Сохранение биоценоза на комплекса очистных сооружений, расположенных на сейсмоопасных территориях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сохранение биоценоза на КОС, расположенных на сейсмоопасных территориях

В.Н. Кульков, С.С. Буянова

Иркутский государственный технический университет,

664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Рассмотрено состояние биоценоза иммобилизованного ила, находящегося на синтетической инертной загрузке в атмосфере влажного воздуха. Изучена жизнеспособность прикрепленной биомассы при использовании синтетической ершовой загрузки после разрушения аэротенка. Определён видовой состав и функциональное состояние биоценоза иммобилизованного ила от времени нахождения в «полусухой» модельной ячейке. Показана динамика живучести иммобилизованного ила с использованием микроскопического анализа. Предложен способ увеличения биомассы в аэротанке и, соответственно, интенсификации его работы с использованием иммобилизованной биомассы нейтральных носителей переведенной в свободно плавающее состояние.

Ключевые слова: иммобилизованный ил; биологическая очистка; аэротенк; ершовая синтетическая загрузка; живучесть ила; микроскопический анализ.

биоценоз ил аэротенк биомасса

MAINTENANCE OF BIOCENOSIS ON CBS LOCATED IN EARTHQUAKE-PRONE AREAS

V. Kul'kov, S. Buyanova

Irkutsk State Technical University,

83 Lermontov St., Irkutsk, 664074

The authors examine the state of the biocenosis of immobilized sludge located on the synthetic inert load in the humid air; study the viability of the attached biomass when using synthetic brush load after destruction of the aeration tank; determine the species composition and functional state of biocenosis of immobilized sludge according to the time spent in the “semi-dry” model cell. They also reveal evolution of survivability of immobilized sludge using microscopic analysis and suggest the method to increase biomass in aeration tanks and, respectively, its intensification using the immobilized biomass of neutral carriers transferred in freely floating condition.

Keywords: immobilized sludge, biological treatment, aeration tank; synthetic brush load and survivability of sludge; microscopic analysis.

Эксплуатация канализационных очистных сооружений (КОС) в районах с повышенной сейсмической активностью требует обеспечения достаточно надежных эксплуатационных характеристик сооружений, исключающих аварийные ситуации, или сведения к минимуму их техногенных последствий.

Экологическая безопасность населенных пунктов и территорий будет зависеть от скорейшего послеремонтного запуска КОС и выхода их на технологический режим работы по БПК (биологическая потребность в кислороде) и взвешенным веществам. Для этого необходимо разместить в аэротенках инертные носители иммобилизованной биомассы, позволяющие осуществить процесс очистки сточных вод свободноплавающим и иммобилизованным активным илом (рис. 1).

При сейсмических воздействиях на сооружения КОС свободноплавающий ил будет потерян в виде водно-иловой смеси. Иммобилизованный адаптированный ил сохранится на модулях с синтетической загрузкой и позволит запустить в течение примерно одного дня биологическую очистку с потерей ее окислительной способности до 70 %. Использование привозного биоценоза с других КОС увеличит время запуска биологической очистки ~ в 20 раз. Свободноплавающий активный ил не подлежит длительному хранению в классических сооружениях КОС при их остановке, так как он загнивает и начинается анаэробный процесс с образованием метана. Иммобилизованный активный ил, находящийся на синтетической инертной загрузке, при частичном разрушении аэротенка и его опорожнении, начинает терять влажность на воздухе с 99 % до 10 %, сохраняя жизнедеятельность организмов. Хранение иммобилизованного стабилизированного ила в атмосфере воздуха возможно в течение длительного времени - месяц и более [1], а в модулях синтетической загрузки, в определенных условиях - до десяти дней.

В работе проведены исследования по оценке жизнеспособности иммобилизованного ила для последующего использования его в восстановлении и обеспечении технологического процесса биологической очистки.

Синтетические ершовые водоросли, фиксировано установленные в виде занавесок, успешно используются в биореакторах-аэротенках для иммобилизации микроорганизмов активного ила [2, 3]. Одновременное присутствие свободноплавающего и иммобилизованного активного ила обеспечивает увеличение окислительной мощности биореактора и сохраняет адаптированный активный ил в нештатных ситуациях.

Рис. 1. Физическая модель вертикально-поперечного сечения аэротенка

с синтетической загрузкой «ерш»: 1 - загрузка типа «ерш» с прикрепленным биоценозом; 2 - прибор для измерения интенсивности света ЛЮКС-метр; 3 - мелкопузырчатый аэратор типа «Аквалайн»

В биореактор помещались синтетические ершовые водоросли (рис. 1), фиксировано закрепленные на раме 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.

Активный ил, находящийся в биореакторе, с концентраций 0,75 г/л и иловым индексом ~ 140-170 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 [4]. Удельная интенсивность аэрации водно-иловой смеси - 7,41 м3/(м2•ч).

После четырёхчасового нахождения ершовой загрузки в водно-иловой смеси и седиментации ила на ершах, модельная ячейка опорожнялась. Ершовая загрузка оставалась в атмосфере воздуха, а на днище модельной ячейки оставался слой водно-иловой смеси высотой 10 мм, что обеспечивало его присутствие в течение десяти, двенадцати дней.

Ежедневный микроскопический анализ с использованием электронного микроскопа проводили для определения видового состава биоценоза и его жизнеспособности. Первоначальный состав активного иммобилизованного на ершовой загрузке ила был представлен достаточно полно (рис. 2): коловратками, малощетинковыми червями, круглыми червями, колониальными прикреплёнными инфузориями, бентосными раковинными амёбами, колониальными инфузориями (в домике), брюхоресничными червями, сосущими инфузориями. По визуальным наблюдениям отмечали ежедневное подсыхание верхней части ершовой загрузки, так, например, через пять дней 70 % ершей высохли, а оставшиеся 30 % влажная часть, находящаяся над зеркалом водно-иловой смеси, уплотнилась и приобрела тёмно-бурый цвет.

Видовой состав ила влажной части ершей не изменился. Через девять дней осталось ~ 10 % влажной части ерша и появился болотный гнилостный запах. Видовой состав прикреплённого ила и его жизнеспособность существенно изменились (рис. 3). Появились нематоды, свидетельствующие о гниении ила. Широко представлены цисты бентосных амёб, микроскопические водоросли и раковинные амёбы (arcella).

Таким образом, можно констатировать, что активный иммобилизованный ил, закрепленный на синтетическом ерше, находящемся в атмосфере воздуха, теряет влажность, но при этом жизнеспособность биоценоза находящегося в нижней части ершей, может сохраняться длительное время (более десяти суток). Использование этого адаптированного биоценоза при запуске КОС, после необходимого ремонта по восстановлению герметичности аэротенка, возможно при переводе его в свободно плавающее состояние. Это можно сделать механической или водо-воздушной регенерацией ершовой загрузки.

Водо-воздушная регенерация ершовых водорослей, покрытых иммобилизованным илом, проводилась с помощью насоса по закольцованному трубопроводу диаметром 8 мм. Вода для регенерации забиралась из биореактора из основного циркуляционного контура, обогащенного кислородом. Вода, подаваемая в форсунку под давлением 2,2 атм., выбрасывалась через сопло и смывала иммобилизованный ил с загрузки. 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 осуществляется изменением расхода воды, подаваемой насосом. Воздух, выходящий из форсунки в виде воздушно-пузырьковой струи, приводит к возникновению эффекта «кипения воды», так как воздух, поднимаясь вверх, приводит в движение воду. Удельная интенсивность выбрасываемой струи воды составляла 55,72 м3/(м2•ч), а удельная интенсивность воздушной регенерации - 21,76 м3/(м2•ч).

Кинетика процесса осаждения свежего ила на ершовые синтетические водоросли и тридцатисекундная водо-воздушная их регенерация для свободно плавающего ила представлена на рис. 4. Периодическое осаждение ила в течение 1,5 часа, во всех случаях приводило к уменьшению концентрации свободно плавающего ила до 0,08 г/ дм3 в объеме ершовой загрузки, что почти на порядок меньше общей дозы ила в биореакторе равной 0,75 г/дм3. В основном циркуляционном контуре концентрация свободно плавающего ила была еще меньше и составила ~ 0,04 г/ дм3. Концентрация иммобилизованного ила достигала максимального значения (0,69 г/дм3) при квазистационарном процессе осаждения ила на ерши. На метр погонный ершовой загрузки приходилось 12,85 г ила по сухому веществу из максимально возможных - 13,82 г/п.м. при заданной дозе ила.

Круглый червь Малощетинковый червь

Колониальные прикреплённые инфузории

Коловратка

Прикреплённые инфузории в домике (колониальные)

Бентосные раковинные амёбы

Сосущая инфузория Брюхоресничный червь

Рис. 2. Микроскопический анализ биоценоза иммобилизованного на ершовой загрузке в первый день

Прикреплённая малоподвижная коловратка Замершая инфузория

Застывшая коловратка Микроскопические водоросли

Раковинные амёбы (arcella) Цисты бентосных амёб

Рис. 3. Микроскопический анализ жизнеспособного биоценоза иммобилизованного на ершовой загрузке на девятый день

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4. Кинетика изменения концентрации свободно плавающего ила при осаждении его на ершовой загрузке и периодической 30 сек водо-воздушной регенерации

При общей дозе ила, а в модели биореактора, равной 0,75 г/дм3, доза свободно плавающего ила аСП составляла после каждой из трех последовательных 30-секундных водо-воздушных регенераций: 0,689 г/ дм3; 0,678 г/ дм3; 0,75 г/ дм3.

По дозе ила, находящегося в свободно плавающем состоянии, после регенерации можно сделать расчет эффективности водо-воздушной регенерации

.

Для нашего случая эффективность составила: и . Такие величины эффективности водо-воздушной регенерации свидетельствует о достаточном времени регенерации, равном 30 секундам.

Изменение доли воздуха в водо-воздушной регенерации ершовой загрузки оказало сильное влияние на эффективность удаления иммобилизованного ила с загрузки. Максимальная эффективность 96,4 % соответствовала водо-воздушной регенерации с удельной воздушной интенсивностью регенерации равной 21,79 м3/(м2•ч). Полное исключение воздуха в водо-воздушной регенерации уменьшило эффективность удаления ила с ершовой загрузки до 61,4 %. Уменьшение удельной воздушной интенсивности регенерации не оказало существенного влияния на кинетику последующей седиментации ила на ершовую загрузку. Изменение концентрации свободно плавающего ила во временном промежутке от 10 до 20 минут, после регенерации, происходило с постоянной скоростью 0,011 г/(дм3•мин), кроме опыта с интенсивностью воздушной регенерации равной нулю (регенерация осуществлялась только водной фазой). Применение синтетической загрузки с иммобилизованным илом позволит запустить биологическую очистку КОС в минимальное короткое время с достаточной окислительной способностью.

Перевод иммобилизованного ила в свободноплавающий, предлагается осуществлять водо-воздушной регенерацией ершовой загрузки интенсивностью 21,8 м3/(м2•ч) по воздуху и 55,7 м3/(м2•ч) по воде [5].

Механическая регенерация ершовых водорослей покрытых иммобилизованным илом осуществлялась электромеханическим регулируемым дебалансным вибратором ЭВ-320Е жестко соединённым креплением с рамкой ершовой загрузки. Вибратор находился на кронштейне, укрепленном к стене, и представлял собой электродвигатель с установленными на концах вала ротора дебалансами. Дебалансы, вращаясь с валом ротора, создают центробежную (вынуждающую) силу

0,5 кН или 1,0 кН, в зависимости от регулировки статического момента дебалансов вибратора. Эффективность регенерации ершовой загрузки составляла 86-90 %, что вполне достаточно при запуске КОС.

Изучение седиментации ила на загрузке при постоянной дозе ила в биореакторе аила =

0,75 г/дм3 , от интенсивности механической регенерации проводили при изменении вынуждающей силы Fв электровибратора с 0,5 кН до 1 кН. Седиментация ила достигала квазистационарного состояния через промежуток времени равный 30 минутам после 30 секундной регенерации, не смотря на увеличенную концентрацию «стряхнутого» свободноплавающего ила 0,51 г/л при регенерации с вынуждающей силой вибратора 1 кН [5].

Применение плоскостной модели биореактора впервые позволило определить, что при слабо концентрированных водно-иловых смесях в пусковой период необходимо проводить регенерацию не реже, чем через 1,5-2 часа.

Активный иммобилизованный ил, закрепленный на синтетическом ерше, теряет влажность на воздухе, но при этом жизнеспособность биоценоза может сохраняться длительное время (более десяти суток).

Применение синтетической загрузки с иммобилизованным илом позволит запустить биологическую очистку КОС в минимальное короткое время с достаточной окислительной способностью. Перевод иммобилизованного ила в свободноплавающий предлагается осуществлять водо-воздушной регенерацией загрузки интенсивностью 21,8 м3/(м2•ч) по воздуху и 55,7 м3/(м2•ч), по воде или механической регенерацией с использованием электровибротора с вынуждающей силой 1,0 кН.

Библиографический список

1. Пат. 2122983 РФ / Мухина Л.Б., Рыбошлыков А.Г. Способ получения стабилизированного инокулята ила и его хранение. Заявлено 11.01.1996. Опубликовано 10.12.1998. Приоритет 11.01.1996.

2. Куликов Н.И., Райманов А.Я., Омельченко Н.П., Чернышов В.Н. Теоретические основы очистки воды. - Макеевка: Издательство «НОУЛИДЖ» Донецкое отделение, 2009. - 298 с.

3. Springer Andrew. Loading for the immobilization of microorganisms in the biological cleaning of sewage systems . Water and Wastr Treat. 2007, 50, № 2, Рр. 22-23.

4. Кульков В.Н., Солопанов Е.Ю. Поверхность контакта фаз в аэробной очистке сточных вод: монография. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2009. - 144 с.

5. Кульков В.Н., Солопанов Е.Ю., Сосна В.М., Зеленин А.М. Обеспечение экологической безопасности и сохранение биоценоза на КОС, расположенных на сейсмоопасных территориях: материалы Х Российской национальной конференции по сейсмике (с межд. участием). 9-13 сентября. Сочи. 2013 г.

Размещено на Allbest.ru