Geum.ru
Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по биологии  

На правах рукописи

ЧИЧИЛЕИШВИЛИ

Георгий  Давидович

СИСТЕМНОЕ РЕШЕНИЕ РЕМЕДИАЦИИ

МАЛЫХ И СРЕДНИХ РЕК

В ЗОНАХ ТЕХНОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ

03.01.06 - биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

Щелково  - 2012

Работа выполнена в ГНУ Всероссийский научно-исследовательский и технологический институт биологической промышленности Россельхозакадемии

Научный руководитель:  Денисов Аркадий Алексеевич, доктор биологических наук, профессор, лауреат премии Правительства РФ, Заслуженный деятель науки РФ, ГНУ Всероссийский научно-исследовательский и технологический институт биологической промышленности, заведующий отделом Производственная санитария и охрана окружающей среды

  Официальные оппоненты:

Павлина Ирина Игоревна - доктор технических наук, профессор, лауреат премии Правительства РФ,  ФГБОУ ВПО Московская академия коммунального хозяйства и строительства, заведующая кафедрой Коммунального и промышленного водопользования;

Смирнова Ирина Робертовна -  доктор ветеринарных наук, профессор, ФГБУ ВПО Московский государственный университет пищевых производств, профессор кафедры Ветеринарно-санитарная экспертиза;

Ведущая организация: ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт ветеринарной санитарии, гигиены и экологии Россельхозакадемии

Защита состоится 21 декабря 2012 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук Д 006.069.01 при Всероссийском научно-исследовательском и технологическом институте биологической промышленности по адресу: 141142, Московская область, Щелковский район, пос. Биокомбината, д. 17,  ВНИТИБП; тел/факс: 8(496) 56а732-63;

E-mail:vnitibp@mail.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Всероссийского научно-исследовательского и технологического института биологической промышленности.

Автореферат разослан 20 ноября 2012г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат биологических наук  Фролов Ю.Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Реки представляют биологическую роль, являсь носителем животной и растительной сообществ. К этим природным условиям добавились антропогенные особенности, такие как санитарная практическая деятельность (производство питьевой воды, отбор и отвод речной воды, сброс сточных вод), экономический фактор (орошение, промышленность рыборазведение, навигация) и курортная деятельность (купание, рыбалка).

Питательные вещества оказывают влияние на рост растительности как своей концентрацией, так и относительными пропорциями антропогенной активности, такими как сбросы в природные среды промышленных и хозяйственно-бытовых отходов,  вызвали значительное увеличение содержаний азотных и фосфорных питательных веществ в водных средах, вызывая явления  эвтрофикации.

Существенный вклад в развитие биологических  методов обработки органосодержащих отходов при апробации морфологической и экологической  оценки прогноза  риска  загрязнений  малых и средних рек, а также системного решения санации водных потоков в зонах интенсивного хозяйственно-бытового и промышленного техногенного загрязнения, внесли: С.В. Яковлев, Я.А. Карелин, И.В. Скирдов, И.Р. Смирнова, В.Г. Тюрин, И.И. Павлинова,  В.И. Баженов, Ю.Ф. Эль, Т.А. Карюхина,  И.Н. Чурбанова, А.А. Денисов и другие.

Интегрированное решения проблемы представляется как необходимость ограничить негативные воздействия систем оздоровления принимаемых сред. Оно позволяет оптимизировать систему в фазе познания, так же как для его управления. Такое интегрирование требует хорошее знание о поведении каждой из подсистем, которые составляют совокупность: сеть, станция очистки и приемная среда, а также контроль границы контакта между представленными подсистемами. Среди переменных величин, обуславливающих интенсивность воздействия на воды малых и средних рек, являются органические вещества, связанные с различными участками.

Вследствие того, что имеющаяся научно-техническая информация по этому вопросу должным образом не систематизирована, научно обоснованные рекомендации по оформлению процессов модели оценочного прогноза различных классов разложения растворенного органического вещества вдоль технологической цепи позволяит создать методологию, при помощи которой возможно наблюдение и прогнозирование параметров характеристик водного потока.

Настоящая диссертация выполнялась в лабораторных условиях и на полупромышленных пилотных установках, смонтированных на действующих очистных сооружениях ряда промышленных объектов, в отделе производственной санитарии и охраны окружающей среды ГНУ ВНИТИБП РАСХН в соответствии с планами фундаментальных и приоритетных прикладных исследований Россельхозакадемии по научному обеспечению развития АПК РФ на 2011-2015 годы (РК №02201158629; РК №01201169494) на базе отдела Производственная санитария и охрана окружающей среды ГНУ Всероссийский научно-исследовательский и технологический институт биологической промышленности Россельхозакадемии.

Цели и задачи исследования.

Целью настоящей работы являлась разработка системного решения прогнозирования ремедиации водных потоков малых и средних рек с помощью  морфологической и экологической  оценки прогноза  риска в зонах хозяйственно-бытового и промышленного техногенного загрязнения.

При выполнении работы были поставлены следующие задачи:

- изучение процессов фотосинтеза бактериально-водорослевого фитопланктона в условиях изменения состава питательных веществ по растворенным и дисперсным органическим веществам и биогенным элементам - азоту и фосфору;

- разработать морфологическую и экологическую  оценки прогноза риска загрязнений средних и малых рек регионов подверженных антропогенному воздействию;

- разработать модель комбинированного технологического процесса биологического удаления фосфора и азота из сточных вод сооружений биологической очистки;

- разработка методов эффективной доочистки сточных вод от органических и минеральных загрязнений.

- разработать модель прогнозирования интегрированного управления всей системой: сети - станция очистки - река, для оценки деструкции органических веществ, растворенных в речных водных потоках;

Научная новизна.

Определены условия развития иммобилизованного и диспергированного биоценоза малых рек по биохимическим характеристикам:  параметрам беззольного вещества, хлорофилла а, индексу удельной чувствительности, N-гетеротрофному питанию.

Установлено качественное и количественное описание роста биопленки в верховье и низовье рек.

Разработана модель технологического процесса биологической очистки сточных вод от растворенных органических соединений, азота и фосфора, позволяющая прогнозировать степень удаления биогенных элементов перед сбросов в водные потоки рек.

Разработана модель ремидиации водного потока реки на основе модульной схемы, описывающей процессы биоразложения органического вещества,  позволяющая осуществить прогнозировать интегрированное управление всей системой: сети - станция очистки - река, для оценки деструкции органических веществ, растворенных в речных водных потоках.

Меделирующими элементами являются: растворенный кислород, отношение БПК/ХПК, биогенные элементы азот и фосфор, температура, микроорганизмы.

Предложен оценочный метод разложения растворенного органического вещества в образцах, отобранных вдоль технологической цепи: сети -  станция очистки - река.

Практическая значимость.

Полученные результаты и выводы базируются на материалах теоретических, модельных и экспериментальных исследований биологических систем малых и средних рек и позволяют с высокой степенью надежности рекомендовать их к практическому использованию в промышленных масштабах при моделировании прогнозов загрязнения и создания комплексной систем биологической ремедиации водных потоков. с учетом особенностей конкретных видов сточных вод и конструктивно-технологических характеристик систем их биологической очистки и доочистки.

Апробация работы.

На основании проведенных исследований разработаны:

Методические положения Моделирование процессов массопередачи кислорода и усвоение субстрата в барботажных реакторах с иммобилизованной биопленкой. (Утв. Отделением ветеринарной медицины РАСХН 14.04.2011г.)

Методические положения Морфологическая и экологическая  оценка прогноза риска загрязнений рек регионов функционирования предприятий АПК (Утв. Отделением ветеринарной медицины РАСХН 09.11.2012г.)

Методическое руководство прогноза степени доочистки сточных вод и  выходу массы фитопланктона из биологических прудов объектов очистных сооружений предприятий АПК на этапах глубокой доочистки и обеззараживания жидких стоков. (Утв. Отделением ветеринарной медицины РАСХН 21.10.2010г.)

Техническое задание на проведение опытно-конструкторских работ: Очистка сточных вод с использованием иммобилизационно-фильтрующих систем, повышающих надежность и производительность функционирования очистных сооружений предприятий АПК. (Утв. Отделением ветеринарной медицины РАСХН 09.11.2012г.).

Результаты и материалы выполненной работы использованы ЗАО Водоснабжение и водоотведение г.Москва при проведении проектно-конструкторских работ по реконструкции  сооружений биологической очистки ЗАО Челныводоканал, 2012г.;  ОАО ВОДОКАНАЛ Тюменская обл. г. Ишим при проведении проектных работ по реконструкции очистки сточных вод ОАО Водоканал г. Ишим; МУП МО Московская обл. Истринский р-н Павло-Слободское ремонтно-эксплуатационное предприятие жилищно-коммкнального хозяйства при адаптации научно-исследовательской работы на в производственных условиях, 2012г;  при апробации  морфологической и экологической  оценки прогноза  риска  загрязнений  малых и средних рек  регионов функционирования предприятий АПК и системного решения санации бассейнов малых и средних рек в зонах интенсивного хозяйственно-бытового и промышленного техногенного загрязнения.

Материалы диссертационной работы доложены на IV Моск. Межд. Конгр. Биотехнология: состояние и перспективы развития, Москва, 2011. Межведомственный тематический научный сборник. Харьков. 2010, Международной научно-практической конференции Научные основы производства и обеспечения качества биологических препаратов для АПК,  Щелково. 2012.

Структура и объем диссертации.

Работа состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 221 страницах машинописного текста, содержит 66 рисунков, 19 таблица, 7 приложения. Библиография включает 251 наименований, из которых 82 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Обзор литературы, посвященный анализу современного состояния вопроса по теме работы, приведен в главе 1. Анализ имеющейся информации по этой проблеме показал, что проблемы малых рек - одна из ключевых проблем инженерии, гидрологии, экологии, водного хозяйства и других отраслей, связанных с использованием водных ресурсов. Восстановление и сохранение водных ресурсов страны в экологически благоприятном состоянии должны являться стратегическим направлением государственной водохозяйственной политики.

Таким образом, различные функции гидросистем могут сближаться при  ассоциативном употреблении.

Модель оценки и прогнозирования экологического состояния водных потоков рек по быстро биоразлагаемому веществу, не является  абсолютно измеримым, как при измерении определенного химического элемента. Определение биоразложения или скорости биоразложения - это понятия, которые тесно зависят от различных факторов среды и, в особенности, от объема биомассы при нагрузке разложения. Таким образом, определение быстро биоразлогаемых веществ сильно зависит от совокупности экспериментальных исследований.

Конструкция модели позволяет распространить применимость прогноза на поведении рассматриваемой схемы потока. Модель позволяет создать методологию, при помощи которой возможно наблюдение и прогнозирование за характеристиками водного потока системы.

Ранее были предложены несколько методов измерений органических быстроразлагаемых веществ при очистке сточных вод. Эти методы хорошо имитировали функционирование очистных сооружений, соблюдая принцип, согласно которому, в области, где количество экспериментов остается ограниченными, измерения должны быть выполнены в условиях, наиболее приближенным к реальным.

Использование модели позволяет рациональное использование данных в  работе, с водами сильно отличающихся своими характеристикам, при оценке органических быстроразлагающихся веществ, которые представляют различные этапы движения органики в отводящей сантехнической системе, в сточных водах очистных сооружений и водах реки.

Таким образом, несмотря на имеющиеся к настоящему времени отдельные научно-исследовательские разработки по рассматриваемой проблеме, методы системного решения ремедиации малых и средних рек в зонах техногенного загрязнения открытых водоемов еще не нашли широнкого и всестороннего применения в экологической практике охраны природной среды регионов. Это объясняется тем, что имеющаяся информационная база по указанной проблеме не дает научно-обоснованных практических рекомендаций по аппаратурно-технологическому оформлению процессов доочистки стоков в промышленных условиях.

В главе 2 лОБЪЕКТЫ, МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ приведено описание объектов исследования, применяемых материалов, методов исследований и способов обработки их результатов. Настоящая работа проводилась с целью разработки системного решения прогнозирования ремедиации водных потоков малых и средних рек с помощью  морфологической и экологической  оценки прогноза  риска в зонах хозяйственно-бытового и промышленного техногенного загрязнения.

Объектом исследований являлись системы биологической обработки, как городских и поселковых очистных сооружений от биогенных элементов,  так и водных потоков с помощью фитопланктона, формируемого в открытых водоемах - малых и средних реках средней полосы Российской Федерации.

Испытаниям подвергались предварительно обработанные на традиционных сооружениях аэробной биологической очистки коммунальные стоки, показатели загрязнений которых не удовлетворяли требованиям природоохранных органов по сбросу в водоемы рыбохозяйственного назначения.

Экспериментальные исследования проводились на лабораторных и пилотных  установках, смонтированных непосредственно на городских очистных сооружениях и на пунктах отбора проб, расположенных выше и ниже точки сброса с локальных очистных сооружений.

При испытаниях производился контроль физико-химических и биологических параметров сточных вод и биоценоза  речных потоков.

Пробы сточной воды подвергались физико-химическому анализу на определение показателей: концентрации взвешенных веществ, БПК5, концентрации нитритов, нитратов и фосфатов.

На реке образцы отбирались в разных местах и поверхностях, а также на разной глубине.

По результатам измерений были получены интегральные закономерности распределения указанных выше показателей, позволяющие определить их среднестатистические значения.

Идентификация составов бактериально-водорослевой микрофлоры производилась на электронном и оптическом микроскопах.

При идентификации родов и видов бактерий использовался Краткий определитель бактерий Берги, Мир, Москва, 1980. При идентификации водорослей использовались: определители Голербах М.М.  Определение. Пресноводные водоросли СССР. Сине-зеленые водоросли. М., Советская наука, 1953, Мошкова И.А.  Определение. Пресноводные водоросли СССР. Зеленые водоросли. Л., Наука, 1986.

Белякова Р.Н., Волошко Л.Н., Гаврилова О.В., Гогорева Р.М., Макарова И.В., Околотков Ю.Б., Рундина Л.А. Водоросли, вызывающие лцветение водоемов северо-запада России. РАН. Ботанический институт им. В.Л.Комарова. М. 2006.

Баринова С.С., Медведева Л.А. Атлас водорослей - индикаторов сапробности. Владивосток, Дальнаука, 1996. 

В главе. 3. РАЗВИТИЕ ИММОБИЛИЗОВАННОГО И ДИСПЕРГИРОВАННОГО  БИОЦЕНОЗА МАЛЫХ РЕК  приведены результаты изучения физиологии и условия жизнедеятельности растительного и животного мира в малых и средних реках.

Процессы изучения количественного  описания роста биопленки в зависимости от беззольного сухого вещества и хлорофилла а.

На основании экспериментальных результатов заметно, что в основе беззольного вещества, рост в верховье регулярный в то время как он быстро становится постоянным низовье. Тем не менее, колебания между станциями значительны.

Относительно параметра хлорофилла а, разброс величин между двумя  станциями, проявляются также выражено (рис. 1).

Обнаруживается подобное сходство между обоими пунктами контроля (рис. 2). Исходя из гипотезы, что сильный рост водорослей ставит в неблагоприятные условия рост бактерий, степень  жизнеспособных бактерий на станции в низовье лучше коррелирует с содержанием Chla. Напротив, это не проявляется на станции верховья (увеличение части жизнеспособных бактерий).

Рис. 1.  Изменение концентрации в зависимости от времени

Беззольного вещества MSSC

Хлорофилла а

Рис. 2. Изменение концентрации питательных веществ

от сброса со станции очистки сточных вод

выше по течению

ниже по течению

Место обследования биоповреждений определялось наличием или отсутствием сбросов в реку.

Тип сбросов является критерием, который должен быть объединен в общую характеристику. 

Таким образом, загрязнение может быть локализовано, в случае отвода бытовых сточных вод, или рассеиваться, в случае вымывания сельскохозяйственных почв.

При испытаниях производился контроль физико-химических и биологических параметров сточных вод и биоценоза  речных потоков выше и ниже сброса со станции очистки сточных вод (рис. 2).

На реке, физико-химические характеристики описывают станцию верховья, мало обогащенную и станцию низовья, слегка более обогащенную по фосфатам (в PO43-). Можно наблюдать развитие биопленок:

- по параметрам беззольного вещества и хлорофилла а: отмечается небольшое различие между пунктами отбора проб верховье/низовье. Тем не менее, рост более регулярный в верх по течению, тогда как вниз по течению отмечается его замедление. Это приводит к выводу, что вниз по течению, большее обогащение воды приводит к более быстрому росту биопленки и, следовательно, к фазе стационарного роста (равновесия), которая проявляется раньше, чем вверху по течению. По хлорофиллу а наблюдаются сильны различия между обеими пунктами отбора проб, вниз по течению имеем более высокие значения. Нужно также подчеркнуть, что изменение биопленки в низовье слабо лимитированы по беззольному веществу MSSC точка;

- по параметру Пропорция жизнеспособных бактерий: помимо подобия результатов  между обоими контрольными пукнктами, этот параметр дает мало  информации, относящейся к развитию роста биопленок;

- относительно Индекса Удельной чувствительности (IPS), оба контрольных пункта сохраняют диапазон категории качества на протяжении всего эксперимента;

- по NЦГетеротрофному питанию: этот параметр мало различает пункты наблюдения между собой, единственное наиболее значимое различие находится в более значительной доле сообществ NЦгетеротрофов (факультативные и облигатные), уменьшающихся в зависимости от времени. Можно предположить, что это имеет отношение  к улучшению установившегося качества воды  и, таким образом,  подтвердить реакционную способность сообществ биопленки к составу воды.

Способом лабораторной идентификации, при совместном анализе информации, был найден баланс качественных составителей, поступающих при качественном описании трофического определения водной среды.

Глава 4. Моделирование технологических процессов удаления фосфорных соединений из органосодержащих сточных вод, а также ремидиации водного потока реки  посвящена решению актуальной задачи предусматриваещей проведение комплекса экспериментально-технологических исследований и разработку модели прогноза и научно-обоснованных рекомендаций по модернизации очистных сооружений с целью гарантированного удаления фосфора из сточных вод перед сбросов в открытые водоисточники, а также разработке модели описывающей эволюцию загрязняющих веществ в моделе ремедиации водного потока реки.

По результатам исследований была выявлена динамика изменения окислительно-восстановительного потенциала Eh по ходу технологического процесса в анаэробной и аэробной зонах обработки смеси сточной воды и активного ила, при этом производилось моделирование этапа анаэробной обработки в течение 0,5; 1,0 и 1,5 часа.

Результаты испытаний показали, что характер изменения редокс-потенциала Eh оказывает непосредственное влияние на  концентрацию фосфатов в смеси сточной воды и активного ила. Это связано с тем, что в анаэробных условиях имеет место высаливание фосфатов из клеток микроорганизмов и, соответственно, увеличение их концентраций в жидкой среде. Выброс фосфатов клетками микроорганизмов (лвысаливание) сопровождается переходом полифосфатов в ортофосфаты, которые в дальнейшем усваиваются микроорганизмами в аэробной зоне обработки. В аэробных условиях наблюдается процесс  усвоения фосфатов клетками микроорганизмов и, соответственно, снижение их концентраций в смеси сточной воды и активного ила.

На рис. 3 приведена зависимость величины снижения концентрации усвоенных фосфатов  в аэробной зоне от величины Eh в анаэробной зоне. Видно, что при увеличении Eh имеет место уменьшение темпов снижения концентраций усвоенных фосфатов. При этом при увеличении времени анаэробной обработки с 0,5 до 1,5 часа интенсивность усвоения фосфатов возрастает.

При проведении экспериментальных работ была также исследована возможность совершенствования процесса  технологической обработки за счет циклического вывода части активного ила и последующей дополнительной подачи исходных стоков в процессе аэробной обработки. Технологически это сводилось к организации дополнительной анаэробной зоны обработки путем отключения подачи воздуха и включения механической мешалки.

На рис. 4 приведены изменения концентрации фосфатов от времени обработки в анаэробной и аэробной зонах при организации дополнительной анаэробной зоны в процессе аэробной обработки. Видно, что введение дополнительной анаэробной зоны приводит к уменьшению величины Eh и, соответственно, к увеличению концентрации фосфатов. При последующем переходе в аэробную зону имеет место интенсивное усвоение фосфатов клетками микроорганизмов и снижение концентрации фосфатов в смеси сточной воды и активного ила. В результате этого степень очистки сточной воды от фосфатов возрастает на 70-80%.

Микробиологические исследования, проведенные  с использованием оптического и электронного микроскопов, показали, что с увеличением продолжительности анаэробной обработки на начальном этапе биологической очистки и введением дополнительной анаэробной секции  на этапе анаэробной обработки имеет место улучшение процесса флокулообразования бактерий биоценоза активного ила.

Наблюдения показали, что при продолжительности  начальной  анаэробной обработки  в течение 1,5 часов и введении дополнительной анаэробной секции, то фосфорпоглощающие бактерии  Sphaerotilus и Hyphomicrobium встречаются значительно чаще, чем при начальной  анаэробной обработки  в течение 0,5 часа.

Таким образом,  результаты микробиологических исследований подтверждают, что изменение технологической схемы приводит к формированию бактерий в составе биоценоза, способного более интенсивно усваивать фосфорсодержащие загрязнения и улучшить процесс флокулообразования.

Модель ремидиации водного потока реки.

Представляется концептуальная модель модульной схемы качества, описывающая процессы биоразложения органического вещества.

В модуле качества, моделируемыми элементами являются:  растворенный кислород, БПК/ХПК, аммоний, питательные вещества (биогенные элементы N, P), температура, бактерии.

В аэробных условиях, учитываются следующие процессы:

- разложение растворимых загрязняющих веществ (БПК), находящихся во взвешенном состоянии, гетеротрофными бактериями;

- разложение растворенного загязнения (БПК) иммобилизованными гетеротрофными бактериями  (биопленка);

- гидролиз взвешенных веществ отвечающих реакции первого порядка;

- рост гетеротрофных бактерий (kb.DBOsusp) зависит от разложения БПК в жидкой фазе;

- реаэрация;

- потребность осадковых отложений в кислороде.

Модель прогноза биоразложение органического вещества в водной среде биопленкой, в которой скорость биоразложения органического вещества пропорциональна нагрузки по  органическим веществам. В модели изменение концентрации растворенного кислорода в реке следуют из двух антагонистических процессов: биоразложение органического вещества (имитируемого реакцией порядка 1 и выраженной в снижении БПК и реаэрацией на поверхности раздела воздух-вода.

Модель экосистемы учитывает биоразложение органического вещества по БПК, кислороду O2, азоту N и фосфору P, росту и дыханию бактерий, водорослей, реаэрации, потреблению кислорода отложений и высаливания  азота и фосфора отложений:

- в течение дождей, которые вовлекают не только увеличение нагрузки по органическим веществам, а также увеличивают расход. Изменения этих двух  параметров приводит к значительному отклонению по отношению к прогнозам;

- в течение сброса стока с очистных сооружений в реку, так как расход сброса подвержен суточному изменению расхода сброса.

Качественная модели реки объединяет гидродинамические и транспортные модели в функциональную модель, которая описывает кинетики биохимических процессов применительно к речной экосистеме.

Одна из особенностей этой детерминистическая модели прогноза состоит в том, чтобы использовать единицы для органического вещества, отличные от классически использованных единиц, как химическая потребность в кислороде ХПК и биологическая потребность в кислороде БПК. В модели органическое вещество выражено органическим углеродом, находящимся в растворенном состоянии и в виде взвешенных веществ.

Глава.5. Посвящена оценке деструкции органических растворенных веществ  в средах комплексной системы: сети-станция очистки-река.

Интегрированная оценка представляется как необходимость ограничения негативного воздействия на систему ремедиации принимаемых сред, что позволяет повысить надежности в фазе управления. Такое интегрирование требует знание функционирования каждой из подсистем, которые составляют совокупность: сеть, станция очистки и приемная среда, а также возможность  контролировать границы контакта раздела  между представленными подсистемами. Среди этих переменных величин, особенно значимыми являются органические вещества, обуславливающих интенсивность воздействия на воды малых и средних рек.

Этот раздел касается применения оценочного метода различных классов разложения органического вещества, растворившегося в образцах, отобранных вдоль технологической цепи: сети - станции очистки - река.

Использование модели позволяет оценить динамику изменения быстроразлагаемых органических веществ, представляющих различные этапы технологической схемы: отводящая сантехническая система, сточные воды очистных сооружений и водные потоки реки. Этот тип оценки в масштабе системы необходим для интегрированного управления всей системой. Модель позволяет более однородное и более рациональное использование данных при  работе с водами сильно отличающихся своими харакетеристиками.

Особенность модели - наличие двух форм растворенных разлагающихся и не разлагающихся органических веществ. Такая трактовка модели позволяет одновременно имитировать характеристики легко разлагающихся веществ и веществ растворенных в реальных сточных водах, скорость разложения которых явно ниже скорости разложения ацетата. Таким образом, мы имеем три пространственных растворенных секций: быстроразлагаемое вещество  (S), медленно разлагаемое органическое вещество (S2) и растворенное инертное органическое вещество (Si) и взаимное влияние параметров, которое следует из этих испытаний (табл. 1).

Проведенные исследования дали полную информацию по респирометрии и устойчивости к биологическому разлажению органических веществ.

Оптимизация касается разлагаемых составляющих субстрата (S и S2) каждого из обработанных образцов и на количестве представленной биомассы активного ила, использованной для респирометрических тестов. Стареющий активный ил предполагает асимптотическое равновесие поступающего углеродного источника питания, оно, следовательно, характеризуется единственной переменной. Характеристика активного ила производится по концентрации гетеротрофной биомассы XH и количества биомассы, которое оно содержит.

Таблица 1

Матрица функционирования модели: S2, pS и pS2 уравновешивают потребления двух субстратов.

pS = S/(S+S2) и  pS2 = S2/ (S+S2).

№ п/п

Процессы j

Составляющие i

Критерий процесса

1

2

3

4

5

6

7

Si

S2

Xi

X2

SH

XSTO

SO

j [ML-3.T-1]

1

Гидролиз

fSI

1-fSI

-1

2

Накопление S

-1

YSTO

1-YSTO

3

Накопление S2

YSTO

1-YSTO

4

Рост аэробов

1

-1/YH

1/YH -1

5

Эндогенное дыхание

fXI

-1

1-fXI

6

Респирация продуктов

-1

1

В этих имитациях количество активного ила рассматривалось как независимые для каждого эксперимента, что соответствует начальному количеству биомассы, находящейся в воде, как  S и  S2 (табл. 2).

Таблица 2

Результаты оптимизации с осадками

000000000000

Загрязнения отождествленные

Загрязнения гомогенные

XH

S

S2

F

S

S2

F

мг/л

мг/л

мг/л

мг/л

мг/л

На входе

6751,3

32,50,3

770,3

0,23

1410,1

0

6,5

На выходе

5111,6

12,10,2

32,60,2

0,06

47,60,1

0

3,56

Полученные результаты позволили определить эффективный подход, позволяющий выявить преимущества моделирования процесса биоразложения разнородных органических веществ смешанной бактериальной популяцией.

Модель дает удовлетворительные результаты.

Результаты, полученные в лабораторных и производственных испытаниях,  сравнимы и имеют высокой коэффициент корреляции.

ВЫВОДЫ.

1. Определены условия развития иммобилизованного и диспергированного биоценозов малых рек по биохимическим характеристикам:  параметрам беззольного вещества, хлорофилла а, индексу удельной чувствительности, N-гетеротрофному питанию.

2. Установлено качественное и количественное описание роста биопленки в верховье и низовье рек.

3. Разработана модель ремедиации водного потока реки на основе модульной схемы, описывающей процессы биоразложения органического вещества. Меделирующими элементами являются: растворенный кислород, отношение БПК/ХПК, биогенные элементы азот и фосфор, температура, микроорганизмы.

4. Разработана модель технологического процесса биологической очистки сточных вод от растворенных органических соединений, азота и фосфора, позволяющая прогнозировать степень удаления биогенных элементов перед сбросов в водные потоки рек.

5. Предложен оценочный метод разложения растворенного органического вещества в образцах, отобранных вдоль технологической цепи: сети - станция очистки - река.

Предложения для практики. 

На основании проведенных исследований разработаны:

1. Методические положения Морфологическая и экологическая оценка прогноза риска загрязнений рек регионов функционирования предприятий АПК,  (Утв. Отделением ветеринарной медицины РАСХН 09.11.2012г.);

2. Техническое задание на проведение опытно-конструкторских работ: Очистка сточных вод с использованием иммобилизационно-фильтрующих систем, повышающих надежность и производительность функционирования очистных сооружений предприятий АПК. (Утв. Отделением ветеринарной медицины РАСХН 09.11.2012г.).

3. Методическое положение Моделирование процессов массопередачи кислорода и усвоение субстрата в барботажных реакторах с иммобилизованной биопленкой (Утв. Отделением ветеринарной медицины РАСХН 14.04.2011г.);

4. Методическое руководство прогноза степени доочистки сточных вод и выходу массы фитопланктона из биологических прудов объектов очистных сооружений предприятий АПК на этапах глубокой доочистки и обеззараживания жидких стоков.(Утв. Отделением ветеринарной медицины РАСХН 21.10.2010г.).

5. Результаты и материалы выполненной работы использованы ЗАО Водоснабжение и водоотведение г.Москва при проведении проектно-конструкторских работ по реконструкции  сооружений биологической очистки ЗАО Челныводоканал с предполагаемым годовым экономическим эффектом 7,0 млн. руб в год;  ОАО ВОДОКАНАЛ Тюменская обл. г. Ишим при проведении проектных работ по реконструкции очистки сточных вод ОАО Водоканал г. Ишим с предполагаемым годовым экономическим эффектом 720 тыс. руб в год;  МУП МО Московская обл. Истринский р-н Павло-Слободское ремонтно-эксплуатационное предприятие жилищно-коммкнального хозяйства при адаптации научно-исследовательской работы в производственных условиях.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Беро И.Л., Самуйленко А.Я., Воробьева Г.И., Гринь С.А., Бондарева Н.А., Чичилеишвили Г.Д. Биотехнология в решении экологических проблем.  Доклады РАСХН. 2010. - № 4. -С.55-56.

2. Денисов А.А., Кадысева А.А., Ганяев А.М., Чичилеишвилли Г.Д., Бондарев Д.Е., Калистратов И.М., Махров С.В., Скребнев Ю.В. Моделирование роста активного ила в аэротенках идеального смешения//Ветеринарная медицина. Межведомственный тематический научный сборник. -Харьков. 2011. -Вып. 95. -С. 53-54.

3. Денисов А.А., Кадысева А.А., Ганяев А.М., Чичилеишвилли Г.Д., Бондарев Д.Е., Калистратов И.М., Махров С.В., Скребнев Ю.В. Применение псевдоожиженного слоя для повышения качества очистки сточных вод в аэротенке. Ветеринарная медицина. Межведомственный тематический научный сборник. -Харьков. -2011, Вып. 95. -С. 55-56.

4. Самуйленко А.Я., Гринь С.А., Еремец В.И., Пухова Н.М., Чичилеишвили Г.Д. Биотехнология - предназначение для человечества: мат. IV Моск. Межд. Конгр. Биотехнология: состояние и перспективы развития. ЦМ., Россия, 2011.-Ч.1. - С.196-197.

5. Самуйленко А.Я., Еремец В.И., Раевской А.А., Денисов А.А., Гринь С.А., Чичилеишвилли Г.Д.  Конструкторско-технологические решения обеззараживания и утилизации материалов, инфицированных высокопатогенными микроорганизмами, термическим методом: Сб. науч. тр. ведущих ученых России и Зарубежья Современные проблемы диагностики, лечения и профилактики болезней животных и птиц. Уральский НИВИ РАСХН. Екатеринбург. -2010. -С.277-281.

6. Денисов А.А., Чичилеишвили  Г.Д., Малышева А.А., Крупский А.С.,  Калистратов И.М. Гидравлические режимы подавления  нитчатого вспухания активного ила в аэротенке // Научные основы производства и обеспечения качества биологических препаратов для АПК: материалы Международной научно-практической конференции - Щелково.  2012. - С. 470-474.

7. Денисов А.А., Чичилеишвили Г.Д., Малышева А.А., Крупский А.С.,  Калистратов И.М. Механическое пеногашение в аэротенках  смесительного типа // Научные основы производства и обеспечения качества биологических препаратов для АПК: материалы Международной научно-практической конференции - Щелково.  2012. - С. 475-479.

8. Денисов А.А., Чичилеишвили Г.Д., Малышева А.А., Крупский А.С.,  Калистратов И.М. Модель ламинарного течения вод в биологических прудах доочистки // Научные основы производства и обеспечения качества биологических препаратов для АПК: материалы Международной научно-практической конференции - Щелково.  2012. - С. 480-484.

9. Денисов А.А., Чичилеишвили  Г.Д., Малышева А.А., Крупский А.С., Калистратов И.М. Активно-иловые систем обработки  животноводческих сточных вод // Научные основы производства и обеспечения качества биологических препаратов для АПК: материалы Международной научно-практической конференции - Щелково.  2012. - С. 485-489.

Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по биологии