Исследование характеристик биологической загрузки созданной на основе конструкционных порошково-волокнистых полимерных материалов

29 Сентября 2015
// Пресса о нас

Журнал «Водные ресурсы и водопользование» №9/2015


Удельная площадь поверхности биозагрузки**, не менее, м23 М.М. Пукемо, асп.,
Е.В. Алексеев, д.т.н., проф., С.В. Жуков, к.т.н.,  доц.
лаборатория «Водной экологии» ООО «Альта Групп» кафедра «Водоотведение и водная экология»
ФГБОУ ВПО «МГСУ»
г. Москва, Россия


АННОТАЦИЯ

В настоящей работе представлены предварительные результаты исследований структуры, геометрических, физико-механических и функциональных характеристик биологической загрузки, созданной на основе разработанных конструкционных порошково-волокнистых полимерных материалов. Сделан предварительный вывод о том, что кинетика роста и эффективность работы биомассы на разработанной биозагрузке выше, минимум  в  3 раза, относительно серийно выпускаемой «ершовой загрузки».

ВВЕДЕНИЕ


Благоприятными для  Природы и цивилизованной экономики являются научно-исследовательские и опытно-промышленные работы, нацеленные на разработку технических решений, повышающих технико-экономические характеристики биологических очистных сооружений. В частности, решение задач по увеличению эффективности  очистных сооружений и снижения их габаритных размеров  уменьшает стоимость реализации мероприятий, направленных на очистку сточных вод. Одной из задач, решаемой в рамках создания очистных сооружений с использованием биологического метода очистки сточных вод, является создание искусственной локальной «эко-системы»  (биотопа), организованной в технологических емкостях очистного сооружения с определенными оптимальными или рациональными технологическими параметрами. Так же в этом объеме отслеживаются соответствующие критерии для  оценки технологических  параметров необходимых для поддержания наиболее выгодных  условий жизнедеятельности (микроклимата и биоценоза) консорций микроорганизмов. Технологические емкости биофильтров (биореакторы), как наиболее габаритная и ответственная конструкция очистных сооружений, является предметом особого внимания у исследователей, практическая ценность работ которых делает совершеннее и доступнее локальные очистные сооружения.
эскиз и фотографии биозагрузки

Рис. 1. Эскиз и фотографии биозагрузки

В этой связи, с целью увеличения эффективности очистки и снижения габаритных размеров биореакторов локальных станций глубокой биологической очистки сточных  вод типа Alta Air Master, в настоящей работе представлены предварительные результаты исследований характеристик биологической загрузки, созданной на основе разработанных конструкционных порошково-волокнистых полимерных материалов.

Главными критериями при разработке и конструировании биозагрузки являлись задачи по достижению оптимальных условий для  формирования биоценоза с развитым видовым составом, создаваемым путем формирования  развитой многоуровневой поверхности для заселения микроорганизмами, составляющими колонии на внешних и внутренних поверхностях биозагрузочного материала. Во внимание так же принимался опыт эксплуатации биореакторов с прикрепленным биоценозом, таких как в очистных сооружениях Alta Air Master. Учитывалось соотношение между площадью поверхности и занимаемым объемом биозагрузки, биоинертность загрузочного материала и высокая коррозионная стойкость, прочность конструкции каркаса, технологичность сборки и обслуживания.

В результате построения и апробации модели биозагрузочного элемента, был выбран приемлемый опытно- промышленный способ его изготовления, а затем выполнено опытное макетирование теоретической модели изделия.

Опытный образец биозагрузки был изготовлен методами автоматизированной ротационной термоформовки и механизированной челночно-крючковой спицевой вязки, эскиз и фотографии последней представлены на рисунке 1.

Биозагрузка представляет собой композиционную полимерную трубу с заданными, в результате оптимизации технологических процессов термоформовки и вязки, трехслойной функциональной структурой с геометрическими и физико-механическими характеристиками, приведенными в  таблицей №1.

Первый слой (см.  рис. 1 а) – это внутренний пористый слой, толщиной около 5-6 мм, выполненный из полиэтилена высокого давления. Посредством разработки технологического процесса послойного ротационного термоформования с последовательной полимеризацией, достигнута полиморфная структура с градиентной общей пористостью (до 71 %) в направлении второго слоя, линейными значениями размеров  пордо 1,5 мм,  с развитой внутренней и внешней поверхностями (удельная площадь не менее 750  м23).

Геометрические и физико-механические характеристики

Характеристика Значение
1 Средний внешний диаметр, мм 123±3
2 Средний внутренний диаметр, мм 80±2
3 Длина, мм 1000±10
4 Расчетная площадь поверхности биозагрузки*, не менее, м2 6,42
5 Удельная площадь поверхности биозагрузки**, не менее, м23 1925
6 Прочность при изгибе кг/см2 127±20
7 Предел прочности при растяжении, кг/см2 115±20
8 Вес биозагрузки, г 730,8±20,5
9 Вес первого и второго слоев, г 552,2±20,0
10 Вес третьего слоя 177,6±0,5
11 Средняя теоретическая плотность первого и второго слоя, % 71±1,5
12 Средняя теоретическая плотность третьего слоя, % 97±1,5

Примечание к таблице 1:
* – рассчитана как сумма площадей поверхности полипропиленовой нити пошедшей на произ- водство биозагрузки и полого цилиндрического каркаса.
** – рассчитана как отношение площади поверхности к объему полого цилиндра.

Микрофотографии поперечного разреза и внутренней поверхности первого слоя, показаны на  рисунке 2.

микрофотографии поперечного разреза и внутренней поверхности первого слоя
микрофотографии поперечного разреза и внутренней поверхности первого слоя
А) Поперечный разрез Б) Внутренняя поверхность

Согласно проведенным расчетам и опытам, такая конструкция  слоя, позволяет аэрировать основную биомассу,  прикрепленную на третьем слое, и снаружи, и изнутри с использованием аэрационных форсунок или гидроаэраторов (эжектирующих воздух в воду  под давлением). В комплексе, последнее представляется более перспективным, ввиду возможности организации аэролифта с дополнительным измельчением пузырьков через стенки пористого каркаса (второго слоя) и «регенерации» (удаления, обновления) биомассы с загрузки.
 
Наряду с этим, по результатам анализа предварительных экспериментальных данных, слой с такими характеристиками способствует формированию и удержанию многослойной (по качественному составу) биопленки, а также развития ее анаэробной и аэробной форм в объеме слоя.

Второй слой – это условно переходный «мембранный» технологический слой с толщиной от 1 до 2 мм, формирующий несущий каркас изделия, более плотную границу раздела материалов и градиентный поровый переход на третий внешний слой. Размер поровых каналов этого слоя, по мере их приближения к границе уменьшен в среднем в 2 раза. Микрофотография поверхности второго слоя внешняя поверхность трубы-каркаса, представлена на рисунке 3.
микрофотографии поперечного разреза и внутренней поверхности первого слоя
Рис. 3. Микрофотография поверхности второго слоя – внешняя поверхность трубы-каркаса.

микрофотографии поперечного разреза и внутренней поверхности первого слоя
Рис. 4. Микрофотография полипропиленового волокна
Такая конструкция обусловлена необходимостью создать требуемую прочность изделия за счет более высокой плотности слоя, стремлением в значительной степени ограничить проницаемость стока после прохождения им первого слоя, диспергировать крупные воздушные пузыри и создать каркас для формирования следующего слоя.
Третий слой является основной контактной или рабочей «поверхностью» для прикрепления большей части биомассы. Он выполнен из полипропиленового волокна с расчетным прямоугольным сечением (Рис. 4) и обладает относительно высокой удельной поверхностью (не менее 1220 м23) и низкой плотностью (не менее 95%).
Микрофотографии внешней «поверхности» третьего слоя при  различном увеличении показаны на рисунке 5.
Конструкционной особенностью третьего слоя является нормальная ориентация «ножек» петель волокна к образующей трубы. Это предположительно дает повышение вязкости течения воды, что позволяет задерживать большее количество взвешенных «питательных веществ» внутри каждой петли, где существует биоценоз биопленки, образующийся в аэротенке. Биоценоз выстраивает между поверхностями волокна связи – «мостики», которые увеличивают контактную площадь микроорганизмов со сточными водами и участвуют в построении наиболее вариативных условий для биоценоза, формирующегося в объеме биозагрузки.

В целом, разработанная биозагрузка при обладании заданной структурой должна обеспечивать формирование многослойной объемной биопленки, увеличивающей разнообразие биохимических процессов окисления и сорбции.
микрофотографии поперечного разреза и внутренней поверхности первого слоя
Рис. 5. Микрофотографии внешней «поверхности» третьего слоя под углом 60°
 
макрофотографии касет серийной и опытной биозагрузки
Рис. 6. Макрофотографии касет серийной и опытной биозагрузки
С целью проведения сравнительной оценки, а также получения экспериментальных данных по кинетике роста и эффективности работы биомассы на разработанной  биозагрузке в дополнение к касетам серийной биозагрузки (рис. 6, а) в биофильтры очистного сооружения Alta Air Master была  установлена опытная биозагрузки (рис. 6. б)

Очистное сооружение Alta Air Master состоит из двухкамерного отстойника (1), биореактора с погруженной загрузкой (2), ламинарного отстойника (3), систем коагуляции, обеззараживания, подачи стока и отвода очищенной воды. Общая схема очистного сооружения приведена на рисунке 7.
Отстойник предназначен для осаждения взвешенных частиц и состоит из 2-х отдельных секций с переливом. Перелив в отстойнике расположен таким образом, чтобы сточные воды протекали с наименьшей скоростью, благодаря чему в каждой камере происходит оседание грубодисперсных взвешеных частиц на дно.
блок схема локального очистного сооружения Alta Air Master 30
Рис. 7. Блок схема локального очистного сооружения Alta Air Master 30

Перелив организован в центре объема камеры для обеспечения перетока  максимально очищенной воды. Одновременно с перетоком  стока организовано противоточное движение осадка. Первичный отстойник оборудован автоматической системой обеззараживания осадка, дозирующей овицидный препарат пропорционально величине объема поступающего стока.

Осветленные сточные воды самотеком из отстойника поступают в биореактор, где равномерно распределяются по всей площади биозагрузки, при этом насыщаются биологически значимыми химическими макроэлементами воздуха, посредством работы системы аэрационных элементов. Сюда же подается водный раствор осаждающего химиката (сульфата железа), значительно увеличивающего скорость  коагуляции взвешенных веществ из стока, а так же посредствам химической реакции способствует связыванию фосфора. Коагулянт дозируется (подмешивается) в биореактор пропорционально величине объема поступающего стока.

Биорекатор (биофильтр) предназначен для биологической очистки стока посредством контакта с фиксирован- ной биомассой, закрепленной на поверхности среды носителя (загрузочного материала), которая осуществляет процессы извлечения и сложной биологической переработки загрязнений из сточных вод.
Загрязненная вода проходит биофильтрацию контактируя с биозагрузкой и оставляет в ней нерастворимые примеси, не осевшие в первичном отстойнике, а так же коллоидные и растворенные органические вещества, сорбируемые биопленкой. Микроорганизмы биопленки в процессе ферментативных реакций окисляют органические вещества, получая при этом питание и энергию, необходимые для своей жизнедеятельности. Часть органических веществ микроорганизмы используют как материал для увеличения своей массы.

Таким образом, в процессе метаболических реакций происходит преобразование загрязнений в простые соединения (вода, минеральные соединения и газы), в результате из сточной воды удаляются органические загрязнения, проходят процессы денитрификации и увеличивается масса активной биологической пленки в теле биофильтра. Отработавшая и омертвевшая пленка смывается и выносится из тела биофильтра на дно камеры. Далее она удаляется гидравлической системой сбора и возврата осадка в приемную камеру очистного сооружения. Необходимый для биохимического процесса кислород поступает в толщу загрузки путем подачи воздуха через аэратор.

Характеристики сборочных сегментов серийной и опытной биозагрузки очистного сооружения


Характеристика Серийная Опытная
1 Расчетная площадь поверхности биозагрузки, не менее, м2 0,50 6,42*
2 Удельная  площадь  поверхности биозагрузки, не менее, м23 78 411**  1925***
3 Вес биозагрузки, г 305,7±1,5 736,8±1,5
4 Габаритные размеры (Д×Ш×В), м 1×0,08×0,08 1×0,125×0,125
5 Привес биомассы  по  сухому  веществу за 50 дней, г 5,03±0,05 202,9±0,5

* – значение рассчитано как сумма площадей поверхности полипропиленовой нити пошедшей
на производство биозагрузки и полого цилиндрического каркаса.
** – рассчитано как отношение площади поверхности к объему цилиндра (по габаритным мон- тажным размерам).
*** – рассчитано как отношение площади поверхности к объему полого цилиндра (по фактиче-
ским геометрическим размерам).

Ламинарный отстойник предназначен для удержания открепившихся частиц биомассы и вынесенного из биореактора свободноплавающего активного ила.

Очищенная вода удаляется из станции с помощью дренажных  насосов, объединенных в группу управляемую контроллером КНС.

Автоматизированная система управления станцией запрограммирована на суточный цикл работы и в периоды наименьшего поступления стока с помощью гидравлической системы сбора и возврата осадка, обеспечивает стабильное поступления питательных элементов для поддержания жизнедеятельности биомассы по средствам рециркуляции ила.

Анализ первичных расчетных и экспериментальных данных (Таблица №2), позволяет сделать предварительные выводы  о том, что кинетика роста и эффективность работы биомассы на разработанной биозагрузке относительно серийной выше минимум в 3 раза.

В целом, особенности конструкции разработанной  биозагрузки обусловлены результатом анализа достижений научно-технических работ в области микробиологии сточных вод и собственными идеями по созданию относительно прочного каркаса с высокой пористостью и развитой внутренней и внешней поверхностью. Проверено, что это в комплексе может обеспечивать смену жизнедеятельности аэробных и анаэробных консорций в объеме слоев, посредством возможности  реализации процессов аэрации или гидроаэрации через переходный слой-мембрану, а также регенерацию биомассы на загрузке.

Разработанная биозагрузка при организации локальных очистных сооружениях может быть использована как в проточных аэротенках, так и в аэротенках переменного действия, повышает эффективность работы  биофильтра и позволяет снизить габаритные размеры очистных сооружений.

Представляется перспективным  организация напорных или замкнутых систем биофильтров трубчатого вида с гидроаэрацией. Также представляется перспективной возможность улучшения управления биореакторами за счет подбора автоматических режимов гидроаэрации, что в свою  очередь повысит эффективность перемешивания, регенерации или удаления активного ила.

Загрузка комментариев...
0
0
0
Корзина