Использование блоков биологической загрузки на сооружениях очистки сточных вод

Аннотация

Представлены результаты лабораторных исследований работы аэротенка с целью технологического сравнения двух новых модифицированных видов блоков биологической загрузки – ББЗ-45П-14 и ББЗ-65П-10, имеющих одинаковую структуру поверхности, но различные геометрические параметры. Показано, что эти биозагрузки могут успешно применяться в аэротенках для иммобилизации микроорганизмов активного ила. Испытания образцов загрузочных материалов проведены при плотности биомассы на биозагрузке 0,3–0,36 кг/кг при эквивалентной концентрации ила в системе 2,3 г/л. Биозагрузку ББЗ-65П-10 предпочтительнее использовать в аэротенках, а ББЗ-45П-14 – в аэротенках с низкой нагрузкой на активный ил, блоках доочистки для дополнительного осветления биологически очищенной воды и биофильтрах для наращивания биопленки. Сравнение результатов испытаний по скорости адгезии активного ила, полученных с новыми видами биозагрузки и ранее испытанной загрузкой ББЗ-65, позволяет заключить, что на более грубой поверхности модифицированных образцов биозагрузки процесс адгезии протекает более интенсивно.

Ключевые слова

сточные воды , биологическая очистка , биофильтр , биологическая загрузка , аэротенк , вторичный отстойник , адгезия , активный ил

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

В настоящее время для интенсификации работы аэротенков очистных сооружений широко применяются загрузочные материалы различных модификаций. Одним из крупнейших производителей данной продукции является ООО «Техводполимер». В 2006 г. в ОАО «НИИ ВОДГЕО» были проведены лабораторные исследования блоков биологической загрузки ББЗ-65. Установлено, что наличие биозагрузки ББЗ-65 в аэротенках создает условия для удержания активного ила в системе, повышает стабильность процесса очистки, особенно при склонности активных илов к вспуханию и при низких концентрациях органических загрязнений в сточной воде. По результатам испытаний биозагрузки ББЗ-65 было получено оптимальное количество ила – 0,36 кг/кг биозагрузки. При такой величине сохраняются удовлетворительные условия массообмена в системе [1].

Новые биозагрузки ББЗ-65П-10 и ББЗ-45П-14 производства ООО «Техводполимер» отличаются от биозагрузки ББЗ-65 более шероховатой структурой поверхности (за счет специальных добавок). Кроме того, новые виды биозагрузки различаются геометрическими размерами ячеек и удельной площадью поверхности. Технические характеристики загрузочных материалов, используемых в процессе испытаний, приведены в таблице.

Целью исследований являлась сравнительная оценка трех видов биозагрузки по технологическим параметрам, а также выбор наиболее перспективного загрузочного материала для иммобилизации биомассы на сооружениях биологической очистки сточных вод.

Исследования проводились в лабораторных условиях на модели аэротенка. Детальное описание методики исследований и модели установки, а также результаты испытаний биозагрузки ББЗ-65 изложены в статье [2]. Одним из основных показателей сравнения трех образцов биозагрузки может служить удельная скорость процесса адгезии, поскольку она зависит от геометрических размеров и структуры поверхности загрузочного материала. Образцы ББЗ-65П-10 и ББЗ-45П-14, имеющие одинаковую структуру поверхности, но различные геометрические параметры, по-разному могут оказывать влияние на степень, интенсивность и скорость процесса адгезии, а также на гидродинамическую обстановку в аэротенке. Сопоставление динамики адгезии активного ила образцами биозагрузки позволяет оценить суммарное влияние этих факторов.

Динамика адгезии активного ила изучалась в контактных условиях. Для этого в реактор с активным илом (концентрация по сухому веществу около 3 г/л), находящимся в свободном объеме, помещалась загрузка, и в течение 24 часов определялась концентрация активного ила в реакторе. В результате были получены данные по снижению концентрации активного ила в системе за счет адгезии его на биозагрузке, что позволило вычислить удельную скорость адгезии активного ила для каждой биозагрузки. Результаты непрерывной работы опытного аэротенка с биозагрузками ББЗ-65П-10 и ББЗ-45П-14 представлены на рис. 1.

В течение 1,5 месяцев установка работала с биозагрузкой ББЗ-65П-10, затем были проведены испытания с биозагрузкой ББЗ-45П-14. За весь период работы установки можно выделить два режима, отличающиеся качеством исходного модельного стока по содержанию органического субстрата (ХПК). Пусковой период заключался в наращивании активного ила, рабочий – в тестировании загрузочных материалов. В пусковой период концентрация органических веществ по ХПК в исходной воде составляла в среднем 537 мг/л и в очищенной воде не превышала 50 мг/л. Эквивалентная концентрация активного ила в системе к концу пускового периода достигла 0,64 г/л, при этом на биозагрузке закрепилось 0,09 г/г ила.

При работе установки в проточном режиме за весь пусковой период концентрация взвешенных веществ в свободном объеме реактора (т. е. поступающих во вторичный отстойник) в среднем составляла 29,4 мг/л (рис. 2). После 32 дней работы установки с биозагрузкой ББЗ-65П-10 нагрузка по органическим веществам была увеличена в 3 раза. Концентрация органических загрязнений по ХПК исходной воды составляла в этот период в среднем 1570 мг/л, а ХПК очищенной воды – 66 мг/л (рис. 1). Эквивалентная концентрация активного ила в системе достигла 2,3 г/л, при этом на биозагрузке находилось 0,34 г/г ила. Концентрация взвешенных веществ в свободном объеме реактора в среднем составляла 44 мг/л (рис. 2).

В следующий период работы установки биозагрузка ББЗ-65П-10 была заменена биозагрузкой ББЗ-45П-14.В этот период концентрация органических загрязнений по ХПК была увеличена и составляла в среднем 1700 мг/л, а ХПК очищенной воды – 58 мг/л. Эквивалентная концентрация активного ила в системе достигла 2,5 г/л, при этом на биозагрузке закрепилось 0,38 г/г ила. Концентрация взвешенных веществ в свободном объеме реактора на протяжении эксперимента в среднем составляла 39 мг/л (рис. 2).

На рис. 3 показано распределение биомассы в реакторе (в процентном соотношении) на всем протяжении эксперимента. С увеличением концентрации активного ила в системе задержание ила на биозагрузке возрастает, а его концентрация в свободном объеме остается практически неизменной.

Обобщенный график распределения биомассы в системе для двух новых загрузок по усредненным данным представлен на рис. 4.

На рис. 5, а видно, что практически весь активный ил сконцентрирован на биозагрузке ББЗ-65П-10 (эквивалентная концентрация активного ила в системе в этот период составляла 2,3 г/л). При подъеме биозагрузки (рис. 5, б, г) большая часть биомассы отрывается и остается в реакторе. Гидродинамическая обстановка в реакторе оказывает влияние на кислородный режим. Концентрация растворенного кислорода на протяжении всего эксперимента с биозагрузкой ББЗ-65П-10 в свободном объеме составляла 5,5–8,1 мг/л, а концентрация кислорода внутри блоков с биозагрузкой изменялась от 1 до 5,5 мг/л.

При работе установки с биозагрузкой ББЗ-45П-14 практически весь активный ил (2,5 г/л) также был сконцентрирован на биозагрузке (рис. 5, в). Гидродинамическая обстановка была несколько хуже, чем с биозагрузкой ББЗ-65П-10, так как концентрация растворенного кислорода внутри блоков снижалась до 0,3 мг/л. В толще биозагрузки образовывались зоны с низким содержанием кислорода. Однако дефицит растворенного кислорода в толще загрузки может приводить к процессам денитрификации, тем самым обеспечивая одновременное протекание процессов нитри-денитрификации в одной системе при использовании биозагрузки ББЗ-45П-14.

Проведенные исследования показали, что биомасса представляет собой слегка уплотненный активный ил, практически не отличающийся по морфологии от свободноплавающего активного ила. Наблюдаются (рис.6, а) отдельные зооглейные скопления бактерий, количество простейших невелико (в основном инфузории), нитчатые формы практически отсутствуют. Иловый индекс составлял 95–135 мл/г.

В дальнейшем (рис. 6, б) активный ил, иммобилизованный на биозагрузке ББЗ-65П-10, стал более плотным, сформировались выраженные зооглеи, стали развиваться простейшие (амебы, инфузории), началось образование нитчатых форм (грибы, водоросли). Несмотря на наличие нитчатых форм, активный ил хорошо закрепляется на биозагрузке. Значительного вспухания активного ила не произошло, иловый индекс в этот период составил в среднем 84 мл/г. При работе экспериментальной установки с биозагрузкой ББЗ-45П-14 существенных изменений в составе биоценоза не произошло (рис. 6, в). Присутствие нитчатых форм не отразилось негативно на адгезии активного ила. Иловый индекс в этот период составлял в среднем 87 мл/г.

Таким образом, технологическое сравнение двух видов биозагрузки ББЗ-45П-14 и ББЗ-65П-10 показало, что они могут быть успешно применены в аэротенках для иммобилизации микроорганизмов активного ила, так как на их поверхности закрепляется до 98–99% активного ила, присутствующего в системе. Однако меньшая «пористость» ББЗ-45П-14 приводит к некоторому ухудшению гидродинамической обстановки внутри биозагрузки, так как в ее теле концентрация растворенного кислорода может снижаться до 0,3 мг/л, при которой процессы аэробной биологической очистки тормозятся.

Сравнение всех трех видов загрузочных материалов было выполнено по скорости адгезии активного ила на поверхности биозагрузки. Результаты эксперимента представлены на рис. 7, где показана динамика снижения концентрации активного ила в свободном объеме за счет его адгезии на поверхности загрузочных образцов.

Начальная концентрация ила в свободном объеме в реакторе во всех трех экспериментах составляла в среднем 2,3 г/л и в процессе адгезии снижалась до 0,07–0,1 г/л. Во всех трех случаях за 24 часа достигалась практически полная иммобилизация всего активного ила в системе (96–97%). Причем необходимо обратить внимание на различную интенсивность процесса адгезии тремя опытными образцами загрузочных материалов.

Из рис. 7 видно, что по истечении 5 часов на поверхности биозагрузки ББЗ-65 закрепилось только 53% общего количества активного ила в системе, на поверхности биозагрузки ББЗ-65П-10 – 65% и на ББЗ-45П-14 – 75%.

Из рис. 8 следует, что на единицу собственной массы биозагрузки лучшие показатели также у биозагрузки ББЗ-45П-14. Так, через 5 часов количество активного ила, закрепленного на биозагрузке ББЗ-45П-14, составило 0,25 кг/кг, на ББЗ-65П-10 – 0,22 кг/кг и на ББЗ-65 – 0,17 кг/кг.

Сравнение полученных результатов по биозагрузкам ББЗ-65 и ББЗ-65П-10, имеющим одинаковые геометрические параметры, позволяет исключить влияние гидродинамического фактора на динамику адгезии активного ила и оценить зависимость интенсивности адгезии активного ила от структуры поверхности материала. Результаты эксперимента показали, что на образце биозагрузки ББЗ-65П-10 с более шероховатой структурой поверхности процесс адгезии протекает более интенсивно. Удельная площадь поверхности ББЗ-45-П14, в 3,5 раза превышающая площадь поверхности ББЗ-65 и ББЗ-65П-10 (таблица), оказывает влияние на степень, интенсивность и скорость процесса адгезии, а также на гидродинамическую обстановку в аэротенке.

На рис. 9 представлена зависимость удельной скорости адгезии от остаточной концентрации активного ила в реакторе. Самая высокая удельная скорость адгезии наблюдалась у биозагрузки ББЗ-45П-14, обладающей самой большой удельной поверхностью. Так, скорость адгезии активного ила на ней выше в 1,23 раза по сравнению с биозагрузкой ББЗ-65П-10 и в 1,7 раза выше по сравнению с ББЗ-65 (при остаточной концентрации активного ила в свободном объеме 1 г/л). На биозагрузке ББЗ-65П-10 скорость адгезии биомассы по сравнению с ББЗ-65 выше в 1,38 раза.

Выводы

Технологическое сравнение двух видов биозагрузки ББЗ-45П-14 и ББЗ-65П-10, имеющих одинаковую структуру поверхности, но различные геометрические параметры, показало, что обе биозагрузки могут успешно применяться в аэротенках для иммобилизации микроорганизмов активного ила. Испытания образцов загрузочных материалов проведены при плотности биомассы на биозагрузке 0,3–0,36 кг/кг при эквивалентной концентрации ила в системе 2,3 г/л. При этом процессы биологической очистки воды от органических загрязнений протекали успешно.

Биозагрузки ББЗ-65П-10 и ББЗ-45П-14 создают условия для удержания активного ила в системе. Активный ил хорошо закрепляется на поверхности биозагрузки, в нем присутствуют типичные для аэротенков виды микроорганизмов. Однако в толще биозагрузки ББЗ-45П-14 из-за ее более плотной компоновки формировались аноксидные зоны, что свидетельствует об ухудшении процессов массообмена.

Биозагрузку ББЗ-65П-10 предпочтительно использовать в аэротенках, а ББЗ-45П-14 – в блоках доочистки для дополнительного осветления биологически очищенной воды и биофильтрах для наращивания биомассы.

Сравнение результатов испытаний по трем видам биозагрузки позволяет заключить, что на более грубой поверхности новых образцов биозагрузки ББЗ процесс адгезии протекает более интенсивно. При использовании биозагрузки ББЗ-45П-14 с большей удельной поверхностью скорость адгезии увеличивается в 1,7 раза по сравнению с биозагрузкой ББЗ-65. На поверхности биозагрузки в течение суток задерживается 96–97% активного ила, при этом скорость адгезии активного ила на поверхности биозагрузки различна.

Биозагрузку ББЗ-45П-14 целесообразно использовать в аэротенках с низкой нагрузкой на активный ил. При этом ожидается, что благодаря развитой поверхности она может быть особенно эффективна в качестве биозагрузки для биофильтров. В настоящее время ОАО «НИИ ВОДГЕО» и ООО «Техводполимер» планируют проведение таких испытаний.

Список цитируемой литературы

Швецов В. Н., Морозова К. М., Семенов М. Ю. и др. Проведение испытаний и подготовка заключения по использованию блоков биозагрузки марки ББЗ-65 на сооружениях биологической очистки сточных вод: Научно-технический отчет НИИ ВОДГЕО. – М., 2006.
Швецов В. Н., Морозова К. М., Смирнова И. И. и др. Технологическая эффективность биозагрузки производства ООО «Техводполимер» // Водоснабжение и сан. техника. 2007. № 2.