Исследования применения плавающего загрузочного мате-
риала для интенсификации биологической очистки сточных вод
проводились в лабораторных условиях на испытательном стенде
научно-исследовательской лаборатории «Реконструкция и модер-
низация водоотводящих систем и сооружений» кафедры Водоотве-
дения Московского государственного строительного университета.
Исследования проводились на лабораторных моделях, работающих
в проточном режиме.
Исследования на этапе 1: изучение возмож-
ности собственного использования плавающего загрузочного мате-
риала, определение его оптимальной концентрации по
объему в аэрационном сооружении.
Были отобраны три загрузочных материала: Полистирол
(рис. 1), Поливом (рис. 2) и Биошары (рис. 3). Характеристики
загрузочных материалов даны в табл. 1.
Таблица 1
Характеристики загрузочных материалов
Материал | Объемная масса, кг/м3 | Удельная поверхность, м2/м3 |
Полистирол | ||
Поливом | ||
Биошары |
Образцы плавающего загрузочного материала исследо-
вались в лабораторной установке(рис.4),вкоторой была реали-
зована технологическая схема очистки сточных вод в аэротенке.
При подготовке к исследованиям возникла необходимость
определения оптимального соотношения объема загрузочного
материала к объему аэротенка. По данным литературных ис-
точников, минимальная доля загрузочного материала от объема
аэрационного сооружения, при которой использование загрузочного материала может быть обосновано, составляет 10%, максимальная же концентрация равна 30%. Исходя из этого, в целях наиболее полного исследования работы образцов загрузочного материала рассматривалась их работа в аэротенке в количестве 10%, 20% и 30% от объема сооружения.
По числу образцов загрузочных материалов исследования на
этапе 1 были разделены на три подэтапа, каждый из которых был
посвящен исследованию отдельного образца загрузки. При этом
в параллельном режиме исследовалась работа соответствующего ти-
па плавающего загрузочного материала в заданных концентрациях
по объему. Для обеспечения достоверности исследований в эксплуа-
тации также находилась контрольная установка, в которой загру-
зочный материал установлен не был. Время аэрации в установках
составляло 8 часов.
Исследования проводились с использованием
искусственно приготовленной сточной жидкости на основе пептона.
Концентрации загрязняющих веществ были наиболее приближены
к существующим в реальной сточной воде. Санитарно-химические
анализы для контроля работы установки проводились по общепри-
нятым методикам.
На протяжении данного этапа в установках, оснащенных плава-
ющим загрузочным материалом, эффект удаления аммонийного азо-
та был стабильно выше, чем в контрольной установке, что подтверж
дает положительное влияние плавающего загрузочного материала на
эффективность происходящих в системе процессов очистки. Выбор
оптимальной концентрации плавающего загрузочного материала по
объему для каждого из образцов проводился на основании лабора-
торных исследований и математической обработки данных, кото-
рая включала в себя получение значений нагрузки на ил в системе,
а также скоростей окисления по ВПК5 и NHr Математическое описа-
ние зависимости скорости ферментативной реакции от концентрации
субстрата производилось на основании формулы Михаэлиса-Ментен
и метода ее линеаризации, разработанного Лайнуивером и Берком.
Для плавающего загрузочного материала Полистирол опти-
мальной была признана концентрация 10% от объема аэрационно-
го сооружения, а для плавающих загрузочных материалов Поливом
и Биошары — концентрация 20% от объема аэрационного сооруже-
ния. В табл. 2 представлены средние значения показателей очистки
для установок с оптимальным количеством плавающего загрузочного
материала и контрольной установки.
Таблица 2
Результаты исследований на этапе 1
Вид плавающего | Средние | значения показателей, мг/л | |||||||
загрузочного | ВПК. | NH, | |||||||
материала | вх. | вых. | э,% | вх. | вых | э,% | вх. | вых. | э,% |
Полистирол | 22,1 | зд | 7,8 | 6,3 | |||||
Поливом | 6,7 | 26,6 | 4,9 | 8,2 | 7,7 | ||||
Биошары | 6,4 | 22,7 | 4,3 | 9,4 | 7,3 | ||||
Контроль | 12,6 | 23,0 | 10,3 | 8,9 | 7,9 | И |
Таким образом, были получены опытные доказательства ин-
тенсификации процессов глубокой биологической очистки сточных
вод от органических загрязнений и аммонийного азота при исполь-
зовании плавающего загрузочного материала различных типов.
На этапах 2 и 3 рассматривались двухступенчатые технологи-
ческие схемы очистки с целью достижения нормативных показате-
лей очистки. Аэрационные установки на этапах 2 и 3 оснащались
исследуемыми типами загрузочных материалов в определенных
в ходе этапа 1 оптимальных концентрациях.
На этапе 2 эксперимента по совершенствованию процессов
удаления органических загрязнений и аммонийного азота исследо-
валась работа пилотной установки (рис. 5), на которой в качестве
первой ступени биологической очистки использовался аэрацион-
ный реактор, в качестве второй ступени — биофильтрационный
реактор.
В первую очередь на данном этапе исследований необходи-
мо было определить тип наиболее эффективно работающего пла-
вающего загрузочного материала в аэрационном реакторе данной
технологической схемы. В результате экспериментально было вы-
явлено, что наилучших показателей очистки как по органическим
загрязнениям, так и по аммонийному азоту, удалось достичь при
использовании плавающего загрузочного материала Поливом. Био-
фильтрационный реактор был оснащен засыпной цилиндрической
полимерной загрузкой с напылением. Удельная поверхность дан-
ного загрузочного материала составила 300 м2/м3, удельная мас-
са - 100 кг/м3.
После определения оптимального загрузочного материала
данная технологическая схема исследовалась в различных режи-
мах и условиях работы с целью достижения нормативных показа-
телей очистки сточных вод. Время обработки сточных вод варьи-
ровалось от 5 до 8 часов. Концентрация растворенного кислорода
составляла около 7 мг/л. Было отмечено, что работа аэрационного
сооружения без возврата рециркулирующей иловой смеси при ма-
лой дозе взвешенного активного ила в аэрационном реакторе, не
превышавшей в ходе эксперимента 0,2 г/л, оказала положитель-
ное влияние на эффективность работы системы. Доза прикреплен-
ной на плавающем загрузочном материале биомассы составляла
в среднем 0,9 г/л. Наибольшего эффекта очистки и одновременно
установленных нормативами показателей очистки по ВПК5, аммо-
нийному азоту и нитратам удалось добиться при времени пребы-
вания сточной жидкости в аэрационном сооружении 8 часов. Эф-
фект удаления фосфатов не превышал 40%, что соответствовало
традиционной биологической очистке.
В результате математической обработки результатов были
получены значения скоростей протекающих в системе процессов
окисления и денитрификации, построены зависимости обратных
величин скорости окисления органических загрязнений от обрат-
ных величин концентрации ВПК- (рис. 6) и обратных величин ско-
рости окисления аммонийного азота от обратных величин концен-
трации аммонийного азота (рис. 7).
На основании метода линеаризации Лайнуивера-Берка зави-
симость Михаэлиса-Ментен для скорости окисления органических
загрязнений от концентрации БПК5 (1) и скорости окисления ам-
монийного азота от его концентрации (2) принимает вид:
Графические интерпретации данных зависимостей представ-
лены на рис. 8.
На этапе 3 были продолжены исследования по совершенство-
ванию процессов удаления органических загрязнений и аммоний-
ного азота. В пилотной установке была рассмотрена работа двух-
ступенчатой технологической схемы (рис. 9). В качестве первой
ступени биологической очистки использовался биофильтрационный
реактор, а в качестве второй ступени — аэрационный реактор.
В рамках данного этапа изучалась работа пилотной установ-
ки в различных режимах. Время пребывания сточной жидкости
варьировалось от 5 до 8 часов. Для достижения стабильной ра-
боты между ступенями биологической очистки был установлен
промежуточный отстойник для задержания отжившей биопленки
после биофильтрационного реактора. Также эта мера позволила
поддерживать в аэрационном сооружении малую дозу ила, эффек-
тивность использования которой была экспериментально доказана
в ходе этапа 2.
Удельная скорость
окисления, мгБПК5/(г*ч)
дЛ Концентрация БПКЛ, мг/л
Рис. 8. Зависимости скорости окисления от концентрации субстрата:
а) органических загрязнений; б) аммонийного азота.
В результате наибольшего эффекта удаления загрязнений на
уровне 98-99% как по ВПК., так и по аммонийному азоту, а также
нормативных показателей очистки по ВПК5, аммонийному азоту,
нитритам и нитратам, удалось добиться при использовании в аэ-
рационном реакторе плавающего загрузочного материала Биоша-
ры. Время аэрации составляло 8 часов, доза взвешенного активно-
го ила — 0,7 Ь,8 г/л, прикрепленного — 0,3 г/л. Доза растворенного
кислорода в аэрационном сооружении была на уровне 6 Ь мг/л.
Эффект удаления фосфатов вновь не превышал 40% и соответ-
ствовал традиционной биологической очистке.
После проведения лабораторных исследований были опреде-
лены скорости окисления органических загрязнений и загрязнений
по аммонийному азоту, а также скорости денитрификации. На дан-
ном этапе исследований также были получены значения скоростей
протекающих в системе процессов денитрификации, и построены
зависимости обратных величин скорости окисления органических
загрязнений от обратных величин концентрации ВПК. (рис. 10)
и обратных величин скорости окисления аммонийного азота от об-
ратных величин концентрации аммонийного азота (рис. 11).
ратных величин концентрации аммонийного азота фис. nj.
0,20—г—
0,15—|— -МА
1/БПК
Рис. 10. Зависилюсть обратных величин скорости окисления органических
загрязнений (1/V) от обратных величин концентрации БПК5 (1/БПК).
На основании метода линеаризации Лайнуивера-Берка зави-
симость Михаэлиса-Ментен для скорости окисления органических
загрязнений от концентрации БПК5 (3) и скорости окисления ам-
монийного азота от его концентрации (4) принимает вид:
U,b/-fl\tl4ex
i/nh4
Рис. 11. Зависимость обратных величин скорости окисления аммонийного
азота (1/V) от обратных величин концентрации аммонийного азота (1/NH4).
Графические интерпретации данных зависимостей представ-
лены на рис. 12.
Концентрация БПКУ мг/л
Концентрация NH, мг/л
В табл. 3 даны основные результаты исследований на этапах
2 и 3.
Выпуск XI. Инженерные системы городского хозяйства: проекты и инновации 155
Таблица 3
Показатели эффекта удалении загрязнений и скорости процессов очистки
Вид плавающего загрузочного ма- териала | Эффект удале- ния, % | Скорости окисления загрязнений | Скорость де- нитрификации | ||
бпк5 | NH, | МГ БПК5 г-ч | мг NH4 г-ч | мг N03 г-ч | |
Этап 2, Поливом, 20% от объема | 31,4 | 5,5 | 9,9 | ||
Этап 3, Биошары, 20% от объема | 8,6 | 2Д | 4,0 |
г - грамм беззольного вещества.
По результатам исследований были сделаны следующие выводы:
По результатам исследований были сделаны следующие выводы:
1. Экспериментально доказана возможность и эффективность
использования прикрепленной на плавающем загрузочном ма-
териале биомассы для глубокой биологической очистки сточных
вод и удаления аммонийного азота при объемном количестве
материала, составляющем 20% от объема аэрационного соору-
жения.
2. Экспериментально доказана стабильность и устойчивость
биологической системы с иммобилизованной на плавающем загру-
зочном материале микрофлорой при малой дозе взвешенного ак-
тивного ила в аэрационном реакторе, составляющей до 0,8 г/л.
3. Получены математические зависимости биологических про-
цессов, протекающих в системах с плавающим загрузочным ма-
териалом при малой дозе активного ила.
4. Доказана эффективность работы систем глубокой биологи-
ческой очистки сточных вод в условиях малой дозы взвешенного
активного ила до 0,8 г/л в аэрационных сооружениях, работающих без возврата рециркулирующего активного ила в сочетании
с плавающим загрузочным материалом.
5. Разработаны новые технологические схемы глубокой очистки сточных вод от аммонийного азота и органических загрязнений с применением плавающего загрузочного материала.