Использование синтетических материалов на основе полиамидных волокон для интенсификации биологической очистки сточных вод Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Оригинальная статья / Original article УДК 628.35.001.24

DOI: http://dx.d0i.0rg/l 0.21285/2227-2917-2018-1 -168-174

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СИНТЕТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ПОЛИАМИДНЫХ ВОЛОКОН ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

© Нгуен Туан Аньа, В.Н. Кульковь, Е.Ю. Солопановс

аХошиминский университет природных ресурсов и окружающей среды, Вьетнам, г. Хошимин, Тан Бинь район,1-ый микрорайон, ул. Ле Ван Си, 236 B. ь,сИркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Российская Федерация, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Проведены опыты по определению скорости седиментации ила на синтетических полотнах из полиамидных волокон в аэротенке-биореакторе. В качестве инертной загрузки для проведения экспериментальных исследований выбрано три различных полотна из капрона, нейлона и дюспо. Приведены результаты опытов по определению скорости седиментации ила и определен наиболее эффективный для использования в синтетических загрузках материал. МЕТОДЫ. Учитывая сложность измерения скорости седиментации ила на инертных носителях в промышленных аэротенках, кинетические зависимости по седиментации получили на физической модели аэротенка-вытеснителя. Модельная ячейка представляла собой плоскостной вертикальный поперечный разрез аэротенка. Оценку концентрации плавающего ила провели с помощью оптического метода светопропускания через водно-иловую смесь. Для регенерации загрузочного полотна использовали воздушную среднепузырчатую аэрацию. Время регенерации плоскостной загрузки составляло приблизительно две минуты. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. Получено уравнение, описывающее зависимость концентрации свободно плавающего ила от интенсивности светового потока, проходящего через водно-иловую смесь. Полиамидные волокна характеризуются высокой прочностью и отличной стойкостью к износу. Они устойчивы к действию многих химических реагентов и биохимическим воздействиям. Полиамидные волокна имеют низкую гигроскопичность, в результате чего становятся электрически заряженными. ВЫВОДЫ. На основе полученных данных сделан вывод, что более эффективным для применения в синтетических загрузках материалом является нейлон. Количество ила, осевшего на нейлоновом полотне, максимально из исследованных полотен, а средняя скорость седиментации 0,78 мг/(лминм2) позволяет быстро восстановить иммобилизованный ил после воздушной регенерации.

Ключевые слова: аэротенк-биореактор, физическая модель, скорость седиментации, воздушная регенерации, синтетическая загрузки, полиамидные волокна.

Информация о статье. Дата поступления 16 января 2018 г.; дата принятия к печати 05 февраля 2018 г.; дата онлайн-размещения 29 марта 2018 г.

Формат цитирования: Нгуен Туан Ань, Кульков В.Н., Солопанов Е.Ю. Использование синтетических материалов на основе полиамидных волокон для интенсификации биологической очистки сточных вод // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2018. Т. 8, № 1. С. 168-174. DOI: 10.21285/2227-2917-2018-1-168-174

аНгуен Туан Ань, кандидат технических наук, научный сотрудник кафедры водоснабжения и водоотведения, e-mail: ntarussia20587@gmail.com

Nguyen Tuan Anh, Candidate of Technical Sciences, Researcher, Department of water supply and wastewater, e-mail: ntarussia20587@gmail.com

ьКульков Виктор Николаевич, доктор технических наук, профессор кафедры инженерных коммуникаций и систем жизнеобеспечения, e-mail: kulkof.viktor@yandex.ru

Victor N. Kulkov, Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of engineering communications and life support systems, e-mail: kulkof.viktor@yandex.ru

Солопанов Евгений Юрьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры информатики, e-mail: evgursolo@mail.ru

Evgeny Yu. Solopanov, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of computer science, e-mail: evgursolo@mail.ru

USE OF SYNTHETIC MATERIALS ON THE BASIS OF POLYAMIDE FIBERS FOR INTENSIFICATION OF BIOLOGICAL WASTEWATER PURIFICATION

Nguyen Tuan Anh, V.N. Kulkov, E.Yu. Solopanov

Ho Chi Minh City University of Natural Resources and Environment, 236B, Le Van Sy Street, Tan Binh District, Ward 1, Ho Chi Minh, Vietnam Irkutsk National Research Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russian Federation

ABSTRACT. PURPOSE. We carried out experiments to determine the speed of sedimentation of silt on synthetic linens made of polyamide fibers in an aerotank-bioreactor. We chose three different canvases made of capron, nylon and dewspo as inert loading for carrying out experimental studies. We showed the results of experiments on determination of sedimentation rate of silt and defined the most effective material to be used in synthetic loads. METHODS. Taking into account the complexity of measuring the rate of sedimentation of silt on inert carriers in industrial aeration tanks, kinetic dependencies on sedimentation were received on the physical model of aerotank-propellant. The model cell was a plane vertical cross-section of aeration tank. We performed assessment of floating silt concentration using the optical method of light transmission through the water-silt mixture. For regeneration of loading cloth we used air medium bubbling aeration. Time of regeneration of plane charge was approximately two minutes. RESULTS AND THEIR DISCUSSIONS. We received an equation describing the dependence of the concentration of free floating silt on the intensity of the light flux passing through the water-silt mixture. Polyamide fibers are characterized with the high strength and excellent resistance to wear. They are resistant to the action of many chemical reagents and biochemical effects. Polyamide fibers have a low hygroscopicity, as a result they become electrically charged. CONCLUSIONS. On the basis of the received data, it was concluded that nylon is more effective for use in synthetic loads. The amount of silt deposited on the nylon web is maximized from the investigated canvases, and the average sedimentation rate of 0.78 mg / (l min m2) allows to quickly recover immobilized silt after air regeneration.

Keywords: aerotank-bioreactor, physical model, sedimentation speed, air regeneration, synthetic loading, polyamide fibers

Article info. Received January 16, 2018; accepted for publication February 05, 2018; available online March 29, 2018.

For citation: Nguyen Tuan Anh, Kulkov V.N., Solopanov E.Yu. Use of synthetic materials on the basis of polyamide fibers for intensification of biological wastewater purification. Izvestiya vuzov. Investitsii. Stroitel'stvo. Nedvizhimost' [Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate], 2018, vol. 8, no. 1, pp. 168-174. (In Russian). DOI: 10.21285/2227-2917-2018-1-168-174

Введение

Для удаления трудноокисляе-мых веществ в сточных водах необходимо усилить окислительные процессы в аэротенке за счет использования организованных гидродинамических и массообменных процессов. Большие резервы эффективности очистки сточных вод можно реализовать путем увеличения окислительной мощности аэротенка. Это обеспечивается увеличением биоценоза, прикрепленного к инертной загрузке. На поверхности загрузки формируется биологическая пленка, состоящая преимущественно из аэробных микроорганизмов. Интенсификация биологической очистки сточных вод включает также изменение системы аэрации водно-иловой

смеси и эффективную регенерацию иммобилизованных микроорганизмов активного ила на инертных носителях для исключения вторичного загрязнения сточных вод. Биологическая очистка в аэротенке в значительной мере определяется суммарной концентрацией плавающего активного ила. Увеличение дозы ила более 3 г/л в существующих конструкциях блока аэро-тенк-вторичный отстойник снижает эффективность работы вторичного отстойника [1, 2]. Перспективным направлением повышения окислительной мощности аэрационных сооружений является увеличение дозы активного ила с использованием различных инертных загрузок для образования на них иммобилизованного биоценоза. В

аэротенке активно работают два вида микробиальных культур: свободно плавающая, представляющая собой активный ил в обычном его понимании, и адсорбированная на инертном носителе. Инертным носителем микрофлоры могут служить как плавающие, так и фиксированно установленные загрузки из различных материалов разнообразной формы, позволяющие повысить дозу ила в аэротенке до ~ 10 г/л без уменьшения эффективности работы вторичных отстойников. Инертные носители прикрепленного ила должны обладать способностью обрастания микроорганизмами и их удержания, быть устойчивыми к биохимическому разложению и механически прочными. Отечественная и зарубежная промышленность производит достаточно много полимерных нитей и тканей, пригодных в качестве инертных носителей для прикрепленного биоценоза, - полиэтилен, нейлон, капрон, лавсан и т.д. Волокна, изготовленные из этих материалов, обладают высокой механической прочностью и стойкостью к дейст-

вию микроорганизмов активного ила. Они не растворимы в воде, этаноле, метаноле и агрессивных жидкостях с рН = 6^10. Капрон не растворим в воде, обладает высокой стойкостью к действию биоценоза, не токсичен. Он устойчив по отношению к сточным водам с рН > 10, но менее стоек к кислым сточным водам при рН < 6. Полиэтилен и полипропилен, как представители используемых полимеров, имеют жесткую структуру, а капроновые волокна хорошо сжимаются при погружении в воду. Это свойство позволяет уменьшить количество материалов из капроновых волокон при формировании необходимого наполнения аэро-тенков-биореакторов. Наиболее широко в качестве инертных загрузок для закрепления биоценоза используются ершовые и каркасные носители. Они изготавливается из капроновой лески толщиной 0,25-0,4 мм, которая скреплена нержавеющей проволокой толщиной ~ 1,5 мм. Ершовая загрузка имеет диаметр ~ 120 мм.

и

-V« 2

1 4,

1 1

12 9

-

— - ШШШШШ — ■

— - -:

. .ft _t- -t -4 -4 _t ■

т

Рис. 1. Экспериментальная схема установки: 1 - модельная ячейка; 2 - компрессор с ресивером для аэрации; 3 - компрессор с ресивером для регенерации; 4 - мелкопузырчатый аэратор; 5 - ротаметр; 6 - регулятор расхода воздуха; 7 - манометр; 8 - регенератор; 9 - водно-иловая смесь; 10 - люксметр; 11 - лампа; 12 - загрузка из синтетического носителя Fig. 1. Experimental setup scheme: 1 - model cell; 2 - compressor with a receiver for aeration;

3 - compressor with a receiver for regeneration; 4 - fine-bubble aerator; 5 - rotameter; 6 - the regulator of the air; 7 - manometer; 8 - regenerator; 9 - water-silt mixture; 10 - luxmeter;

11 - lamp; 12 - loading from a synthetic carrier

Методы

Представленная научная работа проводилась на опытной установке (рис. 1), состоящей из модельной ячейки, загрузочного полотна, двух компрессоров для аэрации и регенерации с ротаметрами, мелкопузырчатого аэратора водно-иловой смеси, трубки с отверстиями для воздушной регенерации, двух манометров, люксметра и лампы для просвечивания водно-иловой смеси.

Модельная ячейка представляет собой плоскостной вертикальный

поперечный разрез аэротенка-вытеснителя. Ячейка выполнена из силикатного полированного стекла с внутренними размерами

0,053 х 1,475 х 1,10 м [3]. В качестве инертной загрузки для проведения экспериментальных исследований выбрано три различных полотна из капрона, нейлона и дюспо (табл. 1), которые крепились леской к металлической прямоугольной раме с высотой 0,8 м и длиной 1,10 м.

Характеристики использованных материалов Characteristics of the used materials

Таблица 1 Table 1

Показатели / Indicators Характеристика материала / Characteristics of the material

Капрон / Capron Нейлон/ Nylon Дюспо / Dyuspo

Плотность, г/см3 / Density, g/cm3 1,14 1,14 1,33

Удельная поверхность, м2/г / Specific density, m2/g 100,2 74 90

Прочность на растяжение, МПа / Tensile strength, MPa 109 50 172

Влагопоглощение, % / Moisture absorption, % 7 2,5 0,3

Температура плавления, °С / Melting point, °С 215 260 250

Стоимость м2, руб. / Cost m2, rub 50 170 120

Расстояние от дна модельной ячейки до полотна составляло 0,09 м, водно-иловая смесь превышала высоту загружаемого полотна на 0,1 м, что обеспечивало круговое движение жидкости в основном циркуляционном контуре. Площадь загружаемого полотна равнялась 0,88 м2, что составляло ~ 54% от площади вертикального сечения ячейки. Справа от полотна в модельной ячейке было предусмотрено пространство для стационарной установки люксметра. Люксметр фиксировал интенсивность светового потока, проходящего через водно-иловую смесь, для нахождения концентрации свободно плавающего ила.

Для циркуляции иловой смеси использовалась мелкопузырчатая аэрация. Воздух подавался в модельную ячейку с интенсивностью

3 2

6,92 м3/(мч) и контролировался ротаметром РМ-0,63 ГУЗ.

Для регенерации загрузочного полотна была смонтирована медная трубка диаметром 10 мм, расположенная по контуру модельной ячейки. Внизу у днища на горизонтальном участке этой трубки просверлены 7 отверстий диаметром один миллиметр, что позволило использовать воздушную среднепузырчатую регенерацию без опасения, что отверстия забьются осевшим илом при простое регенерации в несколько часов.

Количество воздуха, подаваемое в систему регенерации, контролировалось дополнительным ротаметром РМ-0,63 ГУЗ и составляло

3 2

7,50 м3/(мч). Время регенерации плоскостной загрузки составляло ~ 2 минуты, что соответствовало оптимальной минимальной величине.

В эксперименте использовался активный ил, привезенный с левобережных канализационных очистных сооружений города Иркутска. В начале эксперимента ил отстаивался, затем надиловая вода сливалась в мерную колбу объемом 1000 мл. Колба известной массы взвешивалась с надиловой водой на весах модели XS6002S с точностью 0,01 д. В этой же колбе взвешивалась осевшая уплотненная иловая смесь в изотермических условиях. Разница между весом надиловой воды и иловой смеси соответствовала массе ила, находящегося в 1000 мл водно-иловой смеси. Затем ил отфильтровывался на бумажном фильтре с синей лентой известной массы и помещался в сушильный шкаф. Сушка фильтра осуществлялась при температуре 105°С до постоянной массы фильтра с осадком. В модельную ячейку, заполненную водно-иловой смесью с дозой ила, равной ~ 0,3 г/л, помещалась инертная загрузка из исследуемого полотна. При постоянной мелкопузырчатой аэрации полотно находилось в модельной ячейке некоторое время (2^3 часа) для стабилизации процесса седиментации ила. В этот период производились одна-две воздушные регенерации для обновления иммобилизованного ила. При достижении установившегося процесса проводили контроль кинетики концен-

трации свободно плавающего ила люксметром.

Результаты и их обсуждение

Перед осуществлением контроля концентрации ила проводилась двухминутная воздушная регенерация. После регенерации в первые пять минут с периодичностью в одну минуту записывались показания люксметра. Далее периодичность контроля показаний достигала пяти минут, так как скорость седиментации уменьшалась. Измерения продолжались до достижения квазистационарного режима (скорость сорбции ила равнялась скорости десорбции его с полотна). Для определения концентрации свободноплавающего ила в аэротенке-вытеснителе применяли метод калибровочного графика, т.е. построили зависимость концентрации свободно плавающего ила (Ссп) от интенсивности светового потока А, проходящего через водно-иловую смесь [3]. Полученная зависимость описывалась уравнением

ССП = 0,0819 1п(Л) + 0,6385 с коэффициентом детерминации ^ = 0,9858.

По полученным экспериментальным данным были рассчитаны и построены графики зависимости скорости седиментации от времени для различных материалов исследуемой загрузки (рис. 2-4).

Рис. 2. Кинетика седиментации свободно плавающего ила для материала нейлон Fig. 2. Kinetics of sedimentation of free floating silt for nylon material

Рис. 3. Кинетика седиментации свободно плавающего ила для материала дюспо Fig. 3. Kinetics of sedimentation of free floating silt for dewspo material

1,0

0 10 20 30 40 50 60

Время t, мин

Рис. 4. Кинетика седиментации свободно плавающего ила для материала капрон Fig. 4. Kinetics of sedimentation of free floating silt for capron material

Таблица 2

Скорости седиментации и количество ила, осевшего на синтетическом полотне из различных материалов

Table 2

The sedimentation rate and the amount of silt deposited on the synthetic fabric of various materials

Материал / Material Средняя скорость седиментации, мг/(п-мин-м2) / The average sedimentation rate, mg/(l-min-m2) Количество ила, осевшего на синтетическом полотне,% / The amount of silt deposited on synthetic fabric, %

Капрон / Capron 0,27 4,25

Нейлон / Nylon 0,78 16

Дюспо / Dyuspo 0,17 6

В первые пять минут эксперимента на всех загрузочных материалах идет активный процесс седиментации ила, далее скорость седиментации плавно уменьшается. После 60 минут для нейлона скорость седи-

ментации достигает нуля (процесс перешел в квазистационарное состояние); для дюспо это время составило 40 минут, а для капрона - 55 минут.

Выводы

На основе полученных экспериментальных данных показано, что наилучшие технологические показатели имеет материал нейлон. Из этого следует, что нейлон может быть использован в качестве альтернативного материала для изготовления синтетических загрузок. Количество

ила, осевшего на нейлоновом полотне, максимально из исследуемых полотен, а средняя скорость седиментации - 0,78 мг/(лминм2) - позволяет быстро восстановить иммобилизованный ил после воздушной регенерации. Также к достоинствам нейлона можно отнести невысокую стоимость и большую распространенность.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Кульков В.Н., Солопанов Е.Ю., Сосна В.М. Кинетика иммобилизованного и свободно плавающего ила в биореакторе при среднепузырчатой регенерации ершовой загрузки // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2016. № 2 (17). С. 146-152.

2. Khaled Zaher Abdalla, Khaled Khafagy. Upgrading of Activated Sludge Systems Using Immobilized Nitrifiers in Polymer

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

3. Солопанов Е.Ю, Кульков В.Н., Широков А.Е. Использование воздушной регенерации иммобилизованного ила на ершовой загрузке в аэротенке // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2016. № 4 (19). С. 138-146.

REFERENCES

1. Kulkov V.N., Solopanov E.Y, Sosna V.M. Kinetika immobilizovannogo i svobodno plavayushchego ila v bioreaktore pri srednepuzyrchatoi regeneratsii ershovoi za-gruzki [Kinetics of immobilized and free flowing silt in the bioreactor during the mid-foamy regeneration of brush loading]. Izvestiya vuzov. Investitsii. Stroitel'stvo. Nedvizhimost' [Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate]. 2016, no. 2, pp. 146-152. (In Russian).

2. Khaled Zaher Abdalla, Khaled Khafagy. Upgrading of Activated Sludge Sys-

tems Using Immobilized Nitrifiers in Polymer Pellets. International Journal of Scientific & Engineering Research, 2014, vol. 5, issue 2, pp. 619-623.

3. Solopanov E.Yu., Kulkov V.N., Shirokov A.E. Ispol'zovanie vozdushnoi regeneratsii immobilizovannogo ila na ershovoi za-gruzke v aerotenke [Use of air regeneration of immobilized silt on the brush loading in ierotank]. Izvestiya vuzov. Investitsii. Stroitel'stvo. Nedvizhimost' [Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate]. 2016, no. 4, pp. 138146. (In Russian).

Критерии авторства

Нгуен Туан Ань, Кульков В.Н., Солопанов Е.Ю. имеют равные авторские права. Солопанов Е.Ю. несет ответственность за плагиат.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Contribution

Nguyen Tuan Anh, Kulkov V.N., 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.