикл 2; - цикл 3; - цикл 4

Технологическая часть состоит из 4-х разделов

1. Узел механической очистки сточных вод

Существующая схема очистки сточных вод методом отстаивания в отстойниках (рисунок 12).

2. Биосорбционная очистка сточных вод

Порошкообразный активный уголь требует предварительной подготовки, поэтому предполагается включить в технологическую схему очистки воды блок предварительной подготовки, где происходит перемешивание угля с водой постоянно подаваемым сжатым воздухом для намокания угля (поз. 20). Дозатором (поз. 21) регулируется подача угольной суспензии в аэротенки из расчета 25 г угля на 1 м³ сточной воды.

Рисунок 12 - Схема биологической очистки промышленных сточных вод: 1, 7, 11, 15, 17 - насосная станция; 2, 4, 14, - первичные отстойники; 3, 13 - машин-

ный зал; 5 - контактные резервуары; 6 - камера 29б; 8, 10 - аэротенки; 9 – усред-нитель; 12 - промежуточные отстойники; 16 - вторичные отстойники; 18 –ило-уплотнители; 19 -узел механического обезвоживания осадка; 20 -узел пригото-вления угольной суспензии; 21, 23 - дозатор; 22 - узел приготовления суспен-

зии микроорганизмов; 1.00 - осветленные воды; 1.01 – биологически очищен-

ные сточные воды; 1.02 - иловая смесь; 1.03 - декантат; 1.04 – фильтрат; 1.05 - возвратный/избыточный ил; 1.06 - осадок; 1.07 - воздух

Разовый расход угольной суспензии на одну ступень составит:

(25×10^-6)×13252× 24= 8 т/сут.

На I и II ступени с избыточным илом выводится 7,5 % и 3,75 % угля соответственно, таким образом, ежесуточно необходимо восполнять только потери угля с избыточным илом, а именно 0,9 т/сут.
3. Очистка сточных вод с добавлением биопродукта

Адаптированные штаммы биопродукта также требуют предварительной подготовки, поэтому в технологическую схему очистки воды включаем узел приготовления суспензии микроорганизмов (поз. 22), где происходит перемешивание сухого биопродукта с водой, продолжительностью 30 минут, постоянно подаваемым воздухом, что обеспечит активирование микроорганизмов. Дозатором (поз. 23) и задвижками регулируется подача суспензии из расчета 40 мг/л сточной воды как в аэротенк 1-й ступени, так и в аэротенк 2-й ступени один раз в 10 дней. Расход биопродукта рассчитывается от общего объема аэротенков и составляет 113,904 т/год.

4. Схема очистки с перераспределением хозяйственно-бытовых вод

Целесообразной схемой очистки сточных вод является схема с перераспределением потоков сточных вод, а именно 50 % хозяйственно-бытовых сточных вод, поступающих на очистку, предлагаем подавать непосредственно на 2-ю ступень, минуя 1-ю, что приведет к улучшению энергетического баланса жизнедеятельности активного ила (рисунок 12). Подача хозяйственно-бытового потока в аэротенк второй ступени регулируется задвижкой.

Экономическая эффективность производства

1. Расчет затрат и экономической эффективности при введении активного угля для очистки сточных вод

Ежегодный расход угля будет складываться из разового расхода и ежесуточного восполнения потерь и составит 326,5 т/год. Себестоимость угля 36,5 тысяч рублей за 1 тонну. Тогда, затраты на уголь составят 11,9 млн. руб./год.

Расчет по показателям, характеризующим загрязнение сточных вод, происходит в пределах временно согласованного сброса, стоимость которых в 5 раз превышает стоимость этих сбросов в пределах ПДС. Экономическая эффективность при введении активного угля для очистки сточных вод с учетом полученных экспериментальных данных по снижению загрязнения составит 2,282 млн. руб./год.
2. Расчет затрат и экономической эффективности при введении штаммов биопродукта для очистки сточных вод

Введение биопродукта в сточную воду на обе ступени биологической очистки один раз в 10 дней, при себестоимости биопродукта 100 тысяч рублей за 1 тонну, экономически не эффективно. Выгодно дозирование биопродукта 1 раз в месяц: экономическая эффективность введения биопродукта для очистки сточных вод с учетом технико-экономических показателей составит 983 тыс. руб./год с учетом, что экологический эффект по показателям будет близок к полученному нами экспериментальным путем, что необходимо подтвердить дальнейшими исследованиями.

3. Расчет экономической эффективности применения методов биотестирования при контроле сточных вод

Методы биотестирования экономически целесообразно применять для характеристики сточных вод, что дает возможность получения наиболее полной информации (анализ опасного воздействия химического загрязнения на жизнедеятельность водных организмов, причем не по отдельным компонентам, а по их смесям) при затратах примерно в 2 раза меньших, чем при определении химико-аналитическими методами. К тому же, определение полного перечня присутствующих химических веществ в сточных водах современными аналитическими методами продолжительная, трудоемкая и не всегда выполнимая процедура (из-за отсутствия методик и специального оборудования), не учитывающая эффектов синергизма и антагонизма химических соединений, имеющихся в сточных водах.

Основные выводы:

1. 
   Использование активного угля, полученного методом термохимической активации, в качестве носителя биомассы при биологической очистке сточных вод, применение специально наработанного селекционного биопродукта и введение хозяйственно-бытового стока на 2-ю ступень биологической очистки – все варианты существенно повышают качество биологической очистки сточных вод ЦБП.
   
2. 
   Установлено, что при биологической очистке сточных вод с использованием определенной марки активного угля в качестве носителя биомассы, полученного методом термохимической активации с гидроксидом натрия наблюдается снижение показателя токсичности до 50 %, БПК и ХПК до 12 и 22 %, соответственно.
   
3. 
   Периодическое введение в систему биологической очистки биопродукта в количестве 40 мг/л снижает БПК и ХПК на 2 и 4 % соответственно, а также токсичность стоков (до 10 раз). Активность биопродукта, разово введенного в систему биологической очистки, сохраняется, а в ряде опытов даже усиливается на протяжении длительного времени.
   
4. 
   Наиболее целесообразной схемой очистки сточных вод является схема с перераспределением потоков сточных вод, а именно 50% хозяйственно-бытовых сточных вод, поступающих на очистку, следует подавать непосредственно на 2-ю ступень, минуя 1-ю. Эффективность введения хозяйственно-бытовых вод повышается при одновременном введении биопродукта.
   
5. 
   Выявлено положительное влияние введенного селекционного биопродукта на снижение содержания специфических загрязнений сточных вод: фенолов, метанола и сульфатного лигнина. Перераспределение хозяйственно-бытовых вод благоприятно в отношении снижения содержания фенолов и сульфатного лигнина.
   
6. 
   Существующие методы оценки качества сточных вод не достаточно полно отражают их загрязненность. Наиболее чувствительным и информативным является метод биотестирования, показатель токсичности которого свидетельствует о сохранности популяций видов организмов в водоеме после сброса биологически очищенных сточных вод.
   
7. 
   Для практического применения рекомендуется одновременное использование двух методов определения токсичности воды: методы с использованием в качестве тест-объекта цериодафний Ceriodaphnia affinis и водорослей Scene-desmus quadricauda, что характеризует различную чувствительность к действию токсикантов гидробионтов из разных систематических групп. Для экспресс-оценки токсического действия сточных вод следует рекомендовать метод с использованием в качестве тест-объекта инфузорий Paramecium caudatum.
   

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. 
   Косарева Е.Н., Пирович Е.И., Станкова Н.В., Богданович Н.И. Биотестирование сточных вод промышленных предприятий // Экология Северных территорий России. Проблемы, прогноз ситуации, пути развития, решения. Материалы международной конференции. Т. 2., Институт экологических проблем Севера УрО РАН, Архангельск, 2002. – С. 425-428.
   
2. 
   Косарева Е.Н., Рудакова В.А., Кузнецова Л.Н., Богданович Н.И. Влияние микроорганизмов NALKO 7652 на показатели токсичности биологически очищенных стоков // Современная наука и образование в решении проблем экономики европейского Севера. Материалы Международной научно-технической конференции, посвященной 75-летию АЛТИ-АГТУ. Т 1., Архангельск, 2004. – С. 231-232.
   
3. 
   Богданович Н.И., Кузнецова Л.Н., Косарева Е.Н., Рудакова В.А. Использование биопродукта NALKO 7652 при биологической очистке сточных вод АЦБК // Наука - северному региону. Сборник научных трудов, выпуск 62, Архангельск, 2005. - С. 40 -42.
   
4. 
   Косарева Е.Н., Пирович Е.И., Станкова Н.В., Скрипниченко Н.А., Богданович Н.И. Биотестирование сточной воды промышленных предприятий // Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов. Сборник научных трудов IX вып., Архангельск, 2004. – С. 127-131.
   
5. 
   Косарева Е.Н., Богданович Н.И. Биотестирование сточных вод, обработанных активным илом с биопродуктом NALKO 7652 // Наука – северному региону. Сборник научных трудов, выпуск 62, Архангельск, 2005. – С. 106 -109.
   
6. 
   Богданович Н.И., Косарева Е.Н., Кузнецова Л.Н., Третьяков С.И. Биосорбционная очистка сточных вод ЦБП (тезисы) // Современные техника и технологии очистки сточных вод и водоподготовки в целлюлозно-бумажной промышленности. Тезисы докл. международного научно-практического семинара. Санкт-Петербург, СПб НТО Бумдревпром, 2007. – С. 204-208.
   
7. 
   Косарева Е.Н., Богданович Н.И., Кузнецова Л.Н., Третьяков С.И. Биологическая очистка сточных вод ЦБП с использованием специально адаптированных микроорганизмов (тезисы) // Современные техника и технологии очистки сточных вод и водоподготовки в целлюлозно-бумажной промышленности. Тезисы докл. международного научно-практического семинара. Санкт-Петербург, СПб НТО Бумдревпром, 2007. – С. 228-232.
   
8. 
   Косарева Е.Н., Богданович Н.И. Экотоксикологический контроль сточных вод посредством методов биотестирования на предприятиях ЦБП // Известия высших учебных заведений «Лесной журнал» № 1, 2007. – С.100-110.
   

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах с заверенными гербовой печатью подписями просим направлять по адресу: 163002 г.Архангельск, набер. Северной Двины, 17, АГТУ, диссертационный совет Д.212.008.02.