Применение аэрационно-осветительной установки в биологическом фильтре

Применение аэрационно-осветительной установки в биологическом фильтре

С.В. Старовойтов, А. С. Халил

Академия строительства и архитектуры Донского государственного технического университета, Ростов-на-Дону

Аннотация: изучается эффективность использования аэрационно-осветительной установки в процессе биологической очистки сточных вод.

Ключевые слова: биологический фильтр, биологическая очистка, энергоэффективность, водоочистка, освещенность, аэробность, биомасса, активный ил, микроорганизмы, аэротенк, аэратор.

Статья направлена на практическое определение эффективности использования аэрационно-осветительной установки в процессе биологической очистки сточных вод. Сточные воды - поток жидкости, загрязненный отходами жизнедеятельности организмов или отходами производственной деятельности населения. Для «здорового» использования таких вод в дальнейшем необходимо провести ряд мер, включая биологическую очистку. По своей сути, биологическая очистка представляет собой ряд процессов, направленных на очистку природных водоемов от многих органических и некоторых неорганических примесей, при попадании в них избытка таких соединений.

Основной процесс происходит в открытом бассейне, аэротенке, содержимое которого перемешивается и снабжается кислородом с помощью мешалок и воздуходувок разных конструкций. Процесс осуществляется путем сорбции и окисления осевшем слоем ила аэротенка, а также активным илом, закрепленном на носителях биомассы. Контролируемая подача воздуха, обеспечивает поддержание в аэротенке содержания кислорода в пределах 10 - 40 % насыщения воздухом. Растворенные и суспендированные загрязнения окисляются сложным микробным сообществом, при этом удаление органических загрязнений достигает часто 99 % от первоначального.

Загрязнения сточных вод являются для многих микроорганизмов источником питания, при использовании которого они получают всё необходимое для их жизни - энергию и материал для конструктивного обмена (восстановления распадающихся веществ клетки, прироста биомассы).

Изымая из воды загрязнения в виде питательных веществ, микроорганизмы очищают от них сточную воду, но одновременно они вносят в неё новые вещества - продукты обмена [1].

Биоценоз бактерий и простейших организмов, представленный агрегатами (флоками) неправильной формы размером до 1-2мм., образует активный ил (рисунок 1), в котором простейшие - инфузории родов Paramecium и Vorticella, и амебы. Простейшие питаются преимущественно одиночно плавающими микробными клетками [2].

Рисунок 1. Простейшие микроорганизмы в активном иле

По природе и механизму действия простейшие делятся на две большие группы - анаэробные, требующие углерод и не органически связанный кислород (сульфаты, нитриты, нитраты и т. п.), и аэробные, требующие растворенный в воде кислород, поступающий при аэрации [3, 4].

Таким образом, микроорганизмы улучшают способность активного ила к осаждению, что является ключевым свойством, позволяющим контролировать систему, и осуществляют обеззараживающую функцию. А с отсутствием простейших, увеличивается количество взвешенных микробных клеток, которые выносятся с очищенной водой, что ухудшает ее качество.

Процесс биоценоза подвержен ряду воздействующих абиотических факторов:

- состав очищаемых сточных вод;

- наличие в очищаемых водах токсичных веществ;

- освещенность и температура;

- содержание растворённого кислорода в иловой смеси;

- разнообразие растворённых питательных веществ. [5]

В природе, микроорганизмы растут в водоемах или бассейнах под солнцем - открытым способом. На окислительные свойства микроводорослей влияет тот факт, что в средних широтах, около половины года биологическая очистка находится в условиях отсутствия освещенности. Перспективным направлением для очистки сточных вод является применение закрытых фотобиореакторов с использованием искусственного света для освещения в тёмное время суток, при этом с пониженной интенсивностью подачи кислорода [6, 7]. Данная технология, благодаря использованию освещения, увеличивает окислительную способность.

Второй фактор - поступление кислорода. Степень аэробности среды (насыщения среды кислородом) может быть охарактеризована величиной окислительно-восстановительного потенциала, который выражают в единицах гН2. Т.е. регулируя подачу кислорода, можно затормозить или вызвать активное развитие той или иной группы микроорганизмов [8].

Нами была сконструирована универсальная световая установка (рисунок 2), с использованием светодиодной ленты и интегрированным аэратором, позволяющая сузить спектр излучения до требуемого и упрощающая эксплуатацию. А для анализа эффективности, установка была помещена в биофильтр системы очистки оборотных вод действующей рыборазводной фермы (рисунок 3). После биофильтра с используемой установкой, был установлен механический фильтр, где задерживались твердые частицы и часть коллоидных веществ.

:

Ранее используемый биологический фильтр, установленный на рыбоводческой ферме, позволял снизить химическое потребление кислорода (ХПК) на 50%, а биологическое потребление кислорода (БПК) на 5% (таблица 1). Спустя 10 дней после интеграции аэрационно-осветительной установки в биологический фильтр, были отобраны пробы и отправлены на анализ в аккредитованную лабораторию. По результатам экспертизы наблюдается снижение ХПК на 90%, а БПК на 81% [9, 10].

Рисунок 2. Световая трубка с интегрированным аэратором.

До модернизации биофильтра, эффективность очистки вод денитрификацией по ХПК в среднем составляла 89%, что сопоставимо с эффектом очистки вод на установке. Из этого следует, что использование аэрационно-осветительной установки не уступает денитрификации. Установка проста в эксплуатации, в случае нехватки ее мощности возможен

монтаж дополнительных аналогичных модулей, а также она безопасна в случае протечки - напряжение, подаваемое на светодиоды, составляет 12В.

Рисунок 3. Фильтр биологической очистки рыборазводческой фермы с носителями биомассы и установленной аэрационно-осветительной

установкой

Таблица 1. Результаты лабораторных исследований.

рН ХПК, мгО/л 02, мг/л ]]Н4+, мг/л ]]02-, мг/л мг/л РО43-мг/л БПК, мгО2/л В.В., мг/л

1 без освещения Из бассейнов) 7,0 860,0 5,4 0,420 0,87 158,0 9,1 80,0 58,5

2 После биофильтра 7,3 430,0 5,6 0,050 0,15 142,0 8,7 76,0 99,5

3 С аэрационно-осветительной установкой (через 10 дней) Из бассейнов - 530,0 6,2 2,340 0,60 218,0 - - -

4 После биофильтра 6,4 88,0 7,4 2,900 0,50 189,0 14,0 15,0 13,0

5 после механического фильтра 6,3 68,0 6,7 3,220 0,60 209,0 13,0 9,9 12,2

6 после денитрификации - 94,0 3,6 0,050 0,18 95,0 - - -

Следует отметить, что вследствие более глубокой очистки вод с применением аэрационно-осветительной установки прирост массы рыбы в бассейнах повысился на 20 - 25%, что является экономическим стимулом к промышленному использованию новой технологии.

Литература

1. Седова, Т. В. Основы цитологии водорослей //- Л.: Наука, 1977. -

172 с.

2. Gouveia L. Microalgae as a Feedstock for Biofuels /Luisa Gouveia. -Springer, 2011. - 69 p.

3. Еремина И.А., Кригер О.В. Общая микробиология// Кемеровский технологический институт пищевой промышленности Кемерово, 2002.-112 с.

4. Баснакьян И.А., Бирюков В.В., Крылов Ю.М. Математическое описание основных кинетических закономерностей процесса культивирования микроорганизмов // В кн.: Итоги науки и техники. Микробиология. Т. 5. Управляемое и непрерывное культивирование микроорганизмов.- М. - 1976.- с. 5-75

5. Ветеринарная санитария биологических отходов. Учебно-методическое пособие по специальности 5В120200 - «Ветеринарная санитария» - Костанай, 2013 - с. 154-168.

6. Сершкрылов Н.С., Петрен^ С.Е., Бoрисова В.Ю. Повышение эффективности и надежности очистки сточных вод на разных стадиях эксплуатации очистных сооружений // Инженерный вестник Дона, 2013, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2013/16/.

7. Нагорнов С. А., Мещерякова Ю.В. Исследование условий культивирования микроводоросли хлорелла в трубчатом фотобиореакторе// -Вестник ТГТУ, 2015. Том 21. № 4. Transactions TSTU. - с. 1-3.

8. Серпoкрылoв Н.С., ^жин С.В., Тайвер Е.А. Очистка сточных вод бассейнов для содержания ластоногих до норм оборотного

водоснабжения // Инженерный вестник Дона, 2011, №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2011/380/.

9. Буймова С.А., Бубнов А.Г., под ред. Бубнова А.Г. Комплексная оценка качества родниковых вод на примере Ивановской области//; Иван. гос. хим.-технол. ун-т. - Иваново, 2012. - 154 с.

10. Коваленко Н.С., Минченков Ю.В., Овсеец М.И. Высшая математика. -Мн.: ЧИУП, 2003. - 32 с.

11. W.Miller, O.Patzel, H.Joachim Back, H.Wagner. Anlagenmechanik fur Sanitar-, Heizungs- und Klimatechnik Tabellenbuch Druck 3 // Westermann. Auflage 2012. - ss.325-330.

References

1. Sedova, T. V. Osnovy citologii vodoroslej [Basics of Cytology of algae] L.: Nauka, 1977. 172 p.

2. Gouveia L. Microalgae as a Feedstock for Biofuels. Luisa Gouveia. Springer, 2011. 69 p.

3. Eremina I.A., Kriger O.V. Obshhaja mikrobiologija [General Microbiology]. Kemerovskij tehnologicheskij institut pishhevoj promyshlennosti Kemerovo, 2002. 112 p.

4. Basnak'jan I.A., Birjukov V.V., Krylov Ju.M. Matematicheskoe opisanie osnovnyh kineticheskih zakonomernostej processa kul'tivirovanija mikroorganizmov [Mathematical description of the main kinetic regularities of the process of cultivation of microorganisms]. V kn.: Itogi nauki i tehniki. Mikrobiologija. T. 5. Upravljaemoe i nepreryvnoe kul'tivirovanie mikroorganizmov. M. 1976. Pp. 5-75.

5. Veterinarnaja sanitarija biologicheskih othodov [Veterinary sanitation biological waste]. Uchebno-metodicheskoe posobie po special'nosti 5V120200. «Veterinarnaja sanitarija». Kostanaj, 2013. Pp. 154-168.

6. Se^ky^ N.S., Petrento S.E., Bоrisоva V.Ju. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, №2. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n1y2009/250

7. Nagornov S.A., Meshherjakova Ju.V. [The study of the conditions of cultivation of microalgae Chlorella vulgaris in tubular photobioreactor]. Vestnik TGTU, 2015. Tom 21. № 4. Transactions TSTU. Pp. 1-3.

8. Serpоkrylоv N.S., ^zhin S.V., Tajver E.A. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2011, №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/ archive/n1y2011/380 Bujmova S.A., Bubnov A.G., pod red.

9. Bubnova A.G. Kompleksnaja ocenka kachestva rodnikovyh vod na primere Ivanovskoj oblasti [Complex assessment of the quality of spring waters by the example of Ivanovo region]. Ivan. gos. him.-tehnol. un-t. Ivanovo, 2012. 154 p.

10. Kovalenko N.S., Minchenkov Ju.V., Ovseec M.I. Vysshaja matematika [Higher mathematics]. Mn.: ChIUP, 2003. 32 p.

11. W.Miller, O.Patzel, H.Joachim Back, H.Wagner. Anlagenmechanik fur Sanitar, Heizungs- und Klimatechnik Tabellenbuch Druck 3. Westermann. Auflage 2012. Pp. 325-330.