Влияние технологических параметров на эффективность регенерации иммобилизованного ила в аэротенке

УДК 628.35.001.24

ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЕГЕНЕРАЦИИ ИММОБИЛИЗОВАННОГО ИЛА В АЭРОТЕНКЕ

© Е.Ю. Солопанов, В.Н. Кульков, Е.В. Кудрявцева, В.М. Сосна

Изучена седиментация ила на синтетической ершовой загрузке с использованием плоскостной физической модели поперечного вертикального сечения аэротенка-биореактора. Получены зависимости эффективности механической регенерации иммобилизованного ила от вынуждающей силы электровибратора, частоты и амплитуды колебания рамки с загрузкой и других технологических параметров. Физическая модель аэро-тенка и использованные методы трассера и видео-, киносъемки позволили показать, что двурядное расположение аэрационной системы увеличивает время седиментации свободно плавающего ила и эффективность механической регенерации иммобилизованного ила.

Ключевые слова: аэротенк-биореактор; синтетическая ершовая загрузка; иммобилизованный и свободно плавающий ил; седиментация ила; эффективность регенерации загрузки; гидродинамика.

INFLUENCE OF TECHNOLOGICAL PARAMETRES ON THE EFFECTIVENESS OF IMMOBILISED SILT REGENERATION IN AEROTANK

© E.Iu. Solopanov, V.N. Kulkov, E.V. Kudriavtseva, V.M. Sosna

We studied silt sedimentary at the synthetic brush loading with the use of flat physical model of a vertical cross aerotank-bioreactor. We received effectiveness dependence of mechanical regeneration of immobilized silt on the force power of electric vibrator, frequency and amplitude of vibration of a frame with loading and other technological parameters. Physical model of an aerotank and the used methods of a tracer and video-, camerawork allowed to show that two-row arrangement of aerating system increases the time of sedimentation of a free floating silt and the effectiveness of mechanical regeneration of immobilized silt.

Key words: aerotank-bioreactor; synthetic brush loading; immobilized and free floating silt; silt sedimentation; effectiveness of loading regeneration; hydrodynamics.

Для повышения дозы ила в аэрационных сооружениях при интенсификации биологической очистки сточных вод используются нейтральные синтетические носители, способствующие образованию на них прикрепленного биоценоза. Иммобилизованный биоценоз необходимо фиксировать в объеме аэротенка-биореактора, размещая его на синтетической инертной загрузке. Одновременное присутствие свободноплавающего и иммобилизованного активного ила обеспечивает рост окислительной мощности биореактора и необходимый уровень очистки сточных вод. 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 [1]. В процессе эксплуатации необходимо обеспечить возможность периодической регенерации загрузки от механических примесей и слизистых сгустков микроорганизмов.

Подбор оптимальных технологических параметров механической регенерации ершовой загрузки, таких как вынуждающая сила электровибратора, время регенерации, доза ила в биореакторе, частота и амплитуда колебания рамки с загрузкой, интенсивность мелкопузырчатой аэрации водно-иловой смеси, проводили на экспериментальной установке, представленной на рис. 1.

Рис. 1. Схема установки: 1 - модельный биореактор; 2 - компрессор с ресивером для аэрации водно-иловой смеси; 3 - кран для регулирования расхода воздуха; 4 - ротаметр;

5 - манометр; 6 - мелкопузырчатый аэратор; 7 - электронный термометр; 8 - водно-иловая смесь; 9 - ершовая загрузка; 10 - вибратор электромеханический дебалансный регулируемый; 11 - крепление рамки с ершовой загрузкой к вибратору, 12 - кронштейн для вывешивания вибратора; 13, 14 - люксметр; 15 - лампа для

освещения водно-иловой смеси

Установка состояла из физической модели аэротенка-вытеснителя 1, которая выполнена из силикатного полированного стекла с внутренними размерами 0,053x1,475x1,100 м. Количество воздуха, подаваемого компрессором 2 с помощью мелкопузырчатого аэратора 6 в биореактор, регулировалось вентилем 3. Мгновенный расход воздуха контролировался ротаметром 4, а давление измерялось манометром 5. Механическая регенерация ершовых водорослей 9, покрытых иммобилизованным илом, осуществлялась электромеханическим дебалансным вибратором 10, жестко соединенным креплением 11 с рамкой ершовой загрузки. Вибратор находился на кронштейне 12, укрепленном на стене. Вибратор представляет собой электродвигатель с установленными на концах вала ротора дебалансами. Дебалансы, вращаясь с валом ротора, создают центробежную (вынуждающую) силу от 0,3 кН до 1,0 кН в зависимости от регулировки статического момента дебалансов вибратора. Температура водно-иловой смеси измерялась электронным термометром 7.

В модель аэротенка помещалась синтетическая ершовая загрузка 9, фиксировано закрепленная на раме из нержавеющей стали (рис. 1). Ерши крепились к раме вертикально с шагом 100 мм, 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 модельной ячейке объемом 0,08 м3 находилось 7 вертикальных ершей длиной 0,62 м и диаметром 0,05 м. Общая длина ершовой загрузки составляла 4,34 м.

Интенсивность светового потока, проходящего через водно-иловую смесь, контролировали люксметрами одновременно в двух наиболее характерных местах: в объеме ершовой загрузки 13 и в зоне свободной конвекции водно-илового потока 14, обеспечивающего насыщение очищаемой воды кислородом и нахождение ила в свободно плавающем состоянии. Люксметр показывал минимальное и максимальное значение интенсивности светового потока от лампы 15 за контролируемый период измерения, что позволяло получить среднеарифметическое значение измеряемой величины.

Физическая модель аэротенка-вытеснителя представляет плоскостной вертикальный поперечный разрез объемного аэротенка (рис. 2). Применение такой модели аэротен-ка позволяет определять кинетику седиментации ила на синтетической инертной загрузке, изучать механическую регенерацию иммобилизованного ила и гидродинамическую обстановку в аэротенке. Проведение таких экспериментов в реальном объемном аэротенке не представляется возможным.

Рис. 2. Плоскостная модельная ячейка аэротенка

Для определения концентрации свободноплавающего ила в биореакторе применяли метод калибровочного графика, т.е. построили зависимость концентрации свободноплавающего ила от интенсивности освещенности. Калибровочный график использовали для экспресс-перевода значений интенсивности освещенности в концентрацию свободно плавающего ила при изучении механической регенерации иммобилизованного ила.

Использование плоскостной модели и описанной схемы установки позволило качественно и количественно оценить влияние технологических параметров на эффективность механической регенерации иммобилизованного ила в аэротенке-биореакторе. Анализ исходных данных показал, что все зависимости от параметров, влияющих на эффективность регенерации: т - время регенерации, с; Fb - вынуждающая сила электровибратора, кН; as - доза ила в биореакторе, г/л; v - частота колебаний рамки с загрузкой, мин-1; А - амплитуда колебания рамки, мм; Ja - интенсивность мелкопузырчатой аэрации, м3/(м2-ч) -

могут быть описаны логарифмическими уравнениями.

Для определения времени механической регенерации, достаточного для максимального удаления прикрепленной к синтетическим ершам микрофлоры, провели несколько регенераций с различной продолжительностью при вынуждающей силе электровибратора Fb = 1 кН и дозе ила as = 0,3 г/л. Интенсивность мелкопузырчатой аэрации

водно-иловой смеси во всех экспериментах составляла 7 м3/(м2-ч). По изменению концентрации свободно плавающего ила до и после регенерации рассчитали эффективность механической регенерации по формуле

Сн - Ск Э = Ссп Ссп  100%, а -Ск

"Е ^СП

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

Зависимость, характеризующая влияние времени регенерации т иммобилизованного ила, находящегося на ершовой загрузке, на эффективность механической регенерации Эт приведена на рис. 3, а и описывается уравнением

Эт = 3,357  ln(т) + 71,821

с коэффициентом детерминации R2 = 0,943 .

э,%

э,%

т, с

а

0,5

Ч-1

т,5 as, г/л

0 0,2 0,4 0,6 0,8 т FB, КН б

V, мин-

Э,0/.

75,0

72,5

70,0

67,5

д

100 A, I2IM

Э,°0о

95 90 85 80 75 70

10 Ja, м3/

Рис. 3. Зависимость эффективности регенерации иммобилизованного ила:

а - от времени регенерации; б - вынуждающей силы электровибратора; в - дозы ила в биореакторе; г - частоты колебания рамки с загрузкой; д - амплитуды колебания рамки; е - интенсивности мелкопузырчатой аэрации водно-иловой смеси

Эффективность регенерации ЭТ в диапазоне от 45 до 90 секунд изменяется незначительно - от ~85 % до ~87 %. Следовательно, продолжительность времени регенерации для эффективного удаления прикрепленной к синтетическим ершам микрофлоры может быть принята не менее 30 и не более 60 секунд в зависимости от условий эксплуатации аэртенка-биореактора. Зависимость, представленная на рис. 1, б, характеризует влияние вынуждающей силы электровибратора на эффективность регенерации иммобилизованного ила с коэффициентом детерминации R2 = 0,956 :

0

в

г

4

6

8

е

ЭРь = 12,676 • ln(Fb) + 88,174.

Экспериментальные данные для построения зависимости были получены для времени регенерации иммобилизованного ила т = 30 с и дозы ила в биореакторе as = 1,6 г/л. Эффективность механической регенерации ЭF возрастает от 74 % до 90 % при увеличении вынуждающей силы с 0,3 кН до 1 кН.

Увеличение общей концентрации ила в биореакторе с 0,25 г/л до 1 г/л, т.е. на величину 0,75 г/л, при вынуждающей силе электровибратора Fb = 1 кН приводит к значительному улучшению регенерации ершовой загрузки Эа приблизительно на 10 % (рис. 1, в).

При последующем увеличении дозы ила на сопоставимую величину ~0,6 г/л эффективность механической регенерации возрастает только на ~3 %. Это объясняется невозможностью аккумулировать ершовой загрузкой весь свободно плавающий ил. Процесс седиментации переходит в квазистационарное состояние при дозе иммобилизованного ила 12,85 г на метр погонный ершовой загрузки по сухому веществу из максимально возможных 13,82 г. Квазистационарное состояние сопровождается отрывом хлопьев иммобилизованного ила от ершовой загрузки с последующим их осаждением и дроблением в потоке основного циркуляционного контура движения жидкости в аэротенке-биореакторе. Зависимость эффективности регенерации от дозы ила в биореакторе представлена выражением

Эа = 6,934 • ln(a) + 89,485; R2 = 0,98.

На рис. 1, г изображена зависимость эффективности механической регенерации от частоты колебаний рамки с ершовой загрузкой Эу, которая описывается уравнением

Эу = 5,125 • ln( v) + 75,939; R2 = 0,94.

С изменением частоты колебаний рамки с 5 до 60 мин-1 эффективность регенерации сначала резко возрастает, а затем плавно стремится к предельному значению эффективности, равному ~97 %.

Таким образом, дальнейшее увеличение частоты колебаний рамки приведет к незначительному улучшению механической регенерации ершовой загрузки с иммобилизованным илом. Рекомендованная частота колебания рамки - 30-40 мин-1 при вынуждающей силе электровибратора Fb = 1 кН и времени регенерации иммобилизованного ила

т = 60 с. Аналогичным образом ведет себя и зависимость эффективности регенерации от амплитуды колебания рамки (рис. 1, д), которая описывается уравнением

ЭА = 1,976 • ln(A) + 66,145; R2 = 0,994.

Зависимость получена при Fb = 1 кН, т = 60 с и as = 0,1 г/л.

Увеличение амплитуды с 20 до 100 мм, т.е. в 5 раз, повышает эффективность регенерации всего лишь на ~3 %, тогда как идентичное увеличение частоты повышает эффективность на ~10 %, что показывает доминирующее влияние частоты колебания рамки.

Зависимость, характеризующая влияние интенсивности мелкопузырчатой аэрации Ja на эффективность механической регенерации ЭJ , приведена на рис. 3, е и описывается

с коэффициентом детерминации

R2 = 0,964 выражением Э^ =-2,65 • ln(Ja) + 90,052.

Увеличение интенсивности мелкопузырчатой аэрации в два раза понижает эффективность приблизительно на 1,5 %, что свидетельствует об очень слабом влиянии интенсивности аэрации на эффективность регенерации загрузки, потому что скорости водно-иловой смеси реализуются в основном циркуляционном контуре, расположенном по периметру модели биореактора, и не затрагивают область расположения ершей [2].

Все вышеописанные эксперименты проводились при боковом расположении мелкопузырчатого аэратора. Представляется целесообразным оценить влияние двух мелкопу-

зырчатых аэраторов на эффективность механической регенерации иммобилизованного ила. Гидродинамическая обстановка в аэротенке оказывает значительное влияние на эффективность очистки сточных вод.

Как известно, аэрация в аэротенке выполняет две функции, а именно: растворение кислорода в воде для обеспечения процесса биологической очистки и перемешивание активного ила и поддержание его во взвешенном состоянии. Направление и скорость циркуляции сточной воды и взвешенного в ней активного ила, а также концентрация растворенного кислорода определяются не только типом и интенсивностью аэрации, но и геометрией расположения аэраторов в аэротенке-биореакторе. Ширина и форма аэрационной полосы в аэротенке-биореакторе влияют на формирование гидродинамической структуры потока и в значительной степени определяют эффективность процесса массопередачи. Существуют различные способы расположения пневматических аэраторов в плане аэротен-ка: продольное, поперечное, центральное, равномерное, сплошное и неупорядоченное расположение, «покрывающее все днище», и другие. При односторонней или двухсторонней укладке аэраторов жидкость в аэротенке под влиянием водовоздушной струи приобретает спиральное или двуспиральное вращательное движение по длине коридора аэро-тенка. Ранее были показаны преимущества двухстороннего расположения аэраторов в коридоре, позволившего более рационально использовать подаваемый в аэротенк воздух [3].

Использование продольной двурядной аэрационной системы в аэротенке-биореакторе оказывает существенное влияние на механическую регенерацию иммобилизованного ила, осевшего на ершовой синтетической загрузке, расположенной в центральной области коридора аэротенка. Регенерацию ершовой загрузки проводили электровибратором с вынуждающей силой 0,5 кН, суммарная доза ила составляла 0,304 г/л, иловый индекс - 120 см3/г, время регенерации - 30 с, интенсивность мелкопузырчатой аэрации -7 м3/(м2-ч). Двурядное расположение мелкопузырчатых аэраторов у боковых стенок модели аэротенка-биореактора увеличивает время седиментации свободно плавающего ила после его регенерации на 30 минут (~22 %) по сравнению с однорядным расположением (рис. 4). Эффективность механической регенерации иммобилизованного ила при двуряд-ной аэрации на ~15 % выше, чем при однорядной. С использованием методов трассера и видео-, киносъемки было построено скалярное поле скорости течения жидкости в вертикальном поперечном сечении биореактора с двурядной мелкопузырчатой аэрацией интенсивностью Js = 7,0 м /(м -ч) (рис. 5). Видно, что по площади зоны сечения поле скорости весьма неоднородно, значение скорости изменяется от 0,6 до 0,05 м/с и менее. Наибольшие численные значения скорости реализуются по периметру двух циркуляционных контуров, уменьшаясь по направлению к центральным зонам этих контуров.

а

Вреип мин б

Рис. 4. Регенерация иммобилизованного ила и кинетика осаждения свободно плавающего ила на ершовой загрузке: а - при двурядной аэрации водно-иловой смеси; б - при однорядной аэрации водно-иловой смеси

Вращение водно-иловой смеси в контурах осуществляется по часовой (левый контур) и против часовой стрелки (правый контур). В центре контуров скорость в ~10 раз меньше, чем по их периметру, что позволяет характеризовать их как застойные зоны с минимальной окислительной способностью. Центральные застойные зоны имеют вертикальную вытянутую форму и определяются шириной коридора биореактора. Идентичности или зеркального отображения контуров не наблюдается. Форма контуров показывает квазистационарную гидродинамическую обстановку в поперечном сечении биореактора, которая, в свою очередь, определяется газодинамикой пузырьков, поднимающихся в со-направленных потоках сточной воды от двух мелкопузырчатых аэраторов.

Z, см

0 4 20 :» 52 68 М 100 IIS 13 2 150 Х,«и

Рис. 5. Скалярное поле скорости течения жидкости в модели вертикального поперечного сечения биореактора с двурядной мелкопузырчатой аэрацией:

Л- 5 см/с;  - 10 см/с; о - 15 см/с; • - 20 см/с; х- 25 см/с; 0- 30 см/с; + - 35 см/с;  - 40 см/с; я- 45 см/с; 50 см/с; - 55 см/с; О - 60 см/с; • - 65 см/с

Необходимо отметить, что в правом и левом углах аэротенка, вдоль продольных сторон, где установлены мелкопузырчатые аэраторы, наблюдаются зоны с небольшими скоростями сточной воды (~0,330 см/с и менее). Это создает возможность оседания активного ила по углам аэротенка, что приводит к незначительному уменьшению окислительной способности аэротенка и появлению зон вторичного загрязнения сточных вод. Полученное скалярное поле скорости воды (рис. 5) реализуется между соседними рядами ершей (занавесками), расположенными через 0,1 м.

Размещение синтетической ершовой загрузки в модели аэротенка-биореактора изменяет скалярное поле скорости (рис. 6). Численные значения скорости по периметру контуров имеют меньшие значения, а ширина потока жидкости, определяемая ершовой загрузкой, в два раза уже. В центральной области поперечного сечения аэротенка (в ершовой загрузке) потоки имеют слабовыраженное направление при средней скорости 0,05 м/с. Центральный поток, направленный вниз, не сохраняет скоростей поверхностного потока (~0,5 м/с), а имеет скорости ~0,35 м/с и ниже. Два придонных потока имеют противоположные направления со скоростью ~0,25 м/с, обусловленные циркуляционным движением жидкости и подсосом воды угловыми аэраторами.

Общая тенденция уменьшения скоростей гидродинамических потоков объясняется ершовой загрузкой, создающей повороты потока под углом ~90° и формирующей сжатые потоки, проходящие между ее рядами.

Z, см

О <1 20 36 52 6в 84 100 116 132 150 Х.см

Рис. 6. Скалярное поле скорости воды в модели биореактора с ершовой загрузкой:

Л- 5 см/с;  - 10 см/с; о - 15 см/с; • - 20 см/с; х- 25 см/с; 0- 30 см/с; f - 35 см/с;

- 40 см/с; я- 45 см/с; + - 50 см/с; ^ - 55 см/с; О - 60 см/с; • - 65 см/с

Таким образом, проведение механической регенерации иммобилизованного ила, находящегося на ершовой загрузке, следует проводить в течение 30 секунд, амплитудой более 0,08 м при частоте вибрации рамки с ершами ~50 мин-1. Вынуждающую силу электровибратора необходимо поддерживать, равной ~1 кН. Дозу ила в аэротенке-

биореакторе, расположение мелкопузырчатых аэраторов и интенсивность мелкопузырчатой аэрации водно-иловой смеси целесообразно применять оптимальными для глубины очистки сточных вод по биологическому потреблению кислорода.

Статья поступила 18.01.2016 г.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Жмур Н.С. Технологические и биохимические процессы очистки сточных вод на сооружениях с аэротенками. М.: Изд-во «АКВАРОС», 2003. 512 с.

2. Кульков В.Н., Солопанов Е.Ю. Гидродинамика в аэротенке с пневматической аэрацией // Известия вузов. Строительство. 2010. № 7. С. 66-74.

3. Попкович Г.С., Репин Б.Н. Системы аэрации сточных вод. М.: Стройиздат, 1986.

136 с.

REFERENCES

1. Zhmur N.S. Tekhnologicheskie i biokhimicheskie protsessy ochistki stochnykh vod na sooruzheniiakh s aerotenkami [Technological and biochemical processes of sewage waters purification on the constructions with aerotanks]. Moscow, Izd-vo "AKVAROS" Publ., 2003. 512 p.

2. Kulkov V.N., Solopanov E.Yu. Gidrodinamika v aerotenke s pnevmaticheskoi aerat-siei [Hydrodynamics in the aeration basin with pneumatic aeration]. Izvestiia vuzov. Stroitel'stvo - News of Higher Educational Institutions. Building, 2010, no. 7, pp. 66-74.

3. Popkovich G.S., Repin B.N. Sistemy aeratsii stochnykh vod [Aeration systems of sewage waters]. Moscow, Stroiizdat Publ., 1986. 136 p.

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, e-mail: kulkof.viktor@yandex.ru, Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Кудрявцева Елена Владимировна, кандидат химических наук, доцент кафедры технологии продуктов питания и химии, e-mail: kudriaev@list.ru, Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Сосна Виктор Михайлович, аспирант кафедры инженерных коммуникаций и систем жизнеобеспечения, e-mail: vsosna@bk.ru, Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Information about the authors

Solopanov E.Iu., Candidate of Technical Sciences, Associate professor of the Department engineering services and life-support systems, e-mail: evgursolo@mail.ru; Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.

Kulkov V.N., Doctor of Technical Sciences, Professor, Department engineering services and life-support systems, e-mail: kulkof.viktor@yandex.ru; Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.

Kudriavtseva E.V., Candidate of Chemistry, associate professor, Department technology of food and chemistry, e-mail: kudriaev@list.ru; Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.

Sosna V.M., Post-graduate, Department engineering services and life-support systems, e-mail: vsosna@bk.ru; Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.