CC BY
32
ventor of the Russian Federation, tel.: 83012224975, е-mail: ivanova@mail.ru; East Siberia State University of Technology and Management.
Balabanov V.B., Candidate of Technical Sciences, associate professor, Automobile Thoroughfares Department, tel.: (3952) 40-51-39, 681-302, е-mail: g110b@istu.edu; Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
Stepanenko A.A., senior teacher, Automobile Thoroughfares Department, tel.: (3952) 40-51-39, 89643514325, е-mail: g110b@istu.edu; Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
УДК 628.316
РЕГЕНЕРАЦИЯ СИНТЕТИЧЕСКОЙ ЕРШОВОЙ ЗАГРУЗКИ В БИОРЕАКТОРЕ
ВОДОВОЗДУШНЫМ СПОСОБОМ
В.Н. Кульков, Е.Ю. Солопанов, А.М. Зеленин
Проведены исследования эффективности водовоздушной регенерации ершовой синтетической загрузки в биореакторе с использованием физической модели 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.
Ключевые слова: биореактор, синтетическая ершовая загрузка, свободно плавающий ил, иммобилизованный активный ил, водовоздушнаярегенерация загрузки.
WATER-AIR REGENERATION OF SYNTHETIC BRUSH LOAD IN A BIOREACTOR
V.N. Kulkov, E.IU. Solopanov, A.M. Zelenin
The article studies effectiveness of water-air regeneration of synthetic brush load in a bioreactor using a physical model of a bioreactor's flat vertical cross section. The author analyses time history for concentration of immobilized and floating silt in conditions of brush load or in a main hydrodynamic flow with a certain silt quantity in a bioreactor.
Key words: bioreactor, synthetic brush load, floating silt, immobilized active silt, waterair regeneration of load.
Синтетические ершовые водоросли успешно используются в биореакторах (аэро-тенках) для иммобилизации микроорганизмов активного ила. Одновременное присутствие свободно плавающего и иммобилизованного активного ила обеспечивает увеличение окислительной мощности биореактора и необходимый уровень очистки сточных вод.
В настоящее время нет научных работ по оценке соотношения свободно плавающего и иммобилизованного активного ила от способа регенерации загрузки, времени работы биореактора и от суммарной дозы активного ила.
Изучение водовоздушной регенерации синтетической инертной загрузки водовоз-душным способом проводили на физической модели биореактора, представляющей плоскостной вертикальный поперечный разрез биореактора большего объемного размера. Принципиальная схема установки, на которой проводилось изучение 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 МТПСд-100 (9). Водяной насос ХСт 170-1 (3) подавал водно-иловую смесь, забираемую из биореактора через отверстия в трубке (18), в распределительную трубку водяного регенератора ершовой загрузки (15). Расход водно-иловой смеси контролировался водосчетчиком МТК-N-8, давление - манометром (9), а температура - электронным термометром (12). Расход воздуха для водовоздушной регенерации обеспечивался инжекторной системой, закольцованной в контур для равномерной подачи воздуха через форсунки (17). Форсунки крепились на распределительной трубке регенератора (16), объединенной с распределительной трубкой (15) для инжекции. Расход воздуха в системе изменялся регулятором (8) и контролировался ротаметром РМ-6,3 ГУЗ (7).
Интенсивность светового потока, проходящего через водно-иловую смесь, контролировалась 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), контролировался люксметрами (19) и (20).
Рис. 1. Схема установки:
1 - модельный биореактор; 2 - компрессор с ресивером для аэрации водно-иловой смеси; 3 - водяной насос для регенерации ершовой загрузки; 4 - кран для регулирования расхода воздуха; 5 - кран для наполнения и опорожнения биореактора водно-иловой смесью; 6 - ротаметр РМ-0,63 ГУЗ; 7 - ротаметр РМ-6,3 ГУЗ; 8 - регулятор расхода инжектированного воздуха; 9 - манометры; 10 - мелкопузырчатый аэратор; 11 - водосчетчик; 12 -электронный термометр; 13 - водно-иловая смесь; 14 - ершовая загрузка; 15 - распределительная трубка водяного регенератора; 16 - распределительная трубка среднепузырчатого регенератора; 17 - форсунки для инжектирования воздуха; 18 - трубка с отверстиями для забора водно-иловой смеси; 19, 20 - люксметр; 21 - лампа для освещения водно-иловой смеси
В биореактор помещались синтетические ершовые водоросли, укрепленные на раме, изготовленной 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/м2ч.
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 и соотношение регенерационных воды и воздуха. Это позволило нам качественно и количественно оценить состояние биоценоза при различных технологических процессах в биореакторе.
Рис. 2. Физическая модель вертикально-поперечного сечения биореактора с синтетической ершовой загрузкой: 1 - загрузка с прикрепленным биоцинозом;
2 - люксметр; 3 - мелкопузырчатый аэратор типа «Аквалайн»
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, 18) из основного циркуляционного контура, обогащенного кислородом. Вода, подаваемая в форсунку под давлением 2,2 атм., выбрасывалась через сопло и смывала иммобилизованный ил. 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 осуществлялась изменением расхода воды, подаваемой насосом. Воздух, выходящий из форсунки с удельной интенсивностью 21,76 м3/м2-ч в виде воздушно-пузырьковой струи, приводит к возникновению эффекта «кипения воды». Удельная интенсивность выбрасываемой струи воды для нашего эксперимента составила 55,72 м3/м2 ч.
Измеряя динамику освещенности водно-иловой смеси люксметром, строили зависимость в координатах «освещенность - время» (рис. 3 а). Затем, по калибровочному гра-
фику 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 -10-11 • X6 - 5 -10-9 • X5 + 6 -10-7 • X4 - 3 -10-5 • X3 + 0,0009 • X2 - 0,0155 • X + 0,2716,
где ССП - концентрация свободно плавающего ила, г/л;
1 - время седиментации ила, мин.
-♦—в объеме ершовой загрузки -♦—в объеме ершовой загрузки
-■—в зоне свободной конвекции водно-илового потока -"-в зоне свободной конвекции водно-илового потока
0 -1-1-1-1-1-1-1-1-1- 0,00 ^-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Время ^ мин Время ^ мин
а) б)
Рис. 3. Кинетика осаждения свободно плавающего активного ила на синтетических ершовых водорослях: а - экспериментальные данные; б - зависимость, обработанная по калибровочному
графику
Проводили несколько водовоздушных регенераций при приведенных выше удельных интенсивностях по воде и по воздуху и, контролируя процесс во времени, определяли концентрацию свободно плавающего ила в объеме ершовой загрузки и в основном циркуляционном контуре. Кинетика процесса осаждения ила на ершовые синтетические водоросли и короткая 30 секундная водовоздушная 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).
№
£
2 ш
и ш
га ^
с
о 5
о с
Ю о
8 ° ш
и к
Г
га о.
X
0) ах о х
30 60 90 120 150
Время I, мин
180
210
240
270
Рис. 4. Кинетика изменения концентрации свободно плавающего ила при осаждении его на ершовой загрузке и периодической 30 сек водовоздушной регенерации
га с 5
га ш о
С
5 1
и
К 5
Щ
а-
I
о
0,350
0,300
0,250
0,200
0,150
0,100
0,050
0,000
90 120 150
Время, мин
270
Рис. 5. Кинетика изменения концентрации иммобилизованного ила при осаждении его на ершовой загрузке и периодической 30 сек водовоздушной регенерации
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. В этом случае на метр погонный ершовой загрузки приходилось 4,8 г ила по сухому веществу.
Впервые определено, что при суммарной концентрации активного ила в биореакторе 0,28 г/л наблюдается обедненная устойчивая концентрация свободно плавающего ила через ~1,5-2 часа после регенерации. При слабо концентрированных водно-иловых смесях необходимо проводить регенерацию не реже, чем через 1,5-2 часа, или осуществлять постоянную слабую газовую регенерацию, обеспечивающую минимально работоспособную дозу плавающего ила в биореакторе.
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.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кульков В.Н., Солопанов Е.Ю. Поверхность контакта фаз в аэробной очистке сточных вод : монография. Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2009. 144 с.
2. Кульков В.Н. Определение концентрации свободно плавающего ила в биореакторе / В.Н. Кульков, В.М. Сосна, А.М.Зеленин // Вода Madazine. Москва, 2012. № 3. С. 44-46.
Информация об авторах
Кульков Виктор Николаевич, доктор технических наук, профессор кафедры инженерных коммуникаций и систем жизнеобеспечения, тел.: (3952) 405-142, е-mail: kvn@istu.edu; Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Солопанов Евгений Юрьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Информатика», тел.: (3952) 405-279; Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Зеленин Александр Матвеевич, аспирант; Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Information about the authors
Kulkov V.N., Doctor of Technical Sciences, Professor, Department engineering services and life-support systems, tel.: (3952) 405-142, е-mail: kvn@istu.edu; Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
Solopanov E.IU., Candidate of Technical Sciences, Associate professor of the Department «Computer science», tel.: (3952) 405-279; Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
Zelenin A.M., Post-graduate, Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
УДК 691.002.68.004.12
ГОРЕЛАЯ ПОРОДА ЧЕРЕМХОВСКИХ ТЕРРИКОНИКОВ - АКТИВНАЯ
МИНЕРАЛЬНАЯ ДОБАВКА*
Е.А. Левченко, В.А. Воробчук, Е.А. Филоненко, К.А. Филоненко
В настоящее время широко используются минеральные добавки, вводимые в известковые вяжущие и цементы для улучшения их свойств и придания специальных качеств. Введение таких материалов в портландцементы способствует улучшению ряда его технических свойств (водостойкости, сульфатостойкости), снижает экзотермию, что очень важно при возведении бетонных массивных конструкций. Целью этой работы являются
* Статья публикуется в рамках выполнения соглашения № 14.В37.21.2117 по мероприятию 1.4 ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России».
