Определение времени и интенсивности воздушной среднепузырчатой регенерации ершовой загрузки в аэротенке-биореакторе

УДК 628.35.001.24

Определение времени и интенсивности воздушной среднепузырчатой регенерации ершовой загрузки в аэротенке-биореакторе

[1], [2]

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 
664074, Россия, 3.

Описана и показана схема установки для воздушной регенерации. Проведены опыты по определению времени и интенсивности воздушной среднепузырчатой регенерации ершовой загрузки в аэротенке-биореакторе, приведены их результаты и подобраны оптимальные значения. Выявлено, что повышение эффективности воздушной регенерации ершовой загрузки до более ~80 % экономически нецелесообразно.

Ключевые слова: воздушная среднепузырчатая регенерация, время регенерации, интенсивность регенерации, аэротенк-биореактор, ершовая загрузка.

TIME AND INTENSITY DETERMINATION OF AIR MEDIUM BUBBLING REGENERATION OF BRUSH LOADING IN AEROTANK-BIOREACTOR

A. Yakhimbayev, V. Kulkov

Irkutsk National Research Technical University,

83 Lermontov Street, Irkutsk, 664074, Russia

The article presents the description of the installation diagram for air regeneration. The authors have performed the experiments to determine the time and intensity of air medium bubbling regeneration of brush loading in the aerotank-bioreactor, given their results and identified the optimal values.

Keywords: air medium bubbling regeneration; regeneration time; regeneration rate; aerotank-bioreactor; brush loading.

Современным способом интенсификации биологической очистки сточных вод является увеличение дозы активного ила в аэротенке c использованием ершовых инертных носителей для образования на них иммобилизованной микрофлоры. Повысить концентрацию биомассы без применения инертной загрузки достаточно трудно из-за удаления свободно плавающего ила из системы биологической очистки.

Очистка сточных вод в аэротенках-биореакторах с применением иммобилизованных микроорганизмов, закрепленных на поверхности инертных носителей, позволяет осуществлять многостадийные биологические процессы, обусловленные хорошей защищенностью клеток микроорганизмов от воздействия отрицательных технологических параметров. Иммобилизованный ил менее чувствителен к токсичным веществам, поступающим в аэротенк-биореактор [1–4].

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 данных 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 [2, 4, 5].

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 [4].

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 [2, 3].

Концентрацию свободно плавающего ила определяли люксметром, установленным стационарно, контролируя интенсивность света в контрольном квадрате 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 [5, 6].

Установка для изучения кинетики иммобилизованного и свободно плавающего ила в биореакторе при среднепузырчатой регенерации ершовой загрузки представлена на рис. 1.

Рис. 1. 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 концентраций 0,34 г/л, оседал на синтетических водорослях, распределяясь жидкостными 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) [7].

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 эффективности регенерации ершовой загрузки от времени воздушной среднепузырчатой регенерации, осуществляемой под ершовой загрузкой.

Для определения времени регенерации водо-воздушным способом, достаточного для максимального удаления прикрепленной к синтетической загрузке типа «ерш» микрофлоры, провели несколько регенераций с различной продолжительностью при одинаковом удельном расходе воздуха (рис. 2). Общая доза ила в модели аэротенка-биореактора составляла 0,38 г/л.

Эффективность водо-воздушного способа регенерации определяли по формуле

где – концентрация свободно плавающего ила после и до регенерации соответственно, г/л; – общая доза ила, г/л.

Рис. 2. Кинетика изменения концентрации свободно плавающего ила

при различной продолжительности воздушной регенерации

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

Эффективность регенерации в диапазоне от 30 секунд до двух минут составила Эmin = 66,4 % и Эmax = 76,5 %, т. е. изменилась на ~10 %. Дальнейшее увеличение времени регенерации до 3 и 4 минут повысило эффективность регенерации до 77 %, т. е. на ~1 %. Следовательно, продолжительность времени для эффективного удаления прикрепленной к инертной синтетической загрузке «ерш» микрофлоры при удельном расходе воздуха 7,69 м3/(м2∙ч) может быть принята не менее 2 минут.

Анализируя приведенные зависимости, необходимо отметить, что скорость осаждения плавающего ила на ершовую загрузку изменяется за один час более чем в 10 раз. Скорость изменения концентрации свободно плавающего ила после часового осаждения составляла 0,0011 г/(л∙мин) с тенденцией к уменьшению, тогда как после 10-минутного осаждения – 0,005 г/(л∙мин).

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.

Для осуществления процессов денитрификации и совместного действия свободно плавающего и иммобилизованного ила рекомендуется проводить воздушную регенерацию один раз в сутки [1, 4].

Определив оптимальное время регенерации, мы приступили к определению ее интенсивности.

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

Использование среднепузырчатой воздушной регенерации позволило получить максимальную величину эффективности очистки ершовой загрузки 91 % при интенсивности воздушной регенерации Jg = 11,45 м3/(м2∙ч) (рис. 3).

Рис. 3. Динамика концентрации свободно плавающего ила при различной

интенсивности воздушной регенерации ершовой загрузки

При удельном расходе воздуха 7,47 м3/(м2∙ч) эффективность составила 76 % (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость эффективности воздушной регенерации иммобилизованного ила от интенсивности воздушной среднепузырчатой регенерации

Повышение эффективности воздушной регенерации ершовой загрузки до более ~80 % экономически нецелесообразно, так как увеличение интенсивности воздушной регенерации в 1,5 раза (увеличение удельного расхода воздуха с 7,47 до 11,45 м3/(м2∙ч)) приводит к росту эффективности регенерации всего на ~2 %, т. е. до 78 %.

Библиографический список

1.  , , Губайдуллин блоков биологической загрузки на сооружениях очистки сточных вод // Водоснабжение и санитарная техника. 2010. № 10. Ч. 2. С. 25–31.

2.  , , Зеленин водо-воздушной регенерации синтетической загрузки аэротенка-биореактора // Вестник МГСУ. 2014. № 7. С. 41–50.

3.  , , Сосна синтетической загрузки в биореакторе // Известия вузов. Строительство. 2013. № 1. С. 92–101.

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

5.  , , Зеленин газовой составляющей на эффективность водо-воздушной регенерации ершовой загрузки в биореакторе // Вестник ИрГТУ. 2012. № 11. С. 112–118.

6.  , , Зеленин концентрации свободно плавающего ила в биореакторе // Вода Madazine. 2012. № 3. С. 44–46.

7.  , , Сосна механической регенерации синтетической загрузки в аэротенке // Вестник МГСУ. 2013. № 7. С. 131–140.

[1] , студент гр. ВВМ-16-1 кафедры инженерных коммуникаций и систем жизнеобеспечения, e-mail: *****@***ru

Yakhimbayev Alexander, student gr. VVm-16-1 of department of engineering communications and life support systems, e-mail: *****@***ru

[2] , доктор технических наук, профессор кафедры инженерных коммуникаций и систем жизнеобеспечения, тел.: + 7 [phone], e-mail: kulkof. *****@***ru

Kulkov Victor, doctor of technical sciences, professor, Department of Engineering communications and life support systems, tel.: + 7 (3952) 405-142, e-mail: kulkof. *****@***ru