CC BY
396
АГРОПРОМЫШЛЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
УДК 628.3
ОБОСНОВАНИЕ ФЕРМЕНТНО-КАВИТАЦИОННОГО
МЕТОДА ПЕРЕРАБОТКИ ХОЗЯЙСТВЕННО-БЫТОВЫХ СТОКОВ С ПОЛУЧЕНИЕМ УДОБРЕНИЙ-МЕЛИОРАНТОВ
В.И. Пындак, доктор технических наук, профессор
Волгоградский государственный аграрный университет
Ю.А. Степкина, кандидат технических наук А.А. Степкин, инженер
Компания по защите природы «Экотор»
Дано обоснование нового ферментно-кавитационного метода очистки стоков с обработкой образующегося илового осадка. Достигается глубокая переработка органики в осадке, содержание которой составляет 15-16 % при влажности 35 %.
Изложены особенности метода с использованием кавитации низкой интенсивности и стимулировании действия микроорганизмов, в частности ферментов. В осадке содержатся общие формы азота, фосфора, калия, а также подвижная сера и микроэлементы. Показаны биопроцессы при реализации метода и эффекта в почве при внесении осадка как уникального удобрения-мелиоранта.
Ключевые слова: сточные воды, иловый осадок, кавитация, ферменты, органика, микроорганизмы, удобрения, мелиоранты.
В городах и крупных населенных пунктах имеются станции очистки хозяйственно-бытовых (канализационных) сточных вод. Современные методы переработки стоков основаны на различных технологиях биологического воздействия на поступающий субстрат. Основными «продуктами» обработки является условно чистая вода, сбрасываемая в водоемы и иловый осадок.
Известные специалисты, в том числе С.В. Яковлев, разъясняют [12, 13], что биотехнологии основаны на естественных процессах жизнедеятельности гетеротрофных микроорганизмов. Наиболее полным является процесс аэробного окисления, его продукты Н2О, СО2 и др. не способны к дальнейшему разложению.
Органические вещества, поступающие со стоками, в обобщенном виде представляют в виде символа C5H7N02. Под действием кислорода органика разлагается:
C5H7NO2+5O2 ^5СО2\+2Н2О+Шз,
где NH3 - аммиак, который также разлагается:
2NH3 + 7/2O2 ^3H2O+2NO2\
Практика показывает, что при обработке осадка (в процессе очистки стоков) разложение органики реализуется лишь частично. После завершения цикла обработки иловый осадок - это гелеобразная, длительно не высыхающая масса влажностью 98-99 %, с содержанием непереработанной (некондиционной) органики 40-60 %, иногда больше. В случае его внесения в качестве удобрения отмечается органическое загрязнение почвы. Положение усугубляется тем, что осадок может содержать ионы тяжелых металлов (кадмий, цинк, никель и др.), это следствие несанкционированного сброса в канализацию промышленных стоков. В таком осадке зачастую присутствует патогенная флора.
Для реализации процессов окисления органики в традиционных очистных комплексах предусматривается принудительная подача огромных объемов воздуха (иногда перегретого пара) посредствам энергоемкого компрессорного хозяйства. Предлагаемый и реализованный в промышленных масштабах ферментно-кавитационный метод переработки стоков обеспечивает «бесплатную» подачу воздуха в любых разумных количествах посредством самодействующих эжекторов. Как известно, эжекторы - это простейшие струйные аппараты, не имеющие подвижных деталей и «забирающие» (в нашем случае) воздух из атмосферы за счет возрастания скоростей движения жидкой среды.
Это вытекает из следствия уравнения неразрывности потока несжимаемых жидкостей:
У1/У2=А2/А1.
Здесь У1, У2 - средние скорости потока в эжекторе и после него; Л1, Л2 - соответствующие им площади живого сечения. Кинетическая энергия потока зависит от квадратов скоростей движения жидкости; следовательно, возрастание энергии потока характеризуется соотношением У12/У22, которое в новых станциях очистки равно ~ 160. Только за счет этого удельный расход электроэнергии в процессе переработки уменьшается (по расчетам) в 6,2 раза - при увеличении объема поступающего кислорода в 810 раз. Любые реальные потоки воздуха (а следовательно и кислорода) не обеспечивают полное разложение органики; необходимо ее предварительное дробление. Для этого перерабатываемый субстрат непрерывно насыщается кавернами (пузырьками) кавитации. Известно, что кавитация - это вредное явление, но в нашем случае насосы генерируют кавитацию низкой интенсивности с аномально низким числом кавитации Кб < 0,05 ( в обычных насосах Кб = 4-6). Число Кб определяется известной зависимостью [2]:
К^(р0-рб)/(Г Уо2),
где р0; рб _ давление соответственно за пределами ядер и в каверне; у - удельный вес жидкости; У0 - скорость невозмущенного потока жидкости; величина Кб предопределяется незначительной разностью давлений (р0-рб).
Конструктивно генератор кавитации выполнен в виде установленного перед насосом всасывающего патрубка с винтообразными углублениями. Поток жидкой среды «закручивается», оставаясь таковым и после насоса, что способствует генерации макрокаверн. Каверны формируются вокруг частиц органики, относительно крупной патогенной флоры (в основном яйца и личинки гельминтов) и ионов тяжелых металлов. Каверны, схлопываясь, разрушают органику и флору, а ионы тяжелых металлов изолируют, превращая в комплексоны.
Весьма мелкие, видимые только после огромного увеличения, микроорганизмы, в том числе ферменты, неподвержены кавитации низкой интенсивности. Более того, микропузырьковая среда является благоприятной для микроорганизмов [13]. После макроразрушения органики (посредством кавитации и кислорода), дальнейшую ее «переработку» осуществляют ферменты, реагируя с молекулами органики, окисляя и обеспечивая ее деструкцию. После этого сами ферменты восстанавливаются по известной и дополненной нами схеме:
Е+8^ ЕР ^ Е+Р,
где Е - фермент, частица (молекула) 5п - образовавшиеся «обломки» (наночастицы); Р - продукт микрореакции.
Автоматизированный комплекс по обработке и обезвоживанию осадков (его принципиальная схема показана на рисунке 1) - это автономный малогабаритный блок в составе станции очистки хозяйственно-бытовых стоков производительностью до 10 тыс. м3/сутки. Основные составляющие комплекса: ферментно-кавитационные реакторы; насосы с генераторами кавитации; эжекторы, система трубопроводов. Рабочей средой комплекса является субстрат (неньютоновская жидкость), включающий сырой осадок и избыточный активный ил. Одним из элементов новизны станции является вертикальное башенное исполнение реакторов - высотой до 10-12 м, благодаря чему, площадь станции очистки снижается в 4-5 раз. Другие особенности технологий и станций очистки изложены в [1, 3, 7 ,9].
Обозначения
В - воздух Э - эжектор Н - насос Г - генератор Ф - фильтр
КС - кавитационная среда
СО - сырой осадок
ИАИ - избыточно-активный ил
ФКР - ферментно-кавитационный
реактор
Рисунок 1 - Принципиальная схема реализации ферментно-кавитационного метода
В процессе экспериментальных исследований ставилась задача: подобрать давление перед эжектором, при котором процесс обработки осадка (по критерию ХПК) занимал бы минимум времени. Установлено: при давлении 0,30-0,35 МПа время выхода на постоянное значение ХПК (~16 %) составляет 8-10 часов. После выгрузки осадка продолжается затухающий процесс обработки осадка, вследствие чего значение ХПК и содержание в осадке глубоко переработанной органики сравниваются [8]:
ХПК~ органика ~ 15 %.
Это и есть критерий качественной обработки осадка и, как будет показано ниже, высокие агрофизические свойства получаемого по новому методу осадка. С другой стороны, 15-16 % органики это не только обоснованный минимум органики в осадке, но и доказательство того, что органика является «подлинной» (наноструктурирован-ной), легко доступной почвенной микрофлоре и корням растений. Наряду с этим, установлено [4, 8] и подтверждено государственными органами сертификации, что в глубоко переработанном осадке содержатся общие, также легкодоступные формы азота (до 2,5 %), фосфора (до 4,2 %), калия (до 1,25 %), а также сера подвижная (до 2-х г/кг) -при влажности осадка до 35 %; осадок содержит «набор» биогенных микроэлементов, патогенная флора отсутствует. Непосредственно после выгрузки обезвоженный осадок имеет влажность 74 %.
Полагаем, что система обработки осадка как самоорганизующаяся биота находится в состоянии динамического равновесия. Тогда, интерпретируя теорию распределения молекул Максвелла, можно представить вероятность А W нахождения абсолютного значения скорости частиц субстрата в интервале V... У+АVследующим образом:
АW(У) = 4п (т/2пКТ)332 х ехр(-тУ2/2КТ)У2 >АУ, (А)
где т - масса частицы; Т - абсолютная температура; К - постоянная Гольцмана.
Выражение (гт
У2/2) - это отрицательная кинетическая энергия частицы, т.е. энергия торможения, без которой невозможно протекание процесса. Но выражение (А) в целом можно трактовать как уравнение нарастания во времени скорости движения частиц (молекул). Вероятность, что скорость Уо достигает максимума записывается в виде:
Уо = V2 т/т.
Эта скорость называется наиболее вероятной, и чем выше температура Т среды, тем большее число молекул имеют скорости, близкие к У0. Известно [12, 13], что для очистки сточных вод оптимальным является мезофильный процесс, который протекает в диапазоне температур 10-42 0С или 283-315 0К. Считая, что величины к и т являются постоянными, скорость молекул можно представить как функцию температуры:
Уо = Чт^Г.
Выражение чт = ^22к/т можно трактовать как масштаб при температуре Т. Исследования показывают: в названном диапазоне температур скорость У0 возрастает на 5,5 %, при этом кинетическая энергия молекул (а, следовательно, и субстрата) возрастает примерно на 11 %. Это означает, что начиная с температуры Т = 283 0К происходит саморазогрев обрабатываемого субстрата.
Согласно [10], при температурах Т < 0 0С и >80 0С ферменты не проявляют признаков жизнедеятельности. Температурный диапазон «работы» ферментов реально находится в интервале
5-75 0С, а их максимальная активность фиксируется при Т ~ 40 0С (рис.2, а), т.е. находится в диапазоне температур мезофильного процесса. Измерения показали, что в умеренных климатических широтах температура в реакторах автоматически поддерживается в диапазоне 35-45 0С (после выхода системы на заданный режим). Таким образом, оптимальную и наиболее эффективную температуру технологи-
ческого процесса создает ферментно-кавитационная среда, обеспечивающая себе условия максимальной активности.
0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0
20
40 60 Т, оС
80
а
о
■е -
н и о я в а н
а
5«
100
50
14
рн
б
Рисунок 2 - Активность ферментов в зависимости от температуры (а) и рН среды (б)
Ферменты весьма чувствительны к кислотности жидкой среды, которая определяется показателем рН; максимум активности ферментов фиксируется при рН=7 (это нейтральна среда - рис. 2 б; [10]). В глубоко переработанных осадках рН варьируется в пределах 6,8-7,2; это означает, что по этому показателю ферменты находятся вблизи наиболее активной зоны. После выгрузки осадка микроорганизмы не прекращают свою «работу», но рН и активность ферментов несколько снижаются.
Имеется большое количество научных работ, обобщающий опыт использования в качестве удобрений «серийных» иловых осадков с повышенным содержанием непереработанной органики. В числе этих работ обстоятельная монография [11] -на примере использования сравнительно «чистых» осадков Подмосковья, при возделывании преимущественно кормовых и технических культур. Получены положительные, но скромные результаты. Разработаны рекомендации по внесению осадка -1 раз в 3-4 года.
Наряду с этим, установлено [4, 5, 8], что глубоко переработанный иловый осадок обладает особыми свойствами. Известно [8, 13], что активный ил - это скопление микроорганизмов - их суммарная поверхность достигает 100 м на 1 грамм сухого вещества ила (!); это объясняет огромную сорбционную способность ила. Выявлено, что в случае внесения в почву переработанного осадка (на основе активного ила) происходит аккумулирование воздуха и влаги из атмосферы в верхний слой почвы; это явление названо нами как эффект микромелиорации.
Осадок целесообразно размещать на поверхности поля поле основной обработке почвы в виде мульчирующего слоя.
В острозасушливых условиях Волгоградской области на светло- каштановой почве на (мелких делянках) получены высокие урожаи сначала озимой пшеницы, затем ярового ячменя. Осадок вносили один раз в три года после глубокой чизельно-отвальной обработке почвы и после мелкой обработки посредством БДТ.
Таким образом, биоинженерный ферментно-кавитационный метод переработки хозяйственно-бытовых стоков обеспечивает получение уникального «продукта», обладающего свойствами высокоэффективного удобрения-мелиоранта. Весьма важно, что при этом используются элементы нанотехнологий и решаются проблемы отходов и плодородия деградированных земель [6].
0
0
0
7
а
Библиографический список
1. Неженская, М.М. Экологически чистые технологии очистки сточных вод и утилизации илового осадка [Текст] / М.М. Неженская, Ю.А. Степкина, Г.К. Лобачева // Альманах-2009. -Волгоград: Изд-во ВолГУ, 2009. - С. 23-31.
2. Пирсол, И. Кавитация [Текст] : пер. с англ. / И. Пирсол; под ред., с предисл. и дополн. Л.А. Эпштейна. - М.: Мир, 1975. - 95 с.
3. Пындак, В.И. Новое высокоэффективное и экологическое поколение станций очистки бытовых сточных вод [Текст] / В.И. Пындак, Ю.А. Степкина // Экологические системы и приборы. - 2005. - №10. - С. 26-28.
4. Пындак, В.И. Эффект микромелиорации и гумификации при использовании в качестве удобрения илового осадка [Текст] /В.И. Пындак, Ю.А. Степкина // Международный с.-х. журнал. - 2008. - № 3. - С. 56-57.
5. Пындак, В.И. Высокоэффективные технологии возделывания зерновых колосовых культур в засушливых условиях Нижнего Поволжья [Текст] /В.И. Пындак, Ю.А. Степкина, А.Е. Новиков // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2012. - №4 (28). - С. 188-191.
6. Пындак, В.И. Решение проблем отходов и плодородия деградированных земель (на примере Нижнего Поволжья) [Текст] / В.И. Пындак, А.Е. Новиков, Ю.А. Степкина // Научное обозрение. - 2013. - №4. - С.85-89.
7. Создание не имеющих аналогов станций очистки бытовых сточных вод получение осадка как уникального удобрения для любых почв [Текст] / В.И. Пындак, Ю.А. Степкина, Е.Ф. Помогаев, А.А. Степкин // Достижения науки в Волгоградской области. 2004-2009. - Волгоград: Панорама, 2010. - С. 321-323.
8. Степкина, Ю.А. Совершенствование технологий и систем обработки осадка при очистке сточных вод, получение и апробация комплексного удобрения [Текст]: автореф. дис. к.т.н. /Ю.А. Степкина. - Волгоград, 2009. - 23 с.
9. Степкин, А.А. Комплексный подход к решению проблем очистки сточных вод [Текст] /А.А. Степкин // Водоподготовка и очистка сточных вод населенных мест в XXI веке: сб. докладов Международной Водной Ассоциации - М., 2010. - С.320.
10. Филиппович, Ю.Б. Биологическая химия [Текст] : учебное пособие / Ю.Б. Филиппович, Н.И. Ковалевская и др. / Под. ред. Н.И. Ковалевской. - 3-е изд., испр. - М.: Академия, 2009. - 256 с.
11. Шуравлин, А.В., Эффективное использование сточных вод и их осадков для орошения и удобрения сельскохзяйственных культур [Текст]: монография /А.В. Шуравлин, А.С. Овчинников, В.В. Бородычев и др. - Волгоград: ИПК «Нива», 2009. - 636 с.
12. Яковлев, С.В. Водоотведение и очистка сточных вод [Текст] / С.В. Яковлев, Ю.В. Воронов. - Изд. 3-е, доп. и перераб. - М.: Изд-во АСВ, 2004. - 701 с.
13. Яковлев, С.В. Биологические процессы в очистке сточных вод [Текст] / С.В. Яковлев, Т.А. Карюхина. - М.: Стройиздат, 1981. - 200 с.
E-mail: jstep@rambler.ru
