Применение механической регенерации синтетической загрузки в биореакторе

БЕЗОПАСНОСТЬ СТРОИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ.

ГЕОЭКОЛОГИЯ

УДК 663.1

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

ФГБОУВПО «ИрГТУ»

ПРИМЕНЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ РЕГЕНЕРАЦИИ СИНТЕТИЧЕСКОЙ ЗАГРУЗКИ В БИОРЕАКТОРЕ

Изучена седиментация ила на синтетической загрузке с использованием плоскостной физической модели поперечного вертикального сечения биореактора. Предложена механическая регенерация иммобилизованного ила на ершовой загрузке. Получена зависимость концентрации свободно плавающего ила от времени осаждения в объеме загрузки после механической регенерации разной продолжительности. Изучена кинетика осаждения ила от его дозы и интенсивности мелкопузырчатой аэрации с применением электровибратора, осуществляющего механическую регенерацию ершовой загрузки.

Ключевые слова: биореактор, синтетическая ершовая загрузка, седиментация ила, механическая регенерация загрузки, свободно плавающий ил, иммобилизованный ил.

Биологическое окисление — широко применяемый на практике метод очистки сточных вод, позволяющий удалить многие органические примеси. Процесс этот по своей сути природный, и его характер одинаков для процессов, протекающих в водоеме и очистном сооружении. Биологическое окисление осуществляется сообществом микроорганизмов, входящим в состав активного ила (биоценозом), включающим множество высокоорганизованных организмов — водорослей, грибов и т.д., связанных между собой в единый комплекс сложными взаимоотношениями (метабиоза, симбиоза и антагонизма) [1, 2].

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 твердой насадке. Одновременное присутствие свободноплавающего и иммобилизованного активного ила обеспечивает увеличение окислительной мощности биореактора и необходимый уровень очистки сточных вод [3—7]. В процессе эксплуатации необходимо обеспечить возможность периодической регенерации насадки от механических примесей и слизистых сгустков микроорганизмов [8].

Изучение регенерации синтетической инертной загрузки механическим способом проводили на физической модели биореактора, представляющей собой плоскостной вертикальный поперечный разрез объемного биореактора. Принципиальная схема установки с моделью биореактора приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема установки с биореактором

Установка состоит из физической модели биореактора 1, которая выполнена из силикатного полированного стекла с внутренними размерами 0,053^1,475x1,100 м. Количество воздуха, подаваемого компрессором 2 с помощью мелкопузырчатого аэратора в биореактор, регулировалось вентилем 3. Мгновенный расход воздуха контролировался ротаметром 4 типа РМ-1,0 ГУЗ, а давление измерялось манометром МТПСq-100 5. Механическая регенерация ершовых водорослей, покрытых иммобилизованным илом, осуществлялась электромеханическим регулируемым дебалансным вибратором ЭВ-320Е 10 жестко соединённым креплением 11 с рамкой ершовой загрузки. Вибратор находился на кронштейне 12, закрепленном на стене. Вибратор представляет собой электродвигатель с установленными на концах вала ротора дебалансами. Дебалансы, вращаясь с валом ротора, создают центробежную (вынуждающую) силу 0,5 или 1,0 кН, в зависимости от регулировки статического момента дебалансов вибратора. Температура водно-иловой смеси измерялась электронным термометром 7.

Интенсивность светового потока, проходящего через водно-иловую смесь, контролировалась одновременно люксметрами НТ-307 в двух наиболее характерных местах: в объеме ершовой загрузки (1-я точка) 13 и основном гидродинамическом потоке (2-я точка) 14, обеспечивающем насыщение очищаемой воды кислородом и нахождение ила в свободно плавающем состоянии при определенной общей дозе ила в биореакторе. Люксметр показывал минимальное и максимальное значение интенсивности светового потока от лампы 15 за контролируемый период измерения, что позволяло получить среднее арифметическое значений измеряемой величины.

В биореактор помещались синтетические ершовые водоросли 9, закрепленные на раме из нержавеющей стали (рис. 2). 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 размещались 7 вертикальных «ершей» длиной 0,62 м и диаметром 120 мм. Общая длина ершовой загрузки составляла 4,34 м. Таким образом, лишь 35 % объема модели биореактора было занято синтетическими водорослями. Над мелкопузырчатым аэратором 6 и с правой стороны модельной ячейки (~ 0,15 м) ершовая загрузка отсутствовала.

Рис. 2. Физическая модель вертикально-поперечного сечения биореактора с синтетической ершовой загрузкой, покрытой иммобилизованным илом: 1 — ершовая загрузка с прикрепленным биоценозом; 2 — люксметр; 3 — датчик второго люксметра установленный в зоне основного циркуляционного контура; 4 — вибратор электромеханический дебалансный; 5 — крепление рамки с ершовой загрузкой к вибратору; 6 — рамка для крепления ершовой загрузки; 7 — мелкопузырчатый аэратор

Активный ил, находящийся в биореакторе с иловым индексом ~ 110 см3/г, оседал на синтетических водорослях (рис. 3), распределяясь по ним относительно равномерно гидродинамическим потоком основного циркуляционного контура. Средняя скорость в поверхностном слое потока жидкости обеспечивалась мелкопузырчатым аэратором, установленным в левом нижнем углу биореактора, и составляла 0,6.. .0,65 м/с [9]. Удельная интенсивность аэрации водно-иловой смеси составляла 6,92 м3/(м2-ч).

Рис. 3. Распределение иммобилизованного ила на ершовой загрузке в квазистационарном процессе седиментации

ВЕСТНИК

МГСУ-

7/2013

Для достижения квазистационарного процесса осаждения ила на ершовой загрузке биореактор работал до достижения постоянного значения концентрации свободно плавающего ила, что констатировалось постоянными значениями люксметров. Измеряя динамику освещенности водно-иловой смеси люксметром, строили зависимость в координатах интенсивность освещенности — время (рис. 4, а).

а б

Рис. 4. Кинетика осаждения свободно плавающего активного ила на синтетических ершовых водорослях: а — экспериментальные данные; б — зависимость, обработанная по калибровочному графику

По калибровочному графику переводили люксы в концентрацию свободно плавающего ила в г/л и строили кинетическую зависимость в координатах концентрация свободно плавающего ила — время (рис. 4, б). Оценка достоверности экспериментальных данных по измерениям освещенности водно-иловой смеси приведена в [10].

Зависимость концентрации свободно плавающего ила от времени осаждения в объеме ершовой загрузки (рис. 4, б) описывается уравнением с коэффициентом регрессии Я = 0,9939 :

ССП =- 0,0641п(0 + 0,3018, где ССП — концентрация свободно плавающего ила, г/л; t — время седиментации ила, мин.

С помощью вибратора проводили механическую регенерацию и, контролируя процесс во времени, определяли концентрацию свободноплавающего ила в объеме ершовой загрузки и в основном циркуляционном контуре.

Оптимальная длительность механической регенерации ершовой загрузки дебалансным электровибратором составляет 30 с (рис. 5). Дальнейшее увеличение времени регенерации до 45 с и более, практически не изменяло эффективность регенерации, которая составляла ~ 84 % в объеме ершовой загрузки (1-я точка) и ~ 90 % в основном гидродинамическом контуре (2-я точка).

Рис. 5. Изменение концентрации свободно плавающего ила (удаленного с ершовой загрузки при механической регенерации с вынуждающей силой 1 кН) от времени регенерации

Эффективность механической регенерации Э определяли по увеличению концентрации свободно плавающего ила по формуле

Э = ССп -ССп ,100%,

^-УН

ССП

где С£П, С^П — концентрация свободно плавающего ила до и после регенерации соответственно.

Так, в объеме ершовой загрузки доза ила возросла (см. рис. 5) при регенерации СП = 0,03 г/л до СП = 0,193 г/л, что при общей дозе ила в биореакторе, равной 0,3 г/л, обеспечило эффективность механической регенерации

Э = 84 %.

Осаждение ила в течение ~ 30 с на ершовую загрузку в модели биореактора после встряхивания его с ершовой загрузки происходило в установившимся гидродинамическом режиме. Время осаждения определялось гидродинамической обстановкой в биореакторе, прежде всего, скоростью движения жидкостного потока в основном циркуляционном контуре. Увеличение удельной интенсивности J мелкопузырчатой аэрации приблизительно в два раза (с 6,92 до 11, 53 м3/(м2-ч)) при сохранении прежней дозы ила а не изменяет эффективность регенерации и время перехода системы с ершовой загрузкой в квазистационарное состояние (рис. 6). Это объясняется тем, что скорости жидкости в гидродинамическом контуре при увеличении аэрации практически не изменилась, так как ершовая загрузка стабилизирует гидродинамическую обстановку в биореакторе (в рассматриваемом поперечном сечении).

а б в

Рис. 6. Кинетическая зависимость седиментации свободно плавающего ила от интенсивности аэрации биореактора и от общей дозы ила: а — J = 6,92 м3/(м2ч), а = 0,3 г/л; б — J = 11,53 м3/(м2 ч), а = 0,3 г/л; в — J = 11,53 м3/(м2-ч), а = 0,6 г/л

Однако увеличение вдвое общей дозы ила а в биореакторе изменяет условия седиментации его на ершовую загрузку. Так, при сохранении интенсивности аэрации J = 11,53 м3/(м2-ч) и увеличении общей дозы ила приблизительно в два раза (с 0,3 до 0,6 г/л) время перехода системы в квазистационарное состояние увеличилось также приблизительно в 2 раза (с 40 до 70 мин).

Увеличение дозы ила а до 0,9 г/л при J = 6,92 м3/(м2-ч) привело к увеличению времени седиментации ила на ерши (перехода системы в квазистационарное состояние) приблизительно до ~ 2,5 ч (рис. 7). На приведенной зависимости интенсивности освещенности от времени хорошо видна динамика отрыва хлопьев иммобилизованного ила по изменению интенсивности освещенности водно-иловой смеси в квазистационарном состоянии.

Рис. 7. Кинетика осаждения свободно плавающего ила при достижении квазистационарного состояния системы с отрывом хлопьев иммобилизованного ила с ершовой загрузки J = 6,92 м3/(м2-ч), а = 0,9 г/л

Применение плоскостной модели биореактора позволило впервые определить, что для слабо концентрированных водно-иловых смесей наблюдается обедненная концентрация свободно плавающего ила, не превышающая ~ 10 % от общей дозы, через ~ 30 с после механической регенерации ершовой загрузки. Эффективность механической регенерации с использованием электромеханического дебалансного вибратора составила ~ 84.. .90 %.

Следует отметить основную особенность работы биореактора с синтетической ершовой загрузкой — увеличение концентрации коагулированного активного ила в объеме ершовой загрузки и обеднение основного циркуляционного контура движения жидкости диспергированным активным илом в квазистационарном процессе.

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. Udo Wiesmann, In Su Choi, Eva-Maria Dombrowski. Fundamentals of Biological Wastewater Treatment. Weinheim, 2007, 255 p.

3. Springer Andrew. Loading for the immobilization of microorganisms in the biological cleaning of sewage systems. Water and Wastr Treat. 2007, 50, № 2, рр. 22—23.

4. Mahro Bernd. Denitrification processes in wastewater treatment. KA - Abwasser, Abfall. 2006, 53, № 9, pp. 916—919.

5. Очистка природной воды гидробионтами, закрепленными на волокнистых насадках / Л.И. Глоба, П.И. Гвоздяк, Н.Б. Загорная, Г.Н. Никовская, С.М. Федорик, Л.И. Яблонская // Химия и технология воды. 1992. Т. 14. № 1. С. 63—67.

6. Хоружий В.П. Кшетика висхщного фшьтрування води на установках з волокнисто-шнополютирольним завантаженням // Вюник 1нженерно! академи Украши. 2004. № 2. С. 82—87.

7. Омельченко Н.П., Коваленко Л.И. Волокнистые насадки для систем очистки воды // Проблемы экологии. 2011. № 1—2. С. 12—17.

8. Теоретические основы очистки воды / Н.И. Куликов, А.Я. Райманов, Н.П. Омельченко, В.Н. Чернышов. Макеевка : ДГАСА, 2009. 298 с.

9. Кульков В.Н., Солопанов Е.Ю. Поверхность контакта фаз в аэробной чистке сточных вод : монография. Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2009. 144 с.

10. Кульков В.Н., Сосна В.М., Зеленин А.М. Определение концентрации свободно плавающего ила в биореакторе // Вода Magazine. 2012. № 3. С. 44—46.

Поступила в редакцию в апреле 2013 г.

Об авторах: Кульков Виктор Николаевич — доктор технических наук, профессор кафедры инженерных коммуникаций и систем жизнеобеспечения, ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «ИрГТУ»), 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, д. 83, 8(3952)40-51-42, kulkof.viktor@ yandex.ru;

Солопанов Евгений Юрьевич — кандидат технических наук, доцент кафедры информатики, ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «ИрГТУ»), 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, д. 83, 8(3952)-40-52-79, evgursolo@mail.ru;

Сосна Виктор Михайлович — аспирант кафедры инженерных коммуникаций и систем жизнеобеспечения, ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «ИрГТУ»), 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, д. 83, 8(3952)40-51-42, vsosna@bk.ru.

Для цитирования: Кульков В.Н., Солопанов Е.Ю., Сосна В.М. Применение механической регенерации синтетической загрузки в биореакторе // Вестник МГСУ 2013. № 7. С. 131—139.

V.N. Kul'kov, E.Yu. Solopanov, V.M. Sosna

APPLICATION OF MECHANICAL REGENERATION OF SYNTHETIC LOADING IN THE BIOREACTOR

The article presents the findings of the experimental studies of mechanical regeneration of the immobilized load using an electromechanical unbalanced vibrator. The sedimentation of the sludge on the synthetic load inside the physical model of a vertical bioreactor is studied. Mechanical regeneration of the immobilized sludge on the brush is proposed. The nature of dependence between the concentration of free-floating sludge and the deposition time following the mechanical regeneration is identified. The kinetics of the sludge deposition, the dose and intensity of aeration is studied, if the electric vibrator is used for the mechanical regeneration of the brush load. Thus, the application of the plane model of a bioreactor helped to determine that, if the water-sludge mixture has a small concentration of the free-floating sludge, the sedimentation is about 10 % of the total dose 30 seconds after the mechanical regeneration of the brush load. The effectiveness of the mechanical regeneration performed with the help of an electromechanical unbalanced vibrator was approximately 84-90 %. The application of the bioreactor having a synthetic brush load mechanism increases the concentration of the coagulated activated sludge.

Key words: bioreactor, synthetic brush loading, sedimentation of sludge, mechanical regeneration of load, free floating sludge, immobilized sludge.

References

1. Zhmur N.S. Tekhnologicheskie i biokhimicheskie protsessy ochistki stochnykh vod na sooruzheniyakh s aerotenkami [Technological and Biochemical Processes of Wastewater Treatment at Water Treatment Plants Having Aeration Tanks]. Moscow, ARVAROS, 2003, 512 p.

2. Wiesmann U., Choi I.S., Dombrowski E.-M. Fundamentals of Biological Wastewater Treatment. Weinheim, 2007, 255 p.

3. Springer A. Loading for the Immobilization of Microorganisms in the Biological Cleaning of Sewage Systems. Water and Waste Treat. 2007, 50, no. 2, pp. 22—23.

4. Mahro Bernd. Denitrification Processes in Wastewater Treatment. KA - Abwasser, Abfall. 2006, 53, no. 9, pp. 916—919.

5. Globa L.I., Gvozdyak P.I., Zagornaya N.B., Nikovskaya G.N., Fedorik S.M., Yablons-kaya L.I. Ochistka prirodnoy vody gidrobiontami, zakreplennymi na voloknistykh nasadkakh [Using Hydrobionts Attached to Fibrous Nozzles to Treat Natural Water]. Khimiya i tekhnologi-ya vody [Chemistry and Technology of Water]. 1992, vol. 14, no. 1, pp. 63—67.

6. Khorunzhiy V.P. Kinetika voskhodyashchego fil'trovaniya vody na ustanovkakh s voloknistopolistirol'nym zavantazhennyam [Kinetics of upward water filtering with fiber polystyrene loading]. Vestnik inzhenernoy akademii Ukrainy. 2004, no. 2, pp. 82—87.

7. Omel'chenko N.P., Kovalenko L.I. Voloknistye nasadki dlya sistem ochistki vody [Fibrous Nozzles for Water Treatment Systems]. Problemy ekologii [Environmental Problems]. Donetsk, 2011, no. 1—2, pp. 12—17.

8. Kulikov N.I., Raymanov A.Ya., Omel'chenko N.P., Chernyshov V.N. Teoreticheskie osnovy ochistki vody [Theoretical Fundamentals of Water Treatment]. Makeevka, DGASU, 2009, 298 p.

9. Kul'kov V.N., Solopanov E.Yu. Poverkhnost'kontakta faz v aerobnoy ochistke stochnykh vod [Phase-to-phase Contact Surface in the Aerobic Treatment of Wastewater]. Irkutsk, IrGTU Publ., 2009, 144 p.

10. Kul'kov V.N., Sosna V.M., Zelenin A.M. Opredelenie kontsentratsii svobodno pla-vayushchego ila v bioreaktore [Determination of Concentration of Free-floating Sludge in the Bioreactor]. Voda Magazine [Water Magazine Journal]. Moscow, 2012, no. 3, pp. 44—46.

About the authors: Kul'kov Viktor Nikolaevich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Utility Lines and Life Support Systems, Irkutsk State Technical University (IrGTU), 83 Lermontova st., Irkutsk, 664074, Russian Federation; kulkof.viktor@ yandex.ru; +7(3952) 405-142;

Solopanov Evgeniy Yur'evich — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Information Technologies, Irkutsk State Technical University (IrGTU), 83 Lermontova st., Irkutsk, 664074, Russian Federation; evgursolo@mail.ru, +7 (3952) 405-279;

Sosna Viktor Mikhaylovich — postgraduate student, Department of Utility Lines and Life Support Systems, Irkutsk State Technical University (IrGTU), 83 Lermontova st., Irkutsk, 664074, Russian Federation; vsosna@bk.ru; +7 (3952) 405-142.

For citation: Kul'kov V.N., Solopanov E.Yu., Sosna V.M. Primenenie mekhanicheskoy regeneratsii sinteticheskoy zagruzki v bioreaktore [Application of Mechanical Regeneration of Synthetic Loading in the Bioreactor]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 7, pp. 131—139.