Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Дисфункционирование сооружений аэробной биологической очистки сточных вод

ВАК РФ 03.01.06, Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

Автореферат диссертации по теме "Дисфункционирование сооружений аэробной биологической очистки сточных вод"

005555371

На правах рукописи

Плотников Михаил Викторович

ДИСФУНКЦИОНИРОВАНИЕ СООРУЖЕНИЙ АЭРОБНОЙ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

03.01.06 - биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

АВТОРЕФЕРАТ на соискание ученой степени кандидата биологических наук

ю Шт

Щелково - 2014

005555371

Работа выполнена в ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский и технологический институт биологической промышленности» ФАНО России

Научный руководитель:

доктор биологических наук, профессор, Денисов Аркадий Алексеевич

лауреат премии Правительства РФ,

Заслуженный деятель науки РФ,

заведующий отделом Производственная

санитария и охрана окружающей среды»

ФГБНУ «Всероссийский научно-

исследовательский и технологический

институт биологической

промышленности» ФАНО России

Официальные оппоненты:

Акопян Валентин Бабкенович — доктор биологических наук, профессор, заведующий отделом технологий биосинтеза «ОАО «ГосНИИсинтезбелок» Ксенофонтов Борис Семенович - доктор технических наук, профессор, руководитель отдела «Охрана окружающей среды» ПИИ Энергетического машиностроения МГТУ им.Р.Э. Баумана

Ведущая организация: ФГВОУ ВПО «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии им. К.И. Скрябина»

Защита состоится 19 декабря 2014г в 10 часов на заседании диссертационного совета по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук Д 006.069.01 при Всероссийском научно-исследовательском и технологическом институте биологической промышленности по адресу: 141142, Московская область, Щелковский район, пос. Биокомбината, д. 17, ВНИТИБП, Е-та11:упй1Ьр@таП.ги.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ВГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский и технологический институт биологической промышленности».

Автореферат разослан « ноября 2014г.

Автореферат 17 октября 2014 г. размещен на сайте ФГБРУ ВНИТИБП www.vnitibp.com и на официальном сайте ВАК http://www.vak.ed.gov.ru.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат биологических наук Фролов ГО.Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Аэробная биологическая очистка сточных вод от органических примесей активным илом в системах очистных сооружений, включающих аэротенки и вторичные отстойники, применяется уже длительное время и имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с другими методами очистки.

Вместе с тем такая очистка сточных вод в ряде случаев имеет низкую надежность из-за пенобразования и плохой осаждаемости активного ила вследствие так называемого вспухания. При плохом осаждении активного ила сточная вода, вытекающая из вторичного отстойника, содержит недопустимо высокие концентрации взвешенных веществ.

Срывы в работе очистных сооружений и нарушение протекающих в них биологических процессов приводят к дополнительным расходам на эксплуатацию и к снижению качества очищенных сточных вод.

Поэтому всесторонний анализ протекания технологических процессов и проведение мероприятий по повышению надежности их биологической составляющей является главным в общей системе обеспечения надежности функционирования сооружений аэробной биологической очистки.

Существенный вклад в развитие методов повышения надежности работы сооружении биологической очистки сточных вод внесли: Яковлев C.B., Карелин Я.А., Скирдов И.В., Жмур Н.С., Денисов A.A., Павлинова, И.И., Тюрин В.Г., Баженов В.И. и другие.

Выявление основных причин сбоев в работе сооружений биологической очистки и оптимальное управление осадками и активным илом, исключение дисбаланса в питании биоценозов активного ила и дефицита аэрации биологической среды позволяют выполнить качественное проектирование очистных систем и обеспечить соблюдение мер безопасности и устойчивости работы при их эксплуатации.

Диссертационная работа выполнялась на полупромышленных установках и промышленных объектах, а также в отделе производственной санитарии и охраны окружающей среды ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский и технологический институт биологической промышленности» в соответствии с планами государственной тематики (РК №01201169494).

Цель и задачи исследован

Целью настоящей работы является разработка технологических режимов функционирования сооружений аэробной биологической очистки сточных вод, позволяющая обеспечить устойчивую работу сооружений биологической очистки путем подавления пенообразования и нитчатого вспухания активного ила.

При выполнении работы были поставлены следующие задачи:

- изучить механизм и динамику процессов пенообразования и формирования нитчатой микрофлоры и ее влияние на процессы, протекающие в системах биологической очистки;

- определить влияние конструктивно-технологических параметров и режимов работы аэротенков на развитие процессов пенообразования и нитчатого вспухания активного ила;

- выявить пути подавления пенообразования и нитчатого вспухания активного ила за счет регулирования гидравлических режимов потоков и управления подачей субстрата по ходу технологического процесса обработки сточных вод в аэротенках;

- на основе экспериментальных данных провести анализ влияния внешних факторов на относительный рост, размеры и содержание нитчатых и зооглейных микроорганизмов во флокулах активного ила;

- разработать методы культивирования сложных биоценозов активного ила, ингибирующих рост нитчатых форм бактерий и предотвращающих вспухание иловой массы в процессе ее осаждения

- разработать методологию первичной диагностики прогнозирования и подавления пенообразования и вспухания активного ила в сооружениях аэробной биологической очистки.

Научная новизна

1. Разработан алгоритм микробиологических исследований по определению оптимальных режимов ингибирования и подавления нитчатого вспухания и пенообразования.

2. Разработаны эффективные методы контроля и управления процессами образования пены и развития нитчатых форм микроорганизмов в смешанных культурах активного ила.

3. Определены перспективные технологические методы управления функционированием нитчатой микрофлоры путем регулирования уровня растворенного кислорода в культивируемой среде и величины нагрузок по органическим загрязнениям на активный ил.

4. Определены типы и конструктивно-технологические параметры аэрационных систем, обеспечивающие исключение нитчатых срывов при воздействии негативных внешних факторов.

5. Разработана методология первичной диагностики прогнозирования нитчатого вспухания активного ила и пенообразования в технологическом комплексе сооружений «аэротенк-вторичный отстойник».

Практическая значимость работы

Полученные результаты работы являются следствием комплекса экспериментально-теоретических исследований, показавших высокую степень сходимости и позволяющих с достаточно высокой степенью точности выполнять конструкторско-технологические расчеты по нахождению оптимальных решений с целью обеспечения надежности и устойчивости работы как действующих, так и реконструированных очистных сооружений.

Апробация работы.

Материалы диссертационной работы доложены на: Международной научно-практической конференции «Научные основы производства биологических препаратов для АПК». Щелково. 5-7 декабря 2012. С.529-534.

На основе результатов проведенной работы разработаны:

Методическое положение «Технология удаления азота из сточных вод очистных сооружений предприятий АПК способом парциальной нитрификации в мембранном реакторе» (Утв. Отделением ветеринарной медицины РАСХН 30.10.2013г.).

Техническое задание на проведение опытно-конструкторских работ «По очистке сточных вод с использованием иммобилизационно-фильтрующих систем, повышающей надежность и производительность функционирования очистных сооружений предприятий АПК» (Утв. Директором ГНУ «Всероссийский ниучно-исследовательский и технологический институт биологической промышленности» РАСХН 05.10.2012г.)

Методические положения «Моделирование процессов массопередачи кислорода и усвоение субстрата в барботажных реакторах с иммобилизационной биопленкой» (Утв. Отделением ветеринарной медицины РАСХН 22.06.2011г.).

Результаты настоящей работы защищены патентами Российской Федерации:

Патент № 2013128945/10(043129) от 26.06.2013. Патент № 2013128944/05(043128) от 26.06.2013.

Материалы и результаты работы использованы: ОАО «МосводоканалНИИпроекта», Москва, 2014г., ООО Институт «ГИПРОКОММУНВОДОКАНАЛ» г. Москва, 2014 г., ООО «Адмирал» г.Омск 2014 г.

Структура и объем диссертации.

Работа состоит из введения, 5 глав, выводов и списка использованной литературы. Работа изложена на 118 страницах машинописного текста,

содержит 56 рисунков, 15 таблиц. Библиография включает 106 наименований, их которых 53 на иностранных языках, приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Обзор литературы по теме диссертации, приведенный в главе 1, установил, что в ближайшие годы необходим прогресс в знаниях о причинно-следственных связях между развитием некоторых видов нитчатых микроорганизмов и параметрами обрабатываемой среды.

Предварительное обследование надежности работы систем аэробной биологической очистки показало, что в конструкциях сооружений и режимах их эксплуатации необходимо предусматривать проведение мероприятий по предотвращению биологических срывов из-за вспухания активного ила и последующего ценообразования.

Стабильные биологические пены представляют собой плавающие вязкие и густые скопления коричневого, кремового или белого цвета на поверхности аэротенков, отстойников и осветлителей. Микроскопические исследования указывают на наличие в пене нитчатых микроорганизмов, идентификация которых является первым шагом в определении явления ценообразования. Как показывают исследования основными пенообразующими бактериями являются МкгоЖпх раЫсеНа, ЫосагсИосеае, БрИаегоШИиз шйат.

Проведенные исследования свидетельствуют о том, что биологическое ценообразование наиболее часто развивается в активном иле при продолжительном аэрировании. При этом пена появляется либо на установившемся режиме или возникает внезапно.

Ограничение удаления активного ила на станции биологической очистки сточных вод увеличивает возраст активного ила, способствуя тем самым развитию микроорганизмов с низкими скоростями роста, т.е. микроорганизмов, ответственных за ценообразование.

Добавление химических реагентов является эффективным средством борьбы с пеной, но этот вид обработки должен поддерживаться постоянно. Хлорирование и химические добавки позволяют справиться с кризисными

ситуациями, или могут быть использованы в качестве дополнения, снижающего ценообразование в эксплуатации очистных сооружений.

Организация зоны контакта является прогрессивным решением, когда факторы, вызывающие вспенивание, не могут быть полностью устранены.

Наблюдаемое стабильное пенообразование в аэротенках имеет место при систематическом увеличении концентрации летучих жирных кислот в активном иле, а также в каналах распределения расхода сточных вод, где имеется механическое перемешивание в результате перепада уровней потока сточных вод.

При гидролизе жиров имеет место омыление сформировавшихся жирных кислот. Значительная концентрация солей натрия (промышленные выбросы пищевых рассолов) взаимосвязана с рН сточных вод, достаточных для омыления в реакторе.

Инъекция кальция в виде гашеной извести в бассейн обработки позволяет выделить жирные кислоты в виде нерастворимых солей кальция без снижения производительности установки. В условиях анаэробного брожения в ряде производств выход жирных кислот будет более значительным с дополнительной деградацией белков (протеинов) и углеводов.

Определенно, что хлорирование приводит к ингибированию нитчатых микроорганизмов активного ила и к подавлению пены, но эта операция является дорогостоящей и рискованной с точки зрения сохранения качества очищенной воды.

Среди проблем пеногашения, которые трудно решить на сооружениях аэробной биологической очистки сточных вод, проблемы биологического порядка занимают основное место. Объема знаний, необходимого для понимания явлений, в настоящее время не хватает, и это часто приводит к принятию более или менее эмпирических решений, что не позволяет кардинально решить проблему обеспечения устойчивой и надежной работы систем биологической очистки.

В данной работе произведена идентификация различных видов дисфупкционирования очистных сооружений, показаны основные причины срыва их работы, превентивные методы борьбы с нежелательными процессами и предложены практические меры обеспечения надежности при строительстве и управлении сооружениями очистки сточных вод.

Глава 2 посвящена объектам, материалам и методам экспериментальным исследований.

Научно обоснованный выбор экспериментальных аэрационных сооружений позволяет оценить эффективность систем дегазации сточных вод и процессы, которые при этом имеют место, а также определить их влияние на работу вторичных отстойников, пенообразование и всплытие активного ила. При выполнении работы был проведен комплекс экспериментально-технологических исследований на промышленных объектах, полупромышленных установках и в лабораторных условиях с целью определения надежности функционирования систем очистки, определения влияния на технологические процессы различного рода воздействий и оценки эффективности предлагаемых технологических и конструктивных решений по повышению устойчивости и стабильности изучаемых процессов.

Работа проводилась на лабораторных, пилотных и промышленных очистных сооружениях в реальном времени эксплуатации.

При выполнении настоящей работы применялась технологическая схема аэробной биологической очистки с использованием деаэраторов.

Экспериментальные установки оборудовались погружными мешалками, чтобы стимулировать быстрый контакт сточных вод и ила, а также избежать образования отложений на дне бассейна, которые будут создавать анаэробные зоны и уменьшать рабочий объем сооружения. Перемешивание приводило к увеличению количества плавающих веществ, поэтому производилось их частое извлечение из сооружения.

При эксплуатации оборудования обращалось внимание на поддержание концентрации взвешенных веществ в зоне контакта «воздух - жидкость» для соблюдения установленных расчетных параметров.

Микроскопические наблюдения нитчатых бактерий, присутствующих в пенах, позволяли отслеживать их плотность и развитие. В активном иле, низкая плотность нитчатых микроорганизмов связана с обильной и разнообразной популяцией простейших, что является важным фактором, подтверждающем высокую степень очистки и устойчивость среды.

При испытаниях производился контроль физико-химических и биологических параметров исходной сточной воды, иловой суспензии и осветленной сточной воды, выводимой из отстойника.

Микробиологические исследования составов биоценозов активного ила и сопутствующей ему микрофлоры проводились на электронном и оптическом микроскопах.

Результаты испытаний представлялись в виде функциональных зависимостей между основными параметрами, характеризующими процессы очистки и отстаивания дисперсных систем.

Полученные экспериментальные данные апроксимировались аналитическими зависимостями, позволяющими установить основные закономерности протекания исследуемых процессов.

Проведенная работа позволила контролировать, предупреждать и предотвращать дисфункционирование в подавляющем большинстве случаев при наличии соответствующих технических средств.

При проведении экспериментов использовались общепринятые методики, описанные в официальных изданиях.

Полученные в настоящей работе данные свидетельствуют об эффективности использования применяемых методик для достижения поставленных научно-исследовательских задач.

Глава 3 посвящена исследованию процессов биологического дисфункционирования сооружений очистки сточных вод.

Процесс биологической очистки сточных вод активным илом является наиболее широко используемым для очистки сточных вод, хотя установлено, что результаты очистки и надежность этого метода могут в значительной степени зависеть от имеющих место биологических срывов. Наиболее распространенной причиной срывов является чрезмерный рост нитчатых бактерий, который может вызвать нарушение отстаиваемости активного ила при увеличении его илового индекса или устойчивое ценообразование.

Биологическая очистка сточных вод активным илом в основном базируется на метаболической активности бактериальных культур, поддерживаемых во взвешенном состоянии в аэротенке.

Эффективность и надежность очистки в значительной степени зависит от качества этапа осаждения, являющегося, по сути, последним звеном в цепи обработки перед сбросом в открытые водоисточники.

Активный ил состоит из флокулирующих бактерий, нитчатых и свободных бактерий, а также различных простейших и многоклеточных.

В процессе функционирования системы очистки устанавливается относительное биологическое равновесие, когда плотность свободных бактерий минимизируется двумя механизмами - флокуляцией и хищничеством простейших и многоклеточных, при этом флокулирующие бактерии являются основными конкурентами нитчатых бактерий.

Главными причинами роста нитчатых бактерий, ответственных за вспухание и пенообразование, являются дефицит питательного субстрата и избыток некоторых химических веществ, например сульфидов, способствующих росту таких нитчатых бактерий, как Tliiotltrix spp и Beggiatoa sp).

В табл. 1 приведены причины чрезмерного роста наиболее часто встречающихся нитчатых микроорганизмов.

Как видно, большую роль играет возраст активного ила - повышенный возраст способствует росту актиномицетов, в особенности Nocardioformes.

Таблица 1

Причины чрезмерного роста наиболее часто встречающихся нитчатых микроорганизмов.

Нитчатые микроорганизмы Причины

МкгоЛпх р. Септичность, низкая нагрузка (относительно небольшое количество связанных N или Р), плавающие вещества на поверхности аэротенка

ТЫоЙтх Брр 5"2 или отсутствие N при слабой нагрузка

МосагсНойнтев Плавающие вещества, большой возраст активного ила

1Чо51:оамс1а 1. Отсутствие N

Б 2

ЗрЬаегоШш 8рр Окисление и отсутствие субстрата при большой нагрузке

Бактерии могут развиваться по трем типам роста:

Дисперсный рост: дисперсные бактерии в межклеточой жидкости при запуске станции очистки и в условиях высокой весовой нагрузки. Новые клетки могут диспергировать или оставаться в пределах колоний, структурированных экзополисахаридной слизью.

Флокулироеаный рост: бактерии объединяются в кластеры вокруг органического или минерального носителя. Коалесценция производится экзополисахаридами. Этот тип роста наиболее распространен при реализации технологического процесса очистки сточных вод.

Нитчатый рост: этот тип роста приводит к образованию нитей в размере до 500 мкм в длину. Условия среды являются определяющим фактором при этом типе роста.

Основные проблемы нарушения функционирования очистных сооружений связаны с наличием высоких концентраций нитчатых бактерий. Дисфункционирование сооружений проявляется в двух формах:

- плохая отстаиваемость активного ила, вызванная увеличением объема, занятого бактериями;

- ценообразование (густой слой пены на поверхности сооружений).

Избыток нитчатых бактерий приводит к вспуханию активного ила, что характеризуется увеличением илового индекса активного ила до величин более 300 мл/г.

Развитие нитчатых микроорганизмов сильно ограничивает гидравлический потенциал вторичного отстойника и может привести к выходу активного ила в природную среду.

На очистных сооружениях вспухание активного ила часто связано с ухудшением качества очищенного стока при эпизодической или хронической потере активного ила.

Доминирующие нитчатые бактерии в активном иле и пенах представлены на рис. 1.

Пены представляют собой плавающие вещества, очень стабильные с вязкой структурой от светло- до темно-коричневого цвета. Их плотность, как правило, возрастает постепенно с течением времени.

Пены слабо разрушаются при поверхностном перемешивании и быстро восстанавливаются при отсутствии перемешивания. Микроскопический анализ пен раскрывает присутствие нитчатых бактерий, связанных с флокулами или свободно плавающих в воде. Как правило, плотность этих микроорганизмов несколько выше в образцах пены, чем в образцах, отобранных непосредственно в активном иле.

Практика показывает, что пены могут составлять до 1/3 общей биомассы с высокой концентрацией сухого вещества и толщиной более одного метра.

Надежное и устойчивое состояние активного ила требует соблюдения трех условий: соблюдения номинальных нагрузок по загрязнениям, обеспечения микроорганизмов необходимым количеством растворенного кислорода, исключения внешнего токсического воздействия на активный ил.

ЫояЮсоЫа Цписо1а

НаИБСотепоЬиаег

$р]\аегой1и$ псиапь

'11йо\]\пх л'/л

Рис. 1. Доминирующие нитчатые бактерии в активном иле и пенах. Увеличение 400х

При отсутствии избыточного количества нитчатых бактерий плавающие вещества (пены) могут образовываться:

- при запуске (белые и легкие пены, развиваются сразу при запуске очистных сооружений, исчезают, когда активный ил созревает в начале флокулообразования);

- плавающие нестабильные пены (характеризуются присутствием частиц активного ила, не связанных с нитчатыми бактериями, легко разрушаются);

- плавающие пены, вызванные денитрификацией во вторичном отстойнике (их неустойчивая структура легко распадается при перемешивании или поливе из-за присутствия микро-пузырьков газообразного азота, произведенного в процессе денитрификации во флокулах активного ила);

- пены при недостаточной деаэрации (явление аэрофлотации, когда после поступления активного ила во вторичный отстойник происходит деаэрация азота, что вызывает явление, подобное биологической денитрификации);

- пены при брожении осадка (способность к всплытию объясняется наличием метана, образующего в анаэробных реакциях при деградации органического вещества).

Для получения высокой эффективности очистки наиболее предпочтительно комбинирование различных методов борьбы с пеной.

Разработаны элементы методологии первичной диагностики прогнозирования нитчатого вспухания активного ила и пенообразования в технологическом комплексе сооружений «аэротенк-вторичный отстойник».

В главе 4 приведены результаты исследования методов пеногашения.

Большая часть экспериментальной работы была посвящена исследованию следующих видов обработки:

- биологических, создающих зоны контакта до аэротенка, что ограничивает развитие нитчатых бактерий в активном иле и, таким образом, влияет на формирование биологические пены;

- химических, состоящих в добавлении в среду химических реагентов (солей железа или алюминия), которые хотя и не могут предотвратить развитие нитчатых бактерий, но позволяют поддерживать их в связанном виде во флокулах;

- хлорирования активных илов (или вспененных материалов), принцип которого заключается в уничтожении микрофлоры путем окисления нитчатых бактерий, ответственных за ценообразование.

Биологические методы борьбы с пенообразованием требуют идентификации микроорганизмов, ответственных за реализацию этого процесса.

Исследования показали, что для биологического решения проблемы пеногашения в обязательном порядке необходимо ограничение роста нитчатых микроорганизмов.

Установлено, что в активном иле насчитывается более двадцати видов нитчатых микроорганизмов. Не все они несут ответственность за ценообразование, но, к сожалению, большинство из них в состоянии вызвать проблемы с отстаиванием (седиментацией), которые ограничивают гидравлические возможности функционирования станций очистки сточных вод.

Уточнение видов и свойств доминирующих в биологических пенах микроорганизмов показало следующее:

- М'юшЬпх раппсеНа: нити толщиной 0,5 - 0,8 мкм, большой длины (более 200 мкм), Грам положительная;

- ЫосапИо/иппсх: многочисленные с короткими ответвлениями: длина менее 100 мкм, толщина 1-2 мкм, Грам-положительная.

МкгоЛпх р. очень часто присутствуют в пенах, но также развиваются и в активных илах, где они иногда создают большинство микрофлоры. Другие нитчатые иногда идентифицируются в ассоциациях с пенами, но нельзя их рассматривать в качестве бактерий, вызывающих ценообразование.

Испытания показывают, что пены появляются преимущественно в активных ила при продленной аэрации (86 % случаев вспенивания).

Нитчатые вида МкгоЛпх р. и ТИШИпх занимают первые два места в рейтинге по рангу, актиномицеты ЫосапПо]Ъгте$ присутствуют в 20 % случаев, и Шю<1ососс115 хрр только в 6% случаев.

Что касается ассоциированных нитчатых микроорганизмов, то их концентрации, как правило, значительно выше в активном иле, чем в пене.

Нитчатые микроорганизмы чаще всего встречаются на очистных сооружениях с продленной аэрацией. Причины этого - в дефиците питательных веществ в активном иле (С, N. Р, 02), который можно устранить посредством создания зоны контакта.

Присутствие нитчатых микроорганизмов Т1г'ю1кпх может быть связано с более или менее выраженным состоянием брожения или с заметным дисбалансом в питательной среде.

В качестве мероприятий по борьбе с пенообразоваиием на очистных сооружениях можно рассматривать следующие меры:

- ограничение поступления жиров и других липидов, поступления загнивающих сточных вод, возврат надосадков с илохранилищь и сбраживателей, богатых жирными кислотами,

- формирование отложений в сооружениях или в установках по обезжириванию (быстрый кислотный гидролиз),

- ограничение периодов продолжительной остановки аэраторов (аэротенков),

- ограничение по продолжительности пребывания в аноксидных зонах,

- ограничение по продолжительности пребывания осадка и активного ила в первичных и вторичных отстойниках.

Механизм формирования пены состоит в следующем.

Бактерии ¡\iocarilioformes синтезируют поверхностно-активные вещества (ЫосапНа ар) с высокой гидрофобностью (Ююс1ососсн.ч), которые имеют естественную тенденцию всплыть на поверхность сооружений. Наличие микропузырьков в аэротенке и морфология нитчатых микроорганизмов производят к синергическому эффекту, который ускоряет процесс флотации. Агломеранты нитчатых микроорганизмов захватывают более или менее крупные флокулы, которые также будут плавать на поверхности жидкой среды. Флокулы, попавшие в ловушку, могут иметь двойное действие: укреплять когезию пены и быть потенциальным источником субстрата для нитчатых микроорганизмов.

Любые ситуации, благоприятствующие условиям существования постоянно плавающих флокул на поверхности сооружений, могут вызвать или усугубить явление пенообразования. В средах, физически благоприятных для развития гидрофобных нитчатых микроорганизмов, накопление всплывающих микроорганизмов более или менее быстро индуцирует, в зависимости от состояния среды, начало брожения путем кислотного гидролиза, при котором будут выделяться жирные кислоты. Например, явления денитрификации во

вторичном отстойнике при невозможности удаления несфлокулированных нитчатых микроорганизмов на выходе из аэротенка, могут рассматриваться как благоприятные для вспенивания.

Значительное содержание липидных субстратов поверхностно-активных веществ будет способствовать росту нитчатого сообщества микроорганизмов, ответственных за пены. Например, длительное пребывание сточных вод в жироловке при нагрузке, которая может способствовать пенообразованию, вызывает кислотный гидролиз некоторых органических соединений, а также освобождает субстраты, способствующие развитию Мгсговтхр.

Необходимо также подчеркнуть важность влияния возврата активного ила в голову очистных сооружений на процессы вспенивания, в частности, когда эти возвраты инициируют процесс брожения (кислотный гидролиз).

Настоящие испытания проводились в условиях нагрузок: гидравлической - более 50 %, органической - более 50 %:

Иловый индекс составлял от 200 до 800 мл/г.

Факторами, управляющими процессами пенообразования, являлись: возврат активного ила из уплотнителя, регулировка аэрации, управление активным илом, протяженность канализационных сетей, наличие мертвых зон, сбои функционирования жироловки.

Эталонное значение для расчета нагрузки, применяемое в зоне контакта, составляло 150 мг ХПКраств(фиМь1е/г ВВ.

Срок наблюдения - от нескольких месяцев до 1 года,

Данные экспериментальных исследований приведены в табл.2.

Эффективность зоны контакта по пресечению стабильных биологических пенообразований была получена в 75% испытаний, при этом почти полная ликвидация пены была в более чем 60 % испытаниях.

Что касается способности отстаивания и уплотнения активных илов то показано, что их иловый индекс значительно уменьшался, что свидетельствует о некотором улучшении пеноподавления. Вспухание активного ила было уменьшено втрое после создания зоны контакта.

Таблица 2

Экспериментальные исследования зон контактов

Показатель нагрузки Значения

гидравлической 100 70 90

органической 100 70 60

Сточные воды, ХПК мгСЬ/л 500 800 500

Доминирующие нитчатые, пена М.р.+ N.1 М.р.+Ш Б.п

Зона контакта, объем, м3 10 12 160

Аэрация + + +

Л начальное 500-800 260-350 500-600

Л на выходе 150-200 250-300 100-120

Эффект (влияние, воздействие) по пенам + + +

где: М.р,- \ficrothrix рапчсеНа, N.1.- ЫокЮсо'к1а 1итсо1а, N - Ыо с а пИо/о гтеь, Б.п. - ЗрИаегоШю пашт.

Таким образом, эксперименты показали, что зона контакта является эффективным совместным техническим и экономическим решением, позволяющем держать под контролем и управлять развитием М'югоЛпх р., ответственных за наибольшее число случаев пенообразования.

Показано также, что необходимо соблюдать правила, обеспечивающие нормальное функционирование станции аэробной биологической очистки сточных вод путем управления биоценозом активного ила. возвращением его в голову сооружений и аэрацией водно-иловой смеси.

Химические методы борьбы с ценообразованием испытывались в условиях, когда активные илы формировались при продленной аэрации, низкой, средней и высокой нагрузках.

Уровень нагрузок составлял: гидравлической - 60-100%, органической -60-100%.

Нитчатые микроорганизмы, доминирующие в пене: МнсапИо/огте.ч, М1сго1]гпх р.

Испытания были проведены со следующими химическими добавками (коагулянтами):

- хлорное железо до 14 %,

- хлорсульфатное железо до 13%,

- полихлорсульфатный алюминий до 5 %,

- алюминат натрия до 7 %,

- хлорсульфатный алюминий до 4,5 %.

Ввод реактива производился в линию рециркуляции активного ила.

Дозы ввода реактивов: шоковая - 60 г железа на м3 сточной воды, поддерживающая рабочая доза - 6 г железа на м3, постоянная - от 5 до 21 г железа или алюминия на м3 очищенной воды.

Продолжительность обработки составляла от нескольких недель до 4 месяцев.

Воздействие коагулянтов на пены: полное исчезновение пены в 60% экспериментов, частичное улучшение в 30% экспериментов, отсутствие улучшений в 10% экспериментов.

Влияние на иловый индекс активного ила: из 9 испытаний в 5 было реальное ухудшение отстаиваемости (11 более 250 мл/г), значительное улудшение отстаиваемости - в 75% экспериментов (Л менее 200 мл/г. Испытания коагулянтов показали, что соли железа являются наиболее предпочтительными реагентами в силу их низкой стоимости.

Методы борьбы с ценообразованием с помощью хлорирования испытывались на 11 установках, функционирующих при гидравлических нагрузках, превышающие 60%.

Микроорганизмы, доминирующие в пенах: М1сго11гпх р. (8 испытаний), ЫосагЛо/огтех (3 испытания), ТМоОгпх зр. (2 испытания).

Иловые индексы активного ила - более 200 мл/г в 9 экспериментах, около 1 000 мл/г в 2 испытаниях.

Подача хлора производилась в 9 экспериментах, при этом продолжительность испытаний составляла от 4 до 24 суток, место инъекции -

линия рециркуляция активного ила, дозы хлора: от 2 до 9 гр СЬ/кг ВВ.сут, концентрация хлора в месте инъекции от 2 до 20 мг СЬ/л рециркулируемого активного ила,

Уровень нагрузок в экспериментах составлял: гидравлических - 50 -150%, органических - 50 - 200%.

Наблюдения, выполненные на образцах пен, указывают на наличие М'кшНпхр., Т/гЫИпх яр., ЫосагсИо/огтея и в ряде случаев МкгоЛпхр.

Хлорирование имеет положительный эффект в 90% случаях за исключением МосапПо/оппеъ (15% случаев), где имеет место стойкое пенообразование.

Установлено, что хлорирование имеет устойчивый положительный эффект, когда преобладающими бактериями являются АИсгоАгЬс р. (табл. 3).

Таким образом, хлорирование является наиболее эффективным методом обработки: в 83 % экспериментов имели место положительные результаты. Действие хлора быстрое и стоимость его умеренная, но этот тип обработки требует постоянного надзора во время обработки. Обработка должна производиться регулярно, пока причина образования биологического пенообразования не будет ликвидирована.

Таблица 3

Результаты испытаний по хлорированию

Доминантные Доза, 11 Действие

хпк нитчатые гС1л/кг.ВВ.сут вход выход на пену

в пене

450 М1сго1Ьпхр. 6 900 160 +

600 М1стШпхр. 3 500 120 +

550 ТЫоШпх 2,5 1000 180 +

400 МюгоШпхр. 9 170 80 +

700 М!сго1Ипхр. 2 600 200 +

600 МотоШпхр. 4 400 150 +

600 МкгоШпхр. 5 210 100 +

400 М1сгоШпхр. 8 250 110 +

500 МосагсЛоГогтс 4 180 120 +/-

Эффективность и положительные результаты при хлорировании проявляются достаточно быстро, когда выбраны необходимые дозировки, что требует эффективного и устойчивого управления процессами. Однако хлорирование не может рассматриваться как окончательный вид обработки для ликвидации пены на существующих очистных установках.

По результатам работы были определены наиболее рациональные действия для эффективной борьбы с различными видами пен.

Глава 5 посвящена разработке методов расчета явлений, возникающих в двухфазном потоке «жидкость-газ», и оптимизации конструкции и габаритов сооружений газоотделения.

Процесс пенообразования сопровождается всплытием флокул активного ила, насыщенных пузырьками газа. Поэтому для решения проблемы достижения высокой эффективности деаэрации необходима разработка методов расчета явлений, возникающих в двухфазном потоке «жидкость-газ». Методика расчета должна базироваться на результатах гидродинамических, биологических и аэродинамических исследований, выполненных в лабораторных и промышленных испытаниях.

Метод расчета, который предлагается в данном исследовании, разработан для худшего случая, а именно - при наличии в смеси сточной воды и активного ила молекул поверхностно-активных веществ. Метод предусматривает учет зоны турбулентности в голове деаэратора, которая улучшает условия деаэрации при распаде флокул активного ила и освобождении захваченных пузырьков воздуха в них.

Можно рассматривать два варианта конструкции сооружений деаэрации. Первый вариант предполагает, что переход смеси сточной воды и активного ила из аэротенка (среды с интенсивной аэрацией) в камеру деаэрации, сопровождается выпуском пузырьков воздуха, содержащихся в сточных водах. Изменение давления между зоной аэрации в аэротенке и зоной падения потока вызывает выделение больших пузырей воздуха, которые образуют «мягкое» перемешивание смеси сточной воды и активного ила, и таким образом, его

флокуляция и образование хлопьев становятся более интенсивными. Второй вариант основан на гидравлическом перемешивании самого потока, при этом камера деаэрации отделена от аэротенка сифоном. Падение давления при прохождении воды по дну камеры и далее к поверхности вызывает дегазацию и способствует флокуляции.

Наблюдаемые проблемы деаэрации обусловлены в основном наличием стабилизирующих молекул, которые адсорбируются к пузырькам воздуха и, повышают их стабильность, в результате, как следствие, имеет место появление таких явлений как аэрофлотация во вторичных отстойниках. Этими стабилизирующими молекулами являются, в основном, липиды и поверхностно-активные вещества, биполярные молекулы, которых характеризуются высокой способностью к формированию агрегатов, как только их концентрация превышает определенный порог. Присутствие этих молекул в сточных водах ограничивает массоперенос кислорода на 40-60%.

В этом разделе представлены основные данные и методы расчета явлений, возникающих в двухфазном потоке «жидкость-газ» и законы, которые регулируют течение двухфазного потока «жидкость-газ».

Основные уравнения двухфазного потока «жидкость-газ» базируются на уравнениях баланса масс, количества движения (основной закон динамики) и энтропии (второй закон термодинамики). Уравнения балансов могут быть составлены либо локально, либо в упрощенном виде. Усредненные уравнения не позволяют описать течение потока во всех деталях, но они позволяют выделить параметры, которые представляют практический интерес.

Предлагаемый метод проектирования и определения размеров деаэратора предусматривает предварительный расчет размеров аэротенка, деаэратора и вторичного отстойника.

Метод расчета дегазатора предусматривает наличие трех зон: - зона турбулентного течения, оснащенная системой напорной среднепузырчатой аэрацией. Она обеспечивает разрушение флоккул активного ила и освобождения захваченных пузырьков воздуха.

- промежуточная зона, обеспечивающая эффект сифона.

- зона ламинарного течения, в которой происходит процесс дегазации смеси сточной воды и активного ила.

В данном методе расчета деаэратор рассматриваться как сооружение, обеспечивающее восстановление активного ила, где плавающие биологического происхождения подаются в коллектор избыточного активного ила.

Замедление процесса перемещения поля пузырьков к выходу аэротенка и, следовательно, деаэратора, в обязательном порядке приводит к снижению скорости подъема пузырьков. Действительно, расположение фильтросов напорной аэрации должно быть таким, чтобы они находились как можно дальше от выхода из бассейна. Минимальное расстояние, равное глубине аэротенка, является принципиальным. Что касается погружных мешалок, то они должны быть расположены таким образом, что конус прямого напора перехватывал поверхность воды до появления пузырьков. Это необходимо для того, чтобы обратный поток на поверхности не менял направления и не создавал паразитные циклы короткой циркуляции с мешалкой. Это неглубокое поверхностное движение может способствовать захвату пены и переносу пузырей к дегазатору.

Следует иметь в виду, что цель деаэратора состоит в удалении пузырьков воздуха, захваченных флокулами активного ила, и, следовательно, все проблемы, связанные с биологическим ценообразованием должны решаться путем воздействия на другие сооружения или путем регулирования другими параметрами.

Таким образом, результаты работы показывают, что функционирование деаэратора не изолировано от работы остальных сооружений станции очистки сточных вод, поэтому необходимо понимание всех взаимосвязей, существующих между аэротенком и деаэратором, а также между деаэратором и вторичным отстойником.

Такой подход позволяет понять особенности функционирования деаэратора и принимать научно-обоснованные решения при расчете технологических характеристик и размеров деаэратора в зависимости от условий функционирования сооружений, находящихся до и после деаэратора.

Выводы

1. Разработаны технологические режимы функционирования сооружений аэробной биологической очистки сточных вод, позволяющие обеспечить устойчивую работу сооружений биологической очистки путем подавления пенообразования и нитчатого вспухания активного ила.

2. Разработана методология первичной диагностики прогнозирования и подавления пенообразования и вспухания активного ила в технологическом комплексе сооружений «аэротенк-вторичный отстойник».

3. Разработан алгоритм микробиологических исследований по определению оптимальных режимов ингибирования и подавления нитчатого вспухания и пенообразования.

4. Определены доминирующие виды нитчатых бактерий (КИсгтНпх рагхчсеПа, Ткюгкпх, N о с а п1 ¡о/о г тех, ИИо/Ьсоссих хрр), ответственные за вспухание активного ила и пенообразование в сложных биоценозах, функционирующих в системах аэробной биологической очистки сточных вод.

5. Определено влияние конструктивно-технологических параметров и режимов функционирования аэротенков на развитие процессов пенообразования и нитчатого вспухания активного ила.

6. Выявлены перспективные технологические методы подавления пенообразования и нитчатого вспухания активного ила за счет регулирования гидравлических режимов потоков, управления подачей субстрата и регулирования уровня растворенного кислорода в культивируемой среде по ходу технологического процесса обработки сточных вод в аэротенках;

7. Проведен анализ влияния внешних факторов на относительный рост, размеры и содержание нитчатых и зооглейных микроорганизмов во флокулах активного ила.

8. Разработаны методы культивирования сложных биоценозов активного ила, ингибирующих рост нитчатых форм бактерий и предотвращающих вспухание иловой массы в процессе ее осаждения.

Предложения для практики. На основании проведенных исследований разработаны:

1. Методические положеия «Технология удаления азота из сточных вод очистных сооружений предприятий АПК способом парциальной нитрификации в мембранном реакторе. (Утв. Отделением ветеринарной медицины РАСХН 30.10.2013г.)

2. Методические положения «Моделирование процессов массопередачи кислорода и усвоение субстрата в барботажных реакторах с иммобилизационной биопленкой» (Утв. Отделением ветеринарной медицины РАСХН 22.06.2011г.).

3. Техническое задание на проведение опытно-конструкторских работ: По очистка сточных вод с использованием иммобилизационно-фильтрующих систем, повышающих надежность и производительность функционирования очистных сооружений предприятий АПК». Утв. Директором Всероссийского ниучно-исследовательского и технологического института биологической промышленности РАСХН 05.10.2012г.)

Результаты и материалы выполненной работы использованы:

1. ОАО «МосводоканалНИИпроект» г. Москва 2014 г. при разработке проекта «Реконструкции и расширения очистных сооружений г. Апрелевка» с предполагаемым годовым экономическим эффектом 1,3 млн. руб. в год.

2. ООО Институт «ГИПРОКОММУНВОДОКАНАЛ» г. Москва, 2014 г. по объекту «Совершенствование биологической очистки сточных вод при реконструкции аэротенков» г. Воркута с прогнозируемым годовым экономическим эффектом от использования НИР 3,0 млн. руб. в год.

3. ООО «Адмирал» г.Омск 2014г. в практике общества с ограниченной ответственностью «Адмирал» г. Омск при разработке станции локальной биологической очистки бытовых сточных вод.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Денисов A.A., Крупский A.C., Денисова Е.А., Малышева A.A., Плотников М.В. Совершенствование механизма процессов седиментации дисперсных и коллоидных частиц органических загрязнений с помощью биополимеров активного ила. Химическая промышленность сегодня. 2013, № 5, с. 52-56.

2. Денисов A.A., Чичилеишвили Г.Д., Малышева A.A. Крупский A.C., Калистратов И.М., Плотников М.В. Сооружения аэробной биологической очистки сточных вод животноводческих комплексов на основе трехфазных псевдоожиженных систем «ВЕТЕРИНАРИЯ И КОРМЛЕНИЕ». 2012. №6, с. 5051.

3. Денисова A.A., Светличкин В.В., Денисов A.A., Калистратов М.В., Плотников М.В. Удаление патогенных микроорганизмов при очистке сточных вод. Свиноводство, 2014, №4, с. 17-19.

4. Денисов A.A., Чичилеишвили Г.Д., Малышева A.A., Крупский A.C., Калистратов И.М., Плотников М.В. Активно-иловые системы обработки животноводческих сточных вод. Материалы Международной научно-практической конференции «Научные основы производства биологических препаратов для АПК». Щелково. 5-7 декабря 2012. С.529-534.

5. Патент № 2013128945/10(043129) от 26.06.2013. Авторы Самуйленко А.Я., Денисов A.A., Денисова Е.А., Плотников М.В., Крупский A.C., Чичилеишвили Г.Д., Гринь A.B., Положенцев И.М. RU Способ аэробной биологической очистки сточных вод).

6. Патент № 2013128944/05(043128) от 26.06.2013. Авторы Самуйленко А.Я., Денисов A.A., Денисова Е.А., Плотников М.В., Крупский A.C.,

Чичилеишвили Г.Д., Дадасян А.Я., Гринь A.B., Положенцев И.М. RU Установка для аэробной биологической очистки сточных вод.

Подписано в печать 25.10.2014г.

Усл.п.л. - 1.5 Заказ №24185 Тираж: 100 экз.

Копнцентр «ЧЕРТЕЖ.ру» ИНН 7701723201 107023, Москва, ул.Б.Семеновская И, стр.12 (495) 542-7389 www.chertez.ni