Влияние газовой составляющей на эффективность водовоздушной регенерации ершовой загрузки в биореакторе Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

дов страны «третьего мира» - повышение конкурентоспособности промышленности строительных материалов, проектных и архитектурных организаций ЕС. Поэтому при внедрении еврокодов необходимо, главным образом, учитывать национальные интересы российского строительного комплекса. На сегодняшний день важно использовать лучшее, что наработано международной и региональной практикой, сохранять на уровне Таможенного союза принципы технического

регулирования в строительстве, уже применяемые на национальном уровне, и совершенствовать национальную и межгосударственную нормативную техническую базу в строительстве. Строительная отрасль призвана осуществлять обновление на современной технической основе производственных фондов, развитие, совершенствование социальной сферы, реконструкцию, модернизацию, техническое перевооружение производства материальных благ.

Библиографический список

1. Диалог органов государственной власти и строительного 4(82). С. 56-57.

сообщества - непременное условие эффективного развития 2. Тяжелы на подъем // Газета Коммерсант Сибирь. Прило-отрасли // Вестник строительного комплекса. 2012. Вып. жение. № 149 (4931). 14.08.2012. Новосибирск.

УДК 628.316

ВЛИЯНИЕ ГАЗОВОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВОДОВОЗДУШНОЙ РЕГЕНЕРАЦИИ ЕРШОВОЙ ЗАГРУЗКИ В БИОРЕАКТОРЕ

© В.Н. Кульков1, Е.Ю. Солопанов2, А.М. Зеленин3

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Проведены исследования влияния эффективности водовоздушной регенерации ершовой синтетической загрузки в биореакторе с варьируемой удельной интенсивностью воздушной регенерации. Использована физическая модель плоскостного вертикального поперечного сечения биореактора. Приведена динамика изменения концентрации иммобилизованного и свободно плавающего ила в объеме ершовой загрузки и в основном гидродинамическом потоке при определенной общей дозе ила в биореакторе. Ил. 8. Табл. 1. Библиогр. 2 назв.

Ключевые слова: биореактор; синтетическая ершовая загрузка; свободно плавающий ил; иммобилизованный активный ил; изменяющаяся интенсивность газовой составляющей водовоздушной регенерации.

GAS COMPONENT EFFECT ON WATER-AIR REGENERATION EFFICIENCY OF SCRAPER LOADING IN BIOREACTOR

V.N. Kulkov, E.Y. Solopanov, A.M. Zelenin

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, Russia, 664074.

The paper studies the efficiency effect of the water-air regeneration of synthetic scraper loading in a bioreactor with variable specific intensity of air regeneration. The physical model of the plane vertical cross-section of the bioreactor is used. The dynamics of changes in the concentrations of the immobilized and free-floating sludge both in the scraper loading volume and in the major hydrodynamic flow is provided at the specified total dose of sludge in the bioreactor. 8 figures. 1 table. 2 sources.

Key words: bioreactor; synthetic scraper loading; free-floating sludge; immobilized active sludge; variable intensity of gas component of water-air regeneration.

Для интенсификации биологической очистки сточных вод используют увеличение дозы активного ила в аэротенке путем использования нейтральных синтетических носителей для образования на них прикрепленного биоценоза. Синтетические ершовые водоросли, фиксированно установленные в виде занавесок,

успешно используются в биореакторах-аэротенках для иммобилизации микроорганизмов активного ила. Одновременное присутствие свободноплавающего и иммобилизованного активного ила обеспечивает увеличение окислительной мощности биореактора и необходимый уровень очистки сточных вод.

1 Кульков Виктор Николаевич, доктор технических наук, профессор кафедры инженерных коммуникаций и систем жизнеобеспечения, тел.: (3952) 405142, e-mail: kvn@istu.edu

Kulkov Victor, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Engineering Communications and Life Support Systems, tel.: (3952) 405142, е-mail: kvn@istu.edu

2Солопанов Евгений Юрьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры информатики, тел.: (3952) 405279, 89021707622, e-mail: evgursolo@mail.ru.

Solopanov Evgeny, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Information Science, tel.: (3952) 405279, mobile: 89021707622, е-mail: evgursolo@mail.ru.

3Зеленин Александр Матвеевич, аспирант. Zelenin Alexander, Postgraduate.

В настоящее время нет научных работ по оценке соотношения свободно плавающего и иммобилизованного активного ила от способа регенерации загрузки, соотношения водной и газовой фаз при водовоз-душной регенерации, времени работы биореактора и от суммарной дозы активного ила.

Изучение регенерации синтетической инертной загрузки водовоздушным способом проводили на физической модели биореактора, представляющей плоскостной вертикальный поперечный разрез объемного биореактора. Принципиальная схема установки с модельным биореактором, на которой проводилось изучение водовоздушной регенерации ершовой загрузки, показана на рис. 1.

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 (10) в биореактор, регулировалось вентилем (4). Мгновенный расход воздуха контролировался ротаметром (6) типа РМ-0,63 ГУЗ, а давление измерялось манометром МТПСц-100 (9). Водяной насос ХСт 170-1 (3) подавал водно-иловую смесь (13), забираемую из биореактора через отверстия в трубке (18), в распределительную трубку водяного регенератора ершовой загрузки (15). Расход водно-иловой смеси контролировался водосчетчиком МТК-Ы-Б (11), давление - манометром (9), а температура - электронным термометром (12). Расход воздуха для водовоздушной регенерации обеспечивался инжекционной системой, закольцованной в контур для равномерной подачи воздуха, через форсунки (17). Форсунки крепились на распределительной трубке воздушного регенератора (16), объединенной с трубкой (15) для инжекции. Расход воздуха в системе изменялся регулятором (8) и контролировался ротаметром РМ-6,3 ГУЗ (7). Биореактор наполнялся и опорожнялся через кран (5).

Интенсивность светового потока, проходящего через водно-иловую смесь, контролировалась одновременно люксметрами НТ 307 в двух наиболее характерных точках: в объеме ершовой загрузки (19) и в

зоне свободной конвекции водно-илового потока (20), обеспечивающего насыщение очищаемой воды кислородом и нахождение ила в свободно плавающем состоянии. Люксметр показывал минимальное и максимальное значение интенсивности светового потока за контролируемый период измерения, что позволяло получить среднеарифметическое значение измеряемой величины. Контроль интенсивности светового потока, проходящего через водно-иловую смесь от лампы (21), осуществлялся люксметрами.

В биореактор помещались синтетические ершовые водоросли (14), фиксированно закрепленные на раме из нержавеющей стали. Водоросли крепились к раме вертикально с шагом 100 мм, 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 120 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. Люксметры устанавливали стационарно и контролировали интенсивность света в контрольных квадратах между вертикальными синтетическими водорослями в объеме ершовой загрузки и в основном гидродинамическом потоке при определенной общей дозе ила в биореакторе.

Активный ил, находящийся в биореакторе, с концентраций 0,28 г/л и иловым индексом ~ 140 см3/г оседал на синтетических водорослях, распределяясь по ним 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 [1]. Удельная интенсивность аэрации водно-иловой смеси составляла 5,41 м3/м2-ч.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки с модельным биореактором

Рис. 2. Физическая модель вертикально-поперечного сечения биореактора с синтетической ершовой загрузкой: 1 - ершовая загрузка с прикрепленным биоценозом; 2 - люксметр; 3 - датчик люксметра; 4 - ротаметр; 5 - форсунки для инжекции воздуха; 6 - рамка для крепления ершовой загрузки

Для достижения квазистационарного процесса осаждения ила на ершовой загрузке (рис. 2) биореактор работал до достижения постоянного значения концентрации свободно плавающего ила, что констатировалось постоянными значениями люксметров. Использование модели плоскостного вертикального поперечного сечения биореактора и описанной схемы установки позволило варьировать в широком интервале интенсивность воздушной составляющей во-довоздушной регенерации. Это способствовало качественной и количественной оценке состояния биоценоза при различных технологических процессах в биореакторе.

Водовоздушная регенерация ершовых водорослей, покрытых иммобилизованным илом (рис. 2), проводилась с помощью насоса по закольцованному трубопроводу диаметром 8 мм. Вода для регенерации забиралась из биореактора (рис. 1, п. 18) из основного циркуляционного контура, обогащенного кислородом. Вода, подаваемая в форсунку под давлением 2,2 атм., 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. Регулировка силы выбрасываемой струи осуществляется изменением расхода воды, подаваемой насосом. Воздух, выходящий из форсунки в виде воздушно-пузырьковой струи, приводит к возникновению эффекта «кипения воды», так как воздух, поднимаясь вверх, приводил в движение воду. Удельная интенсивность выбрасываемой струи воды составляла 55,72 м3/м2 •ч, а удельная интенсивность воздушной регенерации - 21,76 м3/м2 •ч.

Седиментацию плавающего ила на ершовую за-

грузку изучали после достижения в биореакторе квазистационарного процесса, который оценивался по практически постоянной величине освещенности, контролируемой люксметром. Люксметр устанавливали в зоне основного циркуляционного контура (см. рис. 1, п. 20).

Измеряя динамику освещенности водно-иловой смеси люксметром, строили зависимость в координатах освещенность - время (рис. 3, а). Затем по калибровочному графику переводили люксы в концентрацию свободно плавающего ила в г/л и строили кинетическую зависимость в координатах концентрация свободно плавающего ила - время (рис. 3, б). Оценка достоверности экспериментальных данных по измерениям освещенности водно-иловой смеси приведена нами ранее [2].

Зависимость концентрации свободно плавающего ила от времени осаждения в объеме ершовой загрузки (рис. 3, б) описывается уравнением с коэффициентом

регрессии Я2 = 0,9878: Ссп = 2• 1011 • г6 - 5-10-9 • г5 + 640-7 • г4 -

- 3 •ю-5 • г3 + 0,0009 • г2 - 0,0155 • г + 0,2716

где ССП - концентрация свободно плавающего ила, г/л; f - время седиментации ила, мин.

Проводили несколько водовоздушных регенераций при приведенных выше удельных интенсивностях по воде и по воздуху и, контролируя процесс во времени, определяли концентрацию свободноплавающего ила в объеме ершовой загрузки и в основном циркуляционном контуре.

-в объеме ершовой загрузки

-в зоне свободной конвекции водно-илового потока

к

X

0) 3 0) ш о о л

I-

о о

X

ш

О X 0) IX

2500

2000

1500

1000

500

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10С Время ^ мин

а)

1

2 га ш га е;

га о. 1-X

0) ^

X

о

¡4

0,35

0,30

0,25

? -5

^ Т= 0,20

О £

Ю о

О О ш о

0,15

0,10

0,05

0,00

-в объеме ершовой загрузки

-в зоне свободной конвекции водно-илового потока

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10С Время ^ мин

б)

Рис. 3. Кинетика осаждения свободно плавающего активного ила на синтетических ершовых водорослях: а - экспериментальные данные; б - зависимость, обработанная по калибровочному графику

я С

О ь.

Ф ?

2

«

о

«

с с

о с

4 -

О 1=

Ю О § °

со

0

(К

5

Я

£ X 4)

1

О

0,350

0,300

0,250

0,200

0,150

0,100

0,050

0,000

-•-1 точка -я-2 точка

к ч Я V я \\ СР 1 К 1 я \к « \Л СР 1

я ЩА <и <Ц чъ ^ \\ * ЧУ ^ V* «

X. » ^Су Рн

30 60 90 120 150

Время мин

180

210

240

270

Рис. 4. Кинетика изменения концентрации свободно плавающего ила при осаждении его на ершовой загрузке и периодической 30-секундной водовоздушной регенерации

Кинетика процесса осаждения ила на ершовые синтетические водоросли и 30-секундная водовоз-душная их регенерация для свободно плавающего ила представлена на рис. 4, а для иммобилизованного ила, полученного вычитанием из общей дозы ила, находящегося в биореакторе величины концентрации свободно плавающего ила, контролируемого люксметром, - на рис. 5. Периодическое осаждение ила в течение 1,5 часа во всех случаях приводило к уменьшению концентрации свободно плавающего ила до ~ 0,03 г/л в объеме ершовой загрузки, что почти на порядок меньше общей дозы ила в биореакторе, равной

0,28 г/л. В основном циркуляционном контуре концентрация свободно плавающего ила была еще меньше и составила ~ 0,015 г/л (рис. 3, б). Соответственно, концентрация иммобилизованного ила (рис. 5) достигала максимального значения «0,26 г/л» при квазистационарном процессе осаждения ила на ерши и смывания его потоками основного циркуляционного контура, перемещающимися со скоростью 0,65 м/с. На погонный метр ершовой загрузки приходилось 4,8 г ила по сухому веществу из максимально возможных 5,16 г/(мин-п.м.) при заданной дозе ила.

0

га

Е;

о

^

о

X

X

га

со

о

п

х Е; X г/л

ю

о

X О

к

X

га

^

н

X

«

X

о

0,350

0,300

0,250

0,200

0,150

0,100

0,050

0,000

-•-1 точка -ш-2 точка

к я ация ¡1

<Ц ,я в _Ж • <Ц щ • <Ц щ I ж!» и •

<Ц М • ^ Г* Щ Я з Он ■«

) г

/

30 60 90 120 150

Время, мин

180

210

240

270

Рис.

5. Кинетика изменения концентрации иммобилизованного ила при осаждении его на ершовой загрузке и периодической 30-секундной водовоздушной регенерации

Динамика седиментации плавающего ила показана на рис. 6. При общей дозе ила аг в модели биореактора, равной 0,284 г/л, доза свободно плавающего ила аСП составляла в динамике после каждой из трех 30-секундных водовоздушных регенераций: 0,257 г/л; 0,253 г/л; 0,280 г/л.

По дозе ила, находящегося в свободно плавающем состоянии, после регенерации можно сделать расчет эффективности водовоздушной регенерации:

Э = а ~ (а£~асп) -100%.

Для нашего случая эффективность составила: Э ■ = 90,4% и Э = 98,5%. Такие величины

эффективности водовоздушной регенерации свидетельствует о достаточном времени регенерации, равном 30 секундам.

Анализируя зависимости, приведенные на рис. 6, 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) (скорость седиментации ила равнялась 0,0163 г/мин на м.п. загрузки) с тенденцией к уменьшению, тогда как после 10 минутного осаждения - 0,005 г/(л-мин) при скорости седиментации 0,0921 г/(мин-м.п.)

Время I, мин

Рис. 6. Динамика седиментации активного ила на ершовой загрузке

Первые 10 минут после регенерации характеризуются максимальной скоростью седиментации 0,88 г/мин в модельном биореакторе объемом 0, 08 м3, а после полуторачасовой седиментации процесс в первом приближении переходит в квазистационарный со скоростью 0,04 г/мин, что ~ в 20 раз меньше начальной скорости.

Зависимость скорости седиментации активного ила на метр погонный ершовой загрузки представлена на рис. 7 (данные взяты при обработке зависимости, приведенной на рис. 6, и представлены в таблице). При дозе ила в модельном биореакторе 0,284 г/л скорость седиментации переходит в экспоненциальную зависимость от времени после получасового осаждения ила. Начиная с 0,203 г/мин на погонный метр загрузки, скорость седиментации уменьшается за это время почти в 6 раз - до 0,035 г/(мин-м.п.). Дальнейшее осаждение ила происходит при изменении скорости седиментации в ~3 раза и достигает квазистационарного состояния при скорости седиментации ила 0,009 г/(мин-м.п.). Квазистационарное состояние со-

провождается отрывом хлопьев иммобилизованного ила с ершовой загрузки с последующим их осаждением и дроблением в нижнем потоке основного циркуляционного контура.

Изменение доли воздуха в водовоздушной регенерации ершовой загрузки оказало сильное влияние на эффективность удаления иммобилизованного ила с загрузки (рис. 8). На рис. 8 представлены кинетические зависимости изменения концентрации свободно плавающего ила во всем объеме модельного биореактора (концентрации ила в объеме ершовой загрузки и в основном циркуляционном контуре совпадали). Максимальная эффективность 96,4% соответствовала водовоздушной регенерации с удельной воздушной интенсивностью регенерации и, равной 21,79 м3/(м2-ч). Полное исключение воздуха в водовоздушной регенерации уменьшило эффективность удаления ила с ершовой загрузки до 61,4%. Уменьшение удельной воздушной интенсивности регенерации не оказало существенного влияния на кинетику последующей седиментации ила на ершовую загрузку (рис. 8).

Динамические характеристики седиментации ила на ершовую загрузку

Временной интервал Д^ мин Скорость изменения кон-ДСГП центрации СП ила —— , Д г/л-мин Скорость седиментации ила V в биореакторе объемом 80 л., г/мин Скорость седиментации ила Vс на метр погонный загрузки, г/(мин-м.п.)

0-10 0,011 0,880 0,2027

10-20 0,005 0,400 0,0921

20-30 0,0025 0,200 0,0461

30-40 0,0023 0,144 0,0344

40-50 0,0012 0,096 0,0221

60-70 0,0011 0,068 0,0163

80-90 0,0005 0,049 0,0115

Рис. 7. Скорость седиментации активного ила на метр погонный ершовой загрузки

Время 1

Рис. 8. Эффективность водовоздушной регенерации ершовой загрузки с изменяющейся удельной интенсивностью воздушной составляющей регенерации и, м3/(м2ч). Часовой расход воздуха отнесен к площади зеркала водно-иловой смеси биореактора

Изменение концентрации свободно плавающего ила во временном промежутке от 10 до 20 минут, после регенерации, происходило с постоянной скоростью 0,004 г/(л-мин), кроме опыта с интенсивностью воздушной регенерации, равной нулю (регенерация осуществлялась только водной фазой). После приблизительно часовой седиментации ила в стационарных условиях с мелкопузырчатой аэрацией водно-иловой смеси, равной 5,41 м3/(м2-ч), концентрация свободно плавающего ила во всех опытах равнялась одному значению ~ 0,015 г/л во всем объеме биореактора.

Применение плоскостной модели биореактора позволило впервые определить, что при общей дозе активного ила в биореакторе 0,284 г/л наблюдается обедненная концентрация свободно плавающего ила,

не превышающая 10% от общей дозы, через ~ 1,5-2 часа после регенерации ершовой загрузки водовоз-душным способом.

Следует отметить основную особенность работы биореактора с синтетической ершовой загрузкой -увеличение концентрации коагулированного активного ила в объеме ершовой загрузки и обеднение основного циркуляционного контура диспергированным активным илом в квазистационарном процессе.

При слабо концентрированных водно-иловых смесях необходимо проводить регенерацию не реже, чем через 1,5-2 часа, или осуществлять постоянную газовую регенерацию, обеспечивающую минимально работоспособную дозу плавающего ила в биореакторе.

Библиографический список

1. Кульков В.Н., Солопанов Е.Ю. Поверхность контакта фаз 2. Кульков В.Н., Сосна В.М., Зеленин А.М. Определение в аэробной очистке сточных вод: монография. Иркутск: Изд- концентрации свободно плавающего ила в биореакторе // во ИрГТУ, 2009. 144 с. Вода Magazine. № 3. 2012. С. 44-46.

УДК 711.4

ФОРМИРОВАНИЕ АРХИТЕКТУРНО-ПРОСТРАНСТВЕННОГО СВОЕОБРАЗИЯ ГОРОДОВ НА ОСНОВЕ ГРАДОФОРМИРУЮЩИХ СВОЙСТВ РЕЛЬЕФА

© А.У. Ри1

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Рассматриваются особенности и закономерности формирования объёмно-пространственной структуры города с учетом пространственной организации ландшафта.Построение объёмно-пространственной структуры ландшафта в иерархическом строе дает возможность определить типические признаки ландшафта, делающие его своеобразным, а также наименьший модуль ландшафта, визуальные свойства которого следует сохранить. Генерализованная структурная схема иерархии пространств ландшафта должна стать инструментом в управлении раз-

1Ри Алексей Уныевич, старший преподаватель кафедры рисунка, живописи и скульптуры, тел.: 89025783450, e-mail: ri1977@list.ru

Ri Aleksei, Senior Lecturer of the Department of Drawing, Painting and Sculpture, tel.: 89025783450, e-mail: ri1977@list.ru