Екологічно безпечні технологічні процеси іонообмінно-біологічного очищення стічних вод від амонійного азоту

Abstract

Дисертація присвячена підвищенню рівня екологічної безпеки шляхом впровадження енергоефективної технології очищення стічних вод від амонійного азоту за умови сумісного застосування іонообмінних та біологічних процесів. Теоретично та експериментально досліджено обмінну ємність та селективність різних іонообмінних матеріалів (катіоніту КУ-2-8, катіоніт Purolite СІ04, природних та штучних цеолітів) у відношенні до іону амонію в процесах очищення стоків різного складу. Вивчено вплив складу регенераційного розчину на ефективність регенерації іонообмінних матеріалів. Досліджено вплив температури, концентрацій субстрату та NaCl у стічних водах на активність біологічного процесу Anammox. Проведений комплекс досліджень з метою адаптації аеробних та анаеробних бактерій-окисників амонію до підвищеного солевмісту та перевірки можливості очищення регенерату іонного обміну з використанням біологічного процесу часткової нітритації/Anammox. Результати роботи біологічних реакторів, що працювали за різних стратегій регулювання солевмісту, показали, що підвищення солевмісту вихідних стоків на 2,5 г/дм3 кожні два тижні є кращою стратегією і вона є прийнятною для адаптації культури бактерій аеробних та анаеробних окисників амонію. В результаті аналізу даних досліджень розроблені технічні рішення зі забезпечення екологічної безпеки на основі технологічних схем очищення міських стоків із вилученням амонію за двостадійною технологією.

Диссертация посвящена повышению уровня экологической безопасности путем внедрения энергоэффективной технологи очистки сточных вод от аммонийного азота при условии совместного применения ионообменных и биологических процессов. Теоретически и экспериментально исследовано обменную емкость и селективность различных ионообменных материалов (катионита КУ-2-8, катионита Purolite С104, природных и искусственных цеолитов) по отношению к иону аммония в процессах очистки стоков различного состава. В результате исследования различных ионообменных материалов установлено, что максимальная емкость насыщения ионообменных материалов аммонием достигается для катионита КУ-2-8, природный и синтетический цеолит имеют более низкую, практически одинаковую емкость, емкость слабокислотного катионита Purolite С104 незначительная. Максимальная концентрация аммония в регенерате наблюдается для катионита КУ-2-8, а минимальная - для природного цеолита. Изучено влияние состава регенерационного раствора на эффективность регенерации ионообменных материалов. Установлено, что максимальная концентрация NaCl в регенерационном растворе позволяет достичь максимальной концентрации аммония в регенерате, однако даже при использовании раствора NaCl концентрацией 10 г/дм3 достигается необходимый степень концентрирования. В связи с этим в случаи использования неадаптированной культуры бактерий целесообразно использовать регенерационный раствор с концентрацией NaCl 10 г/дм3. Исследовано влияние температуры, концентраций субстрата и NaCl в сточных водах на активность биологического процесса Anammox. Проведен комплекс исследований с целью адаптации аэробных и анаэробных бактерий -окислителей аммония к повышенному солесодержанию и проверки возможности очистки регенерата ионного обмела с использованием биологического процесса частичной нитритации/Anammox. Результаты работы биологических реакторов, которые работали по различным стратегиям регулировки солесо-держания, показали, что повышение солесодержания выходных стоков на 2,5 г/дм3 каждые 2 недели является лучшей стратегией. Эта стратегия приемлема для адаптации культуры бактерий аэробных и анаэробных окислителей аммония. В результате анализа данных исследований разработаны технические решения по обеспечению экологической безопасности в условиях загрязнения гидросферы ионами аммония путем применения комбинирования ионообменных процессов с биологическими процессами частичной нитритации и процесса Anammox. Реализация этих решений позволяет повысить эффективность очистки сточных вод от азотосодержащих соединений с 40%, которая достигается в применяемых в Украине аэробных системах очистки стоков, до 87%. В сравнении с очисткой сточных вод от азотосодержащих соединений методами нитрификации и денитрификации, разработанная технология разрешает уменьшить количество активного ила, который образуется вследствие прохождения биологических процессов преобразования азота, в 10,4 раза, уменьшить на 216 грн расходы на очистку каждой тысячи м3 стоков.

The scope of the thesis is increase of environmental safety by implementation of energy efficient technology of ammonium removal from wastewater which includes combined application of ion exchange and biological processes. In this study exchange capacity and selectivity of different ion exchange materials (cation exchange resins KU-2-8 and Purolite Cl04, natural and synthetic zeolites) for ammonium ion was studied theoretically and experimentally using wastewaters of different content. Influence of regenerant content on effectiveness of ion exchange materials regeneration was established. Impact of temperature, substrate concentration and NaCl content on activity of Anammox bacteria was determined. Complex of experiments was carried out with an aim of aerobic and anaerobic ammonium oxidation bacteria adaptation to increased salinity and testing possibility of ion exchange regenerate treatment with partial nitritation/Anammox process. Performance of biological reactors which were operated with different strategies of salinity change showed that increase of salinity by 2.5 g/dm3 every two weeks is a strategy that allows adapting bacteria culture of aerobic and anaerobic ammonium oxidizers. By analyzing research outcomes, technical solutions for improving environmental safety were developed, which are based on technological schemes of municipal wastewater treatment with two-step technology of ammonium removal.