УКРАЇНСЬКИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ

ЕКОЛОГІЧНИХ ПРОБЛЕМ

Корнієнко Ірина Михайлівна

УДК 502.36 : 556.18

ЗАХИСТ ВОДНИХ об’єктів ВІД БІОГЕННИХ ЕЛЕМЕНТІВ

ТА ЗАВИСЛИХ РЕЧОВИН

(На прикладі м. Дніпродзержинська)

Спеціальність 21.06.01 – екологічна безпека

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Дніпродзержинському державному технічному університеті (ДДТУ) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Волошин Микола Дмитрович,

Дніпродзержинський державний технічний

університет, завідувач кафедри технології

неорганічних речовин

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Душкін Станіслав Станіславович,

Харківська національна академія міського

господарства, завідувач кафедри водопостачання,

водовідведення та очищення вод

кандидат технічних наук,

Радовенчик В’ячеслав Михайлович,

Національний технічний університет України

„Київський політехнічний інститут”,

доцент кафедри екології та технології

рослинних полімерів

Провідна установа: Інститут проблем природокористування

та екології, Національна академія

наук України, м. Дніпропетровськ

Захист відбудеться „ 14 ” червня 2007 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д. 64.812.01 в Українському науково-дослідному інституті екологічних проблем за адресою: 61166, м. Харків, вул. Бакуліна, 6.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Українського науково-дослідного інституту екологічних проблем (61166, м. Харків, вул. Бакуліна, 6).

Автореферат розісланий „ 11 ” травня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Жуковський Т. Ф.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Збільшення об’ємів скидань промислових та господарчо-побутових стічних вод до водних об’єктів спричинює еколого-токсикологічну небезпеку для навколишнього природного середовища та населення України. Моніторинг якості поверхневих вод свідчить, що по деяких інгредієнтах (азоту амонійному, фосфатах та завислих речовинах) погіршено їх стан, зумовлений скиданням зворотних вод, склад яких не відповідає встановленим нормативам. Зростаючим процесом сучасного лімногенезу є інтенсивна евтрофікація поверхневих вод внаслідок біогенного навантаження, яка призводить до погіршення процесів самоочищення вод та мору риби через низьку якість очистки стічної води. Особливу занепокоєність викликає стан р. Дніпро, яка забезпечує питною водою 75 % населення України. Якість питної води залежить від стану поверхневих водойм – основних джерел централізованого водопостачання. За даними Всесвітньої організації охорони здоров’я, 25 % населення земної кулі ризикує захворіти хворобами, пов’язаними зі споживанням недоброякісної питної води.

В останні роки в містах України та країнах СНД спостерігається тенденція до скорочення об’ємів стічних вод, які надходять на міські очисні споруди, і підвищення вмісту в них азоту та фосфатів. Ця ситуація обумовлена тим, що населення та приватні підприємства встановлюють лічильники, які дозволяють скоротити витрати питної води при одночасному підвищенні концентрацій забруднюючих речовин у відведених водах. Очисні споруди м. Дніпродзержинська побудовані в 1979 р. і не відповідають сучасним умовам роботи. На прикладі досліджень очисних споруд м. Дніпродзержинська виявлено відхилення від встановлених норм ГДК таких інгредієнтів: азоту амонійного, фосфатів та завислих речовин. Низька якість очистки стічної води від біогенних елементів та завислих речовин призводить до погіршення екологічного стану навколишнього природного середовища, тому розробка науково обґрунтованих заходів щодо підвищення ступеня їх очистки до встановлених норм ГДК є однією з актуальних та найважливіших екологічних задач сучасності.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до плану “Теоретичні та технологічні основи переробки осадів міських стічних вод” згідно з науково-технічною програмою Міністерства освіти України (номер державної реєстрації 0104U000811) та державними програмами: Законом України “Про охорону навколишнього природного середовища” від 25.06.1991 р., № 1264 – ХІІ; Постановою Верховної Ради України “Про національну програму екологічного оздоровлення басейну Дніпра та поліпшення якості питної води” від 27.02.1997 р., № 123/97 – ВР; Постановою Кабінету Міністрів України “Про затвердження Правил охорони поверхневих вод від забруднення зворотними водами” від 25.03.1999 р., № 465; Постановою Кабінету Міністрів України “Про порядок затвердження нормативів гранично допустимого скидання забруднюючих речовин та перелік забруднюючих речовин, скидання яких нормується “ від 11.12.1996 р., № 1499; наказом Міністерства охорони навколишнього природного середовища та ядерної безпеки України “Про затвердження методики розрахунку розмірів відшкодування збитків, заподіяних державі внаслідок порушення законодавства про охорону та раціональне використання водних ресурсів” від 18.05.199 р., № 37.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи – з’ясування екологічних наслідків забруднення р. Дніпро стічною водою та розробка технічних рішень щодо доведення якості зворотних вод

по вмісту азоту амонійного, фосфатів та завислих речовин до встановлених норм ГДК (на прикладі м. Дніпродзержинська).

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

- встановити оптимальну дозу активного мулу на очисних спорудах м. Дніпродзержинська для доведення якості зворотних вод до встановлених норм ГДК по азоту та фосфатах;

- розробити методику дослідження біоценозу аеротенка та вторинного відстійника з визначенням впливу процесу іммобілізації на якість очистки стічної води від екологічно небезпечних компонентів;

- встановити максимальну кількість утилізованих речовин – відпрацьованого мулу і водоростей – гідробіонтами Herpobdella octoculata та Asellus aquaticus, за якої концентрації біогенних елементів знижуються;

- дослідити роль Herpobdella octoculata і Asellus aquaticus у прискоренні процесів нітрифікації та дефосфотації у стічній воді для розв’язання екологічної проблеми евтрофікації р. Дніпро;

- розробити науково-технічні рішення для захисту водних об’єктів від антропогенного забруднення екологічно небезпечними компонентами зворотних вод;

- надати економічну оцінку впровадженню розроблених завантажень до аеротенків та вторинного відстійника при розв’язанні екологічних проблем.

Об’єкт дослідження – захист водних об’єктів від забруднення зворотними водами (в районі м. Дніпродзержинська).

Предмет дослідження – доведення якості зворотних вод до встановлених норм ГДК по біогенним елементам та завислим речовинам.

Методи дослідження. Оцінку якості очистки стічних вод по вмісту амонію сольового, нітритів, нітратів та фосфатів проводили фотоколориметричним методом з використанням акредитованих методик для лабораторії по контролю якості стічних вод. Визначення вмісту завислих речовин проводили гравіметричним методом. Хімічне споживання кисню аналізували титрометричним методом. Визначення акумуляції важких металів гідробіонтами Herpobdella octoculata, Asellus aquaticus та активним мулом проводили атомно-абсорбційним методом на спектрофотометрі С – 115 М 1.

Експериментальні дослідження біоценозу проводили в умовах діючих очисних споруд шляхом занурення експериментальної насадки циліндричної форми з перфорованою поверхнею до аеротенка та вторинного відстійника.

Обробку здобутих даних проводили з використанням сучасних методів статистичної обробки за стандартними програмами.

Наукова новизна отриманих результатів:

- визначено максимальну кількість утилізованого відпрацьованого мулу та водоростей гідробіонтами Herpobdella octoculata і Asellus aquaticus, за якої концентрації азоту амонійного та фосфатів у стічній воді знижуються;

- вперше науково обґрунтовано та досліджено роль гідробіонтів Herpobdella octoculata і Asellus aquaticus у інтенсифікації процесу очистки стічної води від екологічно небезпечних компонентів – азоту амонійного та фосфатів;

- встановлено і досліджено процес акумуляції важких металів – свинцю, кадмію, марганцю, міді, кобальту, цинку та заліза – гідробіонтами Herpobdella octoculata і Asellus aquaticus в умовах очисних споруд;

- встановлено оптимальні параметри і розроблено необхідні умови для доведення якості зворотних вод по вмісту азоту амонійного, фосфатів та завислих речовин до встановлених норм ГДК методом підвищення дози активного мулу і біомаси гідробіонтів Herpobdella octoculata, Asellus aquaticus із забезпеченням необхідного гідродинамічного режиму.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблені технічні рішення та основні результати досліджень використані комунальним підприємством “Дніпродзержинськводоканал” при реконструкції очисних споруд м. Дніпродзержинська та включені до регіональної програми екологічного захисту басейну р. Дніпро.

На очисних спорудах м. Дніпродзержинська впроваджено внутрішню циркуляцію активного мулу за допомогою ерліфта між регенератором і аеротенком, що дозволило знизити концентрацію азоту амонійного, фосфатів на 12 % та покращити якісний стан активного мулу.

“Дніпродзержинськводоканал” реалізовано рекомендації щодо включення без матеріальних витрат мулоущільнювача в систему циркуляції активного мулу, завдяки чому вдалося підвищити ступінь очищення стічної води від екологічно небезпечних компонентів – азоту амонійного та завислих речовин, вміст яких доведено до встановлених норм ГДК.

Запропоновано до впровадження технологію очистки стічної води зі збільшеною біомасою гідробіонтів Herpobdella octoculata, Asellus aquaticus та активного мулу на завантаженнях. Вдосконалена технологія водоочистки дозволить довести показники вмісту азоту амонійного, фосфатів та завислих речовин до значень нижчих встановлених норм ГДК.

Особистий внесок здобувача. Автором особисто сформульовано мету, ідею і науково-практичну задачу – забезпечення екологічної безпеки водного середовища в районі скидання зворотних вод (на прикладі м. Дніпродзержинська); обґрунтовано методи теоретичних та експериментальних досліджень; викладено наукові положення, висновки, рекомендації щодо захисту водного середовища від антропогенних факторів; досліджено процеси очистки стічної води в умовах діючих очисних споруд та виявлено основні причини низької якості їх очищення по екологічно небезпечних показниках – азоту амонійному, фосфатам та завислим речовинам; в умовах діючих очисних споруд автором досліджено біоценоз активного мулу; визначено вплив гідробіонтів Herpobdella octoculata, Asellus aquaticus та активного мулу на процес очистки стічної води; в лабораторних умовах для гідробіонтів Herpobdella octoculata, Asellus aquaticus встановлено максимальну кількість живильних речовин у вигляді відпрацьованого мулу, водоростей, за якої відбувається зниження концентрацій азоту і фосфатів у стічній воді; встановлено роль гідробіонтів у процесах нітрифікації та дефосфотації; визначено оптимальну дозу активного мулу. Для покращання стану р. Дніпро в місці скидання зворотних вод науково обґрунтовано та розроблено вдосконалену технологію водоочистки на прикладі очисних споруд м. Дніпродзержинська. Розроблено та захищено патентами нові пропозиції – вакуумний фільтр, радіальний відстійник та завантаження, призначені для покращання екологічного стану водного середовища; проведено роботи по впровадженню рекомендацій.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися на конференціях: “Екологія. Людина. Суспільство” (Київ, 2004 р.); “Довкілля – ХХI. Перехід до сталого розвитку” (Дніпропетровськ, 2004 р.); “Хімія і сучасні технології” (Дніпропетровськ, 2005 р.).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 5 статей у фахових виданнях, регламентованих ВАК України; 3 тези доповідей у матеріалах наукових конференцій; отримано 3 патенти щодо підвищення якості очистки стічних вод.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 211 найменувань на 21 сторінці та 9 додатків на 12 сторінках. Повний її обсяг – 192 сторінки, з них основний текст – 159 сторінок. Робота містить 30 таблиць, 75 рисунки (з них 13 таблиць на 13 окремих сторінках).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету, об’єкт, предмет та задачі дослідження, визначено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів дисертації, а також особистий внесок автора.

У першому розділі викладено аналіз сучасного стану проблеми захисту водних об’єктів від забруднення недостатньо очищеною стічною водою шляхом інтенсифікації її очистки (в містах України, СНД, а також у країнах далекого зарубіжжя). На основі розгляду підходів до проблеми неякісного очищення показано недоліки існуючих заходів водоочистки. Зазначено вплив зворотних вод на стан Дніпродзержинського водосховища р. Дніпро.

Розробкою заходів з підвищення ступеня очистки стічної води від азоту амонійного, фосфатів, важких металів та завислих речовин займалися в багатьох наукових, проектних і контролюючих організаціях країн СНД. Це зокрема Український науково-дослідний інститут екологічних проблем (м. Харків), Інститут проблем природокористування та екології НАН України (м. Дніпропетровськ), Національний технічний університет (м. Київ), НДІ ВОДГЕО (м. Москва) та інші. Над вирішенням цих питань працювали такі відомі вчені, фахівці, як: М. Д. Гомеля, С. С. Душкін, Г. С. Пантелят, В. М. Радовенчик, А. Г. Васін, Н. С. Горбань, В. В. Гончар, С. В. Яковлев, Ю. М. Ласков, Я. П. Карелін, Н. Г. Ковальова, В. Г. Ковальов та інші. Але слід зазначити, що заходи доведення екологічних показників якості стічної води до норм ГДК не до кінця розроблені і потребують значних капіталовкладень. На підставі аналізу стану екологічної проблеми, вивчення та оцінки літературних джерел, а також сучасного стану водного господарства та водних об’єктів України, зокрема в Дніпропетровській області, сформульовано мету і задачі дисертаційної роботи та визначено напрямок досліджень.

У другому розділі викладено методологічні принципи проведених досліджень та оцінено якість очищення стічної води (на прикладі очисних споруд м. Дніпродзержинська). На базі проведених досліджень, а також аналізу лабораторних даних обґрунтовано та виділено основні екологічні проблеми, які призводять до порушення екологічної рівноваги у басейні р. Дніпро.

Встановлено, що головними недоліками роботи очисних споруд (на прикладі м. Дніпродзержинська) є нерівномірність надходження стічної води протягом доби, недостатність мікробіологічного очищення, старіння систем, їх недосконалість та неадаптованість до сучасних умов роботи (рис.1).

Рис. 1. Динаміка подачі стічної води на очисні споруди протягом однієї доби

Порівнюючи показники якості очистки стічної води у м. Дніпродзержинську з нормами ГДК по азоту, фосфатах та завислих речовинах, які дорівнюють 2,0; 3,5 і 7,8 мг/дм3, встановлено, що вони перевищують нормативи у 2,8; 3,0 та 1,8 разу. Стан активного мулу та якість очищення стічних вод значно погіршується внаслідок подачі з мулових майданчиків дренажних стічних вод, які містять у великих концентраціях біогенні елементи та токсичні речовини.

Для доведення якості зворотних вод до норм ГДК розроблено цілісну методологію дослідження:

- встановлення оптимальної дози активного мулу (на прикладі очисних споруд м. Дніпродзержинська) для відтворення екологічно безпечного стану р. Дніпро в місці скидання зворотних вод;

- іммобілізованого біоценозу активного мулу з використанням експериментальної насадки. Насадку виготовлено з полімерного матеріалу у формі циліндра радіусом 0,05 м, висотою 0,20 м, на якому було зроблено шість отворів діаметром 0,015 м для поліпшення процесу циркуляції мулової суміші. Внутрішню частину насадки обшили полотнищем із синтетичної тканини типу флізілін з метою поліпшення процесу іммобілізації живих організмів. У розвитку досліджень виконано мікроскопічний контроль біоценозу, іммобілізованого на насадці та аеротенку;

- встановлення максимальної кількості знешкоджених живильних речовин у вигляді відпрацьованого мулу і водоростей гідробіонтами Herpobdella octoculata, Asellus aquaticus для запобігання евтрофікації вод;

- дослідження ролі гідробіонтів Herpobdella octoculata і Asellus aquaticus у процесах нітрифікації та дефосфотації.

У третьому розділі здійснено аналіз та наукове узагальнення лабораторних досліджень щодо захисту навколишнього природного середовища від екологічно небезпечних компонентів – азоту амонійного, фосфатів та завислих речовин. У розвитку дослідження біоценозу очисних споруд на циліндричній насадці зареєстровано іммобілізацію активного мулу у складі двох видів гідробіонтів, до того часу не виявлених лабораторією “Дніпродзержинськводоканал”. Ідентифікація іммобілізованих гідробіонтів показала, що вперше знайденими видами є глоткова п’явка Herpobdella octoculata і рівноногий рак Asellus aquaticus.

Під час гідробіологічного контролю надано порівняльну характеристику іммобілізованим та неіммобілізованим організмам. Іммобілізація біоценозу активного мулу з підвищеною кількістю гідробіонтів Herpobdella octoculata, Asellus aquaticus супроводжується покращанням його видового складу, відмічається:

- значне зниження кількості нитчастих бактерій Clodothrix та повна відсутність Thiothrix, Beggiotoae, що свідчить про відвертання процесів спухання активного мулу, яке призводить до підвищення мулового індексу та виносу біомаси;

- знижена кількість прикріплених інфузорій Vorticella microstoma, Opercularia curvicola, які розвиваються у перевантажених мулах з недостатньою аерацією та характеризують зрілий вік активного мулу;

- відмічено повну відсутність плаваючих інфузорій Amphileptus, Peranema, які характерні для поганого стану активного мулу, зустрічаються при його розкладанні та залежуванні;

- відсутність черв’яків Nematoda, які є небезпечними у епідеміологічному плані, бо спричиняють гельмінтози у людей і тварин;

- повна відсутність синьозелених та діатомових водоростей, які є індикаторами забруднення стічної води азотом та фосфором. Індекс сапробності знижено до 2,0 і відповідає бета - мезосапробній зоні.

Для покращання екологічної стану водного басейну р. Дніпро і захисту людини від токсичних речовин, які надходять в організм з водою та продуктами харчування, досліджено акумуляційні властивості гідробіонтів Herpobdella octoculata, Asellus aquaticus і активного мулу по відношенню до важких металів. Вони акумулюють свинець, кадмій, марганець, мідь, кобальт, цинк та залізо. Встановлено, що гідробіонти Herpobdella octoculata і Asellus aquaticus акумулюють свинець у кількості 300 і 400 мг/кг сухої речовини на відміну від мулу. Обробка результатів експерименту проведена статистичними методами обчислення похибок середніх арифметичних вимірів допустимої розбіжності результатів та абсолютної похибки. Згідно з визначенням точності розподілу важких металів в досліджуваних зразках доведено, що найточнішими є проведені випробування загального заліза. В усіх випадках визначена розбіжність результатів менша, ніж допустима, що підтверджує достовірність визначень. Загальний показник точності виміру середнього значення параметрів лежить у межах 10 %, що певною мірою достатньо при проведенні подібних досліджень.

Для захисту водного басейну р. Дніпро від антропогенного забруднення біогенними елементами, які потрапляють зі зворотними водами, проведено дослідження властивостей гідробіонтів Herpobdella octoculata, Asellus aquaticus щодо зниження концентрацій азоту і фосфатів у стічній воді за рахунок їх фізіологічних властивостей. Встановлено максимальне співвідношення маси відпрацьованого мулу і водоростей до біомаси Herpobdella octoculata і Asellus aquaticus, яке дорівнює відповідно 40 та 50 %. При зазначеній кількості живильних речовин відбувається зниження концентрацій азоту та фосфатів з відсутністю аерації стічної води. Здобуті експериментальні дані оброблено за допомогою комп’ютерної програми Statistica 6 і представлено у вигляді залежностей (рис. 2 і 3).

Рис. 2. Карта ліній рівня відображення експериментальних даних для п’явок при визначенні концентрації амонію сольового, мг/дм3: Х – тривалість експерименту, год.; У – маса мулу, г

Рис. 3. Карта ліній рівня відображення експериментальних даних для раків при визначенні концентрації амонію сольового, мг/дм3: Х – тривалість експерименту, год.; У – маса водоростей , г

Середня абсолютна похибка проведених вимірів вмісту азоту амонійного та фосфатів не перевищує 10 %, що свідчить про достовірність отриманих математичних рівнянь.

Для забезпечення екологічно безпечного відведення зворотних вод з очисних споруд м. Дніпродзержинська досліджено роль гідробіонтів у процесах нітрифікації та дефосфотації. Встановлено, що при збільшенні маси відпрацьованого мулу і водоростей під час аерації відбувається зниження концентрацій азоту та фосфатів, що є неможливим для досліджених резервуарів, в яких Herpobdella octoculata і Asellus aquaticus були відсутні. В резервуарі з гідробіонтами Herpobdella octoculata і Asellus aquaticus концентрації азоту та фосфатів знижено на 68 та 27 % відповідно.

На очисних спорудах м. Дніпродзержинська відбувається недостатньо повне мікробіологічне очищення стічних вод внаслідок низької дози активного мулу, зумовленої масовим розвитком нитчастих, які призводять до виносу біомаси.

Для вирішення поставленого питання в лабораторних умовах досліджено вплив дози активного мулу від 1 до 4 г/дм3 на якість очищення стічної води від азоту, фосфатів та ХСК. Експериментами встановлено, що оптимальною дозою активного мулу є 3 г/дм3. Підвищення дози мулу до 4 г/дм3 не доцільно, бо погіршується процес регенерації активного мулу та збільшується навантаження на мулові майданчики. Здобуті експериментальні дані відображені на рис. 4 та 5.

Рис. 4. Тримірна поверхня залежності концентрації амонію сольового від тривалості експерименту та дози мулу: А – концентрація амонію сольового, мг/дм3; Х – тривалість експерименту, год.; У – доза активного мулу, г/дм3

Рис. 5. Тримірна поверхня залежності концентрації фосфатів від тривалості експерименту та дози мулу: А – концентрація фосфатів, мг/дм3; Х – тривалість експерименту, год.; У – доза активного мулу, г/дм3

Експериментами встановлено, що при доведенні дози активного мулу до 3 г/дм3 показники вмісту азоту амонійного, фосфатів та ХСК буде доведено до норм ГДК – 0,9; 1,89 та 37,51 мг/дм3 відповідно. За отриманими рівняннями визначено відносну похибку експериментальних та розрахункових даних, які представлено у вигляді гістограм (рис. 6 і 7).

Рис. 6. Гістограма розподілу експериментальних та розрахункових відносних похибок при визначенні концентрації амонію сольового

Рис. 7. Гістограма розподілу експериментальних та розрахункових відносних похибок при визначенні концентрації фосфатів

Здобуті математичні залежності перевірено на незалежних параметрах. Середня відносна похибка лежить у межах 10 %, що свідчить про достовірність отриманих рівнянь.

У четвертому розділі представлено практичні рекомендації щодо захисту водного середовища від небезпечних компонентів – азоту амонійного, фосфатів, важких металів та завислих речовин. Для вирішення екологічного завдання рекомендовано підвищити ступінь очищення стічної води від азоту амонійного, фосфатів, важких металів і завислих речовин шляхом вдосконалення технології очищення методом збільшення біомаси гідробіонтів Hеrpobdella octoculata, Asellus aquaticus та активного мулу. Основним недоліком в існуючий технології водоочистки є збільшення тривалості перебування активного мулу в регенераторах, яка складає 15 – 18 годин. В такому стані активний мул знаходиться без живлення у 2 рази довше ніж встановлено, втрачаючи свою активність та темпи відновлення. Внаслідок скорочення об’ємів стічних вод, які надходять на очисні споруди м. Дніпродзержинська, тривалість перебування активного мулу у вторинних відстійниках в анаеробних умовах збільшено вдвічі, ніж регламентовано.

Для вирішення поставлених питань запропоновано в існуючій технологічній схемі очистки стічної води (на прикладі м. Дніпродзержинська) до впровадження: вдосконалення первинних відстійників, в яких передбачено подачу повітря для усереднення складу стічної води по концентраціям забруднюючих речовин; урівноваження добової подачі стічної води удосконаленням дренажних труб первинних відстійників, на яких зроблено переливні вікна, обладнані заслінкою, або встановленням на лінії перепуску стічної води в аеротенки автоматичної системи регулювання; зменшення секції регенератора наполовину для скорочення часу перебування активного мулу без живильних речовин; циркуляцію мулу з мулоущільнювача (впроваджено) або ерліфтом; внутрішню циркуляцію мулової суміші між секціями регенератор – аеротенк (впроваджено); збільшення біомаси гідробіонтів Hеrpobdella octoculata, Asellus aquaticus та активного мулу в аеротенках та вторинних відстійниках з застосуванням завантажень без зайвих енерговитрат; послідовне включення вторинних відстійників для зменшення тривалості перебування мулу в анаеробному стані; проведення вакуумної фільтрації дренажної стічної води для зниження вмісту біогенних елементів та кислих газів (рис. 8).

Рис. 8. Удосконалена технологічна схема очистки стічної води з паралельним включенням двох первинних відстійників і аеротенків та послідовним включенням двох вторинних відстійників зі збільшеною біомасою гідробіонтів Herpobdella octoculata, Asellus aquaticus та активного мулу

:

1 – стічна вода після пісковловлювача; 2, 3 – первинні відстійники; 4 – повітря на усереднення концентрацій забруднюючих речовин стічної води; 5 – аератори; 6 – сирий осад; 7 – автоматична система регулювання подачі стічної води в аеротенки; 8 – стічна вода; 9, 11 – регенератори; 10, 12 – аеротенки; 13 – активний мул, поданий ерліфтом або з мулоущільнювача 14; 15 – внутрішня циркуляція мулової суміші ерліфтами; 16 – суміш очищеної стічної води та мулу; 17, 18 – вторинні відстійники; 19 – засувка; 20 – очищена стічна вода; 21 – подача очищеної стічної води на біоставки; 22 – мул після вторинних відстійників; 23 – мулові камери; 24 – надлишковий мул; 25 – ерліфт; 26 – насос; 27 – резервуар активного мулу; 28 – відпрацьований мул 29 – мулоущільнювач, 30 – ущільнений мул, 31 – муловий майданчик; 32 – ємність для рідини; 33 – вакуумний насос; 34 – циліндричне завантаження для аеротенка; 35 – завантаження у вигляді екрана для вторинного відстійника

Впроваджено внутрішню циркуляцію мулової суміші ерліфтом та загальної біомаси мулу з мулоущільнювача, що дозволило довести до норм ГДК вміст азоту амонійного та завислих речовин.

Для розв’язання екологічної проблеми – забруднення водних об’єктів біогенними елементами – розроблено завантаження для збільшення біомаси гідробіонтів Hеrpobdella octoculata, Asellus aquaticus та активного мулу. Поставлена задача вирішується завдяки тому, що в аеротенк для біологічної очистки стічної води занурюється завантаження, виконане у формі циліндра з полімерного матеріалу з перфорованою поверхнею, у середині якого співвісно встановлено багатоярусну вставку, виконану у вигляді горизонтальних дисків зі флізіліну, розташованих один над другим на одній осі, з утворенням між ними і внутрішньою бічною поверхнею циліндра кільцевого зазору, крім того, флізіліном покрито внутрішню циліндричну поверхню завантаження (рис. 9).

Рис. 9. Завантаження для аеротенка – вигляд в аксонометрії та вертикальному перерізі: 1 – полімерний циліндр; 2 – флізілін; 3 – отвори; 4 – вставка; 5 – диски

Завдяки перфорованій поверхні циліндра забезпечується постійний масообмін біоценозу і стічної води. У разі взаємодії активного мулу та гідробіонтів Herpobdella octoculata, Asellus aquaticus зі стічною водою відбувається якісне очищення від біогенних елементів з одночасним відновленням активного мулу та утилізацією відмерлих водоростей. Впровадження завантажень до аеротенків дозволяє збільшити дозу активного мулу до 3 г/дм3 без зайвих енерговитрат.

Для запобігання процесам вторинного звільнення азоту та фосфатів у ході біорозкладання обростань стінок вторинного відстійника у якості завантажуючого матеріалу для біологічної очистки стічної води запропоновано використовувати екрани (рис. 10).

Рис. 10. Загальний вигляд завантаження для вторинного відстійника: 1 – полімерна рамка; 2 – флізілін; 3 – полімерне кріплення; 4 – синтетичне волокно; 5 – отвір

У разі контакту мулової суміші з завантаженням, яке набирає форми відстійника, здійснюється процес іммобілізації водоростей та біоценозу за рахунок високорозвиненої поверхні, при цьому стінки залізобетонних споруд залишаються вільними від біоплівки та макрофітів. Застосування такого типу завантаження не призводить до обростання та замулювання поверхонь відстійників, що створюють перешкоди для роботи мулоскребків, виключає повторне забруднення азотом, фосфатами при біорозкладанні водоростей та застарілої біоплівки.

За допомогою розроблених конструкцій забезпечується безперервна дія аеротенків, вторинних відстійників без виключення їх з робочого стану на промивку та очищення. При необхідності в регенерації завантаження виймають на промивку та знову занурюють.

П’ятий розділ присвячено економічній оцінці впровадження завантажень до аеротенків та вторинного відстійника, рекомендованих для доведення якості зворотних вод до встановлених норм ГДК за показниками вмісту азоту амонійного і фосфатів, відносно яких “Дніпродзержинськводоканал” призначено штрафні виплати за надмірне забруднення навколишнього природного середовища. Встановлено, що вартість матеріалів на виготовлення 672 одиниць завантажень до аеротенків та 124 одиниць для вторинного відстійника складає 10 070,5 та 1 075,33 грн. Сума податків за природокористування та збитків заподіяних державі внаслідок забруднення р. Дніпро, складає 25 369,90 грн. Завдяки впровадженню завантажень обсяги скидань забруднюючих речовин у р. Дніпро можливо знизити по азоту з 42,10 до 6,90 т/рік, по фосфатам з 62,90 до 14,48 т/рік. Застосування завантажень до аеротенків дозволить підвищити дозу активного мулу до 3 г/дм3 без зайвих витрат на електроенергію. Аналіз розрахункових даних свідчить, що проектний метод ефективніший за існуючий (коагуляцію), який потребує витрат коштів на придбання необхідних додаткових споруд. На базі здобутих даних можна зробити висновок, що річний економічний ефект від запобігання збиткам складатиме 1 000 грн. У даному випадку зниження собівартості здійснюється завдяки впровадженню вдосконалених технологій очистки стічної води від азоту, фосфатів та завислих речовин методом збільшення біомаси гідробіонтів Herpobdella octoculata, Asellus aquaticus та активного мулу на розроблених завантаженнях.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Забезпечення екологічної безпеки водних об’єктів у місці скидання зворотних вод шляхом доведення якості очистки стічної води до встановлених норм ГДК є однією з найважливіших актуальних задач. У дисертації поставлено та розв’язано проблему доведення якості зворотних вод по показниках вмісту біогенних елементів та завислих речовин до встановлених норм ГДК.

2. Визначено негативний вплив скидання зворотних вод на стан Дніпродзержинського водосховища. Встановлено відхилення від нормативів ГДК показників вмісту екологічно небезпечних компонентів зворотних вод – азоту амонійного, фосфатів та завислих речовин у 2,8, 3,0 і 1,8 рази відповідно.

3. Визначено, що при співвідношенні маси відпрацьованого мулу 40 % та водоростей 50 % від біомаси гідробіонтів Herpobdella octoculata і Asellus aquaticus, відбувається зниження показників вмісту азоту амонійного та фосфатів у стічній воді.

4. Науково обґрунтовано та досліджено роль гідробіонтів Herpobdella octoculata і Asellus aquaticus на зниження вмісту екологічно небезпечних компонентів – азоту амонійного і фосфатів у стічній воді на 68 та 27 % відповідно.

5. Встановлено і досліджено процес акумуляції важких металів зі стічної води – свинцю, кадмію, марганцю, міді, кобальту, цинку та заліза гідробіонтами Herpobdella octoculata і Asellus aquaticus у кількості: 17 540; 121; 6 168; 4 183; 42 166 та 371 699 мг.

6. Розроблено технічні рішення та встановлено оптимальні параметри завантажень до аеротенків для доведення якості зворотних вод по показниках вмісту азоту амонійного, фосфатів та завислих речовин до встановлених норм ГДК методом підвищення дози активного мулу до 3 г/дм3 та збільшення біомаси Herpobdella octoculata, Asellus aquaticus у 8 – 11 разів.

7. Для покращання стану Дніпродзержинського водосховища р. Дніпро у місці скидання зворотних вод на очисних спорудах м. Дніпродзержинська впроваджено внутрішню циркуляцію активного мулу в системі регенератор – аеротенк і нову систему циркуляції загальної біомаси мулу з мулоущільнювача до регенераторів, завдяки чому вміст екологічно небезпечних інгредієнтів – азоту амонійного та завислих речовин – доведено до норм ГДК, концентрацію фосфатів знижено на 12 %.

8. Для захисту басейну Дніпра від антропогенного забруднення зворотних вод рекомендовано впровадити вдосконалену технологічну схему очистки стічної води шляхом збільшення біомаси гідробіонтів Herpobdella octoculata, Asellus aquaticus і активного мулу на завантаженнях, яке забезпечить зниження обсягів скидань забруднюючих речовин у р. Дніпро до норм ГДК по азоту з 42,10 до 6,90 т/рік, по фосфатам з 62,90 до 14,48 т/рік з отриманням прибутку у розмірі 12 тис. грн. Доведено економічний ефект від відвертання збитків на 1 млн. грн. впровадженням завантажень на суму витрат 11 тис. грн.  

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Корнієнко І. М., Волошин М. Д., Шаломов В. А. Дослідження видового складу біоценозу активного мулу на очисних спорудах міста Дніпродзержинська // Новини науки Придніпров’я. – 2004. – № 1. – С. 65 – 67.

2. Корнієнко І. М., Волошин М. Д. Інтенсифікація біологічного очищення стічних вод збільшенням дози активного мулу // Вопросы химии и химической технологии. – 2004. – № 4. – С. 216 – 219.

3. Корнієнко І. М., Волошин М. Д. Дослідження ідентифікованих видів Herpobdella octoculata та Asellus aquaticus, вилучених з очисних споруд м. Дніпродзержинська // Вісник НТУ “ХПІ”. – Харків: НТУ “ХПІ”, 2004. – № 37. – С. 70.

4. Корнієнко І. М., Волошин М. Д., Полянчиков О. І. Визначення важких металів у гідробіонтів Herpobdella octoculata та Asellus aquaticus, вилучених з очисних споруд міста Дніпродзержинська // Екологія і природокористування: Зб. наук. пр. / Інститут проблем природокористування та екології НАН України. – Дніпропетровськ: Моноліт, 2004. – Вип. 7. – С. 187 – 191.

5. Корнієнко І. М., Волошин М. Д., Полянчиков О. І. Порівняльна характеристика процесів біосорбції та біоакумуляції важких металів у гідробіонтів Herpobdella octoculata, Asellus aquaticus та активного мулу, вилучених з очисних споруд м. Дніпродзержинська // Вісн. ДНУ залізничного транспорту ім. ак. В. Лазаряна. – Дніпропетровськ: ДНУ залізничного транспорту, 2005. – Вип. 6. – С. 28 – 32.

6. Пат. 1110025 UА, МКИ С О2 F 11/12. Муловий майданчик: Пат. 1110025 UА, МКИ С О2 F 11/12 / М. Д. Волошин (UА), О. М. Плахотнік (UА), А. С. Ктітаров (UА), Г. А. Михайленко (UА) , М. І. Панченко (UА), І. М. Корнієнко (UА). – № 73657; Заявл. 06.11.2003; Опубл. 15. 08. 2005, Бюл. № 8. – 4 с.

7. Пат. 043126 UА, МКИ В 01 D 21/00. Радіальний відстійник для відстоювання міських стічних вод: Пат. 043126 UА, МКИ В 01 D 21/00 / О. М. Плахотнік (UА), А. С. Ктітаров (UА), О. Л. Щербак (UА), М. Д. Волошин (UА), Я. М. Черненко (UА), І. М. Корнієнко (UА). – № 64229; Заявл. 08.04.2003; Опубл. 16.02.2004, Бюл. № 2.– 6 с.

8. Пат. 06135 UА, МКИ С О2 F 3/00. Установка для біологічної очистки стічних вод: Пат. 06135 UА, МКИ С О2 F 3/00 / І. М. Корнієнко (UА), М. Д. Волошин (UА), О. М. Плахотнік (UА). – № 10778; Заявл. 21.06.2005; Опубл. 15. 11. 2005, Бюл. № 11. – 4 с.

9. Корнієнко І. М. Інтенсифікація біологічної очистки стічних вод від перевищених концентрацій амонію сольового та фосфатів, використовуючи властивості Herpobdella octoculata і Asellus aquaticus // Зб. тез доповідей VII Між нар. конф. “Екологія. Людина. Суспільство”. – К: НТУ України, 2004. – С. 127.

10. Корнієнко І. М., Волошин М. Д., Полянчиков О. І. Використання біосорбційних властивостей Herpobdella octoculata і Asellus aquaticus у вирішенні проблем забруднення водойм від важких металів // Матер. другої Міжнар. конф. “Довкілля – ХХI. Перехід до сталого розвитку”. – Дніпропетровськ: Інститут проблем природокористування та екології НАН України, 2004. – С. 72 – 74.

11. Корнієнко І. М., Волошин М. Д. Використання полісинтетичного матеріалу, як носія для покращення іммобілізації живих організмів Herpobdella octoculata і Asellus aquaticus // Тез доповід. ІІ Міжнар. конф. “Хімія і сучасні технології”. – Дніпропетровськ: Український державний хіміко-технологічний університет, 2005. – С. 296.

Особистий внесок здобувача у роботах, опублікованих у співавторстві, такий: [1], [3] – розробка, виготовлення експериментальної насадки з визначенням кількісних співвідношень гідробіонтів Herpobdella octoculata, Asellus aquaticus від тривалості експерименту; [2] – розробка пілотної установки, на якій встановлено оптимальну дозу активного мулу для очисних споруд м. Дніпродзержинська; [4], [5], [10] – відбір проб досліджуваного матеріалу, підготовка матеріалу для аналізу, мінералізація проб відповідно ГОСТ 26657-85 та обробка результатів дослідів; [6] – визначення впливу вакууму на вміст азоту та фосфору; [7] – запропоновано необхідність регулювання перетину переливних вікон; [8] – розробка циліндричного завантаження до аеротенка для збільшення біомаси гідробіонтів Herpobdella octoculata, Asellus aquaticus та активного мулу; [9] – розробка методики визначення впливу гідробіонтів Herpobdella octoculata і Asellus aquaticus на процеси нітрифікації та дефосфотації, проведення досліджень; [11] – розробка та випробування завантаження у вигляді екрана у вторинному відстійнику, яке дозволяє запобігати процесам біообростання стінок споруд.

Анотації

Корнієнко І. М. Захист водних об’єктів від біогенних елементів та завислих речовин (на прикладі м. Дніпродзержинська) . – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 21.06.01 – екологічна безпека. – Український науково-дослідний інститут екологічних проблем, Харків, 2007.

Дисертацію присвячено вирішенню актуального завдання – забезпечити екологічну безпеку навколишнього природного середовища з доведенням концентрацій токсичних речовин у стічній воді до встановлених норм ГДК по певних інгредієнтах – азоту амонійному, фосфатах та завислих речовинах – підвищенням якості очистки стічної води удосконаленими технологіями.

Проведено комплексне дослідження біоценозу активного мулу очисних споруд, під час якого вперше визначено закономірності іммобілізації живих організмів Herpobdella octoculata і Asellus aquaticus.

Встановлено необхідність використання фізіологічних властивостей гідробіонтів Herpobdella octoculata і Asellus aquaticus для створення екологічно безпечної санітарно-епідеміологічної ситуації в районі скидання зворотних вод. Встановлено максимальну кількість утилізованих живильних речовин гідробіонтами Herpobdella octoculata і Asellus aquaticus. Розроблено завантаження з метою доведення якості очищеної стічної води для екологічно безпечного скидання за рахунок покращання іммобілізації і збільшення біомаси гідробіонтів Herpobdella octoculata, Asellus aquaticus та активного мулу. Визначено оптимальну дозу активного мулу, яка дорівнює 3 г/дм3.

Розроблено підхід для забезпечення екологічно безпечного стану р. Дніпро в районі скидання зворотних вод з очисних споруд м. Дніпродзержинська, що включає розробку науково-технічних рішень, частина яких впроваджена. Виконано оцінку економічної ефективності розроблених завантажень (на прикладі очисних споруд м. Дніпродзержинська).

Ключові слова: стічна вода, забруднення, екологічна безпека, очищення, азот амонійний, фосфати, важкі метали, завислі речовини, економічний ефект.

Корниенко И. М. Защита водных объектов от биогенных элементов и взвешенных веществ (на примере г. Днепродзержинска). – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 21.06.01 – экологическая безопасность. – Украинский научно-исследовательский институт экологических проблем, Харьков, 2007.

Диссертация посвящена анализу причин и определению экологических последствий загрязнения р. Днепр недостаточно очищенной сточной водой от азота аммонийного, фосфатов, тяжелых металлов и взвешенных веществ. Для повышения экологической безопасности водных объектов разработаны технические мероприятия на очистных сооружениях г. Днепродзержинска по доведению качества возвратных вод до установленных нормативов ПДК по азоту аммонийному, фосфатам и взвешенным веществам.

Активизация хозяйственно-производственной деятельности человека в современных условиях природопользования и глобальные масштабы ее воздействия на главные составляющие биосферы создают ситуацию острого экологического кризиса, обусловленного деградацией объектов окружающей природной среды. Исходя из этого,