авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 6 |

«АКАДЕМИЯ НАУК МОЛДОВ Ы ИНСТИТУТ ЗООЛОГИИ На правах рукописи УДК: ...»

-- [ Страница 3 ] --

Табличную форму представления зависимости между переменными величинами применяли: при калибровке приборов – для учета влияния температуры на результат измерения (Таблица 2.2.1), при использовании статистических коэффициентов (Таблицы 2.3.1 - 2.3.2), при построении градуировочных характеристик (Приложение 6).

Графическую форму представления функциональной зависимости использовали:

для оформления градуировочных характеристик средств измерений в фотометрических методах исследования (Рисунок П 6.2), при изучении корреляции технологических пара метров биокомплекса и состояния биоценоза активного ила (Рисунок 4.1).

= + Определение коэффициентов линейной функции при изучении градуировочных характеристик осуществляли по методу наименьших квадратов [54, с.

313]. Метод основан на допущении, что ошибки в приготовлении стандартных растворов (погрешности значений хi) несущественны по сравнению с погрешностями показаний прибора (yi). В таком случае сумма квадратов отклонений экспериментальных точек от прямой линии, проведенной наилучшим образом, должна быть минимальна: = min.

Минимум отклонений определяется по правилам дифференцирования. Для расчета градуировочных характеристик линейного типа использованы формулы 2.26 – 2.31 в соответствии с Рекомендациями [131, с. 5 - 14]:

n n n n n n n n Yi ) (y x y x x y n xi y i xi y i i i i i ii s r2 i (2.26) (2.27) (2.28) i1 i 1 i1 i 1 i 1 i 1 i a b n n n n n 2 2 2 nx ( xi ) n x ( xi ) i i i 1 i i1 i n x i n (2.30) s L s r 1 n( x i x ) (2.29) sb s r (2.31) s a s r 2 i n n n n n 2 2 n x ( xi ) n x ( x i ) (x x) i i i i 1 i i 1 i 1 i Статистическую оценку линейных градуировочных характеристик выполняли по стандарту SR ISO 8466-1:1990 «Calitatea apei. Etalonarea i evaluarea metodelor de analiz i estimarea caracteristicelor de performan. Partea 1: Evaluarea statistic a funciei liniare de etalonare» [37] и руководству «Preparation of Calibration Curves. A Guide to Best Practice» [2], оценку нелинейных градуировочных характеристик второго порядка – по стандарту ISO 8466-2:2001 [77].

Для аппроксимации экспериментальных данных и их представления в графической форме использовали офисное приложение MS Excel (Рисунок П 6.1). Был применен следующий алгоритм построения регрессионной модели по методу наименьших квадратов в соответствии c [131]:

введение табличных данных (xi, yi);

построение точечной диаграммы (график);

анализ расположения точек на координатной плоскости - выбор функциональной зависимости;

добавление линии тренда с наилучшим уровнем аппроксимации (при полном совпадении аппроксимирующей функции с экспериментальными данными коэф фициент детерминированности R2 = 1);

установление статистических параметров выбранной функциональной зависимости в виде уравнения линии тренда (поместить на график наряду с коэффициентом R2);

проверка сходимости рассчитанных параметров уравнения линии регрессии (Рисунок П 6.1.) и полученных с помощью MS Excel (Рисунок П 6.2.);

добавление на график аппроксимирующей линии регрессии рассчитанных довери тельных границ погрешности экспериментальных данных (Рисунок П 6.2.).

При обработке результатов внутрилабораторного контроля качества рассчитывали следующие статистические параметры:

среднее арифметическое значение:

= = (2.32);

дисперсию результатов параллельных определений относительно среднего значения:

( = ) (2.33);

точечную оценку случайной погрешности результата – стандартное отклонение:

( = = ) (2.34);

статистики Граббса и для тестирования на выбросы наибольшего и :

наименьшего значений =( )/ (2.35);

=( )/ (2.36).

Правильность результатов определения гидрохимических параметров оценивали в процессе реализации контрольной процедуры с применением стандартных образцов (простой тест Стьюдента) или альтернативных методов испытаний (модифицированный тест Стьюдента) в соответствии с руководством «Метрологические основы аналитической химии» [149, с. 15 – 18] и рекомендациями РМГ 76-2004 «Внутренний контроль качества результатов количественного химического анализа» [137, с. 13, 19].

Простой тест Стьюдента (2.37) применяли в качестве интервальной оценки при сравнении нескольких параллельных испытаний стандартного образца c его аттесто ванным значением:

| |, (2.37) (,) где:

- среднее значение результатов параллельных испытаний, мг/л;

a - содержание исследуемого ингредиента в контрольном образце, мг/л;

n - количество параллельных испытаний;

s - точечная оценка случайной погрешности результата испытания, мг/л;

t - коэффициент Стьюдента для доверительной вероятности Р = 0.95 (Таблица 2.3.1);

f - число степеней свободы для данной выборки случайных величин: f = n – 1.

Таблица 2.3.1. Значения коэффициента Стьюдента для доверительной вероятности Р = 0. f 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 14 16 t 12,706 4,303 3,182 2,776 2,571 2,447 2,365 2,306 2,262 2,228 2,179 2,145 2,120 2, При выполнении условий теста (Формула 2.37), различие между сравниваемыми величинами признавали незначимым, а правильность выполнения испытаний приемлемой.

Статистическая задача при оценке правильности с использованием альтерна тивного метода испытания состоит в выяснении значимости различий между двумя средними значениями и, полученными при исследовании аналита разными методами.

= С этой целью по формуле 2.33 рассчитывали дисперсии для каждой выборки данных и проверяли их однородность тестом Фишера. Тестовой статистикой в данном случае является отношение большей дисперсии к меньшей, а критическим значением – коэффициент Фишера F(P, f1, f2), зависящий от трех параметров: выбранного уровня доверительной вероятности Р и числа степеней свободы f1 и f2 каждой выборки соответственно. Для большинства химико-аналитических задач оптимальным уровнем доверительной вероятности является Р = 0.95, который гарантирует 95-ти процентам полученных результатов из 100 попадание в рассчитанный интервал погрешности. Для рассчета теста Фишера применяли следующие формулы [149, с. 19 – 21]:

( ( = ) = ) (2.38) (2.39) = = при (2.40) при (2.41) (2.42) (2.43) (,, ) (,, ) = 1 = (2.44) (2.45) Если отношение дисперсий (2.40, 2.41) меньше соответствующего критического значения Фишера (2.42, 2.43), то различия между дисперсиями незначимы, и дисперсии считаются однородными. Если однородность дисперсий не доказана, дальнейшая проверка правильности данным методом не имеет смысла. Если однородность дисперсий доказана, правильность результатов и, полученных альтернативными методами, проверяли модифицированным тестом Стьюдента:

| | (2.46) (2.47) = (,) = 1, = 1 = + = + (2.48) (2.49) Значение определяли по Таблице 2.3.2 для выбранной доверительной (,) вероятности Р = 0.95 и степени свободы f, рассчитанной по формуле (2.49). При выполнении условий модифицированного теста Стьюдента (2.46) различие между средними значениями и, полученными альтернативными методами, признавали незначимым, а правильность результата – приемлемой.

Таблица 2.3.2. Значения коэффициента Фишера для доверительной вероятности Р = 0. fmax* 1 2 3 4 5 fmin 1 164.4 199.5 215.7 224.6 230.2 234. 2 18.5 19.2 19.2 19.3 19.3 19. 3 10.1 9.6 9.3 9.1 9.0 8. 4 7.7 6.9 6.6 6.4 6.3 6. 5 6.6 5.8 5.4 5.2 5.1 5. 6 6.0 5.1 4.8 4.5 4.4 4. *fmax – число степеней свободы в выборке с большей дисперсией, fmin – в выборке с меньшей дисперсией Для статистической проверки соответствия выборки данных гидрохимических параметров использовали 90-процентильное значение за исключением растворенного кислорода, для которого использовали 10-процентильное значение в соответствии с методическими указаниями «Regulamentul privind protecia apelor de suprafa» [23, р. 21].

Если p-процентиль – значение (С), которое заданная случайная величина Y не превышает с фиксированной вероятностью p, то Y(p)-процентильное значение параметра означает, что p процентов значений в этой выборке меньше или равны С. Ранг (R) p процентиля в ранжированном списке значений параметра от наименьшего к наибольшему и Y(p)-процентильное значение для выборки данных расчитывали по формулам:

( 1) = = 1+ + (2.50) ( )= + ( ) для 0 k N (2.51) ( )= для k = 0, ( )= для k = N,, где:

p - целое значение от 0 до 100 (процент величины процентиля);

N - общее количество исследований данного параметра;

k - целая часть числа R;

d - дробная (после запятой) часть числа R.

Пилотный проект экспертной системы (ЭС) «Оценка состояния активного ила»

создан на платформе программы MS Access. Для разработки ЭС была выбрана схема, которая включает следующие этапы: идентификация требований, концептуализация понятий, формализация знаний, выполнение правил, опытная эксплуатация и тести рование (Рисунок 2.4). Экспертная система представляет собой компьютерную программу, основанную на знаниях и накопленном опыте людей, являющихся экспертами в той или иной области. В качестве специалиста-эксперта, автором были выполнены первые три этапа, а также разработаны «правила» для этапа «выполнение» и тестовые образцы для этапа «тестирование». Для создания информационной модели ЭС был использован атрибутивный метод, при котором полученная от эксперта информация располагается по схеме: объект (исследуемый биоценоз активного ила) атрибут (признак, характери зующий данный биоценоз) значение атрибута (логическое или числовое значение признака) [85, с. 136 – 141].

Рис. 2.4. Основные этапы разработки экспертной системы 2.4 Выводы по 2 главе 1. Для осуществления задач диссертационного исследования были использованы результаты изучения биоценоза активного ила Станции биологической очистки сточных вод муниципия Кишинэу, а также результаты технологического контроля работы сооружений по гидрохимическим и технологическим параметрам, выпол ненные автором в составе коллектива LAU в течение 2000 – 2011 гг.

2. Изучение гидробиологических характеристик активного ила проводилось по стандартным методикам, рекомендованным для гидробиологического контроля на сооружениях биологической очистки с аэротенками. Для оценки состояния биоценоза активного ила автором были протестированы гидробиологические индексы – индекс сапробности Pantle R. & Buck H., индекс доминирования Palii & Kownacki, последний из которых не использовался ранее в применении к активному илу очистных сооружений.

3. Исследование физико-химических параметров среды обитания активного ила осуществлялось по унифицированным методам исследования сточных вод, унифи цированным методам исследования качества вод, в том числе стандартам серии SM SR ISO, SM SR EN ISO.

4. Оценку пригодности (валидацию) применяемых методов исследования и оценку неопределенности результатов выполняли по разработанным для LAU процедурам PSM-02/05-2007 [20] и PSM-02/06-2007 [21] в соответствии с международными стандартами и рекомендациями.

5. Для обработки и представления результатов технологических, гидробиологических и гидрохимических исследований были использованы математические, статисти ческие и графические методы с применением офисного приложения MS Excel.

6. Статистическую проверку достоверности результатов физико-химических методов исследования обеспечивали тестированием параллельных результатов простым или модифицированным тестом Стьюдента – в зависимости от использованного вида контрольной процедуры в соответствии с РМГ 76-2004 [137].

7. Для статистической проверки соответствия результатов гидрохимических анализов апробирована методика оценки выборки с использованием p-процентилей в соответствии с «Regulamentul privind protecia apelor de suprafa» [23].

8. Пилотный проект экспертной системы разработан в формате MS Access, для создания информационной модели предметной области использован атрибутивный метод.

3. СООРУЖЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД МУНИЦИПИЯ КИШИНЭУ Кишиневские очистные сооружения строились и вводились в эксплуатацию поэтапно (I, II и III очереди) в течение 1968 – 1984 гг. В соответствии с классической технологией очистки городских сточных вод, получившей широкое распространение во второй половине прошлого столетия, объект представлял собой Станцию биологической очистки (Staia de epurare biologic, SEB), мощность которой после введения в эксплуа тацию третьей очереди составила 440 тыс. м3/сутки по объему обрабатываемых сточных вод и 210 тыс. м3/сутки по сырому осадку. По трем коллекторам – Правобережному, Левобережному и коллектору Сынжера-Ревака-Кишинев – бытовые и производственные сточные воды, а также ливневый сток самотеком поступают в приемную камеру Станции.

Инженерный комплекс полной биологической очистки сточных вод, реализованный в данном проекте, состоит из следующих сооружений (Рисунок 3.1):

механическая очистка: решетки, песколовки, первичные радиальные отстойники;

биологическая очистка: аэротенки, вторичные радиальные отстойники;

комплекс обработки осадка: иловые площадки, песковые площадки (в 2010 году утилизация сырого осадка методом естественного высушивания на иловых площадках заменена на технологию с использованием контейнеров «GeoTube»);

сооружения дезинфекции сточных вод: контактный резервуар, хлораторная (не эксплуа тируется с 90-х годов прошлого столетия).

Рис. 3.1. Схема очистных сооружений муниципия Кишинэу В состав комплекса входят также сооружения технического обеспечения производственного процесса: главная насосная станция (ГНС), воздуходувные насосные станции (ВНС-1 и ВНС-2), станции перекачки сырого осадка, дренажная насосная станция, эрлифтные установки для перекачки активного ила и откачки песка из песколовок. Для обработки сырого осадка проектом предусмотрены 2 метантенка, которые были по строены с нарушением технологических требований. Данные сооружения не получили допуска к эксплуатации и были законсервированы.

Введение в эксплуатацию очистных сооружений позволило обеспечить в полном объеме отвод и очистку городских стоков, но неудачное расположение станции в черте города и отсутствие цеха обработки осадка создает экологические и санитарные проблемы населению муниципия и окружающей среде, которые обостряются по мере физического старения сооружений.

3.1 Технологический регламент работы сооружений Обслуживание SEB осуществляется рабочим и инженерно-техническим персо налом в соответствии с технологическим регламентом, разработанным на основании многолетнего опыта эксплуатации аналогичных очистных сооружений. Качество очистки и эффективность работы сооружений контролирует инженер-технолог на основании данных лабораторного анализа.

Сточные воды поступают в приемную камеру ГНС, где происходит гашение скоростей. Приемная камера совмещена с насосной станцией, оборудованной вертикаль ными насосами, которые поднимают поступающие сточные воды на площадку очистных сооружений (Рисунок 3.2). Приемный резервуар ГНС оборудован решетками с механиче скими граблями для задержания и удаления из сточных вод крупного мусора. После решеток очищаемая жидкость по ступает в распределительный канал 4-х секционной горизон тальной песколовки. При прохождении очищаемого стока через песколовку происходит осаждение минеральных за грязнений (в основном, песок фракции 0,25 мм и выше).

Классическая эффективность задержания песка песколов ками – 80%. Эффективность работы песколовки SEB варьирует от 92 до 98 %. Время прохождения стоков через песколовку составляет 2 – 3 минуты (в зависимости от Рис. 3.2. Машинный зал ГНС объема притока). Рабочая скорость потока – 0,25 м/сек.

Задержанный песколовкой осадок сгребается в приямок, откуда откачивается гидроэлевато рами на песковые площадки в виде пульпы 95%-ной влажности. Дренажная вода с песко вых площадок поступает на механическую очистку (Рисунок 3.3).

После песколовок очищаемая сточная Рис. 3.3. Песколовка 4-х секционная, горизонтальная жидкость самотеком поступает в распре делительные камеры первичных отстойников, которые предназначены для осаждения нерастворимых загрязнений, находящихся во взвешенном состоянии. Время отстаивания зависит от притока сточных вод и в среднем составляет 1,5 – 2,0 часа. Эффективность работы первичных отстойников SEB составляет 50 – 65 %. Загрязнения, осевшие на дно отстойника, представляют собой высококонцентрированную по органическим и неорга ническим веществам густую массу черного цвета с резким запахом – сырой осадок.

Влажность сырого осадка составляет 94 – 96 %. Проектная технология предусматривала откачку сырого осадка из первичных отстойников на иловые площадки, где он высыхал в естественных условиях. В настоящее время сырой осадок обрабатывают коагулянтом и закачивают в контейнеры «GeoTube» (Рисунок 1.2), где происходит его обезвоживание и уплотнение. Выделяющаяся из контейнеров жидкость по системе дренажа возвращается в «голову» сооружения.

Очищенная от оседающих веществ сточная жидкость поступает в аэротенки, где осуществляется следующий этап очистки – биохимическое окисление загрязнений, оставшихся в обрабатываемом стоке в растворенном и коллоидном состоянии. После введения в эксплуатацию третьей очереди сооружений комплекс биологической очистки SEB включал десять типовых четырехкоридорных аэротенков (Рисунки 3.1, 3.4): семь аэротенков-вытеснителей и три аэротенка-смесителя.

Рис. 3.4. Аэротенки SEB: действующий (слева) и в стадии реконструкции (справа) В аэротенках-вытеснителях (Рисунок 3.5, I) сточная вода и активный ил посту пают в сооружение сосредоточенно, что обеспечивает высокую концентрацию ила в начале аэротенка и постепенное снижение нагрузки на активный ил по ходу движения иловой смеси. Такой тип аэротенка позволяет обеспечить высокое качество очистки, но он чувствителен к резким колебаниям объема и состава стоков. В аэротенках-смесителях (Рисунок 3.5, II) подача сточной жидкости рассредоточена вдоль одной из длинных сторон аэротенка, что обеспечивает циклическое изменение нагрузки на активный ил по длине сооружения. Такой тип аэротенков используют при небольших колебаниях состава сточных вод и в тех случаях, когда в очищаемом стоке преобладают органические загрязнения. При значительных колебаниях состава и объема стоков рекомендуется использовать аэротенки-смесители с регенерацией активного ила [73, с 37].

Рис. 3.5. Классификация аэротенков по гидравлической схеме: I – аэротенк вытеснитель;

II – аэротенк-смеситель;

– вход сточной воды, 2 – вход актив ного ила, 3 – выход иловой смеси.

На очистных сооружениях муниципия Кишинэу эксплуатируется одноступенчатая схема биологической очистки с регенерацией (Рисунок 3.6). В такой схеме реализовано раздельное протекание этапов биохимического окисления. Сорбционное изъятие загрязнений и их внеклеточная переработка начинаются в аэротенке и продолжаются во время оседания активного ила во вторичном отстойнике.

Внутриклеточное окисление и полная минерализация протекают в регенераторе1, роль которого в данном случае выполняет первый коридор аэротенка.

Рис. 3.6. Схема полной биологической очистки с регенерацией: 1 – сточная вода;

2 – активный ил;

3 – вторичный отстойник;

4 – очищенная вода;

5 – избыточный ил;

6 – циркуляционный (возвратный) ил;

7 – регенератор.

Кислород подается в аэротенки воздуходувными насосными станциями ВНС-1 и ВНС-2. Удельный расход воздуха и интенсивность аэрации зависят от нагрузки на аэротенк – характера поступающих загрязнений и качества активного ила. Продолжительность аэрации составляет 6 – 7 часов (в регенераторе + собственно в аэротенке). В настоящее время Регенератор – аэрационное сооружение, в котором активный ил аэрируется без сточной жидкости функционируют шесть аэротенков: 1-й – 4-й, 8-й и 9-й. Три аэротенка находятся на реконструкции после землетрясения 2002 года (Рисунок 3.4), один – в резерве.

Иловая смесь из аэротенков поступает на вторичные радиальные отстойники (Рисунок 3.7) с диаметром 40 метров (1-й – 6-й) и 50 метров (7-й и 8-й). Общий объем отстойных зон – 45 тыс. м3. Во вторичных отстойниках происходит отделение активного ила от очищенной сточной жидкости. Продолжительность отстаивания составляет 2,0 – 2,5 часа. Часть активного ила, осевшего во вторичных отстойниках (рециркуляционный активный ил), возвращается в первые коридоры аэротенков. До использования метода дегидратации в контейнерах «GeoTube» избыточная биомасса ила подвергалась аэробной стабилизации в течение 3 – 5 суток, после чего стабилизированный ил перекачивали на иловые площадки для высушивания в естественных условиях. Очищенная сточная жидкость из вторичных отстойников поступает на водослив-аэратор и затем – в реку Бык.

При прохождении через зубчатые края водослива и падения с высоты 1,5 м вода допол нительно насыщается кислородом воздуха.

Рис. 3.7. Вторичный отстойник, диаметр - 50 м 3.2 Условия сброса очищенных сточных вод При разработке нормативов предельно-допустимого сброса загрязняющих веществ, поступающих с очищенными сточными водами в реку Бык, были учтены: показатели гидрохимической характеристики водоисточника (река Днестр), физико-химический состав поступающих на очистку стоков, эффективность работы очистных сооружений, гидрохимическая характеристика водоприемника (река Бык), а также – санитарно гигиенические требования законодательства Республики Молдова, регламентирующего состояние природных водоемов. Действующие нормативы сброса (Limitele admisibile de deversare, LAD) представлены в Таблице 3.2.1.

Таблица 3.2.1. Действующие нормативы сброса загрязняющих веществ (LAD) в очищенных сточных водах муниципия Кишинэу [4] Ингредиент LAD, мг/л Ингредиент LAD, мг/л Взвешенные вещества (SS) 22,8 Железо (Fetotal) 0, Медь (Cu2+) ХПК (CCO-Cr) 30,0 0, Цинк (Zn2+) БПК5(CBO5) 28,4 0, Азот аммонийный (NH4+– N) Никель (Ni2+) 8,1 0, Нитриты (NО2- – N) Хром3+ (Cr3+) 0,08 0, Нитраты (NО3- – N) Хром6+ (Cr6+) 9,1 0, Фосфаты (PO43-) 2,0 Эфирорастворимые жиры 1, Хлориды (Cl-) 300,0 Фенолы 0, Сульфаты (SO42-) 150,0 Детергенты 0, Минерализация 1000,0 Нефтепродукты 0, При оценке качества работы очистных сооружений нормативы предельно допустимого сброса являются контрольным критерием наряду с традиционным расчетом эффективности очистки :

Свход - Свыход Эффективность, % = ·100 (3.1) Свход где Свход - концентрация загрязняющего вещества в поступившем стоке, мг/л;

Свыход - концентрация загрязняющего вещества в очищенном стоке, мг/л.

Эффективность удаления загрязнений для различных ингредиентов сточных вод имеет свои особенности. Даже хорошо работающие очистные сооружения обеспечивают лишь определенную степень удаления как оседающих, так и биологически разлагаемых загрязнений. Эффективность очистки основных показателей городских сточных вод согласно действующим в Республике Молдова «Типовым правилам о приеме сточных вод в систему канализации» [157, с. 4] в сравнении с нормами Российской Федерации [112, р.

16] и Европейского Союза [9, р. 11;

12, р. 9] представлены в Приложении 4. Таблица П.4. наглядно демонстрирует различный подход в нормировании эффективности биоло гической очистки в национальном и европейском документах как по количеству рег ламентируемых параметров, так и по их численным значениям. С целью приведения национальных нормативов в соответствие с требованиями европейской Директивы 91/271/ЕЕС об очистке городских сточных вод, Правительством РМ в 2008 году утверждено «Положение об условиях сброса городских сточных вод в естественные водоемы»2 [12, с. 8 – 11]. Международные эксперты, курирующие внедрение «Протокола по проблемам воды и здоровья» в Республике Молдова, считают принятие «Положения»

важным шагом для перехода к новым, более реалистичным, а главное – экономически «Regulamentul privind condiiile de evacuare a apelor uzate urbane n receptori naturali» (HG nr. 1141) более достижимым показателям качества очистки сточных вод [166, с. 55]. Эффектив ность работы очистных сооружений на постсоветском пространстве и сегодня регламен тируется нормативами качества очищенных сточных вод, а не степенью изъятия загрязнений. Независимо от того, какой концентрации стоки поступают на обработку, оператор (физическое или юридическое лицо, которое эксплуатирует установку по очистке сточных вод) обязан очистить их до нормативов ПДС. «Regulamentul» [12] уже содержит такой параметр как минимальный процент изъятия загрязнений по показателям БПК, ХПК, взвешенные вещества и биогенные элементы. Такой подход соответствует Директиве 91/271/ЕЕС, но для его практического применения, по мнению экспертов, Молдове необходимо разработать недостающую нормативную базу и более эффективную систему отчетности и контроля над качеством очищаемых стоков.

Выполнение условий нормативного сброса не может быть обеспечено, если в стоках содержатся вещества, не удаляемые методами стандартной биологической очистки [112, с. 19 – 22]. В Приложении 5 представлен перечень некоторых веществ, не поддаю щихся биоразложению (Таблица П 5.1). Удаление таких загрязнений в процессе био логической очистки не может быть гарантировано вследствие их токсического или бактерицидного действия на гидробионтов активного ила, а также в тех случаях, когда вещество бесперспективно в качестве питательного субстрата (пример – хлориды, кото рые проходят через очистные сооружения транзитом, не задерживаясь на механическом этапе и не участвуя в биохимических процессах). С другой стороны, содержание некоторых ингредиентов сточных вод может увеличиваться в процессе биологической очистки. Нитриты и нитраты образуются при биотрансформации аммонийного азота, поэтому их концентрации в очищенном стоке могут возрастать. Это создает серьезные проблемы для станций, работающих на полную очистку, и требует дополнительных мер по денитрификации. Соединения фосфора участвуют в процессах энергетического мета болизма бактерий и простейших, в результате чего накапливаются в клетках, формируя энергетический запас организма. В анаэробных условиях вторичных отстойников клетки расходуют этот запас, что приводит к выделению фосфатов в очищенный сток и создает необходимость применения специальных мер по дефосфотации. В зависимости от условий эксплуатации биокомплекса и состава обрабатываемых стоков концентрация сульфатов в очищенной сточной жидкости также может оказаться выше, чем в исходной.

Эффективность удаления основных загрязняющих веществ и анализ состояния реки Бык до и после выпуска очищенных сточных вод в разные периоды эксплуатации сооружений представлены в обсуждении результатов диссертационной работы.

3.3 Выводы по 3 главе 1. Кишиневская Станция биологической очистки (SEB), как и большинство очистных сооружений республики, введенных в эксплуатацию в 80 – 90 гг. прошлого столетия, является технически устаревшим сооружением. Несмотря на это, SEB продолжает выполнять важную социально-экологическую задачу: обеспечивать в полном объеме очистку бытовых (p.e. 750.000, [88, с. 144]) и производственных сточных вод муниципия Кишинэу.

2. Слабым звеном в технологическом процессе данных сооружений обоснованно считается отсутствие этапа обработки сырого осадка, что частично компенсируется внедренной в 2009 году технологией его дегидратации в контейнерах «GeoTube».

3. Нормативная очистка обрабатываемых сточных вод является приоритетной целью коллектива SEB, которую определяют действующее законодательство Республики Молдова и нормативные документы Министерства окружающей среды. Норматив ная очистка сточных вод муниципия Кишинэу в условиях SEB обеспечивается:

плановым и внеплановым (по требованию) контролем производственных стоков, сбрасываемых в городскую систему канализации, для предотвращения причинения ущерба сооружениям и рабочему агенту биохимической очистки – активному илу;

плановым и внеплановым (по требованию) контролем всех этапов технологи ческого процесса, анализом полученных результатов и оперативным принятием корректирующих действий.

1. Действующее «Положение об условиях сброса городских сточных вод в естествен ные водоемы», утвержденное Постановлением Правительства РМ № 1141 от 10.10.2008, предоставляет право устанавливать наряду с нормами качества стоков и нормы эффективности удаления основных загрязняющих компонентов городских сточных вод. Однако, в действующей нормативной документации отсутствуют четкие критерии: в каких случаях эффективность очистки для конкретных устано вок может оцениваться по величине сброса, а в каких – по проценту изъятия, и как должен осуществляться контроль над соблюдением этих критериев.

4. Современным экологическим решением проблемы очистки стоков муниципия Кишинэу является, на наш взгляд, строительство новых сооружений за пределами города. Повышение эффективности действующей Станции биологической очистки можно обеспечить внедрением дополнительных методов удаления азота и фосфора, применением ультрафиолетового обеззараживания очищенных сточных вод, разработкой компьютерных программ для оперативного расчета технологических параметров по результатам планового лабораторного контроля. Сочетание этих технологий на многих очистных сооружениях аналогичного типа позволяет возвращать в природные водоемы воду, которая соответствует как национальным санитарно-гигиеническим нормам, так и европейским стандартам.

4. ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ БИОЦЕНОЗА АКТИВНОГО ИЛА И СОЗДАНИЕ БАЗЫ ДАННЫХ ЭКСПЕРТНОЙ СИСТЕМЫ Очистка городских сточных вод является сложно управляемым технологическим процессом, что обусловлено следующими основными причинами:

неравномерностью поступления сточных вод как по объему, так и по концентрации основных загрязняющих веществ, многокомпонентным составом смешанного городского стока, одновременным протеканием физических, химических и биологических процессов, каждый из которых может существенно влиять на эффективность очистки.

Для оценки биологического этапа очистки и прогнозирования его эффективности особое значение имеет характеристика биоценоза активного ила, поскольку его видовой состав, физиологическое состояние гидробионтов и их количественные соотношения позволяют быстро сделать вывод об основных неблагоприятных факторах и нагрузке на активный ил, до того как будет готов (через 5 суток) результат БПК5 и получен точный технологический расчет этого параметра.

Статистическая обработка результатов планового лабораторного контроля техноло гического процесса дает возможность отслеживать даже незначительные изменения в состоянии биоценоза активного ила, закономерности развития и существования которого (несмотря на его искусственное культивирование) подчиняются основным экологическим законам.

Важную роль в практической реализации метода биологической очистки играет экологический принцип сохранения равновесия в стабильных экосистемах [83, с. 101].

Для данного биоценоза принцип проявляется в виде «инертности» активного ила: при ухудшении условий (нарушение кислородного режима, поступление токсичных стоков, увеличение нагрузки) деградация структуры биоценоза наступает не сразу, а в течение определенного периода времени, который определяется стабильностью биосистемы. Как показывает практический опыт эксплуатации SEB муниципия Кишинэу и аналогичных сооружений биологической очистки, период восстановления биоценоза активного ила всегда длиннее периода деградации.

Инертность биоценоза как экологической структуры не входит в противоречие со способностью индикаторных организмов активного ила быстро реагировать на изменение условий культивирования изменением физиологического состояния, что используется для оперативного контроля биохимического этапа очистки сточных вод. Активность гидро бионтов, состояние пищеварительных вакуолей и перистома, форма зооидов, формирова ние стадии «telotrox» у кругоресничных инфузорий, инцистирование, деформирование, гибель – все вариации физиологических состояний являются важными диагностическими признаками условий функционирования биосистемы.

Как экологические, так и физиологические параметры состояния активного ила позволяют (при оперативном реагировании обслуживающего персонала) предупреждать серьезные нарушения технологического процесса. Чтобы правильно оценивать и реально прогнозировать качество биологической очистки, для каждого конкретного сооружения необходимо изучить качественный и количественный состав всех таксономических групп биоценоза и индикаторную роль каждой группы [134, с. 6]. Для этой цели рекомендуется накапливать данные как при нормально протекающем процессе, так и при различных формах отклонения от нормы.

Современные компьютерные программы предоставляют широкие возможности для работы с базами данных. Обработка результатов многолетних исследований активного ила и сточной жидкости в рамках планового лабораторного контроля позволили увидеть необходимость создания базы данных для прикладной компьютерной программы, в которой «право принятия решения» о состоянии активного ила будет передано экспертной системе. Применение информационных технологий, по нашему мнению, позволит повысить как уровень объективности принимаемого решения, так и уровень оператив ности корректирующих действий.

Экспертная система (Knowledge-based System) представляет собой компьютерную программу, основанную на знаниях, накопленном опыте и достигнутом уровне профес сионализма людей, являющихся экспертами в той или иной области [76, с. 12]. В процессе моделирования мыслительной деятельности человека такая система, наряду с выпол нением вычислительных операций, формирует выводы по анализируемой задаче на основании тех знаний, которые заложены в нее специалистом-экспертом [170, с. 28].

Для изучения биоценоза активного ила и создания базы данных экспертной системы были использованы результаты гидрохимических исследований сточных вод муниципия Кишинэу, измерений и расчетов регулируемых параметров биокомплекса SEB и гидробиологических анализов активного ила, полученные автором в рамках планового лабораторного контроля технологического процесса. Различные уровни этого контроля позволяют решать конкретные аналитические задачи: для анализа суточных колебаний показателей сточных вод использованы почасовые разовые пробы, для оценки состояния активного ила и функционирования биокомплекса – ежедневные плановые пробы, для контроля поступающих на очистку загрязнений – среднедневные и среднесуточные пробы.

При обработке результатов исследований и формулировании выводов использованы различные виды выборки данных: для формирования таксономического списка гидро бионтов – данные многолетних наблюдений, для изучения сезонных изменений в био ценозе – годовая динамика температуры и видового состава активного ила, для оценки влияния лимитирующих абиотических факторов – выборочные данные периодов дестаби лизации биосистемы, для оценки текущей эффективности технологического процесса – данные декадного анализа, для перспективной оценки – выборка среднегодовых данных.

Обсуждение начато с гидрохимических показателей городских сточных вод, поскольку именно эти параметры определяют состав биоценоза активного ила и физиологическое состояние гидробионтов.

4.1. Гидрохимические показатели сточных вод муниципия Кишинэу Температура оказывает значительное влияние на гидравлический режим работы очистных сооружений. Эффективность работы отстойников повышается при увеличении температуры в связи с уменьшением вязкости воды (Табл. 4.1.1). По установленным данным [81, с. 141], степень задержания взвешенных веществ с повышением температуры возрастает на 5 – 10 %.

Таблица 4.1.1. Зависимость динамической вязкости воды от температуры [155] Температура воды, °С 35 30 25 20 15 10 5 Коэффициент вязкости, мПа·с 0,732 0,800 0,895 1,007 1,138 1,301 1,523 1, Эффективность биологической очистки также в значительной степени зависит от температуры. Повышение температуры влияет на скорость окисления углеродсодержащих загрязнений, на процессы нитрификации и денитрификации. Скорость денитрификации с повышением температуры возрастает. Для процесса нитрификации оптимальным является диапазон 20 – 25°С. При 9°С скорость нитрификации существенно снижается, а при 6С практически прекращается [156, с. 15]. Снижение скорости биохимических процессов при понижении температуры идет параллельно с увеличением растворимости кислорода в воде. Таким образом, производительность аэротенков зимой снижается незначительно, поскольку повышается производительность воздуходувок.

Для биоценозов водных микроорганизмов температура является важным фактором среды обитания. Она влияет на скорость потребления кислорода биопланктоном, на уровень метаболизма и проницаемость оболочек бактериальных клеток, что увеличивает токсическое действие поллютантов [53, с. 6]. Установлено, что дестабилизируют эко систему резкие перепады температуры. При плавном изменении этого фактора включаются механизмы физиологической адаптации гидробионтов [81, с. 138 - 143]. Тем пература городских сточных вод муниципия Кишинэу (при наличии горячего водо снабжения) в течение года колеблется в пределах 12 – 26°С. При централизованном водоотведении сточных вод в данном климатическом регионе не создаются условия для резких колебаний температуры поступающих на очистку стоков, поэтому изменения в структуре биоценоза происходят плавно (при отсутствии других лимитирующих факторов). Сезонная динамика обилия видов в биоценозе в зависимости от изменений температуры сточных вод представлена на Рисунке 4.1. В реальных условиях технологического процесса очень трудно оценить влияние одного фактора на состояние биоценоза, поэтому в основу модели были заложены результаты исследований разных лет, соответствовавшие оценке «хорошо адаптированный активный ил».

36 27. Количество видов Температура, °С R = 0. 32 24. 28 21. 24 18. 20 15. 16 12. 12 9. 8 6. 4 3. 0 0. I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Количество видов в биоценозе Температура сточной жидкости Рис. 4.1. Корреляция между количеством видов в биоценозе активного ила и температурой сточных вод муниципия Кишинэу (SEB, 2008 – 2011, n = 48) Графический анализ показывает, что изменения температуры сточных вод муниципия в пределах 16 – 25°С служат причиной естественной динамики численности видов в биоценозе: летний биоценоз всегда богаче зимнего. Именно этот диапазон тепрератур считается оптимальным для биологической очистки городских сточных вод [138, с. 84].

Влияние крайних точек температурного диапазона сточных вод было изучено в ситуации отсутствия горячего водоснабжения в зимнее время (9°С) и в условиях летнего вспухания активного ила (26°С). В обоих случаях состав биоценоза сокращался до 8 – видов с преобладанием мелких бесцветных жгутиконосцев как наиболее эвритермной группы данного сообщества. Отличие состояло в наличии огромной массы свободных бактериальных клеток в сточной жидкости при температуре 26 – 27°С, что нарушило материальный и энергетический баланс в пищевой цепи «бактерии – бактериофаги» и привело к вспуханию активного ила. Низкая температура стока (9°С) является лимити рующим фактором для всех гидробионтов активного ила, в т. ч. для бактерий.

В базу данных экспертной системы по показателю «температура», с нашей точки зрения, должно быть внесено:

16 – 23°С – оптимальная температура обрабатываемых сточных вод, к которой адаптирован биоценоз активного ила очистных сооружений муниципия Кишинэу;

10°С Т 26°С – как лимитирующий фактор внешней среды биоценоза активного ила, при котором нормативная очистка становится проблематичной;

40°С – как верхний предел температуры обрабатываемых стоков в соответствии с «Типовыми правилами о приеме сточных вод в систему канализации» [157].

Концентрация водородных ионов (рН) является нормируемым показателем хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод. Снижение рН может быть вызвано гидролизом соединений металлов, поступающих на очистные сооружения с производ ственным стоком. Поэтому важно, чтобы нейтрализация производственных сточных вод осуществлялась на локальных очистных сооружениях до их сброса в городскую систему канализации. Изменение реакции среды влияет на повышение токсичности некоторых химических веществ [53, с. 11]. Например, аммиак (содержание которого в сточных водах может составлять десятки мг/л) намного токсичнее в щелочной среде, чем в кислой, так как свободный аммиак более токсичен, чем его ионизированная форма.

Согласно действующему законодательству Республики Молдова предельно допустимая норма рН для всех категорий сточных вод, принимаемых в систему канализации в целях защиты сетей и сооружений, составляет 6,5 – 8,5 [157]. Эти же пределы являются допустимым уровнем водородного показателя как фактора среды обитания микроорганизмов активного ила. Более низкое значение рН сточных вод приводит к дефлокуляции и плохой осаждаемости ила во вторичных отстойниках, вызывает снижение метаболизма у бактерий [135, с. 289]. При рН ниже 5,0 бактерии антагонистически вытесняются грибами. Увеличение рН повышает интенсивность метаболизма, но сильно щелочная среда (рН более 8,5) также является лимитирующим фактором биосистемы, в которой функционирует активный ил.

Водородный показатель (рН) поступающих сточных вод муниципия Кишинэу варьирует незначительно: от 7,6 до 7,8. В процессе биохимической очистки происходит повышение показателя до 8,0 – 8,2. Таким образом, концентрация водородных ионов обрабатываемой сточной жидкости до обработки и после нее не выходит за рамки физиологической нормы гидробионтов активного ила. Данная ситуация является типичной для крупных сооружений биологической очистки мощностью более 100 тыс.

м3/сут. На сооружениях с небольшим пропуском сточных вод залповые сбросы кислых или щелочных стоков могут привести к нарушению технологического процесса и гибели гидробионтов с узкими границами адаптационных возможностей по отношению к этому фактору среды обитания. Измерение концентрации водородных ионов поступающих и очищенных сточных вод является обязательным параметром всех уровней лабораторного контроля.

В базу данных экспертной системы по водородному показателю (рН), с нашей точки зрения, должно быть внесено:

7.6 – 8.2 (ед. рН) – концентрация водородных ионов в обрабатываемом стоке, гарантирующая адаптацию активного ила SEB в пределах нормативной очистки;

6.5 – 8.5 (ед. рН) – допустимые границы параметра «водородный показатель, рН» в соответствии с «Типовыми правилами о приеме сточных вод в систему канализации» [157];

6.5 рН 8.5 (ед. рН) – как лимитирующий фактор внешней среды биоценоза активного ила в условиях биохимической очистки сточных вод.

Химическая потребность в кислороде (ХПК, бихроматная окисляемость) – это обобщенный показатель загрязненности сточных вод органическими и некоторыми неорганическими веществами, способными окисляться бихроматом калия в сернокислой среде при кипячении в течение двух часов. ХПК является важнейшим показателем всех международных мониторингов природных водоемов и использованных вод. Аббревиатура ХПК в национальных стандартах – CCO (consumul chimic de oxigen), в международной терминологии – COD (chemical oxygen demand).

Органические вещества сточных вод разнообразны по своей природе и химическим свойствам, а также по устойчивости к действию окислителей. В процессе кипячения с концентрированной серной кислотой бихроматом калия окисляется до 95% органических загрязнений сточных вод [164, с. 697]. Не окисляются данным методом некоторые летучие соединения (удаляются при кипячении), часть трудноокисляемых органических веществ (пиридин, пиррол, пирролидин, никотиновая кислота и др.), а также малорастворимые углеводороды (бензол и его гомологи, парафин, нафталин и др.) [114, с. 47].

Химическая потребность в кислороде поступающих на очистку городских стоков колеблется в широких пределах: от 200 до 1500 мг/л [180, с. 177]. В среднедневных пробах, поступающих на SEB, эти вариации составляют от 450 до 900 мг/л. В течение суток колебания ХПК в разовых пробах могут составлять от 400 до 2000 мг/л (Рисунок 4.2).

загрязнений, мг/л Концентрация 17:00 19:00 21:00 23:00 1:00 3:00 5:00 7:00 9:00 11:00 13:00 15: SS 97 610 775 780 944 696 110 1429 321 460 340 CCO 792 990 1109 1386 2138 1426 475 1980 525 606 515 CBO5 381 557 680 1064 1486 1134 108 1088 115 168 157 Рис. 4.2. Суточные колебания загрязнений сточных вод муниципия Кишинэу по взвешенным веществам, ХПК и БПК5 (SEB, 2010, n = 36) Эффективность снижения химической потребности в кислороде сточных вод на этапе механической очистки зависит как от исходной концентрации загрязнений, так и от состава смешанного стока, т. е. от соотношения бытовых и производственных вод. Для SEB этот показатель колеблется в пределах 30 – 50 % (Рисунок 4.3).

900 60. R = 0. Эффективность очистки, % 810 54. 720 48. ХПК, мг/л О 630 42. 540 36. 450 30. 360 24. 270 18. 180 12. 90 6. 0 0. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ХПК, вход на ОС 702 535 596 586 753 630 763 636 859 ХПК, выход с МО 347 266 318 369 328 409 333 414 466 Эффек. МО, % 50.6 50.3 46.6 37.0 56.4 35.1 56.4 34.9 45.8 37. Рис. 4.3. Эффективность снижения ХПК на этапе механической обработки сточных вод муниципия Кишинэу (SEB, 2008, n = 20) Эффективность снижения ХПК в процессе биохимической очистки определяется условиями эксплуатации биореактора (содержание растворенного кислорода, нагрузка на активный ил, степень его регенерации) и составом обрабатываемых сточных вод. Как было отмечено в литературном обзоре, снижение концентрации загрязнений на этом этапе происходит за счет процессов хемо- и биосорбции, биодеструкции сложных органических соединений, биоокисления и химического окисления веществ кислородом воздуха, подаваемым в сооружение. Таким образом, уровень снижения ХПК сточных вод на этапе биохимической очистки достаточно объективно характеризует как эффективность техно логического режима биокомплекса, так и уровень адаптации активного ила. Для SEB в условиях хорошо адаптированного к составу сточных вод активного ила данный параметр составляет в среднем 75 % (Рисунок 4.4).

500 90. R = 0. Эффективность очистки, % 450 83. 400 76. ХПК, мг/л О 350 69. 300 62. 250 55. 200 48. 150 41. 100 34. 50 27. 0 20. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ХПК, вход на БО 347 266 318 466 328 409 333 414 369 ХПК, выход с ОС 75 52 71 121 84 117 86 98 108 Эффективность БО, % 78.4 80.5 77.7 74.0 74.4 71.4 74.2 76.3 70.7 71. Рис. 4.4. Эффективность снижения ХПК на этапе биологической очистки сточных вод муниципия Кишинэу (SEB, 2008, n = 20) Общепринятая норма снижения загрязнений по ХПК для типовых сооружений на полную биохимическую очистку составляла 65 – 80 % [114, 81, 180]. По действующему с 2008 года «Положению» [12], гармонизированному с требованиями Европейской Дирек тивы 91/271/СЕЕ [9], уровень снижения ХПК очищенных вод, сбрасываемых в природный водоем, не должен быть меньше 75 % от исходного значения в поступившем стоке. Если учесть, что 75 % обеспечивает биохимический этап очистки (при стабильном состоянии биосистемы), полный цикл тем более будет гарантировать выполнение данного норматива.

В базу данных экспертной системы по показателю «химическая потребность в кислороде», с нашей точки зрения, должно быть внесено:

75 % - как минимально допустимый уровень снижения химической потребности в кислороде очищенных сточных вод (по отношению к исходному значению в поступившем стоке), сбрасываемых в природный водоем (HG RM nr. 1141);

125 мг/л О2 – как допустимая норма химической потребности в кислороде в разовых пробах сбрасываемого стока (HG RM nr. 1141);

40 – 50 % снижения ХПК на этапе механической обработки стока – технологи ческая норма данных сооружений;

70 – 80 % снижения ХПК сточных вод в процессе биологической очистки – как показатель адаптированного биоценоза активного ила;

30 мг/л О2 – как предельно допустимая норма химической потребности в кислороде в контрольных пробах сточной жидкости на выходе SEB (LAD, Таблица 3.2.1);

оценка эффективности очистки по показателю ХПК для любого уровня лаборатор ного контроля (ежедневный, декадный, среднемесячный) с заложенной формулой расчета и таблично-графической моделью оформления результата исследования (Рисунки 4.3 – 4.4).

Биохимическая потребность в кислороде (БПК) – это оценка биологической окисляемости загрязнений природных и использованных вод. Методы определения БПК моделируют природный процесс самоочищения водоемов, при котором микроорганизмы используют загрязняющие вещества в качестве субстрата для конструктивного и энергетического метаболизма. Таким образом, БПК является оценкой содержания только тех органических веществ, которые могут быть подвергнуты биохимической деградации.

Присутствие в пробе биологически не разлагаемых веществ не влияет на величину БПК (за исключением действия специфических токсикантов) [62, с. 253]. Этим БПК отличается от ХПК, которое является количественной характеристикой практически всех органических и некоторых неорганических соединений, присутствующих в пробе. В международной терминологии аббревиатура БПК – BOD (biochemical oxygen demand), в национальных стандартах – CВO (consumul biochimic de oxigen).

При определении БПК большое значение имеет время инкубации. Практическое значение для оценки процесса биологической очистки имеют БПК5 (5 дней инкубации) и БПКполн, под которым понимают количество кислорода, необходимое микроорганизмам для полного окисления органических загрязнений, присутствующих в пробе. Рабочим вариантом БПКполн является БПК20 поскольку установлено, что к 20-му дню инкубации окисление углеродсодержащих органических веществ завершается на 95 – 99 % [78, с. 76].

Показатель БПКполн имеет большое практическое значение при проектировании очистных сооружений и планировании производительности аэрационных систем. Его используют в различных мониторинговых программах при оценке состояния природных водоемов и влияния на них очищенных сточных вод.


Биохимическое окисление веществ происходит с различной скоростью. Наиболее легкоокисляющимся (биологически «мягкими») считаются фенол, формальдегид, низшие алифатические спирты, фурфурол и др. Среднее положение занимают крезолы, нафтолы, ксиленолы, резорцин, пирокатехин, анионактивные СПАВ и др. Медленно разрушаются биологически «жесткие» вещества, такие как гидрохинон, сульфонол, неионогенные ПАВ [150, с. 33]. Соотношение между ХПК и БПКполн позволяет оценить содержание в пробе веществ, трудноокисляемых в условиях биологической очистки – ингредиентов промыш ленных сточных вод. В бытовых стоках, содержащих легкоокисляемые органические ингредиенты, отношение ХПК/БПКполн составляет 0,5 – 1,5. В смешанных стоках это соотношение колеблется в пределах 1,5 – 3,5 в зависимости от объема и состава промышленных сточных вод [81, с. 158]. После механического этапа очистки отношение ХПК/БПКполн снижается, поскольку из стока удаляется трудноокисляемая нерастворимая фракция. Рекомендуется, чтобы в поступающей на биологическую очистку сточной жидкости индекс ХПК/БПКполн не превышал 1,5 (или ХПК/БПК5 2,5) [112, с. 27].

Рассчитан коэффициент корреляции между численностью видов в биоценозе активного ила SEB и значением индекса ХПК/БПК20 сточных вод муниципия Кишинэу:

R = -0,993 (корреляция сильная, отрицательная). Таким образом, было констатировано:

увеличение концентрации трудноокисляемых загрязнений в сточных водах муниципия (ХПК/БПК20 1,5) вызывает снижение численности видов в биоценозе активного ила (Рисунок 4.5). Принимая во внимание тот факт, что индекс может быть вычислен только на 20-й день после отбора пробы, рекомендовать данный параметр для оперативного контроля технологического процесса нет смысла. Но он может быть использован для прогнозирования влияния очищенных сточных вод на состояние биоценоза водоема реципиента.

Количество видов 28 R = 0. 1.15 1.25 1.35 1.45 1.55 1.65 1.75 1.85 1.95 2.05 2. Индекс ХПК / БПК Рис. 4.5. Корреляция численности видового состава активного ила и индекса ХПК/БПК сточных вод муниципия Кишинэу (SEB, 2008 – 2010, n = 30) Показатель БПК5 является более оперативной оценкой биологически окисляемых загрязнений сточных вод, чем БПК20, поскольку результат получают на 5-й день после отбора пробы. Данный показатель предоставляет очень ценную информацию об эффективности окислительных процессов, протекающих непосредственно в биосистеме.

Это обусловлено тем, что в первые пять дней инкубации происходит минерализация наиболее легкоокисляемых органических веществ, что соответствует процессам, проте кающим во время нахождения сточной жидкости в рабочей зоне аэротенка. Значение БПК5 используют для расчетов различных технологических параметров аэрационной системы сооружений: расхода воздуха на 1 кг снятого БПК5, расхода электроэнергии на кг снятого БПК5, нагрузки на 1 м3 аэротенка, нагрузки на 1 г активного ила по сухому веществу и др. Показатель нормируется как для использованных вод, поступающих в систему канализации, так и для очищенных сточных вод, сбрасываемых в водоем.

Соотношение показателей БПК5 и ХПК также применяют для оценки способности загрязненных вод к самоочищению. Если индекс БПК5/ХПК (capacitatea de autoepurare, CA) 0.6, водоем способен полностью или частично вернуться к исходно чистому состоянию в результате естественных физико-химических и биологических процессов самоочищения. Если 0.2 СА 0.4, самоочищение возможно при условии оптимального температурного режима. У водоемов с индексом БПК5/ХПК 0.2 способность к само очищению минимальна или отсутствует. Сравнительная характеристика способности к самоочищению реки Бык до и после выпуска очищенных сточных вод, рассчитанная по результатам ежемесячных плановых проб 2004 – 2007 гг. представлена на Рисунке 4. Графический анализ данных демонстрирует, что сброс сточных вод, прошедших полную биологическую очистку, не ухудшает способность реки к самоочищению: индекс колеблется практически в одних и тех же пределах (0,10 – 0,25) до сброса и после него.

Диапазон значений показателя подтверждает результаты, полученные и для других участков реки службой Serviciul Hidrometeorologic de Stat (SHS): потенциал самоочищения у данного водного объекта – минимальный [38, с. 232 - 240]. Река муниципия Кишинэу нуждается в комплексной программе очистки и грамотном менеджменте, который до настоящего времени ограничивается мониторингами различного уровня.

0. р. Бык до сброса БПК5/ХПК 0. 0. 0. 0. 0. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 0. р. Бык после сброса БПК5/ХПК 0. 0. 0. 0. 0. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Полиномиальная (2007) Полиномиальная (2006) Полиномиальная (2005) Полиномиальная (2004) Рис. 4.6. Динамика индекса БПК5/ХПК реки Бык до и после сброса очищенных сточных вод муниципия Кишинэу (SEB, 2004 – 2007, n = 96) В Директиве 91/271/СЕЕ [9] и HG № 1141 [12] при установлении допустимого сброса очищенных сточных вод в природные водоемы учитывается популяционный эквивалент (р.е.), который вычисляется из расчета, что общепринятая суточная норма загрязнений на одного человека равна 60 г БПК5/чел./сутки. Чтобы правильно применять действующие нормативы, рассчитаем популяционный эквивалент муниципия Кишинэу, объем сточных вод которой составляет в среднем 130000 м3/сутки, а значение БПК поступающего на очистку стока 350 г/м3:

350г 130000м 3 чел. сут (4.1) р.е. м3 сут 60г Таким образом, рассчитанный по количеству и степени загрязнения сточных вод популяционный эквивалент муниципия Кишинэу превышает 758.000. По статистическим данным 2010 г. численность муниципии составляет 786,3 тыс. человек, что с учетом частного сектора, не подключенного к централизованному водоотведению, подтверждает результат популяционного эквивалента и заложенную в формулу расчета норму загрязнений.

Суточные колебания БПК5 в разовых пробах сточных вод, поступающих на SEB, составляют 108 – 1486 мг/л О2 (Рисунок 4.2). Эффективность снижения загрязнений по показателю БПК5 на этапе механической очистки демонстрирует Рисунок 4.7: по результатам среднедневных проб планового отбора она составляет в среднем 40 %.

450 63. Эффективность очистки, % 400 56. R = 0. 350 49. БПК5, мг/л О 300 42. 250 35. 200 28. 150 21. 100 14. 50 7. 0 0. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 CBO5 вход на ОС 299 212 248 293 330 307 420 204 292 CBO5 выход с МО 164 132 174 199 159 189 245 127 182 Эффективность МО, % 45.2 37.7 29.8 32.1 51.8 38.4 41.7 37.7 37.7 47. Рис. 4.7. Эффективность снижения БПК5 на этапе механической обработки стоков муниципия Кишинэу (SEB, 2006, n = 20) Расчет эффективности биологического этапа очистки по данному показателю представлен на Рисунке 4.8. Анализ данных показывает, что в условиях хорошо адапти рованного к составу сточных вод активного ила эффективность снижения концентрации органических загрязнений, рассчитанная по результатам планового технологического контроля, составляет в среднем 90 %.

250 95. Эффективность очистки, % 225 93. R = 0. БПК5, мг/л О 200 91. 175 89. 150 87. 125 85. 100 83. 75 81. 50 79. 25 77. 0 75. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 CBO5 вход на БО 164 132 174 199 159 189 245 127 182 CBO5 выход с ОС 16.8 14.8 20.2 19.5 14.0 20.1 22.9 17.4 20.6 21. Эффективность БО, % 89.8 88.8 88.4 90.2 91.2 89.4 90.7 86.3 88.7 90. Рис. 4.8. Эффективность снижения БПК5 на этапе биологической очистки сточных вод муниципия Кишинэу (SEB, 2006, n = 20) Влияние неблагоприятных факторов внешней среды на состояние биоценоза ак тивного ила изучали на примере аллогенных сукцессий, спровоцированных изменением состава сточной жидкости (сброс концентрированных стоков ПАВ шерстемоечного производства) и повышением температуры обрабатываемых сточных вод до 27°С. Оба фактора оказались лимитирующими для адаптированных популяций прикрепленных и свободноплавающих инфузорий – состав биоценоза сокращался до нескольких видов, среди которых преобладающее большинство составляли гетеротрофные (бесцветные) жгутиконосцы. В такой деградированной биосистеме количество трофических уровней сокращалось до 1 – 2: «органический субстрат бактерии», «органический субстрат жгутиконосцы», «бактерии жгутиконосцы (бактериофаги)». В условиях неадапти рованного биоценоза активного ила SEB эффективность биохимического окисления (рассчитанная по показателю БПК5) снижается до 70 – 80 % (Рисунок 4.9).

300 90. R = 0. Эффективность очистки, % БПК5, мг/л O 250 85. 200 80. 150 75. 100 70. 50 65. 0 60. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 CBO5 вход на БО 194 134 175 167 203 213 190 205 176 CBO5 выход с ОС 33.0 31.8 35.5 34.9 32.6 34.8 31.8 34.2 34.9 33. Эффективность БО, % 83.0 76.3 79.7 79.1 83.9 83.7 83.3 83.3 80.2 79. Рис. 4.9. Эффективность снижения БПК5 в условиях неадаптированного биоценоза активного ила (SEB, 2008 – 2011, n = 20) Таким образом, в базу данных экспертной системы по показателю «биологическая потребность в кислороде», с нашей точки зрения, должно быть внесено:

CCO/CBO20 1,55 для стока, поступающего на биохимическую очистку, – как условие стабильного функционирования биосистемы;

40 % снижения БПК5 на этапе механической обработки стока – как показатель хорошо налаженного технологического процесса;

90 % снижения БПК5 на стадии биохимической очистки стока – как показатель хорошо адаптированного активного ила;

70 % – как минимально допустимый уровень снижения БПК5 (по отношению к исходному значению в поступившем стоке) очищенных вод, сбрасываемых в природный водоем (HG RM nr. 1141) [12];

25 мг/л О2 – как допустимая норма показателя БПК5 в разовых пробах очищенного стока, сбрасываемого в природный водоем (HG RM nr. 1141);

28,4 мг/л О2 – как допустимая норма показателя БПК5 в контрольных пробах очищенных сточных вод на выходе SEB (LAD, Таблица 3.2.1);

350 мг/л О2 – как допустимый уровень органического загрязнения в сточных водах по БПКполн согласно «Типовым правилам о приеме сточных вод в систему канализации» [157];


р.е. = 760000 (чел) – популяционный эквивалент муниципия Кишинэу при нормировании загрязнений в очищенном стоке;

оценка эффективности очистки по показателю БПК для любого уровня лаборатор ного контроля (ежедневный, декадный, среднемесячный) с заложенной формулой расчета и таблично-графической моделью оформления результата (Рисунок 4.8).

Взвешенные вещества – один из основных нормируемых показателей сточных вод, который учитывается при проектировании очистных сооружений, при установлении норм сброса использованных вод в городскую систему канализации и очищенных вод в водоем-реципиент. Содержание взвешенных веществ в сточных водах колеблется в широких пределах. В стоках муниципия Кишинэу эти колебания в разовых пробах составляют от 100 до 1500 мг/л (Рисунок 4.2). В смешанном городском стоке 60 – 75 % взвешенных веществ составляют оседающие вещества, что в значительной степени определяет эффективность первичного отстаивания [81, с. 64]. Эффективность изъятия взвешенных веществ на этапе механической очистки для SEB составляет 55 – 65 % (Рисунок 4.10).

784 86. Эффективность очистки, % 686 79. вещества, мг/л R = 0. Взвешенные 588 72. 490 65. 392 58. 294 51. 196 44. 98 37. 0 30. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ВВ, вход на ОС 732 624 614 494 425 688 620 601 425 ВВ, выход с МО 203 170 248 209 142 213 159 211 148 Эффективность МО, % 72.3 72.8 59.6 57.7 66.6 69.0 74.4 64.9 65.2 71. Рис. 4.10. Эффективность извлечения взвешенных веществ на этапе механической обработки сточных вод муниципия Кишинэу (SEB, 2010, n = 20) В процессе биохимической очистки меняется природа взвешенных веществ: если в осветленном стоке после первичного отстаивания это мелкодисперсные частицы неокис ленных загрязнений, то в биологически очищенной сточной жидкости взвесь представляет собой хлопья активного ила, которые легко осаждаются во вторичных отстойниках. Таким образом, эффективность снижения взвешенных веществ на этапе биохимической очистки зависит от физических характеристик хлопковых структур, что определяется возрастом активного ила, нагрузкой на ил по органическому субстрату, составом сточных вод и стабильностью биосистемы в целом. По результатам планового лабораторного контроля эффективность извлечения взвешенных веществ на биохимическом этапе очистки в условиях хорошо адаптированного биоценоза активного ила для SEB составляет 88 – 92 % (Рисунок 4.11).

256 96. вещества, мг/л Эффективность очистки, % Взвешенные 224 94. R = 0. 192 92. 160 90. 128 88. 96 86. 64 84. 32 82. 0 80. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ВВ, вход на БО 203 170 248 209 142 213 139 211 148 ВВ, выход с ОС 12.7 17.6 18.0 16.8 14.4 16.0 16.8 13.6 14.2 15. Эффективность БО, % 93.7 89.6 92.7 92.0 89.9 92.5 87.9 93.6 90.4 87. Рис. 4.11. Эффективность извлечения взвешенных веществ на этапе биохимической очистки сточных вод муниципия Кишинэу (SEB, 2010, n = 20) В базу данных экспертной системы по показателю «взвешенные вещества», на наш взгляд, должно быть внесено:

55 – 65 % изъятия взвешенных веществ на этапе механической обработки стока – как технологическая норма SEB муниципия Кишинэу;

85 - 90 % извлечения взвешенных веществ на этапе биохимической очистки – как показатель грамотно отрегулированной, хорошо функционирующей биосистемы «аэротенк - вторичный отстойник»;

90 % – как минимально допустимый уровень извлечения взвешенных веществ (по отношению к исходному значению в поступившем стоке) для очищенных вод, сбрасываемых в природный водоем, (HG RM nr. 1141) [12];

35 мг/л – как допустимая норма содержания взвешенных веществ в разовых пробах очищенных сточных вод, эвакуируемых в природный водоем (HG RM nr. 1141);

22,8 мг/л – как предельно допустимая норма содержания взвешенных веществ в контрольных пробах сточных вод на выходе с SEB (LAD, Таблица 3.2.1);

500 мг/л – допустимая норма содержания взвешенных веществ в городском стоке согласно «Типовым правилам о приеме сточных вод в систему канализации» [157];

оценка эффективности очистки по показателю «взвешенные вещества» для любого этапа технологического процесса (механический, биохимический) с заложенной формулой расчета и таблично-графической моделью оформления результата (Рисунки 4.10 – 4.11).

Соединения азота. В городских сточных водах присутствуют как минеральные (аммиак, аммонийный азот, мочевина, нитриты, нитраты), так и органические соединения азота (аминокислоты, белки, азоторганические соединения). Стандартные программы лабораторного контроля работы очистных сооружений включают определение следую щих соединений азота: аммиак и ионы аммония, нитриты, нитраты и азот общий.

Аммиак (NH3) и ионы аммония (NH4+) появляются в сточных водах в результате разложения мочевины, биохимической деградации белковых веществ, дезаминирования аминокислот. В хозяйственно-бытовых стоках 80 – 90 % всех азотсодержащих веществ составляют аммиак и мочевина, которые являются конечными продуктами метаболизма азота в организме человека [56, с. 14]. В производственных стоках предприятий пищевой промышленности преобладающими соединениями азота могут быть белки животного и растительного происхождения. Минерализация белковых субстратов осуществляется ге теротрофной микрофлорой сточных вод уже в процессе транспортировки стоков на очистные сооружения. Протеолитические экзоферменты аэробных грамположительных бактерий родов Bacillus, Pseudomonas, Micrococcus, Arthrobacter, Mycobacterium и др.

обеспечивают расщепление макромолекул белков до пептидов, а протеазы осуществляют внутриклеточную деструкцию пептидов на отдельные аминокислоты. Продуктом прямого дезаминирования аминокислот в конструктивном метаболизме бактерий является аммиак:

восстановительное дезаминирование: R-CH(NH2 )-COOH + 2H R-CH2-COOH +NH3 ;

гидролитическое дезаминирование: R-CH(NH2)-COOH + H2O R-CH(OH)-COOH +NH3;

внутримолекулярное дезаминирование: R-CH(NH2)-COOH R-CH=CH-COOH +NH3.

Биоразложение мочевины осуществляют уробактерии (Urobacillus, Urococcus, Urosarcina) благодаря наличию у них фермента уреазы: (NH2)2CO + 2H2O (NH4)2CO3 2NH3 + CO2 + H2O [179, с. 26]. Факультативные анаэробы бактериальных ценозов сточных вод и активного ила также участвуют в биодеструкции азотсодержащих соединений – это представители семейства Enterobacteriacea, которые в процессе эволюции приобрели способность к существованию как в аэробных, так и в анаэробных условиях. Данной способностью обладает Escherichia coli (Escherich, 1885;

Castellani & Chalmers, 1919) – основной представитель кишечной микрофлоры человека и животных, а также Proteus vulgaris (Hauser, 1885) – возбудитель газовой гангрены, который осуществляет наиболее глубокий распад белков до NH3, СН4, СО2, H2S, Н2О. Анаэробную биодеградацию белковых субстратов способны осуществлять спорообразующие бактерии рода Clostridium (Prazmowski, 1880) [175, с. 449]. Представители данного рода наряду с Escherichia coli входят в состав кишечных ценозов, откуда попадают в сточные воды, но благоприятные условия для своего развития получают в анаэробных условиях первичных отстойников – в осадках сточных вод.

Концентрация аммонийного азота в сточной жидкости, поступающей на SEB, колеблется в пределах 40 – 45 мг/л N. Снижение концентрации на стадии механической обработки не превышает 10 % от содержания в поступившем стоке, что объясняется очень хорошей растворимостью аммиака и аммонийных солей. Таким образом, на биохими ческую очистку поступает концентрация 35 – 40 мг/л N, при которой и происходит адаптация активного ила. Для многих станций биологической очистки, введенных в эксплуатацию в 80 – 90-х годах прошлого столетия, эффективность удаления аммоний ного азота составляет 20 – 40 % [55, с. 106], для SEB данный показатель варьирует от до 45 % (Рисунок 4.12).

Концентрация NH4+,мг/л N 55 50. Эффективность очистки, % R = 0. 50 45. 45 40. 40 35. 35 30. 30 25. 25 20. 20 15. 15 10. 10 5. 5 0. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 NH4, вход на ОС NH4, выход с ОС LAD Эффективность очистки, % Рис. 4.12. Эффективность удаления аммонийного азота в процессе полного цикла биологической очистки (SEB, 2010, n = 20) Скорость окисления аммонийного азота в процессе биохимической очистки в аэрируемых сооружениях определяется различными факторами: температурой и рН очищаемых сточных вод, концентрацией растворенного кислорода, возрастом ила и состоянием биоценоза. Исследованиями Виноградского С.Н. (1952) было доказано, что высокие концентрации водорастворимого органического субстрата тормозят развитие бактерий-нитрификаторов, которые окисляют аммонийный азот до нитритов. Пока в иловой смеси (активный ил + сточная жидкость) есть избыток органических веществ и интенсивно развивается гетеротрофная микрофлора (конкуренты нитрификаторов в процессах конструктивного метаболизма), нитрификация будет подавлена [81, с. 197].

Таким образом, проблема удаления аммонийного азота на сооружениях биологической очистки с высокой нагрузкой по органическим веществам должна решаться в комплексе с эффективным удалением этих веществ.

Эффективное удаление аммонийного азота в настоящее время является актуальной проблемой для очистных сооружений, введенных в эксплуатацию в 80-ые годы прошлого столетия. Повышение концентрации загрязнений сточных вод, обусловленное значитель ным сокращением общего объема стоков, делает задачу нормативной очистки по данному ингредиенту слаборегулируемой и труднодостижимой. Расчет по формуле 3.1 показывает:

чтобы получить на выходе 8,1 мг/л (LAD для NH4+) при концентрации аммиака и ионов аммония в поступающем стоке 45 мг/л эффективность его удаления должна составлять 82 %. Такая эффективность практически в два раза превышает реальный показатель (в среднем 40 %) и на 30 % превышает действующий норматив удаления аммонийного азота – 50 % (Приложение № 3 «Типовых правил»). Исходя из вышеизложенного, по показателю «азот аммонийный» в базу данных экспертной системы, на наш взгляд, должно быть внесено:

30 – 45 % – эффективность удаления аммонийного азота в процессе полного цикла биологической очистки сточных вод – как показатель технологической нормы SEB;

50 % – нормативная эффективность удаления аммонийного азота на очистных сооружениях биологической очистки согласно Приложению № 3 «Типовых правил о приеме сточных вод в системы канализации» [157];

35 – 40 мг/л N – суммарная концентрация аммиака и аммонийного азота в сточной жидкости, поступающей на биохимический этап очистки – как рабочие параметры адаптации биоценоза активного ила SEB;

8,1 мг/л N – допустимая концентрация аммонийного азота в контрольных пробах очищенного стока на выходе SEB (LAD, Таблица 3.2.1);

оценка эффективности удаления аммонийного азота для любого уровня лаборатор ного контроля (ежедневный, декадный, среднемесячный) с заложенной формулой расчета, нормативом LAD и таблично-графической моделью оформления резуль тата (Рисунок 4.12).

Содержание азота нитрит-ионов (NO2) в городских сточных водах в большинстве случаев не превышает 0,100 мгN/л (Рисунок 4.13). Нитриты являются промежуточной ступенью в процессах окисления аммонийного азота до нитратов и восстановления нитратов до молекулярного азота или аммиака. Присутствие нитритов в поступающем на очистку стоке в более высоких концентрациях является признаком промышленного или экологического загрязнения:

производство аммиака и азотной кислоты напрямую связано с увеличением количества выбрасываемых в атмосферу оксидов азота;

сжигание органического топлива в котлах и двигателях внутреннего сгорания увеличивает накопление оксида азота в атмосфере, который легко окисляется до диоксида уже при нормальных условиях: 2NO + O2 = 2NO2;

при взаимодействии диоксида азота с атмосферной водой образуются кислоты (2NO2 + H2O = HNO3 + HNO2), которые в виде кислотных дождей поступают в ливневый водосбор и вместе с ним – на очистные сооружения.

0. Концентрация NO2, 0. 0. 0. 0.09 0. 0. 0.08 0.064 0. 0. 0.059 0. мг/л N 0.07 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Рис. 4.13. Среднемесячные показатели содержания азота нитритов в поступивших на очистку сточных водах муниципия Кишинэу (SEB, 2010, n = 36) В процессе обработки сточных вод концентрация нитритов в очищенном стоке может увеличиваться, если процесс биоокисления аммонийного азота останавливается на первой стадии нитрификации. Эта специфика биологической очистки учтена в «Типовых правилах», где эффективность удаления азота нитритов не нормируется [157].

Первая стадия нитрификации представляет собой экзотермический процесс, открытый Виноградским С.Н. (1892): 2NН3 + 3O2 2NO2 + 2Н2O + 2Н+ + 158 ккал.

Ученый доказал, что нитрификаторы расходуют освобождающуюся энергию на асси миляцию углерода из CO2, что явилось открытием процесса хемосинтеза – способности микроорганизмов синтезировать органическое вещество с использованием не солнечной, а химической энергии [174, с. 104]. Таким образом, нитрифицирующие бактерии являются аэробными хемоавтотрофами, а суммарный результат первой стадии нитрификации может быть представлен в виде уравнения: 2NH3 + 2O2 + CO2 2HNO2 + Н2O + (CH2O) [63, с.

64]. В технологии биохимической очистки процесс осуществляют грамотрицательные бактерии семейства Nitrobacteriaceae (Watson, 1971): Nitrosomonas, Nitrosospira, Nitroso cystis [103, с. 459]. Лимитирующим фактором среды для нитрификаторов первой стадии могут быть растворенные в воде органические соединения, что создает определенные трудности для обеспечения процесса нитрификации в аэротенках. Нагрузка на активный ил (по БПК20) не должна превышать 50 – 200 мг/г: нижний предел обеспечивает полную нитрификацию, верхний – частичную [73, с. 38]. Вне водной среды органический субстрат не ингибирует развитие бактерий первой стадии, что обеспечивает процесс нитрификации в почве, на полях фильтрации и полях орошения [180, с. 314].

Нитрифицирующие бактерии первой стадии нитрификации очень чувствительны к синтезированным органическим веществам (пестициды, гербициды), а также к цианидам в концентрациях более 0,65 мг/л. Тяжелые металлы (Zn, Cu, Ni, Cr) в концентрациях, превышающих 5 мг/л, а также фенол, анилин, окись углерода, метан оказывают токсическое влияние на нитрификаторов первой стадии [81, с. 200]. В связи с этим, при обработке сточных вод с большим содержанием промышленных загрязнений для обеспечения процесса нитрификации рекомендуют 2-х ступенчатую очистку: высоко нагружаемые биофильтры аэротенки [97, с. 115;

144, с. 60 – 65].

Важным фактором, влияющим на эффективность процесса нитрификации, является реакция среды обрабатываемых стоков. Для бактерий, обеспечивающих первую стадию нитрификации, этот параметр ограничен интервалом 7,0 – 8,2. Особую чувствительность нитрификаторы проявляют к сдвигу рН в кислую сторону [156, с. 17].

Процесс нитрификации зависит и от температуры сточной жидкости: при 9С скорость нитрификации снижается;

а при 6С процесс прекращается полностью. Диапазон температур 15 – 35С считается приемлемым для обеспечения нитрификации в водных экосистемах, диапазон от 25 до 30С – оптимальным [117, с. 12]. В условиях эксплуатации биокомплекса SEB данный диапазон, по нашему мнению, нельзя считать оптимальным для накопления нитрифицирующей микрофлоры, поскольку при такой температуре в сточной жидкости происходит массовое развитие гетеротрофной микрофлоры, для которой высокая нагрузка по органическому субстрату не является лимитирующим фактором.

Недостаток растворенного кислорода в окружающей среде тормозит процесс нитрификации, который является достаточно кислородоемким: на окисление 1 мг азота аммонийного в азот нитритов затрачивается 2,33 мг O2. Лимитирующим фактором для нитрифицирующих бактерий первой стадии считается концентрация менее 1 мг/л, в качестве оптимального – в технологии аэрируемой биохимической очистки – указывают диапазон 1,8 – 3,0 мг/л [81, с. 198, 201].

В связи с медленным ростом нитрификаторов первой стадии особые требования предъявляются к возрасту ила, который рекомендуется поддерживать на уровне 4 – суток [55]. Появление нитритов в очищенной воде свидетельствует о том, что основная часть органических веществ уже минерализована (исключение – поля орошения, где эти процессы протекают параллельно). Удельную скорость роста нитрификаторов, с учетом определяющих ее факторов (температура и рН среды, концентрация кислорода в иловой смеси и аммонийного азота в обрабатываемой сточной жидкости) рассчитывают по формуле [142, с. 13]:

= ( (, (4.1) ) ) где:

K pH - коэффициент, учитывающий влияние рН среды (Таблица 4.1.2;

KT - коэффициент, учитывающий температуру жидкости (Таблица 4.1.3);

CО - концентрация растворенного кислорода в иловой смеси, мг/л;

- константа полунасыщения3 для кислорода, равная 2 мг/л;

KО max - максимальная скорость роста нитрифицирующих бактерий, которая при рН = 8,4 и Т = 20°С составляет 1,77 сут-1 ;

- концентрация субстрата (NH4+) в очищенной сточной жидкости, мг/л N;

CS KS - константа полунасыщения для азота аммонийного, равная 25 мг/л N.

Константа Моно, определяющая концентрацию ингредиента, при которой скорость роста микроорганизмов равна половине максимальной [97, с. 92].

Таблица 4.1.2. Зависимость удельной скорости роста биомассы нитрифицирующих бактерий от рН среды по СНиП 2.04.03-85 [151] рН 7,0 7,5 8.0 8,4 9, K pH 0,50 0,60 0,87 1.00 1, Таблица 4.1.3. Зависимость удельной скорости роста биомассы нитрифицирующих бактерий от температуры жидкости по СНиП 2.04.03-85 [151] Т°С 10 15 20 25 KТ 0.32 0,56 1.00 1,79 3. Рассчитаем удельную скорость роста () нитрифицирующей микрофлоры в усло виях эксплуатации биокомплекса SEB и вычислим минимальный возраст активного ила (), необходимый для наращивания достаточной биомассы этих бактерий в биосистеме:

1,5 8, = 0,871,79 (2.0 + 1.5) 1,77 (25 + 8,1) = 0,28 сут-1, (4.2) = 1 = 1/0.28 = 3,6 ~ 4 сут (4.3) Расчет выполнен по оптимальным для нитрификаторов первого этапа технологи ческим параметрам и с ориентацией на нормативную очистку: рН – 8.0, Т – 25°С, концентрация растворенного кислорода – 1.5 мг/л, LAD для азота аммонийного в очищенной сточной жидкости – 8.1 мг/л N. При изменении только двух параметров расчета (температура обрабатываемых сточных вод – 20°С и концентрация кислорода в рабочей зоне аэротенка – 1,0 мг/л) возраст активного ила, необходимый для накопления бактериальной массы первой стадии нитрификации, возрастает до 8 суток.

Из перечисленных факторов, препятствующих накоплению нитрифицирующей микрофлоры в биоценозе активного ила и «запуску» процесса нитрификации, реально лимитирующим в условиях SEB является только один – высокая нагрузка по органи ческому субстрату: в обрабатываемом городском стоке нет высоких концентраций промышленных токсикантов, водородный показатель (рН) находится в оптимальных пределах, температура в условиях горячего водоснабжения лишь на несколько зимних месяцев опускается ниже 15С, концентрация кислорода в системе и возраст ила – регулируемые параметры. Таким образом, обеспечение эффективного удаления органиче ских загрязнений на этапе механической обработки стоков (песколовки, жиросборники и т.д.) может сформировать хорошие условия для эффективного окисления аммонийного азота в аэротенках уже за счет первого этапа процесса нитрификации.

Гигиенический норматив содержания нитритов в водных объектах хозяйственно питьевого и культурно-бытового водопользования (Concentraia maximal admisibil, СМА) в соответствии с «Regulament igienic» [22] составляет 3,3 мг/л по нитрит-иону или 1,0 мг/л в пересчете на азот нитритов. Действующий норматив азота нитритов (LAD) в очищенном стоке, эвакуируемом в реку Бык, составляет 0,08 мг/л N. Влияние сточных вод на содержа ние азота нитритов в водоеме-реципиенте представлено на Рисунке 4.14.



Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 6 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.