Оценка эффективности регенерации синтетической загрузки в биореакторе Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Kozlov A.V., candidate of technical sciences, assistant professor, Department of Building Materials, e-mail: kozlov_rgsu@mail.ru; Rostov State University of Civil Engineering, 162 Sot-sialisticheskaya St., Rostov-on-Don, 344022, Russia.

Chighov A.V., student, e-mail: ZeroTox@yandex.ru; Rostov State University of Civil Engineering, 162 Sotsialisticheskaya St., Rostov-on-Don, 344022, Russia.

УДК 628.35.001.24

DOI: 10.21285/2227-2917-2016-3-77-84

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕГЕНЕРАЦИИ СИНТЕТИЧЕСКОЙ ЗАГРУЗКИ

В БИОРЕАКТОРЕ

© В.Н. Кульков, Е.Ю. Солопанов

Проведена сравнительная оценка эффективности регенерации ершовой загрузки c иммобилизованным илом. Рассмотрены три способа регенерации: механический (вибрационный), водовоздушный и воздушный. В экспериментах применялась физическая модель аэротенка-биореактора, позволяющая оценить величину концентрации свободно плавающего ила с помощью оптического метода с использованием люксметра. Оценка эффективности регенерации синтетической загрузки показала преимущество водовоздушной регенерации с использованием инжекционных форсунок по сравнению с механической и воздушной регенерациями.

Ключевые слова: аэротенк-биореактор, физическая модель, ершовая инертная загрузка, регенерация загрузки, эффективность регенерации, иммобилизованный ил.

ASSESSMENT OF EFFECTIVENESS OF REGENERATION OF SYNTHETIC

LOADING IN A BIOREACTOR

© V.N. Kulkov, E.Iu. Solopanov

We performed comparative assessment of effectiveness of regeneration of brush loading with immobilized silt. We considered three ways of regeneration: mechanical (vibrational), wa-ter-and-air and air. In these experiments we used physical model of an aerotank-bioreactor, which allows to assess the range of concentration of a free-flowing silt with the help of optical method with the use of luxometer. Assessment of effectiveness of regeneration of synthetic loading showed the advantage of water-and-air regeneration with the use of blast atomizer in comparison with mechanical and air regenerations.

Keywords: aerotank-bioreactor, physical model, brush inert loading, regeneration of loading, effectiveness of regeneration, immobilized silt

Очистка сточных вод в аэротенках-биореакторах с применением иммобилизованных микроорганизмов обусловливает лучшую их защищенность от воздействия отрицательных факторов, обеспечивает высокую концентрацию микроорганизмов в биореакторе. Иммобилизованный ил менее чувствителен к токсичным веществам. Одновременное присутствие свободно плавающего и иммобилизованного активного ила до 15-20 г/м.п. на синтетической инертной загрузке позволяет повысить окислительную мощность биореактора, стабилизировать процесс обработки сточных вод, увеличить глубину биологической очистки, а также уменьшить биологические очистные сооружения. Загрузка увеличивает

производительность станции биологической очистки на ~30 %, улучшает процесс очистки стоков от трудноокисляемых органических веществ, повышает устойчивость биологических сооружений к залповым сбросам, обеспечивает процесс нитрификации [1].

Имеется крайне мало литературных данных о способах регенерации синтетической инертной загрузки в аэротенках-биореакторах. Анализ существующих способов очистки загрузки показал их трудоемкость и энергозатратность [1]. В процессе эксплуатации необходимо обеспечить возможность периодической регенерации загрузки от механических примесей и слизистых сгустков микроорганизмов. Газогидродинамика аэротенка не обеспечивает смывание биомассы в объеме ершовой загрузки, что приводит к формированию желеобразной слизи, вызывая вторичное загрязнение очищаемой воды.

Нахождение новых технических решений, направленных на совершенствование способов регенерации иммобилизованного ила в аэрируемых сооружениях биологической очистки природных и сточных вод, обеспечит эффективность процессов биологического окисления органических загрязнений и высокую надежность работы аэротенков [2-5].

В данной работе поставлена задача оценки эффективности регенерации иммобилизованного ила воздушным, водо-воздушным и механическим (вибрационным) способами.

Схема установок с физической моделью биореактора, на которых проводилось изучение механической, водо-воздушной и воздушной регенераций синтетической инертной загрузки, показана на рис. 1. Модель биореактора представляла собой вертикальный поперечный разрез объемного аэротенка. Применение данной модели позволяет определять кинетику седиментации ила на синтетической загрузке и изучать гидродинамическую обстановку в процессе регенерации ила. Проведение таких экспериментов в промышленном аэротенке не представляется возможным.

б

в

Рис. 1. Схема экспериментальной установки для механической (а), водо-воздушной (б) и воздушной (в) регенерации ершовой загрузки:

1 - модельный биореактор; 2 - компрессор с ресивером для аэрации водно-иловой смеси; 3 - кран для регулирования расхода воздуха; 4 - ротаметр; 5 - манометр;

6 - мелкопузырчатый аэратор; 7 - электронный термометр; 8 - водно-иловая смесь;

9 - ершовая загрузка; 10 - люксметр; 11 - лампа для освещения водно-иловой смеси; 12 - вибратор электромеханический дебалансный регулируемый; 13 - крепление рамки с ершовой загрузкой к вибратору; 14 - кронштейн для вывешивания вибратора;

15 - водяной насос для регенерации ершовой загрузки; 16 - распределительная трубка водяного регенератора; 17 - распределительная трубка среднепузырчатого регенератора; 18 - форсунки для инжектирования воздуха; 19 - трубка с отверстиями для забора водно-иловой смеси; 20 - водосчетчик; 21 - кран для наполнения и опорожнения биореактора водно-иловой смесью; 22 - регулятор расхода инжектированного воздуха; 23 - среднепузырчатый регенератор загрузки

Установка состоит из физической модели биореактора 1, которая выполнена из силикатного полированного стекла с внутренними размерами 0,053x1,475x1,100 м. Количество воздуха, подаваемого компрессором 2 с помощью мелкопузырчатого аэратора 6 в биореактор, регулировалось вентилем 3. Мгновенный расход воздуха контролировался ротаметром 4 типа РМ-1,0 ГУЗ, а давление измерялось манометром 5 модели МТПСq-100.

В биореактор помещались синтетические ершовые водоросли 9, фиксировано закрепленные на раме из нержавеющей стали, вертикально с шагом 100 мм, так, 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 50 мм. Общая длина ершовой загрузки составляла 4,34 м. Таким образом, лишь 35 % объема модели биореактора было занято синтетическими водорослями. Над мелкопузырчатым аэратором и с правой стороны модельной ячейки (0,15 м) ершовая загрузка отсутствовала для формирования гидродинамической обстановки в модели биореактора.

Активный ил с иловым индексом 110^140 см3/г, находящийся в биореакторе, оседал на синтетической ершовой загрузке, распределяясь по ней 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 [6]. Удельная интенсивность аэрации водно-иловой смеси поддерживалась 6,92 м3/(м2-ч).

Интенсивность светового потока, проходящего через водно-иловую смесь, контролировалась одновременно люксметрами 10 типа НТ-307 в двух наиболее характерных

местах: в объеме ершовой загрузки и в зоне свободной конвекции водно-илового потока, обеспечивающего насыщение очищаемой воды кислородом и нахождение ила в свободно плавающем состоянии. Люксметр показывал минимальное и максимальное значения интенсивности светового потока от лампы 11 за контролируемый период измерения, что позволяло получить среднеарифметическое значение измеряемой величины. Температура водно-иловой смеси определялась электронным термометром 7.

Механическая регенерация (рис. 1, а) загрузки, покрытой иммобилизованным илом, осуществлялась электромеханическим дебалансным вибратором 12 модели ЭВ-320Е, жестко соединенным креплением 13 с рамкой ершовой загрузки. Вибратор находился на кронштейне 14, прикрепленном к стене, и представлял собой электродвигатель с установленными на концах вала ротора дебалансами. Дебалансы, вращаясь с валом ротора, создавали центробежную (вынуждающую) силу 0,5 кН или 1,0 кН в зависимости от регулировки статического момента вибратора.

Установка водовоздушной регенерации (рис. 1, б) включала водяной насос 15, который подавал под давлением 2,2 атм водно-иловую смесь 8 в распределительную трубку водяного регенератора 16 ершовой загрузки. Водно-иловая смесь забиралась из биореактора через отверстия в трубке 19. Расход воздуха для водовоздушной регенерации обеспечивался инжекционной системой, закольцованной в контур для равномерной подачи воздуха, через форсунки 18. Они крепились на распределительной трубке воздушного регенератора 17, объединенной с трубкой для инжекции 16. Расход воздуха в системе изменялся регулятором 22 и контролировался ротаметром 4. Биореактор наполнялся и опорожнялся через кран 21.

Водовоздушная смесь выбрасывалась через сопло и смывала иммобилизованный ил с загрузки. Форсунка сконструирована таким образом, что при выходе из нее струя воды захватывает воздух, и из сопла выбрасывается смесь воды с воздухом, благодаря чему увеличивается зона действия струи. Максимальная удельная интенсивность регенерации по воде составляла 55,72 м3/(м2-ч), а воздуху - 21,76 м3/(м2-ч).

Установка воздушной регенерации ершовой загрузки (рис. 1, в) включала дополнительный компрессор 2 для подачи заданного расхода воздуха в среднепузырчатый регенератор 23 через ротаметр 4. Регенератор выполнен из медной трубки диаметром 10 мм с семью отверстиями диаметром ~2 мм, расположенными под ершовой загрузкой.

Для определения концентрации свободно плавающего ила ССП в биореакторе применяли метод калибровочного графика, т.е. построили зависимость концентрации свободно плавающего ила от интенсивности освещенности X. Полученная зависимость описывалась уравнением

ССП = - 0,0819- Ы(Х) + 0,6385

с коэффициентом детерминации R2 = 0,9858.

Возможность физического моделирования газогидродинамических процессов в аэ-ротенке определяется пузырьками воздуха, выходящими из аэратора, размеры которых обусловливаются материалом фильтрующей поверхности, а также скоростью их подъема, вызывающей эрлифтное движение потока воды.

Диаметр пузырька воздуха определяется балансом выталкивающих и удерживающих сил, действующих на пузырек в момент его отрыва от края поры аэратора. Тогда скорость движения воды Vг в аэротенке зависит от разности плотностей жидкости и газа Ар ,

плотности ру и вязкости ^ жидкости, ускорения свободного падения g, эквивалентного диаметра dq пузырьков газа, скорости истечения газа с поверхности аэратора vq, плотности газа рч и поверхностного натяжения а .

Для определения вида функциональной зависимости между данными параметрами применили метод анализа размерностей. Искомая функция найдена в виде соотношения между шестью безразмерными комплексами:

^ = х • Reu • Fr -r • Wew Vq Pf

Л, V p

Vv/ J V Pf у

где х - безразмерный коэффициент; Re - критерий Рейнольдса; Fr - критерий Фруда; We -критерий Вебера.

При условии идентичности скорости движения жидкости vf в производственных аэрируемых сооружениях очистки сточных вод с таковой в модельном аэротенке при неизменных других параметрах ( р f, ¡if, pq, vq и a ) безразмерные критерии, входящие в правую часть полученного уравнения, идентичны:

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

В этом случае вышеприведенная зависимость в первом приближении описывает подобные гидродинамические процессы, имеющие место в физической модели и промышленном аэротенке при условии использования идентичных аэраторов и водно-иловой смеси.

По дозе ила, находящегося в свободно плавающем состоянии, до и после регенерации проводили расчет эффективности регенерации Э иммобилизованного ила по формуле

Сн _ Ск

Э = ССП Ссп . 100% ,

а _ ск

ы! ^СП

где Снсп - концентрация свободно плавающего ила после регенерации; С Сп - концентрация свободно плавающего ила до регенерации; аЕ - общая доза ила в модели, г/л.

Эффективность водовоздушной регенерации увеличивалась с ростом удельной интенсивности газожидкостного регенерационного потока Jg-f и при величинах

3 2

48^55 м /(м •ч) составляла практически постоянную величину, равную 93 %. В таблице приведены оптимальные технологические параметры для достижения максимальной эффективности регенерации ершовой загрузки.

Зависимость эффективности регенерации иммобилизованного ила от способа и параметров регенерационного воздействия

k

Способ регенерации ила Fb, кН Форсунка, n, шт. аЕ, г/л Jg, м /(м •ч) Jg-ft 3// 2 ч м /(м •ч) Э, %

Воздушный - - 1,24 14,25 - 69

7,9 67

6,7 66

Водовоздушный - 6 0,35 - 55,0 94

49,7 93

48,5 93

Механический 1,0 - 0,3 - - 87

0,75 0,3 84

0,5 0,3 79

Дальнейший рост эффективности регенерации наблюдается при увеличении числа форсунок (рис. 2). Зависимость от количества форсунок п описывается степенным уравнением

Э = 80,187 • п0 0876 с коэффициентом детерминации R2 = 0,9883 .

Рис. 2. Зависимость эффективности регенерации ершовой загрузки с иммобилизованным илом от количества форсунок в модели объемом 0,08 м

Эффективность механической (вибрационной) регенерации увеличивалась с ростом центробежной (вынуждающей) силы статического момента дебалансного вибратора с 0,5 кН до 1 кН (рис. 3). Зависимость эффективности регенерации иммобилизованного ила от вынуждающей силы электровибратора описывается уравнением

Э = 12,7 ■ ¡п(Гв) + 88,2

с коэффициентом детерминации R2 = 0,9558 .

Максимальная величина эффективности регенерации составляла 87 % при вынуждающей силе 1 кН (таблица). Увеличение вынуждающей силы более 1 кН нецелесообразно, так как это приводит к сильной вибрации крепежной системы дебалансного вибратора, что может вызвать поломку крепления 13 при длительной эксплуатации. Достигнутая величина эффективности регенерации (87 %) достаточно высокая для периодической очистки ершовой загрузки.

sg 100

т 60

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Вынуждающая сила вибратора F в, кН

Рис. 3. Зависимость эффективности регенерации иммобилизованного ила от вынуждающей силы электровибратора

Использование среднепузырчатой воздушной регенерации позволило получить максимальную величину эффективности очистки ершовой загрузки ~70 % при объемной интенсивности воздушной регенерации равной 14,25 м3/(м3-ч) (рис. 4).

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Время, минуты

Рис. 4. Динамика концентрации свободно плавающего ила при различной объемной интенсивности воздушной регенерации ершовой загрузки:

1 - процесс осаждения на ершах; 2 - процесс регенерации; 3 - время регенерации

(5 минут)

Повышение эффективности регенерации более ~8 м3/(м3-ч) экономически нецелесообразно, так как увеличение интенсивности в 2 раза приводит к росту эффективности регенерации только на ~2 % (таблица).

На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы:

1. Предложена экспериментальная установка с модельной ячейкой, представляющей собой вертикальный поперечный разрез аэротенка-биореактора, для изучения эффективности различных способов регенерации иммобилизованного ила на синтетической ершовой загрузке.

2. Исследована зависимость эффективности воздушной, водовоздушной и механической очистки синтетической ершовой загрузки от интенсивности регенерационного воздействия на иммобилизованный ил.

3. Эффективность водовоздушной регенерации иммобилизованного ила при оптимальных условиях на ~7 % выше эффективности механической регенерации и на ~24 % выше воздушной среднепузырчатой регенерации иммобилизованного ила на ершовой загрузке.

Статья поступила 18.04.2016 г.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

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

2. Springer A. 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.

3. 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.

4. Wastewater Treatment Technology [Электронный ресурс]. URL: http://www.earthpace.com/resources/wwt/index./ html (07.02.2016).

5. Nadir Dizge, Berrin Tansel, Banu Sizirici. Process intensification with a hybrid system: A tubular packed bed bioreactor with immobilized activated sludge culture coupled with membrane filtration // Chemical Engineering and Processing. 2011. No. 50. P. 766-772.

6. Кульков В.Н., Софарова О.В., Солопанов Е.Ю., Ясных И.А. Воздушная регенерация ершовой загрузки в аэротенке // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2011. № 1. С. 65-70.

REFERENCES

1.Zhmur N.S. Tekhnologicheskie i biokhimicheskie protsessy ochistki stochnykh vod na sooruzheniyakh s aerotenkami [Technological and biochemical processes of purification of sewage waters at the constructions with aerotanks]. Moscow, AKVAROS, 2003. 512 p.

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

3. 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.

4. Wastewater Treatment Technology. Available at: http://www.earthpace.com/resources/wwt/index./ html (accessed 7.02.2016).

5. Nadir Dizge, Berrin Tansel, Banu Sizirici. Process intensification with a hybrid system: A tubular packed bed bioreactor with immobilized activated sludge culture coupled with membrane filtration. Chemical Engineering and Processing, 2011, no. 50, pp. 766-772.

6. Kulkov V.N., Sofarova O.V., Solopanov E.Yu., Yasnykh I.A. Air regeneration of broach-type charging in the aerotank. Izvestija vuzov. Investicii. Stroitel'stvo. Nedvizhimost' [News of Higher Educational Institutions. Investments. Construction. Real estate], 2011, no. 1, pp. 65-70. (In Russian)

Информация об авторе

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.

Information about the authors

Kulkov V.N., doctor of technical sciences, professor, Department of Engineering communications and life support systems, e-mail: kulkof.viktor@yandex.ru; Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

Solopanov E.U., candidate of technical sciences, associate professor, Department of Computer Science, e-mail: evgursolo@mail.ru; Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.