Использование воздушной регенерации иммобилизованного ила на ершовой загрузке в аэротенке

Оригинальная статья / Original article УДК 628.35.001.24

DOI: 10.21285/2227-2917-2016-4-138-146

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОЗДУШНОЙ РЕГЕНЕРАЦИИ ИММОБИЛИЗОВАННОГО ИЛА НА ЕРШОВОЙ ЗАГРУЗКЕ В АЭРОТЕНКЕ

© Е.Ю. Солопанов, В.Н. Кульков, А.Е. Широков

Резюме. Цель. Провести исследования по определению параметров воздушной регенерации иммобилизованного ила на ершовой загрузке в аэротенке-биореакторе. Методы. Исследования осуществлялись на физической модели аэротенка-биореактора, представляющей собой вертикальный поперечный разрез коридора промышленного агрегата. Использование оптического метода для определения интенсивности света, проходящего через водно-иловую смесь, позволило оценить динамику соотношения концентраций свободно плавающего и иммобилизованного ила. Результаты и их обсуждение. Время воздушной регенерации ершовой загрузки, составляющее 2 минуты, при интенсивности регенерации 7,47 м3/(м2-ч) и использовании диаметра отверстия воздушного регенератора 2 мм обеспечивает достаточную величину эффективности регенерации —85 % смывания иммобилизованного ила с синтетической загрузки. Выводы. Эффективность воздушной регенерации синтетической ершовой загрузки сопоставима с другими видами регенерации по величине, но гораздо проще и доступнее в промышленном исполнении.

Ключевые слова: аэротенк-биореактор, физическая модель, ершовая инертная загрузка, иммобилизованный ил, воздушная регенерация загрузки, эффективность регенерации.

Формат цитирования: Солопанов ЕЮ., Кульков ВН., Широков А.Е. Использование воздушной регенерации иммобилизованного ила на ершовой загрузке в аэротенке // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2016. № 4 (19). С. 138-146. DOI: 10.21285/2227-2917-2016-4-138-146

USE OF AIR REGENERATION OF IMMOBILIZED SILT ON THE BRUSH LOADING

IN IEROTANK

© E.Yu. Solopanov, V.N. Kulkov, A.E. Shirokov

Abstract. Purpose. To perform research in defining parameters of air regeneration of immobilized silt on brush loading in aerotank-bioreactor. Methods. Research was performed on a physical model of aerotank-bioreactor, which is a vertical cross cut of the corridor of industrial aggregate. Use of optical method to define light intensity coming through water-silt mixture allowed to assess dynamics of balance of concentration of free-flowing and immobilized silt. Results and their discussions. Time of air regeneration of brush loading is 2 minutes during intensive regeneration of 7,47 m3/(m2-h) and use of hole diameter of air regenerator of 2 mm guarantees necessary range of regeneration effectiveness —85 % of washing of immobilized silt from synthetic loading. Conclusions. Effectiveness of air regeneration of synthetic brush loading is compared to other types of regeneration in amount, but it is much easier and available in manufacture performance.

Keywords: aero-tank-bioreactor, physical model, brush inactive loading, immobilized silt, air regeneration of loading, effectiveness of regeneration

For citation: Solopanov E.Yu., Kulkov V.N., Shirokov A.E. Use of air regeneration of immobilized silt on the brush loading in ierotank. Izvestiya vuzov. Investitsii. Stroitel'stvo. Ned-vizhimost' [Proceedings of Universities. Investments. Construction. Real estate], 2016, no. 4 (19), pp.138-146. (In Russian) DOI: 10.21285/2227-2917-2016-4-138-146

Введение

Применение синтетической инертной загрузки для образования иммобилизованного ила, способствующего увеличению окислительной способности биологической очистки и денитрификации в аэротенке-биореакторе, является в настоящее время одним из перспективных направлений интенсификации работы биологических очистных сооружений. При использовании дополнительной биомассы ила, размещенной на носителях, очистка осуществляется несколькими различными ценозами ила, подразделяющимися на две основные группы: ценоз активного ила, находящегося во взвешенном состоянии, и ценоз биопленки, прикрепленной к носителям. Применение инертной синтетической загрузки в качестве носителей биомассы требует периодического ее удаления, так как самопроизвольного отделения биомассы при ее отмирании не происходит [1-2]. Необходимо периодически регенерировать загрузку, т.е. удалять с нее иммобилизованный ил, в том числе для предотвращения вторичного загрязнения.

Применение иммобилизованных микроорганизмов обусловливает лучшую их защищенность от воздействия отрицательных факторов и обеспечивает высокую концентрацию микроорганизмов в биореакторе. Иммобилизованный ил менее чувствителен к токсичным веществам, поступающим в аэротенк. Загрузка увеличивает производительность станции биологической очистки на ~30 %, улучшает процесс очистки стоков от трудно окисляемых органических веществ, повышает устойчивость биологических сооружений к залповым сбросам, обеспечивает процесс нитрификации.

В данной работе поставлена задача по оценке эффективности смывания иммобилизованного ила воздушным способом и подбору технологических параметров процесса.

Материал и методы исследования

Схема установки с физической моделью биореактора, на которой проводилось изучение воздушной регенераций синтетической инертной загрузки, показана на рис. 1. Модельная ячейка аэротенка-биореактора представляет собой вертикальный поперечный разрез коридора промышленного агрегата.

Установка состоит из модели аэротенка-биореактора 1, которая выполнена из силикатного полированного стекла с внутренними размерами 0,053x1,475x1,100 м. Количество воздуха, подаваемого компрессором 2 с помощью мелкопузырчатого аэратора 8 для аэрации водно-иловой смеси 10 в биореакторе, регулировалось вентилем 4. Мгновенный расход воздуха контролировался ротаметром 5 типа РМ-1,0 ГУЗ, а давление измерялось манометром MTnCq-100 7. Воздушная регенерация ершовой загрузки включала компрессор 3 для подачи заданного расхода воздуха в среднепузырчатый регенератор 12 через ротаметр 6. Регенератор выполнен из медной трубки диаметром 10 мм с семью отверстиями диаметром 2 мм, расположенными под ершовой загрузкой.

В биореактор помещались синтетические ершовые водоросли 11, фиксировано закрепленные на раме, изготовленной из нержавеющей стали. Водоросли крепились к раме вертикально с шагом 100 мм, чтобы на 1 м3 объема модельной ячейки приходилось в среднем 50 погонных метров «ершей». В модели они размещались на 0,12 м выше дна и на 0,1 м ниже поверхности водно-иловой смеси, что необходимо для движения жидкости в основном циркуляционном контуре. В ячейке размещалось 7 вертикальных «ершей» длиной 0,62 м и диаметром 50 мм. Общая длина ершовой загрузки составляла 4,34 м. Над мелкопузырчатым аэратором и с правой стороны модельной ячейки (0,15 м) ершовая загрузка отсутствовала для формирования гидродинамической обстановки в модели биореактора.

Интенсивность светового потока, проходящего через водно-иловую смесь от лампы 15, контролировалась люксметром 13 модели НТ-307 в объеме ершовой загрузки. Температура водно-иловой смеси измерялась электронным термометром 9.

Рис. 1. Схема установки для воздушной регенерации ершовой загрузки Fig. 1. Scheme of equipment for air regeneration of brush loading

Активный ил с иловым индексом 110^140 см3/г, находящийся в биореакторе, оседал на синтетической ершовой загрузке, распределяясь по ней относительно равномерно гидродинамическим потоком основного циркуляционного контура. Общая доза ила в модели аэротенка-биореактора составляла ~0,38 г/л. Удельная интенсивность аэрации водно-иловой смеси поддерживалась ~7 м3/(м2-ч).

Для определения концентрации свободно плавающего ила ССП в биореакторе применяли метод калибровочного графика, т.е. построили зависимость концентрации свободно плавающего ила от интенсивности ее освещенности X. Полученная зависимость описывалась уравнением

ССП = - 0,0819- ln(Ä) + 0,6385

с коэффициентом детерминации R2 = 0,9858.

Возможность физического моделирования газогидродинамических процессов в аэ-ротенке определяется пузырьками воздуха, выходящими из аэратора, размеры которых обусловливаются материалом фильтрующей поверхности, а также скоростью подъема их в геометрически подобных сооружениях, вызывающей эрлифтное движение потока воды.

Диаметр пузырька воздуха определяется балансом выталкивающих и удерживающих сил, действующих на пузырек в момент его отрыва от края поры аэратора. Тогда скорость движения воды vf в аэротенке зависит от разности плотностей жидкости и газа Ар ,

плотности pf и вязкости ßf жидкости, ускорения свободного падения g, эквивалентного диаметра dq пузырьков газа, скорости истечения газа с поверхности аэратора vq, плотности газа pq и поверхностного натяжения а .

Для определения вида функциональной зависимости между данными параметрами применили метод анализа размерностей. Искомая функция найдена в виде соотношения между шестью безразмерными комплексами:

Ар Pf

л, V

= х - Re-и - Fr - - Wew

Vf

V f J

f \k P

Pf

q

где х - безразмерный коэффициент; Re - критерий Рейнольдса; Fr - критерий Фруда; We -критерий Вебера.

При условии идентичности скорости движения жидкости vf в производственных аэрируемых сооружениях очистки сточных вод с таковой в модельном аэротенке при неизменных других параметрах ( p f, ¡if, pq, vq и a ) безразмерные критерии, входящие в правую часть полученного уравнения, идентичны:

Re = idem, Fr = idem, We = idem, v /vf = idem, p /pf = idem.

В этом случае вышеприведенная зависимость в первом приближении описывает подобные гидродинамические процессы, имеющие место в физической модели и промышленном аэротенке, при условии использования идентичных аэраторов и водно-иловой смеси.

По дозе ила, находящегося в свободноплавающем состоянии до и после регенерации, проводили расчет эффективности регенерации Э иммобилизованного ила по формуле

Сн _ Ск

Э = ССП Ссп . 100% ,

а _ ск

ы! ^СП

где Снсп - концентрация свободно плавающего ила после регенерации; С Сп - концентрация свободно плавающего ила до регенерации; аЕ - общая доза ила в модели, г/л.

Для достижения квазистационарного процесса осаждения ила на ершовой загрузке проводили несколько воздушных регенераций и, контролируя процесс во времени, определяли концентрацию свободно плавающего ила в объеме ершовой загрузки при постоянной интенсивности удельной воздушной регенерации. Практический интерес представляет зависимость эффективности регенерации ершовой загрузки от времени воздушной среднепузырчатой регенерации, расположенной под загрузкой.

Для определения времени регенерации воздушным способом, достаточного для максимального удаления прикрепленной к синтетической загрузке типа «ерш» микрофлоры, провели несколько регенераций различной продолжительностью при одинаковом удельном расходе (рис. 2).

0,4

s

с и О

X

5 о.о -,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,

О 30 60 90 120 150 130 210 240 270 300 330 360

Время t, мин

Рис. 2. Кинетика изменения концентрации свободно плавающего ила при различной

продолжительности воздушной регенерации Fig. 2. Kinetics of changes of free-flowing silt at a different duration of air regeneration

ISSN 2227-2917

Результаты и их обсуждение

Первую 30-секундную регенерацию ершовой загрузки проводили при выходе системы в квазистационарное состояние, дальнейшие регенерации, равные 1, 2, 3 мин, проводили через промежуток в 90 минут соответственно. За 90 минут кинетика седиментации ила на ершах переходила в квазистационарное состояние.

Эффективность регенерации в диапазоне от 30 секунд до двух минут составила Этт = 66,4 % и Этах = 76,5 %, т.е. изменилась на ~10 % (рис. 3).

80 1-------

65 -I-------

О 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

Время воздушной регенерации t, мин

Рис. 3. Зависимость эффективности регенерации иммобилизованного ила от

времени воздушной регенерации Fig. 3. Dependence of effectiveness of regeneration of immobilized silt on the time of air

regeneration

Дальнейшее увеличение времени регенерации до 3 и более минут повысило эффективность регенерации до 77 %, т.е. на ~1 %. Следовательно, продолжительность времени для эффективного удаления микрофлоры, прикрепленной к инертной загрузке, при удельном расходе по воздуху ~7 м3/(м2-ч) может быть принята не менее 2 минут.

В исследованном интервале времени полученная зависимость описывается уравнением

Э = 6,22 • ln(t) + 71,05 с коэффициентом детерминации R2 = 0,9647 .

Постоянно действующая воздушная регенерация ершовой загрузки обеспечивает квазистационарное состояние седиментации и смывания активного ила, не обеспечивая его иммобилизацию на ершах, что исключает положительное влияние инертной загрузки.

Влияние воздушной регенерации ершовой загрузки на эффективность смывания с ершей иммобилизованного ила изучали в интервале 5-12 м3/(м2 •ч). Использование сред-непузырчатой воздушной регенерации позволило получить максимальную величину эффективности очистки ершовой загрузки при интенсивности воздушной регенерации Jg = 11,45 м3/(м2 •ч) (рис. 4).

32

Эффективность регенерации при Jg = 5,12 м /(м •ч) составила 76 %, а при

32

Jg = 7,47 м /(м •ч) возросла до 79 % (рис. 5).

Увеличение эффективности воздушной регенерации ершовой загрузки выше ~80 % экономически нецелесообразно, так как увеличение интенсивности воздушной регенерации в 1,5 раза

приводит к повышению эффективности регенерации всего на ~12 % и составляет 91 %.

Рис. 4. Динамика концентрации свободно плавающего ила при различной

3 2

интенсивности воздушной регенерации Jg ершовой загрузки, м /(м •ч) Fig. 4. Dynamics of concentration of free-flowing silt at a different intensity of air regeneration Jg of brush loading, m

Рис. 5. Зависимость эффективности регенерации иммобилизованного ила от интенсивности воздушной регенерации Fig. 5. Dependence of regeneration effectiveness of immobilized silt on the intensity of air

regeneration

Найдено математическое уравнение, описывающее зависимость эффективности регенерации иммобилизованного ила от интенсивности воздушной регенерации с коэффициентом детерминации R2 = 0,99 :

Э = 0,294• ^ - 2,519• Jg + 81,243.

Определение оптимальных размеров отверстий на трубе воздушной регенерации, при заданном их количестве 7 штук, проводили с использованием найденных оптимальных параметров: времени регенерации - 2 минуты и интенсивности воздушной регенерации - 7,5 м3/(м2-ч).

Минимальный диаметр отверстия d, равный 1 миллиметру (площадь отверстия FoTB = 0,78 мм2), позволяет использовать воздушную регенерацию без опасения, что отверстия забьются илом при простое в несколько часов или дней.

Дальнейшее увеличение диаметра отверстий с шагом 0,5 мм показало устойчивое уменьшение эффективности регенерации (рис. 6).

Максимальный диаметр отверстия 2,5 мм, использованный нами, увеличил площадь отверстия в 6,3 раза (роте = 4,9 мм2), что привело к уменьшению эффективности смывания ила с ершей с 92 % до 85 % (рис. 7). Зависимость эффективности регенерации иммобилизованного ила от диаметра отверстия воздушного регенератора описывается уравнением

Э = 3,5 • d2 -16,95 • d +105,5 с коэффициентом детерминации R2 = 0,999 .

Уменьшение эффективности воздушной регенерации при увеличении диаметра отверстий объясняется увеличением диаметра пузырей и уменьшением их частоты выхода из отверстий. Серия мелких пузырьков приводит к большему эффекту смывания иммобилизованного ила с ершовой загрузки, чем одиночные крупные пузыри.

0.4

О

10

0.3

0:2

0,1

0.0

d = lмм d =1 ,5 мм d = 2 мм d = 2 ,5 мм

vj

О 30 60 30 120 150 180 210 240 270 300 330 360 ЗЭО

Время t, мин

Рис. 6. Динамика концентрации свободно плавающего ила при изменении диаметра

отверстий в трубке воздушной регенерации Fig. 6. Dynamics of concentration of free-flowing silt during the changes of hole diameter

in air regeneration pipe

о

s s =г

ш о.

ф

X

ф

L.

Ф Q.

J2 I-

О О

X

ш

S

Ё

ф

-8-

Рис. 7. Зависимость эффективности регенерации иммобилизованного ила от диаметра отверстия воздушного регенератора Fig. 7. Dependence of regeneration effectiveness of immobilized silt on hole diameter of air

regenerator

Заключение

Исходя из результатов эксперимента, можно рекомендовать время воздушной регенерации ершовой загрузки 2 минуты при интенсивности регенерации 7,47 м3/(м2-ч) и использовании диаметра отверстия воздушного регенератора 2 мм, что обеспечивает достаточную величину эффективности регенерации--85 % смывания иммобилизованного

ила с синтетической ершовой загрузки.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Khaled Zaher Abdalla, Khaled Khafagy. Upgrading of Activated Sludge Systems Using Immobilized Nitrifiers in Polymer Pellets // International Journal of Scientific & Engineering Research. 2014. Vol. 5, issue 2. P. 619-623.

2. Krikalavova L., Lederer T. A review study of nanofiber technology for wastewater treatment // Nanocon 2011, 3nd International Conference, Czech Republic, Brno, 2011. P. 46-51.

REFERENCES

1. Khaled Zaher Abdalla, Khaled Khafagy. Upgrading of Activated Sludge Systems Using Immobilized Nitrifiers in Polymer Pellets. International Journal of Scientific and Engineering Research, 2014, vol. 5, issue 2, pp. 619-623.

2. Krikalavova L., Lederer T. A review study of nanofiber technology for wastewater treatment. Nanocon 2011, 3nd International Conference, Czech Republic, Brno, 2011, pp. 46-51.

Информация об авторах

Солопанов Евгений Юрьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры информатики, e-mail: evgursolo@mail.ru; Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Кульков Виктор Николаевич, доктор технических наук, профессор кафедры инженерных коммуникаций и систем жизнеобеспечения, тел.: + 7 (3952) 40-51-42, e-mail: kulkof.viktor@ yandex.ru; Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Широков Александр Евгеньевич, аспирант кафедры инженерных коммуникаций и систем жизнеобеспечения, e-mail: a_shirokov_vr@bk.ru; Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Критерии авторства

Солопанов Е.Ю., Кульков В.Н., Широков А.Е. имеют равные авторские права. Со-лопанов Е.Ю. несет ответственность за плагиат.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Information about the authors

Solopanov E.Yu., candidate of technical sciences, associate professor, Department of informatics, e-mail: evgursolo@mail.ru; Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

Kulkov V.N., doctor of technical sciences, professor, Department engineering services and life-support systems, tel.: +7 (3952) 405-142, e-mail: kulkof.viktor@yandex.ru; Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

Shirokov A.E., post-graduate, Department engineering services and life-support systems, e-mail: a_shirokov_vr@bk.ru; Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

Contribution

Solopanov E.Yu., Kulkov V.N., Shirokov A.E. have equal author's rights. Solopanov E.Yu. bears the responsibility for plagiarism.

Conflict of interests

The authors declare that there is no conflict of interest regarding the publication of this

article.

Статья поступила 27.06.2016 г.

The article was received27 June 2016

ISSN 2227-2917