Кинетика иммобилизованного и свободно плавающего ила в биореакторе при среднепузырчатой регенерации ершовой загрузки

УДК 628.35.001.24

DOI: 10.21285/2227-2917-2016-2-146-152

КИНЕТИКА ИММОБИЛИЗОВАННОГО И СВОБОДНО ПЛАВАЮЩЕГО ИЛА В БИОРЕАКТОРЕ ПРИ СРЕДНЕПУЗЫРЧАТОЙ РЕГЕНЕРАЦИИ

ЕРШОВОЙ ЗАГРУЗКИ

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

Изучена седиментация ила на синтетической ершовой загрузке в модели биореактора с использованием постоянно действующей воздушной регенерации загрузки. Получены зависимости отношения иммобилизованного к свободно плавающему илу от интенсивности воздушной регенерации для различных промежутков времени седиментации ила на ершовую загрузку. Исследована кинетика отношения ценозов ила в биореакторе от интенсивности среднепузырчатой воздушной регенерации. Физическая модель аэротенка и использованные оптические методы позволили показать, что увеличение интенсивности регенерации приводит к росту свободно плавающего ила по экспоненциальной зависимости.

Ключевые слова: аэротенк-биореактор, синтетическая ершовая загрузка, иммобилизованный ил, свободно плавающий ил, среднепузырчатая воздушная регенерация загрузки.

KINETICS OF IMMOBILIZED AND FREE FLOWING SILT IN THE BIOREACTOR DURING THE MID-FOAMY REGENERATION OF BRUSH LOADING

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

We studied sedimentation of silt at the synthetic brush loading in the model of bioreactor with the use of regular active air regeneration of loading. We got the dependence of the relation of immobilized silt to the free flowing one on the intensity of air regeneration for different time intervals of silt sedimentation for the brush loading. We investigated kinetics of the relation of silt cenosis in a bioreactor to the intensity of mid-foamy air regeneration. Physical model of aerotank and used optic methods allowed to show that increase of regeneration intensity causes the increase of free-flowing silt according to exponential relation.

Keywords: aerotank-bioreactor, synthetic brush loading, immobilized and free-flowing silt, mid-foamy air regeneration of loading

Современные способы интенсификации биологической очистки сточных вод включают повышение дозы активного ила, улучшение системы аэрации, иммобилизацию микроорганизмов активного ила на различных носителях и др.

Одним из эффективных направлений интенсификации биологической очистки сточных вод является увеличение дозы активного ила в аэротенке c использованием нейтральных носителей для образования на них прикрепленной микрофлоры. Повысить концентрацию биомассы без применения инертной загрузки достаточно трудно из-за уноса свободно плавающего ила во вторичные отстойники.

Очистка сточных вод в аэротенках-биореакторах с применением микроорганизмов, закрепленных на поверхности инертных носителей, позволяет осуществлять сложные многостадийные биологические процессы, обусловленные лучшей защищенностью клеток микроорганизмов от воздействия отрицательных факторов. Кроме того, закрепление микроорганизмов позволяет постоянно фиксировать их клеточную массу и осуществлять ее

пространственное перераспределение. Закрепленный активный ил менее чувствителен к токсичным веществам [1-5].

При использовании дополнительной биомассы ила, размещенной на инертных носителях, очистка осуществляется несколькими различными ценозами ила, подразделяющимися на две основные группы: ценоз активного ила, находящегося во взвешенном состоянии, и ценоз биопленки, прикрепленной к инертным носителям.

Анализ литературных источников показывает, что применение инертной загрузки, иммобилизующей ил до 15-20 г/м.п. ершовой загрузки, позволяет повысить окислительную мощность аэротенка, стабилизировать процесс обработки сточных вод, увеличить глубину биологической очистки и уменьшить объемы биологических очистных сооружений [4, 6].

В данной работе в качестве носителей иммобилизованной биомассы использована синтетическая загрузка типа «ерш». Для поддержания иммобилизованного ила в активном состоянии необходима периодическая регенерация синтетической загрузки. Существующий способ регенерации инертных носителей биомассы промыванием струей воды - трудоемкая процедура, а если она проводится без извлечения блоков из аэрируемого сооружения, непосредственно в аэротенке, это требует значительных затрат времени на его опорожнение.

Таким образом, широкое применение синтетической инертной загрузки, предназначенной для интенсификации работы аэротенков-биореакторов с целью увеличения мощности окисления и достижения требуемого качества очистки сточных вод, обуславливает задачу разработки и изучения технологии регенерации синтетической инертной загрузки в аэротенке.

В модельный биореактор помещалась инертная синтетическая загрузка типа «ерш», закрепленная на раме из нержавеющей стали. Загрузка крепилась вертикально с шагом 100 мм, чтобы на 1 м3 объема ячейки приходилось в среднем 50 погонных метров «ершей». В ячейке размещались 7 вертикальных «ершей» длиной 0,62 м и диаметром 50 мм. Общая длина ершовой загрузки составляла 4,34 м.

Концентрацию свободно плавающего ила определяли люксметром, установленным стационарно, контролируя интенсивность света в контрольных квадратах в основном гидродинамическом потоке при определенной общей дозе ила в модели. Люксметр показывал минимальное и максимальное значение интенсивности светового потока, проходящего через водно-иловую смесь за контролируемый период измерения, что позволяло получить среднеарифметическое значение измеряемой величины.

Активный ил оседал на синтетической загрузке, распределяясь по ней относительно равномерно (рис. 1) гидродинамическим потоком основного циркуляционного контура.

Рис. 1. Распределение иммобилизованного ила на ершовой загрузке в квазистационарном процессе его седиментации

Установка для изучения кинетики иммобилизованного и свободно плавающего ила в биореакторе при среднепузырчатой регенерации ершовой загрузки представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема установки для воздушной регенерации ершовой загрузки:

1 - модельный биореактор; 2 - компрессор с ресивером для аэрации водно-иловой смеси; 3 - компрессор с ресивером для регенерации; 4 - кран для регулирования расхода воздуха и сброса его в атмосферу; 5 и 6 - ротаметр; 7 - манометр; 8 - мелкопузырчатый аэратор; 9 - электронный термометр; 10 - водно-иловая смесь; 11 - инертная синтетическая загрузка типа «ерш»; 12 - среднепузырчатый регенератор загрузки;

13 и 14 - люксметр; 15 - лампа для освещения водно-иловой смеси

Активный ил, находящийся в биореакторе с концентрацией 0,34 г/л, оседал на синтетических водорослях, распределяясь жидкосными потоками. Средняя скорость в поверхностном слое потока жидкости составляла 0,6^0,65 м/с и обеспечивалась мелкопузырчатым аэратором, установленным в левом нижнем углу биореактора. Удельная интенсивность аэрации водно-иловой смеси составляла 6,92 м3/(м2-ч).

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 различной интенсивности удельной воздушной регенерации.

Практический интерес представляет зависимость соотношения свободно плавающего и иммобилизованного ила от интенсивности постоянно действующей воздушной среднепузырчатой регенерации, расположенной под ершовой загрузкой. По зависимости можно подобрать интенсивность воздушной регенерации для обеспечения необходимой дозы свободно плавающего ила в биореакторе. Интерес представляет кинетика изменения соотношения имеющихся ценозов при различной интенсивности воздушной регенерации.

Зависимость концентрации иммобилизованного ила от интенсивности воздушной среднепузырчатой регенерации, измеренная через 20, 40 и 60 мин после включения регенерации, приведена на рис 3. Видно, что концентрация иммобилизованного ила на ершовой загрузке плавно уменьшается до /срп. ~ 2 м3/(м2-ч), а дальнейшее увеличение интенсивности регенерации приводит к плавному уменьшению концентрации иммобилизованного ила с тенденцией выхода на предельную величину, характерную для выбранной интенсификации и в обозначенный промежуток времени от включения регенерации. Так, при интенсивности Jсрп ~ 5,13 м3/(м2-ч) концентрация иммобилизованного ила, измеренная через 20 минут после включения регенерации, составила Сим = 0,08 г/л, а изменение концентрации АС = 0,08 г/л. Через 40 мин при той же величине интенсивности концентрация

Сим = 0,13 г/л, и изменение концентрации АС = 0,05 г/л, а через 60 мин - Сим = 0,16 г/л и АС= 0,03 г/л. Явно видна тенденция стремления концентрации ила АС к нулю.

Рис. 3. Зависимость концентрации иммобилизованного ила от интенсивности воздушной среднепузырчатой регенерации через 20, 40 и 60 мин от начала

седиментации

Кинетика отношения иммобилизованного ила к свободно плавающему для различных величин интенсивности воздушной регенерации ершовой загрузки приведена на рис. 4. Видно, что равенство ценозов Сим/Ссп =1 в модельной ячейке наступает через ~ 7 мин без воздушной регенерации ершовой загрузки, а при ^рп во ценозов наступает примерно через один час.

5,13 м3/(м2-ч) равенст-

Рис. 4. Кинетика отношения иммобилизованного к свободно плавающему илу для различных величин интенсивности воздушной регенерации ершовой

3 2

загрузки /срп, м /

ISSN 2227-2917 Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость № 2 (17) 2016

Незначительное увеличение воздушной регенерации изменяет соотношение Сим/Ссп в 2 и менее раз, и дальнейшее увеличение интенсивности среднепузырчатой регенерации приводит к почти паритетному распределению ценозов. Постоянно действующая воздушная регенерация ершовой загрузки обеспечивает квазистационарное состояние седиментации и смывание активного ила через определенный промежуток времени аэрации водно-иловой смеси мелкопузырчатой аэрацией и среднепузырчатой воздушной регенерацией ершовой загрузки.

Переход соотношения ценозов в модельном биореакторе к паритетному отношению с дальнейшим ростом свободно плавающего ила показан на рис. 5.

6,0 5,0 4,0

с

и

о 3,0

Интенсивность постоянно действующей среднепузырчатой аэрации

Jcpn, м3/

Рис. 5. Зависимость отношения концентрации иммобилизованного к свободно плавающему илу для различных величин интенсивности воздушной регенерации ершовой загрузки при различных промежутках времени седиментации

На начальной стадии работы биореактора (до 20 мин) соотношение биоценозов близко к паритетному, независимо от интенсивности регенерации, с тенденцией роста свободно плавающего ила при увеличении интенсивности воздушной регенерации, что приводит к уменьшению соотношения Сим/Ссп. Развитие кинетики процесса приводит к росту концентрации иммобилизованного ила. Так, при интенсивности J^. ~ 2,0 м3/(м2-ч) отношение концентраций Сим/Ссп = 0,5 через 10 минут, а через 70 минут оно равно Сим/Ссп = 4 при той же величине регенерации, но тенденция к уменьшению соотношения с ростом интенсивности регенерации сохраняется и даже возрастает в интервале от 2 до ~ 4 м3/(м2-ч).

Зависимость, характеризующая время установки паритетного отношения ценозов в биореакторе от интенсивности воздушной среднепузырчатой регенерации, приведена на рис. 6 и описывается уравнением

т = 13,54  e'271 'Jcm

с высоким коэффициентом детерминации R2 = 0,962.

Дальнейшее увеличение интенсивности регенерации приводит практически к исключению паритетного отношения ценозов в биореакторе с постоянно действующей воздушной регенерацией.

Таким образом, постоянно действующая воздушная регенерация ершовой загрузки приводит к созданию квазистационарного состояния седиментации ила через определен-

ный промежуток времени аэрации водно-иловой смеси мелкопузырчатой аэрацией. Увеличение интенсивности воздушной регенерации приводит к исключению паритетного отношения ценозов в биореакторе с постоянно действующей воздушной регенерацией.

120

100

3- 80 s 5

к 60 5 О Q.

со 40

20 0

0 2 4 6 8 10

Интенсивность среднепузырчатой аэрации Jcpn, м3/

Рис. 6. Зависимость времени установки паритетного отношения ценозов от интенсивности воздушной среднепузырчатой регенерации ершовой загрузки

Использование интенсивности воздушной среднепузырчатой аэрации ершовой загрузки свыше ~ 6 м3/(м2-ч) при плотности ершовой загрузки 50 м.п. в 1 м3 объема биореактора нецелесообразно, так как это приводит к уменьшению концентрации иммобилизованного ила на загрузке меньше 50 % от общей дозы в биореакторе.

Статья поступила 03.02.2016 г. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Использование блоков биологической загрузки на сооружениях очистки сточных вод / В.Н. Швецов, К.М. Морозова, И.И. Смирнова, М.Ю. Семенов, М.Л. Лежнев, Г.Г. Рыжаков, Т.М. Губайдуллин // Водоснабжение и санитарная техника. 2010. № 10 (ч. 2). С. 25-31.

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.

3. Nozhevnikova A., Simankova M., Litti Yu. Application of the microbial process of anaerobic ammonium oxidation (ANAMMOX) in biotechnological wastewater treatment // Applied Biochemistry and Microbiology. 2012. Vol. 48. No. 8. P. 667-684.

4. Жмур Н.С. Технологические и биохимические процессы очистки сточных вод на сооружениях с аэротенками. М.: АКВАРОС, 2003. 512 с.

5. Springer Andrew. Loading for the immobilization of microorganisms in the biological cleaning of sewage systems. Water and Wastr Treat. 2007. Vol. 50. No. 2. P. 22-23.

6. Теоретические основы очистки воды / Н.И. Куликов, А.Я. Райманов, Н.П. Омельченко, В.Н. Чернышов. Макеевка: Изд-во «НОУЛИДЖ» (донецкое отделение), 2009. 298 с.

REFERENCES

1. Shvetsov V.N., Morozova K.M., Smirnova I.I., Semenov M.Yu., Lezhnev M.L., Ryz-hakov G.G., Gubaidullin T.M. Ispol'zovanie blokov biologicheskoi zagruzki na sooruzheniyakh ochistki stochnykh vod [Use of blocks of biological loading at the constructions of purification of waste waters]. Vodosnabzhenie i sanitarnaya tekhnika - Water supply and sanitary engineering, 2010, no. 10 (part 2), pp. 25-31.

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

3. Nozhevnikova A., Simankova M., Litti Yu. Application of the microbial process of anaerobic ammonium oxidation (ANAMMOX) in biotechnological wastewater treatment. Applied Bio-chemistry and Microbiology, 2012, vol. 48, no. 8, pp. 667-684.

4. Zhmur N.S. Tekhnologicheskie i biokhimicheskie protsessy ochistki stochnykh vod na so-oruzheniyakh s aerotenkami [Technological and biochemical processes of waste waters purification at the constructions with aerotanks]. Moscow, AKVAROS Publ., 2003. 512 p.

5. Springer Andrew. Loading for the immobilization of microorganisms in the biological clean-ing of sewage systems. Water and Wastr Treat, 2007, vol. 50, no. 2, pp. 22-23.

6. Kulikov N.I., Raimanov A.Ya., Omel'chenko N.P., Chernyshov V.N. Teoreticheskie osnovy ochistki vody [Theoretical foundations of water purification]. Makeevka, NOULIDZh (donetskoe otdelenie) Publ., 2009. 298 p.

Информация об авторах

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.

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.

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

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, Russia.

Solopanov E.Iu., Candidate of Technical Sciences, Associate professor of the Department of informatics, e-mail: evgursolo@mail.ru; Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

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, Russia.