Интенсификация биологической очистки сточных вод с использованием инертной ершовой загрузки Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

Оригинальная статья / Original article УДК 628.35.001.24

DOI: 10.21285/2227-2917-2017-3-82-88

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

ИНЕРТНОЙ ЕРШОВОЙ ЗАГРУЗКИ

a b

© В.С. Ленденев , Е.Ю. Солопанов

1ООО «Канвод»,

Российская Федерация, 664007, г. Иркутск, ул. Декабрьских Событий, 85, оф. 83. 2Иркутский национальный исследовательский технический университет, Российская Федерация, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Резюме. Цель. Изучение интенсификации биологической очистки сточных вод с использованием иммобилизованного ила на ершовой загрузке в аэротенке-биореакторе. Методы. Исследования проводились на физической модели аэротенка-биореактора, представляющей собой вертикальный поперечный разрез коридора промышленного аэротенка. Использование красящей метки и оптического метода для определения интенсивности света, проходящего через водно-иловую смесь, позволило определить величину застойной зоны и оценить динамику соотношения концентраций свободно плавающего и иммобилизованного ила. Результаты. Увеличение процента газа, отбираемого направляющей пластиной для уменьшения застойной зоны и увеличения окислительной мощности аэротенка, составляет ~20 % от интенсивности аэрации водно-иловой смеси. Выводы. Определено количество газа, отбираемое пластиной, расположенной над мелкопузырчатым аэратором, для создания оптимальной гидродинамической обстановки в аэротенке. Ключевые слова: аэротенк-биореактор, физическая модель, ершовая инертная загрузка, иммобилизованный ил, направляющая пластина, застойная зона.

Формат цитирования: Ленденев В.С., Солопанов Е.Ю. Интенсификация биологической очистки сточных вод с использованием инертной ершовой загрузки // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2017. Т. 7, № 3. С. 82-88. DOI: 10.21285/2227-2917-2017-3-82-88

INTENSIFICATION OF BIOLOGICAL TREATMENT OF SEWAGE WATERS WITH THE USE OF

INACTIVE BRUSH LOADING

© V.S. Lendenev, E.Yu. Solopanov

LLC «Kanvod»,

85 Dekabrskikh sobytii St., office 83, Irkutsk 664007, Russian Federation Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk 664074, Russian Federation

Abstract. Purpose. Investigation of intensification of biological treatment of seawage waters with the use of immobilized silt at the brush loading in aerotank bioreactor. Methods. The investigations were held at the physical model of an aerotank-bioreactor that is a vertical cross-cut section in the corridor of the industrial aerotank. The use of a colour mark and optical method to define the intensity of light that goes through water-silt mixture allowed to define the size of a dead zone and evaluate the dynamics of correlation of free-flowing and immobilized silt. Results. Increase of a gas percentage, selected by the guided plate to decrease the dead zone and increase oxidation capacity of aerotank is 20 % from the intensity of aeration of water-silt mixture. Conclusions. We defined the quantity of gas selected by the plate over a small-bubble aerator, to create optimal hydrodynamic environment in the aerotank. Keywords: aerotank-bioreactor, physical model, brush inactive loading, immobilized silt, guided plate, dead zone

For citation: Lendenev V.S., Solopanov E.Yu. Intensification of biological treatment of sewage waters with the use of inactive brush loading. Izvestiya vuzov. Investitsii. Stroitel'stvo. Nedvizhimost' [Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate], 2017, vol. 7, no. 3, pp. 82-88. (In Russian) DOI: 10.21285/2227-2917-2017-3-82-88

Введение

Улучшение биологической очистки сточных вод наблюдается с повышением концентрации активного ила в аэротенке, так как снижается удельная нагрузка на активный ил. Увеличение концентрации ила приводит к

улучшению его метаболических свойств и возрастанию окислительной мощности аэротенка.

Повышение дозы ила в аэрационном сооружении достигается при использовании нейтральных носителей для образования на

них фиксированной микрофлоры. Носителями микрофлоры могут быть как плавающие, так и фиксировано установленные насадки из различных материалов, позволяющие поднять дозу ила в аэротенке до 8-10 г/л. Благодаря носителям с биопленкой можно повысить биологическую очистку и уменьшить негативное воздействие отравляющих веществ на активный ил.

При использовании дополнительного иммобилизованного ила, размещенного на носителях, очистка воды осуществляется следующими двумя группами ценозов: активного взвешенного ила и ила биопленки, прикрепленного к носителям. Возраст активного плавающего ила, который непрерывно удаляется и обновляется, меньше, чем у ила, находящегося на носителях. «Молодой» ил с возрастом 3-4 суток позволяет поддерживать в биореакторе высокие скорости окисления, а «старый» ил (возраст более 10-12 сут.) - повысить нитрифицирующие и седиментацион-ные свойства активного ила. Наряду с этим биопленка нейтральных носителей увеличивает суммарное время нахождения активного ила в аэрируемом сооружении, что особенно важно для сточных вод, содержащих сложно-окисляемую органику [1]. Возрастание суммарной биомассы ила приводит к сдерживанию нитчатого бактериального вспухания и улучшению качества очистки сточных вод.

Одним из эффективных носителей биомассы, размещаемым в аэротенках, является ершовая загрузка, обеспечивающая оседание значительного количества ила на своей поверхности. Удельная поверхность адсорбции на ершах составляет ~500 м2/м3.

Ар Pf

описывает подобные гидродинамические процессы, имеющие место в физической модели и промышленном аэротенке, при усло-

Материал и методы исследования

Окислительную мощность аэротенка обусловливает распределение кислорода и активного ила по всему его объему. Создать наилучшую гидродинамическую обстановку в аэротенке и таким образом добиться максимальной окислительной мощности в нем можно, изменяя геометрические размеры зоны циркуляции жидкости. Эксперимент можно провести на физической модели аэротенка с использованием визуализации процесса газогидродинамической обстановки.

Возможность физического моделирования газогидродинамических процессов в аэротенке обусловливается размерами пузырьков воздуха, которые определяются материалом, из которого изготовлен аэратор, а также скоростью всплывания пузырьков, вызывающей однонаправленное движении жидкости. В первом приближении подобие определяется критериями Рейнольдса (Яе), Фру-да (Рг) и Вебера (Ше). В экспериментах применялось диспергирующее покрытие мелкопузырчатого аэратора «Аква-Лайн», что позволило говорить об одинаковых размерах пузырьков. Если скорость движения жидкости

Vг в производственном аэротенке совпадает со скоростью жидкости в модельном аэротенке при неизменных других параметрах (р^ -

плотность жидкости, ^ - ее вязкость, рч -плотность газа, vq - его скорость, а - поверхностное натяжение и х - безразмерный коэффициент), то полученная функциональная зависимость

= х • Re• Fr -r • Wew

f V v„

Vf

V f J

f V

' Pq A

Pf

вии использования идентичнои водно-иловои смеси:

Re = idem, Fr = idem, We = idem, v /vf = idem, р /pf = idem.

Значения скорости сточной воды, измеренной в аэротенках левобережных канализационных очистных сооружений г. Иркутска, и скорости жидкости в физической модели аэротенка равны и составляют ~0,65 м/с. Сравнение значений этих скоростей позволя-

ет применить физическое моделирование для изучения гидродинамики промышленного аэротенка в модели аэротенка. Схема установки для изучения гидродинамики сточных вод состояла из прямоугольной модели аэро-тенка-биореактора, выполненной из силикат-

аЛенденев Вячеслав Сергеевич, кандидат технических наук, генеральный директор, тел.: +7 (3952) 40-30-87, e-mail: [email protected]

Vyacheslav S. Lendenev, candidate of technical sciences, general director, tel.: +7 (3952) 40-30-87, e-mail: [email protected]

ьСолопанов Евгений Юрьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры информатики, e-mail: [email protected]

Evgeny Yu. Solopanov, candidate of technical sciences, associate professor, Department of computer science, e-mail: [email protected]

ного полированного стекла, с внутренними размерами 0,053x1,475x1,100 м. Модель представляет собой вертикальный поперечный разрез промышленного аэротенка. Расход воздуха, подаваемый компрессором, измеряли ротаметром.

В биореактор помещалась рама с вертикально прикрепленной с шагом 100 мм синтетической ершовой загрузкой. Загрузка размещалась выше дна и ниже поверхности водно-иловой смеси на -10-12 мм, что необходимо для движения воды в основном циркуляционном контуре. В ячейке размещались 7 нитей «ершей» диаметром 50 мм и длиной 0,62 м. Суммарная длина ершовой загрузки составила 4,34 м. В объеме данной загрузки измерялась люксметром интенсивность светового потока, проходящего через водно-иловую смесь. Находящийся в биореакторе

активный ил с иловым индексом 110^140 см3/г оседал на синтетической ершовой загрузке и распределялся по ней достаточно равномерно потоком воды основного циркуляционного контура. Общая доза ила в модели аэротенка-биореактора равнялась ~0,38 г/л. Удельная интенсивность аэрации водно-иловой смеси составляла ~7 м3/(м2ч).

Результаты исследования и их обсуждение

Для визуального определения гидродинамики в модель без ершовой загрузки вводили красящую метку в центральную область плоскостной модельной ячейки и наблюдали застойную зону, не размываемую интенсивным периферийным потоком (рис. 1).

Рис. 1. Застойная зона в модели аэротенка Fig. 1. Congestion zone in the model of aerotank

Обширная застойная зона, образующаяся в центральной области модели поперечного вертикального сечения аэротенка при боковом расположении мелкопузырчатого аэратора, способствует быстрой коагуляции активного ила в крупные агломераты. Небольшие скорости движения воды 0,050,1 м/с не способствуют доставке растворенного в ней кислорода к застойной зоне, т.е. окислительная способность этой области аэ-ротенка уменьшается.

Площадь застойной зоны имеет величину, равную ~25 % от всей площади вертикального поперечного разреза аэротенка, и исключена из активной окислительной способности органических веществ.

Для интенсификации биологической очистки сточных вод на застойную зону влияли направляющей пластиной, которая была установлена сверху мелкопузырчатого аэратора. Необходимо определить оптимальное количество газа, отбираемого пластиной от газового потока, которое приведет к уменьшению застойной зоны и в тоже время обеспечит нахождение активного ила во взвешенном состоянии. Количество газа, отбираемого пластиной от газового потока, не должно быть равно 100 %, т.к. исчезнет основной циркуляционный контур скорости, поддерживающий ил во взвешенном состоянии.

Для решения этой задачи был проведен ряд экспериментов при различном отборе газа (8-23 %) на направляющую пластину,

и по их результатам построены векторные и скалярные поля скорости и определена площадь застойной зоны. Количество отобранного газа на пластину определялось с помощью газовой ловушки и газосчетчика ВК^4. Величина скорости в основном циркуляционном контуре при отборе газа на пластину уменьшалась с 0,45 м/с до 0,3 м/с, а над направляющей пластиной возникла вторая небольшая застойная зона с площадью ~5 %.

Найдя площадь застойной зоны (при скорости потока воды меньше 0,1 м/с) в процентах от всей площади вертикального попе-

речного сечения модели аэротенка, построили зависимость ее от количества газа, направляемого на пластину (рис. 2). Видно, что наименьшая площадь застойной зоны наблюдается при отборе газа на пластину в пределах 8-13 %.

Полученная зависимость описывается квадратичным уравнением

S = 0,0009 • q2 - 0,0194 • q + 0,1507,

где S - площадь застойной зоны, %; q - количество газа, отбираемого пластиной, %.

Рис 2. Зависимость площади застойной зоны S от количества воздуха q,

подаваемого на направляющую пластину Fig. 2. Dependence of square of a ingestion zone S on the quantity of air q,

given to the guide plate

Промышленные испытания метода воздействия на гидродинамическую обстановку в аэротенке с целью интенсификации биологической очистки сточных вод проводились на канализационных очистных сооружениях поселка Сосновый бор Иркутской области. Выше мелкопузырчатого аэратора на ~0,4 м установили направляющую пластину, которая часть газожидкостного потока отклоняла в центральную область биореактора, где находится застойная зона.

В процессе испытаний определяли на входе и выходе аэротенка биохимическое потребление кислорода (БПК5) и количество взвешенных частиц (ВВ).

Расход сточных вод в течение суток составлял ~150 литров. Сначала сточная жидкость поступала в первичный отстойник, далее - в аэротенк-вытеснитель, а затем - во вторичный отстойник.

Отбор проб выполняли ежедневно на входе и выходе аэротенка для проведения анализов в лицензированной аккредитованной лаборатории г. Иркутска. Результаты испытаний на промышленном аэротенке приведены в табл.1.

Воздействие на гидродинамику аэро-тенка направляющей пластиной показало эффективность предложенного технического решения. Глубина очистки в аэротенке по БПК5 увеличилась на ~20 %, а ВВ - на ~27 %.

Введение красящей метки в зону свободной конвекции модели при 2-х мелкопузырчатых аэраторах показывает существование двух застойных зон в модели аэротенка (рис. 3).

Скалярное поле скорости течения воды в вертикальном поперечном сечении биореактора, построенное по результатам проведенных экспериментов при использовании двух мелкопузырчатых аэраторов, расположенных в противоположных углах модели, показало, что поле скорости неоднородно по высоте сечения и значение скорости меняется от 0,05 м/с до 0,6 м/с.

По периметру двух циркуляционных контуров встречаются максимальные численные значения скорости жидкости, которые уменьшаются при движении к их центральным зонам. Скорости в центральной области контуров примерно в 10 раз меньше, чем по их периметру, что позволяет утверждать о

наличии застойных зон с минимальной окислительной способностью.

Центральные эллипсоидальные зоны вытянуты по высоте и зависят от ширины коридора аэротенка. Ершовая загрузка, уста-

новленная в модели аэротенка-биореактора, изменяет скалярное поле скорости водно-иловой смеси и увеличивает суммарную дозу ила до ~0,6 г/л при величине дозы свободно плавающего ила ~0,3 г/л (рис. 4).

Результаты промышленных испытаний Results of industrial tests

Таблица 1 Table 1

Точка отбора / Point of selection БПК5, мг/л / BOD5, mg/l ВВ, мг/л / SS, mg/l

Без воздействия на гидродинамику аэротенка / Without the impact on the hydrodynamics of aerotank

Вход / Inlet 97,8 31,1

Выход / Outlet 14,6 10,9

Вход / Inlet 108,6 31,4

Выход / Outlet 15,4 11,5

Вход / Inlet 106,4 30,4

Выход / Outlet 15,9 10,6

С воздействием на гидродинамику аэротенка / With the impact on the hydrodynamics of aerotank

Вход / Inlet 107,2 30,1

Выход / Outlet 12,3 8,5

Вход / Inlet 96,7 31,7

Выход / Outlet 11,1 7,9

Вход / Inlet 105,1 36,2

Выход / Outlet 12,5 7,6

Рис 3. Застойные зоны в вертикальном поперечном сечении аэротенка при двурядной

мелкопузырчатой аэрации Fig. 3. Congestion zones in the vertical cross-cut of an aerotank at the double-row of fine-bubble

aeration

Численные значения скорости по периметру двух основных циркуляционных контуров с ершовой загрузкой имеют меньшие значения, чем при ее отсутствии. Ширина потока жидкости, зависящая от установленной ершовой загрузки, в два раза меньше. В центральной области обеих застойных зон имеются потоки со слабовыраженным направлением при средней скорости 0,05 м/с. Иммобилизованный ил с ершовой загрузки не смывается этими потоками (рис. 5, а). В центральной области модели с ершовой загрузкой имеется вертикально направленный вниз

поток со средней скоростью -0,35 м/с и ниже, т.е. он не сохраняет скоростей поверхностного потока (-0,5 м/с).

Два придонных потока жидкости имеют скорость ~0,25 м/с и направлены в противоположные направления, что обусловлено циркуляционным движением воды и ее подсосом угловыми аэраторами. Эти потоки подхватывают иммобилизованный ил, удаленный с ершовой загрузки воздушной регенерацией (рис. 5, б), и распределяют его по всему объему модели биореактора.

Рис. 4. Скалярное поле скорости течения жидкости в модели с ершовой загрузкой:

Л- 5 см/с; ▲ - 10 см/с; о - 15 см/с; • - 20 см/с; х- 25 см/с; о- 30 см/с; * - 35 см/с; □ - 40 см/с; я - 45 см/с; i- 50 см/с; -fo - 55 см/с; О - 60 см/с; • - 65 см/с Fig. 4. Scalar field of fluid velocity of fluid in the model with a brush loading:

Л - 5 sm/s; ▲ - 10 sm/s; о - 15 sm/s; • - 20 sm/s; х- 25 sm/s; о- 30 sm/s; * - 35 sm/s; □ - 40 sm/s; ■ - 45 sm/s; i- 50 sm/s; -fc - 55 sm/s; О - 60 sm/s; ♦ - 65 sm/s

Рис. 5. Иммобилизованный ил на ершовой загрузке: а - квазистационарное состояние; б - в период воздушной регенерации загрузки Fig. 5. Immobilized silt on the brush loading: а - quasistationary state; б - in the period of air regeneration of loading

Заключение

Таким образом, увеличение процента газа, отбираемого пластиной, не должно превышать ~18 % от интенсивности аэрации водно-иловой смеси. Величина отбираемого газа для обеспечения оптимальной с точки зрения устранения застойной зоны и увеличения окислительной мощности аэротенка

гидродинамической обстановки должна составлять ~11 %.

Размещение ершовой загрузки в модели аэротенка приводит к количественным изменениям поля скорости в сторону уменьшения абсолютных величин при увеличении суммарной дозы ила до ~0,6 г/л. Общая газогидродинамическая обстановка остается неизменной.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Khaled Zaher Abdalla, Khaled Khaf-agy. Upgrading of Activated Sludge Systems Using Immobilized Nitrifiers in Polymer Pellets //

International Journal of Scientific & Engineering Research. 2014. Vol. 5, issue 2. P. 619-623.

1. Khaled Zaher Abdalla, Khaled Khaf-agy. Upgrading of Activated Sludge Systems Using Immobilized Nitrifiers in Polymer Pellets.

Критерии авторства

Ленденев В.С., Солопанов Е.Ю. имеют равные авторские права. Солопанов Е.Ю. несет ответственность за плагиат.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Статья поступила 31.03.2017 г.

International Journal of Scientific and Engineering Research, 2014, vol. 5, issue 2, pp. 619-623.

Contribution

Lendenev V.S., Solopanov E.Yu. have equal author's rights. Solopanov E.Yu. bears the responsibility for plagiarism.

Conflict of interests

The authors declare no conflict of interests regarding the publication of this article.

The article was received 31 March 2017