CC BY
140
УДК 628.543
МЕХАНИЗМ АДАПТАЦИИ АКТИВНОГО ИЛА К НИЗКИМ КОНЦЕНТРАЦИЯМ КИСЛОРОДА
В.И. БАЖЕНОВ, доктор технических наук, исполнительный директор
М.А. КАНУННИКОВА, инженер
ЗАО «Водоснабжение и водоотведение»
E-mail: kanunnikova@pump.ru
Резюме. Показано, что зависимость коэффициента по-лунасыщения по кислороду от скорости дыхания ила можно охарактеризовать выражением Ко = Кс + k*SOUR где Ко - коэффициент полунасыщения по кислороду на границе вода -хлопок ила, Кс - коэффициент полунасыщения по кислороду на границе клетки, k - коэффициент описывающий влияние диффузии, SOUR удельная скорость дыхания активного ила. При адаптации активного ила к низким концентрациям кислорода улучшается диффузия кислорода к отдельным клеткам микроорганизмов. При этом снижается влияние диффузии на коэффициент полунасыщения.
Ключевые слова: очистные сооружения, активный ил, концентрация кислорода.
В последние годы в связи с распространением технологий одновременной нитри-денитифкации [1...3], оптимизации концентрации растворенного кислорода [4, 5], аэробной грануляции ила [6] достаточно широко изучаются диффузионные процессы внутри хлопка ила (сообщество микроорганизмов активного ила объединенных биополимерной матрицей). Ранее было теоретически показано [1], что под влиянием диффузии при определенных концентрациях кислорода, зависящих от скорости его потребления, процессы нитри-денитриифкации могут проходить в условиях перемешивания воздухом совместно. Проведенные исследования процессов одновременной нитри-денитрификации [2,3] подтвердили, что в зависимости от концентрации кислорода, скорости дыхания и условий перемешивания внутри хлопка могут образовываться зоны с недостаточной концентрацией кислорода, в которых происходит денитрификация. При этом критические концентрации кислорода сильно зависят от нагрузки на ил и свойств хлопка.
Изучение аэробной грануляции показало, что коэффициент диффузии в гранулах зависит от их структуры - органического субстрата, на котором получена гранула, причем коэффициент диффузии кислорода в этом случае может быть выше, чем в хлопке. Проницаемость гранул растет с их размером, что, на наш взгляд, объясняется наличием каналов не заполненных внеклеточными полимерами.
Аналогичным образом можно предположить, что проницаемость хлопка ила должна зависеть от его строения.
В хлопке ила [7,8], как правило, присутствуют нитчатые и флокуло образующие микроорганизмы. Нитчатые микроорганизмы в небольших количествах формируют некоторый каркас хлопка ила, а флокуло образующие - выделяют внеклеточные полимеры, из которых состоит его матрица. В зависимости от формы различают компактные хорошо оседающие хлопки, рыхлые хлопки, хлопки вспухшего, плохо оседаю-
щего ила. Основная характеристика способности ила к осаждению - иловый индекс. Его величина зависит от количества и состава биополимеров, который обусловлен характером очищаемых сточных вод и включает углеводы, белки, нуклеиновые кислоты. Иловый индекс уменьшается с увеличением количества внеклеточных биополимеров в хлопке. Кроме того, отмечается ухудшение седиментационные свойств ила при недостатке кислорода.
Коэффициенты диффузии кислорода в матрице хлопка, образованной биополимерами, и в чистой воде различны. С увеличением концентрации органических веществ в растворе диффузия кислорода затрудняется. Для сахаров на примере глюкозы показано [9], что коэффициент диффузии в растворе характеризуется формулой:
D = Dwater ■ (1 - к-С"),
где D - коэффициент диффузии в растворе, Dwater - коэффициент диффузии в чистой воде, С -концентрация вещества, мг/л, К и " - эмпирические коэффициенты зависящие от вещества.
Для растворов низкомолекулярных веществ при концентрациях до 20 г/л снижение коэффициента диффузии D составляет 20.40 %.
В растворах полимеров кроме свободной, как правило, присутствует связанная вода. Подвижность ее молекул ниже, поэтому скорость диффузионных процессов значительно меньше. Величины коэффициента диффузии в хлопке ила, найденные экспериментально с использованием техники микрозонда, составляют 2,9...4,0 х 10 -10 м2/сек, что в 5-7 раз меньше, чем в чистой воде (1,98 х 10-9 м2/сек) [6].
Размеры хлопка ила также зависят от режима работы сооружений и очищаемых сточных вод. По данным литературных источников его диаметр варьирует от 0,05 до 0,6 мм и в среднем составляет 0,375 мм [6.8].
Цель наших исследований - показать влияние адаптации ила к низким концентрациям кислорода на строение хлопка и диффузию кислорода внутрь хлопка.
Условия, материалы и методы. В ходе исследований рассматривали механизм адаптации активного ила в аэротенках к условиям повышенного и пониженного содержания растворенного кислорода. Для таких условий проанализированы коэффициенты диффузии, полунасыщения по кислороду, а также изменения седиментационных свойств и плотности структуры активного ила в условиях свинокомплекса и низких нагрузок, типичных для городов.
Исследования зависимости коэффициента полунасыщения по кислороду на границе вода - хлопок ила от скорости дыхания ила с использованием респи-
Таблица. Взаимосвязь нагрузок на активный ил и его свойств в условиях исследованных объектов
Очистные сооружения Нагрузка на ил, мг БПК^/г СВ в сутки Концентрация растворенного кислорода, мг/л Иловый индекс, мг/л
г. Новосибирск 125 ю о" о" 150.250
г. Череповец 174 2,5.7 80.100
ОС свинокомплекса в 0.2 периодиче-
Надеево: 2-ая ступень 150 ская аэрация 80.120
1-ая ступень 432 менее 0,1 нестабильный
Коэффициент к - можно назвать коэффициентом влияния диффузии. Он уменьшается с увеличением проницаемости и уменьшением диаметра хлопка. В отсутствии влияния диффузии он равен 0 и Ко = Кс.
В наших исследованиях коэффициент полунасыще-ния по кислороду на границе вода - хлопок ила (рис. 1), коэффициент влияния диффузии и седиментационные свойства повышались с улучшением кислородных условий, в которых существовали исследуемые илы.
На наш взгляд, уменьшение влияния диффузии (снижение величины коэффициента к) в первую очередь
рометрического оборудования проводили для двух ступеней очистки сточных вод свинокмплекса Надеево и станций очистки сточных вод городов Череповец и Новосибирск (см. табл.).
Все изучавшиеся сооружения работали в разных режимах по кислороду, нагрузке и очищаемому стоку. По кислородным условиям в наихудших условиях находились сооружения первой высоконагружаемой ступени свинокомплекса, сооружения второй ступени работали при периодической аэрации (нитри-денитрификации), сооружения г. Новосибирск - в условиях низких концентраций кислорода и нагрузок, г.Череповец - высоких концентраций кислорода и средних нагрузок.
Для изучения изменений седиментационных свойств иловой смеси при повышении концентрации кислорода образцы со станции аэрации г. Новосибирск, имевшие высокий индекс, помещали в респирометр, в котором поддерживали высокие (2...4 мг/л) концентрации кислорода.
Результаты и обсуждение. Ранее было показано [4, 5], что коэффициент полунасыщения по кислороду внутри хлопка зависит от скорости дыхания и характеризуется формулами:
К^, =Кс0 + 0,016Рт) д™рйг
” D^l<с
где p - парциальное давление кислорода на радиусе R, Па, Kc - коэффициент полунасыщения по кислороду на границе клетки, R - радиус хлопка, мм, DO2 - коэффициент диффузии кислорода, q^* - скорость дыхания, мг/г мин.
При одинаковых парциальных давлениях кислорода выражение в отношении удельной скорости дыхания ила можно записать следующим образом:
Ко = Кс +Kp*R2/Do2*SOUR.
Или в упрощенном виде:
Ко = Кс + k*SOUR,
где Ко - коэффициент полунасыщения по кислороду на границе вода - хлопок ила, Кс - коэффициент полунасыщения по кислороду на границе клетки, к= Кр*R2/
Do2 - коэффициент, зависящий от радиуса хлопка и коэффициента диффузии. SOUR - удельная скорость дыхания.
может происходить из-за уменьшения размера хлопка ила R и увеличения коэффициента диффузии Do2. При исследовании образцов ила на станциях очистки большой разницы в размерах хлопка визуально не обнаружено. Одновременно его структура для илов с адаптацией к низким и высоким концентрациям кислорода значительно отличалась. Так, в условиях высоких концентраций формируется более плотный хлопок, в матрице которого практически не просматриваются
б)
Рис 2. Микроскопические исследования адаптации хлопков активного ила к высоким концентрациям кислорода для станции аэрации г. Череповца (а) и к низким концентрациям кислорода для первой ступени свинокомплекса Надеево (б). Увеличение 300*.
мг/лнтр
0 55 ^оэффициентполунасыщения по кислороду Ко.
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2
Скорость дыхания ила SOUR,
мг/г СВ в минуту
Рис 1. Зависимость коэффициента полунасыщения К от скорости дыхания активного ила SOUR: ♦ - 1-я ступень Надеево; ▲ - 2-я ступень Надеево; Ж - г. Череповец; • - г. Новосибирск.
Рис. 3. Зависимость объемных характеристик активного ила (мл) от времени осаждения в цилиндре (минут) при различном времени аэрации (0, 12, 24 часа): ♦ -0 часов; ■ -
12 часов; -24 часа.
вание более плотного хлопка с пониженным содержанием воды.
Выводы. Для различных сооружений с активным илом при неодинаковых кислородных режимах работы, нагрузках, очищаемому стоку и иловых индексах коэффициент полунасыщения по кислороду повышается с улучшением кислородных условий. При высоких концентрациях кислорода структура хлопка плотная, а в его матрице практически не просматриваются включения воды.
При адаптации ила к низким концентрациям кислорода хлопок перестраивается, что связано с повышением коэффи-
включения воды, а при низкой - рыхлый с большим содержанием воды и практически появлением каналов в его матрице (рис. 2). Поскольку коэффициент диффузии в воде выше, чем в матрице хлопка общая его величина для рыхлого хлопка возрастает.
В начале эксперимента по изучению изменения седиментационных свойств ила при его адаптации к высоким концентрациям кислорода иловый индекс образцов составлял 250 см3/г и они отличались достаточно плохими характеристиками - уплотнение происходило до объема 400 мл и концентрации 5 г/л (рис. 3). Через 12 ч аэрации иловый индекс незначительно снизился до 205 см3/г, но резко улучшилась плотность - уплотнение происходило до 220 см3 и концентрации 9 г/л, через 24 ч иловый индекс снизился до 140 см3/г, а уплотнение происходило до 150 мл и концентрации 13,3 г/л.
При микрокопировании наблюдалось образо-
циента диффузии кислорода к отдельным клеткам микроорганизмов, находящимся в хлопке. При этом увеличивается содержание воды, которая характеризуется повышенным коэффициентом диффузии, по сравнению с матрицей, образованной биополимерами. Формируется более рыхлый хлопок с ухудшенными седиментационными свойствами. В результате падает влияние диффузии на коэффициент полунасыщения по кислороду, и активный ил начинает работать при низких его концентрациях.
В случае адаптации ила, имевшего рыхлый хлопок и высокий иловый индекс, связанные с низкими концентрациями кислорода, к высоким (не лимитирующим процесс) сначала происходит улучшение уплотняемости, а затем нормализация седиментационных свойств.
Литература.
1. Эпов А.Н. Николаев В.Н. «Интенсификация глубокой очистки сточных вод в аэротенках путем оптимизации возраста ила». - М.: ИЭЖКХ, 1989.
2. Stenstrom M. K., Song S.S. Effect of oxygen transport limitation on nitrification process in the activated sludge process//Research Journal WPCF VA22314 - 1994
3. Zhang Peng, Zhou Qi Simultaneous nitrification and denitrification in activated sludge systems under low oxygen concentration // Front. Environ. Sci. Engin. China, - 2007. - № 1.
4. Эпов А.Н. Канунникова М.А. Респирометрическое определение кинетических коэффициентов уравнения скорости нитрификации // Водоснабжение и канализация. - 2009. - № 4.
5. Кануникова М.А. Эпов А.Н. Исследования влияния диффузии и адаптации ила на коэффициент полунасыщения по кислороду // Конференция Международной водной ассоциации (IWA) «Водоподготовка и очистка сточных вод населенных мест в XXI веке: Технологии, Проектные решения, Эксплуатация станций». - Экватек, 2010.
6. Chiu Z.C. et all Diffusivity of Oxygen in Aerobic Granules // Wiley Inter science (www. interscience. wiley. com)
7. Tandoi V., Jenkins D., Wanner J. Activated Sludge Separation Problems: Theory, Control Measures, Practical Experiences // IWA Publishing, 2006
8. Sponza D.T. Properties of four biological flocs as related to settling // Journal of Enw. - 2004. - № 11.
9. Jamnongwong M. et all Experimental study of oxygen diffusion coefficients in clean water containing salt, glucose, or surfactant: Consequences on the liquid-side mass transfer coefficients // Chemical engineering journal. - 2010. - vol. 165. - pp, 758-768.
THE MECHANISM OF ACTIVATED SLUDGE ADAPTATION TO LOW CONCENTRATIONS OF OXYGEN V.I. Bazhenov, M.A. Kanunnikova
Summary. Dependence between oxygen half saturation coefficient and specific oxygen uptake rate describe by Ko = Kc + k*SOUR. Ko - oxygen half saturation coefficient, Kc- oxygen half saturation coefficient on line water/cell, k - coefficient of diffusion influence, SOUR - specific oxygen uptake rate. Adaptation of active sludge to low oxygen concentrations lead to increase oxygen diffusion in flock. Influence of diffusion on oxygen half saturation coefficient decrease.
Key words: treatment facilities, activated sludge, oxygen concentration.
