авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< 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:   || 2 | 3 | 4 |

Исследование процесса очистки природных вод биосорбционно-мембранным методом

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

УДК 628.163: 62-278.001.2

СМИРНОВА

Ирина Ивановна

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ ПРИРОДНЫХ ВОД БИОСОРБЦИОННО-МЕМБРАННЫМ МЕТОДОМ

Специальность 05.23.04 – Водоснабжение, канализация,

строительные системы охраны водных ресурсов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2009

Работа выполнена в Открытом Акционерном Обществе «Ордена Трудового Красного Знамени комплексный научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт водоснабжения, канализации, гидротехнических сооружений и инженерной гидрогеологии «НИИ ВОДГЕО» (ОАО «НИИ ВОДГЕО»)

Научный руководитель: кандидат технических наук Нечаев Игорь Алексеевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Стрелков Александр Кузьмич доктор технических наук, профессор Первов Алексей Германович
Ведущая организация: ГУП “МосводоканалНИИпроект” г. Москва

Защита состоится «23» декабря 2009 г. в 1100, на заседании диссертационного совета Д 303.004.01 при ОАО «НИИ ВОДГЕО» по адресу: г. Москва, Комсомольский проспект, 42, стр. 2, Москва, Г-48, 119048.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «НИИ ВОДГЕО», тел. (499) 245-95-53, 245-95-56, факс (499) 245-96-27.

Автореферат разослан "___" ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук Ю.В.Кедров

Основные условные обозначения

  • БМР – биосорбционно-мембранный реактор;
  • МФ – микрофильтрация;
  • УФ – ультрафильтрация;
  • ПАУ – порошкообразный активированный уголь;
  • ГАУ – гранулированный активированный уголь;
  • Vmax - максимальная удельная скорость окисления субстрата
  • Km - константа Михаэлиса
  • S - концентрация субстрата
  • - удельная скорость окисления субстрата
  • константа торможения
  • E - концентрация фермента
  • P - концентрация продукта
  • PПАУ - необходимое количество ПАУ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В настоящее время на территории Российской Федерации в качестве источников централизованного водоснабжения используются поверхностные воды, доля которых в общем объеме водозабора составляет 68%, и подземные воды – 32%. Практически все источники водоснабжения подвергаются существенному воздействию вредных антропогенных факторов.

В этих условиях существующие технологии подготовки питьевой воды, основанные на коагуляции, отстаивании, фильтрации и обеззараживании хлором, в большинстве случаев оказываются недостаточно эффективными.

Биосорбционная технология, разработанная в НИИ ВОДГЕО, обеспечивает более эффективное удаление как биоразлагаемых, так и биорезистентных веществ, по сравнению с традиционной схемой. Коренное улучшение технико-экономических характеристик биотехнологий очистки природных вод весьма перспективно в направлении создания гибридной биосорбционно-мембранной технологии с порошкообразным активированным углем, максимально использующей достоинства биосорбционного метода и мембранного фильтрования.

Актуальность работы вызвана тем, что в условиях постоянно возрастающей степени загрязнения водоисточников ксенобиотиками возникла необходимость в разработке гибридной биосорбционно-мембранной технологии для глубокой очистки природных вод от биорезистентных и канцерогенных органических веществ.

Цели и задачи работы.

Цель настоящей работы состояла в научном обосновании новой технологии удаления из природных вод биорезистентных и канцерогенных органических веществ (ксенобиотиков) в мембранном биореакторе с ПАУ, в котором реализуется гибридный процесс мембранного фильтрования и биосорбционного окисления на биоактивном порошкообразном активированном угле, и в сопоставлении результатов с традиционным физико-химическим методом очистки. Для реализации поставленной цели были определены следующие задачи:

  • обосновать целесообразность и эффективность применения биосорбционно-мембранной технологии для очистки природных вод;
  • провести сравнительные исследования с целью выявления роли ПАУ в процессе биосорбционно-мембранной очистки;
  • определить кинетические характеристики процессов биосорбционной очистки;
  • исследовать и обосновать оптимальные технологические параметры биосорбционно-мембранных процессов при очистке природных вод;
  • разработать методику расчета биосорбционно-мембранного реактора с порошкообразным углем для очистки природных вод от растворенных органических соединений, в том числе и специфических (нефтепродукты, СПАВ, фенол, и др.) и соединений азота;
  • дать сравнительную оценку эффективности очистки природных вод в БМР и методом коагуляции;
  • выполнить технико-экономическую оценку разработанной технологии биосорбционно-мембранной очистки вод от биорезистентных и канцерогенных органических веществ (ксенобиотиков) в сравнении с традиционной схемой.

Научная новизна работы заключается в следующем:

  • впервые предложена и научно обоснована биосорбционно-мембранная технология очистки природных вод от биорезистентных органических загрязнений антропогенного происхождения (ксенобиотиков);
  • экспериментально подтверждена возможность достижения при очистке природных вод биосорбционно-мембранным методом требований СанПиН 2.1.4.1074-01 как по основным нормативным загрязнениям, так и ксенобиотикам;
  • экспериментально установлена более высокая эффективность биосорбционно-мембранного метода удаления ксенобиотиков, по сравнению с традиционной физико-химической очисткой;
  • изучен механизм биосорбционно-мембранного процесса очистки природных вод с использованием порошкообразных сорбентов, получены кинетические зависимости биологического окисления ксенобиотиков (нефтепродукты, СПАВ, фенол), адекватно описываемые уравнениями ферментативной кинетики. Определены кинетические константы уравнений ферментативной кинетики, положенные в основу расчета БМР.

Практическая значимость результатов работы:

  • в результате исследований установлена целесообразность очистки природных вод от ксенобиотиков биосорбционно-мембранным методом. Разработанная технология позволяет отказаться от сложных и дорогостоящих физико-химических методов очистки для удаления этих загрязнений из природных вод;
  • показана перспективность применения биосорбционно-мембранных реакторов с использованием порошкообразных сорбентов и микрофильтрационных мембран;
  • разработана методика расчета биосорбционно-мембранного реактора с ПАУ для очистки природных вод;
  • выполнена технико-экономическая оценка предлагаемого метода очистки, по сравнению с традиционной схемой. Для станции производительностью 10000 м3/сут внедрение биосорбционно-мембранной технологии позволит получить годовой экономический эффект 3 087 900 рублей;
  • разработанная технология и метод расчета сооружений могут быть использованы проектными и эксплуатирующими организациями при проектировании и реконструкции систем водоснабжения.

Достоверность полученных результатов подтверждается большим объемом и длительностью экспериментальных исследований на лабораторных установках как с реальными природными водами, так и при добавлении ксенобиотиков, сходимостью расчетных и экспериментальных результатов, применением стандартизированных методов измерений и анализа, статистической обработкой результатов.

Обоснованность предлагаемых технологических и конструктивных решений подтверждена лабораторными испытаниями.

Апробация работы и публикации:

Основные результаты данной работы докладывались на 5-ом Международном конгрессе по управлению отходами и природоохранным технологиям “ВэйстТэк-2007” (май – июнь 2007), Международной научно-практической конференции «Биотехнология. Вода и пищевые продукты» (март 2008 г), Конференции международной водной ассоциации (IWA) «Мембранные технологии в водоподготовке и очистке сточных вод» (июнь 2008 г);

По теме выполненных исследований опубликовано 8 работ, в том числе 2 статьи - в журнале, рекомендованном ВАК и 2 патента.

Реализация результатов исследований:

Разработан технологический регламент на проектирование сооружений по глубокой очистке природных вод, содержащих канцерогенные и биорезистентные загрязнения, с применением биосорбционно-мембранной технологии в рамках Государственного контракта от " 26" апреля 2007г. № 02.515.11.5026.

На защиту выносятся:

Результаты теоретических и экспериментальных исследований по:

  • обоснованию целесообразности и эффективности применения биосорбционно-мембранной технологии для очистки природных вод;
  • результаты исследований основных закономерностей очистки природных вод от органических загрязнений, в том числе, ксенобиотиков;
  • технологические параметры биосорбционно-мембранных реакторов при очистке природных вод;
  • методика расчета биосорбционно-мембранных реакторов с использованием порошкообразных сорбентов для очистки природных вод.

Структура и объём работы.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы. Библиография включает 134 источника, в т. ч. 89 – на иностранном языке. Общий объем диссертации 113 страниц, 42 рисунка и 8 таблиц.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, ее научная новизна и практическая значимость, а также основные положения диссертации, вынесенные на защиту.

Глава 1 «Современное состояние вопроса очистки природных вод». Приведены характеристики загрязнений природных вод примесями естественного и антропогенного происхождения, представлен анализ литературных данных по существующим физико-химическим и сорбционным методам очистки природных вод, а также изложены возможности биологической очистки, не требующей применения реагентов и относящейся к деструктивным методам.

Последние годы в области обработки природных вод благодаря высоким характеристикам по удалению загрязнений и ряду других преимуществ, начинает широко применяться мембранная фильтрация, однако, использование только ультра– микрофильтрации не позволяет удалять ксенобиотики до требований СанПиН 2.1.4.1074-01. Анализ литературных источников показал перспективность создания гибридных технологий, использующих достоинства биологических методов, сорбционных процессов на ПАУ и мембранного фильтрования.

Глава 2. «Теоретические предпосылки использования биосорбционно-мембранного метода для очистки природных вод». Анализ теоретических закономерностей технологии биологической очистки применительно к особенностям природных вод показал, что фундаментальные закономерности ферментативной кинетики наиболее полно отражают физическую сущность процессов биологической очистки. Математическое описание кинетики ферментативных реакций основано на предположении существования комплекса фермента с субстратом и зависимости скорости реакции от скорости распада этого комплекса с образованием продукта реакции и свободного фермента. Согласно этой гипотезе для ферментативных реакций, протекающих по схеме:

Е+S Е S E +P (2.1)

Михаэлисом и Ментен выведено уравнение:

(2.2)

Согласно этому уравнению зависимость скорости реакции от концентрации органического вещества выражается гиперболической функцией.

Кинетика окисления органических загрязнений, оцениваемых по БПК, а также окисление специфических ингредиентов и окисление аммонийного азота (нитрификация), проходит аналогично кинетике ферментативного катализа и для ее описания используют уравнение Михаэлиса-Ментен. Более сложные ферментативные реакции описываются множеством соответствующих модификаций этого уравнения, отражающим механизмы взаимодействия фермента, субстрата, ингибиторов и других компонентов реакции. Использование этих закономерностей для исследования, описания и анализа процессов биологической очистки может дать необходимую информацию для разработки на научной основе технологических схем очистки природных вод и методики расчета сооружений с иммобилизованной микрофлорой. Наиболее рациональной формой существования микроорганизмов при низких концентрациях органического вещества является их закрепление на поверхности твердых носителей в виде биопленок. Процессы автоселекции играют существенную роль в формировании биохимических и кинетических характеристик биоценозов. Использование биосорбционной кооперации является перспективным направлением в технологии биологической очистки природных вод. Процесс биосорбции включает биологическую деградацию органических загрязняющих веществ в дополнение к адсорбции на активном угле. Это приводит к более длительному периоду работы угля (вплоть до регенерации) и, следовательно, к снижению стоимости очистки. Увеличение сорбционной емкости угля объясняется его биологической регенерацией, т.е. восстановлением адсорбционной способности за счет биодеградации органических соединений, адсорбированных на АУ. Биологическое удаление адсорбата на поверхности угля позволяет повторно открыть адсорбционные центры, которые могут быть заняты другими органическими молекулами из раствора. Характер процессов, протекающих в такой биопленке, качественно отличается от процессов в биопленке, растущей на инертном носителе. Все вышизложенное подтверждает перспективность и целесообразность применения биосорбционных процессов для очистки природных вод, содержащих биорезистентные и канцерогенные органических веществ (ксенобиотики). Широко используемая в практике водоподготовки мембранная микрофильтрация, обеспечивающая полное удержание микроорганизмов и порошкообразных сорбентов (в частности, ПАУ), позволяет совместить биосорбционный метод в единый процесс с мембранным фильтрованием. В условиях антропогенного загрязнения водоисточников совмещение биосорбционной технологии с использованием порошкообразных носителей и мембранной фильтрации позволит решить проблему обеспечения населения качественной питьевой водой. Недостаточная теоретическая изученность вопросов, ограниченность данных по биосорбционной очистке в отечественных и зарубежных публикациях, а также невозможность реализовать на практике литературные данные, потребовали проведения специальных исследований на реальных природных водах.

Глава 3 «Экспериментальные исследования».

В разделе 3.1. приведена методика экспериментальных исследований, в соответствии с поставленными задачами, описана модель лабораторной установки и изложены результаты экспериментальных исследований.

 1. Принципиальная схема-2
Рис. 3.1. Принципиальная схема лабораторной установки БМР
1-резервуар сырой воды; 2-насос-дозатор; 3-приемная емкость; 4-датчик уровня; 5-мембранный реактор с ПАУ; 6-мембранный блок; 7-насос промывки мембран; 8-насос откачки очищенной воды; 9-резервуар промывной воды; 10-электромагнитный клапан; 11-дифманометр; 12-блок-реле (управляемый с ПК); 13-персональный компьютер (с платой сбора данных); 14-ротаметр.

Исследования проводились в непрерывно-проточных условиях на лабораторной установке БМР как на реальной природной воде (р. Москва и р. Яуза), так и с добавлением в нее ксенобиотиков (СПАВ и фенол). Отбор речной воды осуществлялся непосредственно в черте города. Был создан автоматизированный испытательный стенд БМР с ПАУ (рис. 3.1). Реактор БМР выполнен из прозрачного оргстекла, объемом 0,7 дм3л, и содержал суспензию ПАУ (марка ОУ-А) с концентрацией 13 - 23 г/дм3л. Половолоконные мембранные модули с размером пор 0,2 мкм и площадью 0,05 м2 были погружены в реактор. Для создания турбуленции у поверхности мембран, снабжения микроорганизмов кислородом и предотвращения осаждения ПАУ, в реактор под мембранный модуль подавался воздух. Сырую воду из рек Москва или Яуза подавали в реактор с ПАУ непрерывно насосом-дозатором. Гидравлическое время пребывания воды в системе составляло 1-1,3 ч. Процесс фильтрования осуществлялся в циклическом режиме: фильтрация (600 с) - обратная промывка (30 с) – фильтрация(600 с).

Для сравнения эффективности очистки природных вод от органических загрязнений и ксенобиотиков были проведенные параллельные исследования с использованием установки БМР без добавления ПАУ. Конструктивно данная установка была выполнена аналогично установке БМР.

Для сравнения биосорбционно–мембранной технологии с традиционным методом коагуляции проводились параллельные опыты по обработке вод р. Москвы и р. Яузы коагулянтом (оксихлорид алюминия). Пробное коагулирование воды проводилось по общепринятой методике для определения оптимальной дозы коагулянта.

Аналитический контроль работы установок осуществлялся (по стандартным методикам) по основным загрязняющим компонентам (перманганатная окисляемость, БПКполн, азот аммонийный, нитриты, нитраты, цветность) и специфическим ингредиентам (нефтепродукты, фенолы, СПАВ). Кинетические константы зависимостей определялись графо-аналитическим методом.


Рис. 3.1. Принципиальная схема лабораторной установки БМР

1-резервуар сырой воды; 2-насос-дозатор; 3-приемная емкость; 4-датчик уровня; 5-мембранный реактор с ПАУ; 6-мембранный блок; 7-насос промывки мембран; 8-насос откачки очищенной воды; 9-резервуар промывной воды; 10-электромагнитный клапан; 11-дифманометр; 12-блок-реле (управляемый с ПК); 13-персональный компьютер (с платой сбора данных); 14-ротаметр.


Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

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.