Очистка сточных вод в мембранном биореакторе. 05. 23. 04 Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

На правах рукописи

Киристаев Алексей Владимирович

ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД

В МЕМБРАННОМ БИОРЕАКТОРЕ.

05.23.04 – Водоснабжение, канализация,

строительные системы охраны

водных ресурсов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2008

Работа выполнена в открытом акционерном обществе Ордена Трудового Красного Знамени комплексном научно-исследовательском и конструкторско-технологическом институте водоснабжения, канализации, гидротехнических сооружений и инженерной гидрогеологии «НИИ ВОДГЕО» (ОАО «НИИ ВОДГЕО»)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Швецов Валерий Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Стрелков Александр Кузьмич
кандидат технических наук

Соколова Елена Васильевна

Ведущая организация:

ГУП «МосводоканалНИИпроект» г. Москва

Защита состоится «12» ноября 2008 г. в 13⁰⁰, на заседании диссертационного совета Д303.004.01 при ОАО «НИИ ВОДГЕО» по адресу: Комсомольский проспект, 42, стр. 2, г. Москва, Г-48, ГСП-2, 119048.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «НИИ ВОДГЕО»,

тел. (499) 245-95-53, (499) 245-95-56, факс (499) 245-96-27.

Автореферат разослан "__" октября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук

Кедров Ю.В.

Основные условные обозначения

МБР - мембранный биореактор;

МФ - микрофильтрация;

УФ - ультрафильтрация;

ТМД – трансмембранное давление

J_н – нормализованный поток через мембрану

J_уд–удельный поток через мембрану

_max-максимальная удельная скорость роста микроорганизмов

V_max - максимальная удельная скорость окисления субстрата

K_m - константа Михаэлиса

S - концентрация субстрата

E - концентрация фермента

ş – зольность активного ила

X - концентрация микроорганизмов

 - удельная скорость роста микроорганизмов

 - удельная скорость окисления субстрата

Y - экономический коэффициент

 − константа торможения

 − коэффициент ингибирования продуктами распада активного ила

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

К недостаткам традиционных технологий биологической очистки относятся относительно большие объемы очистных сооружений (аэротенков и вторичных отстойников) и степень очистки, которая не всегда удовлетворяет современным требованиям к сбросу очищенных сточных вод в водные объекты. Потенциальные возможности традиционных процессов биологической очистки с активным илом оказались практически исчерпанными. Дальнейшее радикальное улучшение характеристик биотехнологий возможно путем применения принципиально новых решений.

Коренное улучшение технико-экономических характеристик биотехнологий очистки сточных вод весьма перспективно в направлении создания гибридных технологий, максимально использующих достоинства биологических методов и мембранного фильтрования.

Актуальность представленной работы состоит в том, что на данный момент только технология с использованием мембранных биореакторов (МБР) позволяет радикально усовершенствовать технико-экономические характеристики процесса биологической очистки и одновременно является решением проблемы доочистки. В России нет аналогичных установок, исследования в этом направлении практически не проводились, а в зарубежной литературе имеются лишь фрагментарные общие сведения о технологических параметрах работы мембранных биореакторов.

Цели и задачи работы.

Цель работы состояла в создании эффективной технологии глубокой биологической очистки сточных вод с применением мембранной микро- и ультрафильтрации, а также в разработке методики расчета МБР. Для реализации поставленной цели были определены следующие задачи:

исследовать основные закономерности и особенности процессов очистки сточных вод в МБР;
определить кинетические зависимости удаления органических соединений и соединений азота (нитрификация) от качества очищенной воды, концентрации активного ила при различных периодах аэрации в МБР;
определить оптимальные гидравлические и технологические параметры процесса биологической очистки с применением МБР;
обосновать целесообразность и эффективность применения технологии с использованием МБР для очистки сточных вод;
исследовать возможность и эффективность доочистки биологически очищенных сточных вод в МБР.

Научная новизна работы заключается в следующем:

научно обоснованы и экспериментально подтверждены технологические преимущества глубокой биологической очистки сточных вод в МБР;
показано, что разработанный метод очистки в МБР может применяться для обработки неосветлённых городских сточных вод в условиях существенного колебания их состава;
установлена взаимосвязь параметров и условий работы мембран с технологическими параметрами работы биореактора;
показана высокая стабильность процесса очистки в МБР в условиях существенного колебания состава городской сточной воды;
экспериментально установлена высокая эффективность очистки городской сточной воды от органических загрязнений: по ХПК - 80–90%, по БПК – 98,7−99,7%, по аммонийному азоту - 98,5–99,8% и взвешенным веществам при температуре от 8 до 23⁰С, периоде аэрации от 2,5 до 10,3 часов и при более высокой производительности (в 3-4 раза) по сравнению с традиционными аэротенками;
показано, что в МБР процессы биологического окисления органических загрязнений и соединений азота адекватно описываются уравнениями ферментативной кинетики. Для городской сточной воды найдены кинетические константы и коэффициенты, необходимые для расчёта МБР с достижением заданного качества очищенного стока;
определены и технологически аргументированы оптимальные параметры процесса в биореакторе с мембранами (доза ила не более 8 г/л, продолжительность обработки городских сточных вод не менее 4,5-5 часов), а также мембранных блоков – оптимальная величина удельного потока пермеата 0,3−0,35 м³/м².сут.

Практическая ценность:

Впервые теоретически и экспериментально обоснованы преимущества и условия применения МБР для очистки сточных вод с достижением качества очищенного стока до нормативов ПДК рыбохозяйственного водоема (по БПК, взвешенным веществам, соединениям азота) без дополнительной ступени доочистки.
Разработана методика расчета МБР для глубокой биологической очистки сточных вод.
Разработаны рекомендации на проектирование станции очистки городских сточных вод производительностью 30000 м³/сут с использованием МБР.
Разработанная технология и метод расчета МБР могут быть использованы при проектировании и реконструкции систем очистки городских и производственных сточных вод.

Достоверность полученных результатов подтверждается большим объемом и длительностью экспериментальных исследований на лабораторных и пилотных установках с реальными сточными водами в различные сезоны года, сходимостью расчетных и экспериментальных результатов, применением стандартизированных методов измерений и анализа, статистической обработкой результатов.

Обоснованность предлагаемых технологических и конструктивных решений подтверждена лабораторными и полупроизводственными испытаниями с реальными сточными водами.

Апробация работы и публикации:

Основные результаты данной работы докладывались на 7-ом Международном конгрессе "ЭКВАТЕК-2006" (июнь 2006 г), Международной научно-практической конференции «Биотехнология. Вода и пищевые продукты» (март 2008 г), Конференции международной водной ассоциации «Мембранные технологии в водоподготовке и очистке сточных вод» (июнь 2008 г), 8-ом Международном конгрессе "ЭКВАТЕК-2008" (июнь 2008 г).
По теме выполненных исследований опубликовано 8 работ, в том числе 2 статьи в журнале, рекомендованном ВАК.

Реализация результатов исследований:

По разработанным рекомендациям выполнен проект городских очистных сооружений г. Шадринск Курганской области производительностью 30000 м³/сут.

На защиту выносятся:

Результаты теоретических и экспериментальных исследований по:

изучению основных закономерностей и зависимостей окисления органических загрязнений сточных вод в МБР, в условиях полного удержания биомассы в объёме биореактора;
определению кинетических констант и коэффициент уравнений ферментативных реакций, используемых для описания процессов окисления органических соединений в МБР;
определению оптимальных технологических параметров работы МБР;
определению взаимосвязи параметров и условий работы используемых в МБР мембран с технологическими параметрами работы биореактора;
методика расчета МБР для глубокой биологической очистки сточных вод.

Структура и объём работы.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка литературы и приложения. Библиография включает 138 источников, в т.ч. 126 – на иностранном языке. Общий объём диссертации 135 страниц, 41 рисунок и 7 таблиц.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, и сформулированы цель и задачи исследований, ее научная новизна и практическая значимость, а также основные положения диссертации, вынесенные на защиту.

Глава 1 «Современное состояние вопроса биологической очистки сточных вод с применением мембранных биореакторов». Первоначально мембраны использовались как элемент доочистки сточных вод после вторичного отстойника. Они обеспечивали удаление из воды взвешенных веществ и части коллоидных соединений. При этом никакого влияния на параметры работы биологического реактора они не оказывали. В настоящее время наблюдается тенденция расширения применения МБР для очистки как городских, так и промышленных сточных вод.

В разделе 1.1 представлен анализ литературных данных, приведены конструктивные решения МБР, а также прогнозы темпов роста европейского рынка мембран, которые указывают на ежегодное увеличение количества (в среднем на 10%) вводимых в эксплуатацию МБР с наиболее перспективными погружными системами.

В разделе 1.2 приведены технологические решения МБР для очистки сточных вод, отмечены особенности биологической очистки сточных вод с применением МБР. Анализ отечественных и зарубежных источников показал, что для очистки сточных вод наиболее эффективно реализовывать биологическую очистку в МБР с погружными половолоконными микро- и ультрафильтрационными мембранами. Несмотря на большое число научных работ, вопросы изменения проницаемости мембран в системах с активным илом и их регенерации, изменения кинетических характеристик биоценоза активного ила в МБР при накоплении высокомолекулярных соединений в системе, освещены недостаточно, что потребовало проведения специальных исследований.

Глава 2. «Особенности процессов биологической очистки сточных вод в МБР».

В разделе 2.1 представлен анализ теоретических предпосылок использования метода очистки сточных вод с применением МБР, а также методов их математического описания.

Процессы биологической очистки сточных вод являются результатом метаболической деятельности микроорганизмов, основу которых составляют реакции, катализируемые ферментами как внутри клетки, так и за ее пределами. Математическое описание кинетики ферментативных реакций основано на предположении о существовании комплекса фермента с субстратом и зависимости скорости реакции от скорости распада этого комплекса с образованием продукта реакции и свободного фермента. Согласно этой гипотезе для ферментативных реакций, протекающих по схеме^¹:

Е+S  ЕS  E+P (2-1)

Михаэлисом и Ментен выведено известное уравнение:

(2-2)

Согласно этому уравнению зависимость скорости реакции от концентрации органического вещества выражается гиперболической функцией.

При субстратном торможении скорость реакции выражается уравнением:

(2-3)

Скорость роста биомассы () описывается уравнением аналогичным уравнению Михаэлиса-Ментен:

(2-5)

где скорость роста () выражается уравнением:

(2-6)

а скорость прироста биомассы равна:

(2-7)

где X - концентрация микроорганизмов. В популяции микроорганизмов имеется целый спектр исходных медленнорастущих видов, замещение ими исходных форм приводит к перестройке популяции. Один вид (А) вытесняет другой (В) при условии _а> _в. Давление отбора () характеризуется как разница в удельных скоростях роста рассматриваемых видов:

 = _а - _в , (2-15)

При отсутствии лимитирования процесса концентрацией субстрата, скорости роста и скорости окисления близки к максимальным и отбор происходит в пользу микроорганизмов, растущих с максимальной скоростью (_max).

При высоких концентрациях субстрата имеются спектры видов, растущих со скоростью _а и _в, причем _а > _в.

Согласно уравнению 2-1 можно записать:

_a = _а_maxS/(K_а_m+S), (2-16)

_в = _в_maxS/(K_в_m+S), (2-17)

Основным параметром, определяющим вид популяции микроорганизмов, при постоянном расходе сточных вод и достаточно высоком экономическом коэффициенте (Y_аY_в), является величина максимальной скорости роста. Давление отбора определяется разницей максимальных скоростей роста:

 = _аmax-_вmax, (2-29)

Таким образом, в биоценозе активного ила при окислении легкоокисляемого органического субстрата с высоким экономическим коэффициентом происходит автоматическое выделение наиболее быстрорастущих видов, обладающих наиболее высокими максимальными скоростями роста и окисления.

В реакторе в режиме глубокой очистки, когда концентрация субстрата обычно низкая, S₀>>S_t (S<_аm и S<_вm), можно допустить K_аm+SK_аm и K_вm+SK_вm. В этом случае скорости роста рассматриваемых видов ниже максимальных (_a<<_аmax и _в<<_вmax) и их величина в основном определяется величиной параметра K_m:

(2-30)

Когда Y_а и Y_в 0, отбор видов идет по минимальной величине константы K_m, поэтому автоселекция и отбор видов направлены на уменьшение константы K_m.

Наиболее доступными и эффективными в инженерном плане явились методы интенсификации, основанные на увеличении биомассы активного ила. Эти методы внедрялись одновременно с решением проблемы разделения концентрированных иловых смесей или удержания биомассы в реакторах.

Бактерии, осуществляющие глубокое удаление трудноокисляемых и биорезистентных органических веществ, обладают низкими скоростями роста. Удаление трудноокисляемых органических веществ на сооружениях биологической очистки со свободноплавающим активным илом часто не дает должного результата по причине вымывания из системы микроорганизмов, окисляющих эти вещества, но имеющих низкие скорости роста. Наиболее эффективным способом удержания в объёме реактора таких микроорганизмов является использование мембран. Поэтому погружные мембраны представляют большой интерес с точки зрения разработки методов глубокой очистки сточных вод.

В разделе 2.2 основное внимание уделено особенностям работы мембранных блоков в системах биологической очистки. Видовой состав активного ила специфичен и индивидуален для каждого вида сточных вод и, главным образом, определяется качественным и количественным составом загрязнений, а также степенью очистки. Характеристики фильтруемой воды существенно влияют на степень забивания мембран в любых мембранных системах. В МБР фильтруемой средой является активный ил, состав которого очень сложен. Механизмы задержания и забивания в основном обусловлены адсорбцией на слое кека или отложением внутри пор мембраны. Во многих случаях накопление кека (слоя осадка) является основным механизмом забивания мембран в МБР.
Процесс забивания мембран в значительной степени определяется технологическими режимами работы биологической ступени МБР, гидродинамической обстановкой в реакторе, а также параметрами и схемой фильтрования, перепадом трансмембранного давления (ТМД) и скоростью фильтрования. Несмотря на большое число публикаций, единая точка зрения на взаимосвязь интенсивности забивания мембран с параметрами работы биологического реактора до сих пор отсутствует, что также требует проведения экспериментальных исследований.

В главе 3 описаны модели лабораторных мембранных биореакторов и приведена методика экспериментальных исследований в соответствии с поставленными задачами.
Исследования проводилась в непрерывно-проточных условиях на лабораторных и пилотной установках МБР с модельными и реальными сточными водами от производства картофельных чипсов и городскими сточными водами (г. Подольск). Были созданы автоматизированные испытательные стенды МБР со свободноплавающей микрофлорой, оборудованные половолоконными микрофильтрационными мембранами с размером пор 0,22 мкм, а также пилотная установка производительностью до 240 л/сут с ультрафильтрационным половолоконным мембранным модулем (диаметр пор 0,04 мкм) (рис. 3.2.2).

Рис. 3.2.2. Схема и общий вид пилотной установки.
1.– сетчатый фильтр; 2.– питающий насос; 3.– насос отбора проб; 4.– мембранный биореактор; 5.– мембранный модуль; 6.– воздушный компрессор; 7.– рабочий насос; 8.– линия обратной промывки; 9.– блок управления; 10.– термометр; 11.– датчик уровня; 12.– датчик рН-метра; 13.– емкость очищенной воды.

Параллельно по традиционной схеме работала установка аэротенк с отстойником.
Эксперименты проводились в непрерывно-проточном режиме в течение длительного времени (от 50 до 350 сут), контроль работы установок осуществлялся на основе стандартных методов анализа, результаты которых подвергались статистической обработке. Кинетические параметры зависимостей определялись графо-аналитическим методом.

Пилотная установка была смонтирована на очистных сооружениях г. Подольска в здании решеток. Установка работала более 12 месяцев. Подача исходной сточной воды производилась непосредственно из канала после механических решеток. Эффективная фильтрационная площадь половолоконных мембран (с размерами пор – 0,04 мкм) составляла 0,93 м². ТМД поддерживалось в пределах 0,5-5 м. вод. ст.

Процесс фильтрования осуществлялся в циклическом режиме (фильтрация - обратная промывка-фильтрация) с различной частотой. Режимы фильтрования варьировались в диапазоне 600–1800 с (фильтрование), обратная промывка осуществлялась в течение 30 с.

В главе 4 «Экспериментальные исследования» изложены результаты экспериментальных исследований.

Раздел 4.1 посвящен оценке принципиальной возможности использования мембранной микрофильтрации для доочистки биологически очищенной воды, определению роли мембранной фильтрации в процессе доочистки в условиях полного удержания биомассы в биореакторе. Производственные сточные воды характеризуются высоким значением остаточной ХПК. Часто эти стоки имеют высокую цветность. Нередко требуется ступень доочистки для дополнительного снижения ХПК, а традиционные биологические методы доочистки не способны удалять остаточные концентрации загрязнений по ХПК, взвешенные вещества, цветность. В качестве субстрата была выбрана выходящая после вторичных отстойников вода от производства картофельных чипсов. Биологически очищенный сток характеризовался высокой цветностью 80-140 гр. ПКШ, ХПК – 35-120 мг/л, БПК – 5-25 мг/л, азот аммонийный 2-12 мг/л. Результаты работы лабораторной установки по доочистке представлены на рис.4.1.1, 4.1.2, 4.1.4.

Рис. 4.1.1. Динамика изменения содержания органических загрязнений по ХПК.

Эффект очистки по ХПК за период исследований в мембранном биореакторе составил 25%.
Эффект очистки по цветности при установившемся режиме в МБР получен в среднем 15% (рис.4.1.2).

Рис. 4.1.2. Динамика изменения цветности в процессе доочистки биологически очищенной воды в МБР

В процессе доочистки в лабораторной установке МБР имела место нитрификация (рис.4.1.4), которая осуществлялась за счет накопления в МБР биомассы активного ила и, соответственно, нитрификаторов.

Рис. 4.1.4. Динамика изменения азота аммонийного

Концентрация активного ила возросла с 0,08 г/л до 0,8 г/л. Содержание взвешенных веществ в выходящей воде после мембранных биореакторов снижается практически до 0 мг/л.
К концу эксперимента внутри МБР концентрация органических загрязнений по ХПК достигла 270 мг/л, а цветность - 190 град. ПКШ. Вероятно, это биологически стойкие соединения в коллоидной форме, поскольку они задерживаются мембраной.

Материальный баланс по ХПК показал, что при доочистке в МБР окисляется 20,9% из поступившей органики, 3,5% накапливается в виде коллоидов и 75,6% выходит с очищенной водой.

Анализ результатов лабораторных исследований по доочистке биологически очищенных сточных вод указывает, что применение одной мембранной фильтрации даже при наличии активного ила на стадии доочистки не обеспечивает достаточно глубокого окисления остаточных биорезистентных органических веществ (гуминовых, фульвокислот и др.). Остаточная ХПК снижается на 24,4%, цветность - всего на 17,4%.

В то же время, МБР обеспечивает снижение азота аммонийного на 65%, глубокое удаление взвешенных веществ на 95-99%, что позволяет получить очищенную воду, удовлетворяющую современным нормативам по взвешенным веществам (до 3 мг/л).

В разделе 4.2 представлены результаты лабораторных исследований на имитате сточной воды. Цель данной работы заключалась в сравнительной оценке технологических преимуществ метода очистки сточных вод в МБР с традиционной схемой. В качестве органического субстрата использовался ацетон (источник углерода) с добавлением биогенных элементов. Параллельно работал аэротенк с активным илом. Расход сточной воды на аэротенк изменялся от 2,5 до 7 л/сут. Расход воды на МБР в среднем составлял 8 л/сут. Снижение концентрации органических загрязнений по ХПК в МБР и аэротенке представлено графически на рис. 4.2.1.

Рис. 4.2.1. Концентрация органических загрязнений по ХПК (усредненные данные) до и после очистки

Эффективность очистки по ХПК за этот период в аэротенке составляла – 84%, в МБР - 93%, причём окисление органических веществ происходит значительно глубже и с более высокими удельными скоростями окисления (рис.4.2.3).

Рис. 4.2.3. Зависимость окислительной мощности от качества очищенной воды

Как видно из рис. 4.2.3 и 4.2.6 окислительная мощность (ОМ) в МБР по ХПК и аммонийному азоту в 3-4 раза выше ОМ аэротенка при более высокой степени очистки.

Рис. 4.2.6. Зависимость окислительной мощности по аммонийному азоту от его содержания в очищенной воде

Увеличение дозы ила в сооружениях биологической очистки приводит к повышению ОМ (рис.4.2.4). В аэротенке на протяжении всего эксперимента доза активного ила поддерживалась в пределах 0,5-2 г/л, в МБР при иловом индексе 200-600 мл/г концентрация активного ила возрастала от 1,5 до 16 г/л. В аэротенке с вторичным отстойником наблюдался вынос взвешенных веществ от 10 до 190 мг/л.

Рис. 4.2.4. Зависимость окислительной мощности (по ХПК) от дозы ила

Однако, увеличение концентрации активного ила в МБР свыше 10 - 12 г/л приводит к ухудшению гидродинамической обстановки в реакторе, снижению массообменных характеристик системы, затруднению доступа кислорода к активному илу, наблюдаются процессы самоокисления ила, которые сопровождаются ухудшением качества очищенной воды.

Исследования подтвердили перспективность технологии с применением МБР для биологической очистки сточных вод. Совмещение мембранной микрофильтрации с биологическим окислением обеспечивает:

увеличение глубины очистки и достижение качества очищенной воды до нормативов на сброс в водоем рыбохозяйственного назначения;

повышение окислительной мощности аэрационных сооружений по удалению органических загрязнений и соединений азота в 3-4 раза за счет накопления до оптимальной величины дозы ила в системе;

практически полное задержание взвешенных веществ; стабильную эффективность очистки при наличии активных илов с высоким иловым индексом (до 250 мл/г и выше);

устойчивость процесса биологического окисления органических соединений и соединений азота;

удаление органических загрязнений сточной воды в МБР и традиционных аэротенках описывается идентичными зависимостями.

В разделе 4.3 представлены результаты исследований на пилотной установке в условиях действующих сооружений канализации г. Подольска (Московская обл.) на городских сточных водах. Усреднённые показатели качества исходной воды, подаваемой на установку, составляли: взвешенные вещества – 90-200 мг/л; ХПК – 180-300 мг/л; БПК_полн – 120-210 мг/л; азот аммонийный – 17-30 мгN/л; азот органический – 8-22 мгN/л; фосфор – 2,3-4 мгР/л.

В результате проведенных исследований:

изучены основные закономерности и особенности процессов биологической очистки в МБР на реальных сточных водах;

оценены предельные возможности технологии с применением МБР по производительности (окислительная мощность) и по глубине удаления органических загрязнений и соединений азота;

показаны преимущества и условия применения МБР для очистки сточных вод с достижением качества очищенного стока до нормативов ПДК рыбохозяйственного водоема (БПК -1-1,5 мг/л, взвешенные вещества 0-3мг/л, азот аммонийный <0,39 мг/л) без дополнительной ступени доочистки;

оценена стабильность технологического процесса в производственных условиях при существенных колебаниях состава и расходов городских сточных вод, температуры и других параметров;

в реальных условиях получены оптимальные технологические параметры, кинетические константы и коэффициенты, необходимые для расчета сооружения.

За весь период работы установки можно выделить 7 технологических режимов по продолжительности аэрации (Т_аэр). Результаты работы установки приведены на рис.4.3.3, 4.3.4.

Рис.4.3.3. Усредненные показатели работы установки

Важной особенностью работы МБР является возникновение градиента концентраций между содержимым биореактора и пермеатом по различным показателям. За период наблюдений отмечалось увеличение ХПК, БПК и концентрации аммонийного азота внутри биореактора по сравнению с пермеатом.
Эффективность очистки по ХПК, БПК и удалению аммонийного азота (в целом по системе «биореактор – мембранный модуль») практически не зависит от времени обработки при Т_аэр от 2,5 до 17 ч (рис.4.3.4). Эффективность очистки по ХПК составляла 80-90%, по БПК – 98,7-99,7%, по аммонийному азоту – 98,5-99,8%, что не достижимо на традиционных сооружениях биологической очистки.

Рис.4.3.4. Взаимосвязь эффективности очистки с периодом аэрации.

Для установления взаимосвязи между технологическими параметрами был проведён корреляционный анализ. Имеет место статистическая связь градиента концентрации аммонийного азота с Т_аэр (R= - 0,81) и концентрацией активного ила (R= 0,62) в биореакторе. Градиент концентраций азота при Т_аэр 2,4–3,2 ч также возрастает. Аммонийный азот не может быть задержан мембраной, перепад его концентраций можно объяснить только процессом нитрификации, протекающим на самой мембране (снаружи или внутри). Это подтверждается также увеличением концентрации нитратов в пермеате по сравнению с их содержанием внутри биореактора. Градиент концентрации аммонийного азота также возрастает при дозах ила 8−16 г/л.

Оценка взаимосвязи ОМ с Т_аэр в МБР и концентрацией активного ила показала, что ОМ изменяется в зависимости от этих технологических параметров аналогично процессам, протекающим в аэротенках (рис. 4.3.6).

Рис.4.3.6. Взаимосвязь окислительной мощности по ХПК с периодом аэрации и дозой ила.

ΔХПК (разница ХПК внутри биореактора и на выходе) значительно возрастала при снижении Т_аэр (R= -0,51), что связано с дисбалансом между скоростью поступления загрязнений и скоростью их биологического окисления.

Рис.4.3.7. Зависимость градиента ХПК от периода аэрации и дозы ила в биореакторе

Наблюдалась также устойчивая статистическая связь градиента ХПК с концентрацией активного ила (R= 0,57) в биореакторе (рис.4.3.7).
Однако поддерживать дозу ила в биореакторе свыше 8 г/л (для данного вида сточной воды) технологически нецелесообразно не только из-за процессов самоокисления ила и накопления продуктов метаболизма, но и заметного ухудшения условий массопередачи. При дозе активного ила в системе до 8 г/л наблюдался достаточно низкий градиент концентраций как органических загрязнений (по ХПК и БПК), так и азота. Взаимосвязь градиента БПК с Т_аэр и дозой активного ила аналогична представленной выше зависимости градиента ХПК.

Обработка полученных данных позволила определить тип уравнения кинетики окисления данного вида сточных вод, рассчитать коэффициент ингибирования скорости процесса активным илом  и привести к единой дозе ила удельные скорости окисления , мг/(г.ч), с целью определения остальных кинетических констант V_max, K_m и :

, (4-1)

где V_max – максимальная удельная скорость биохимической деструкции субстрата, отнесенная к единице массы микроорганизмов, мг/(гч); S– концентрация субстрата (количество органических веществ по БПК в очищенной воде), мг/л; K_m – константа Михаэлиса, характеризующая сродство фермента с субстратом, мг/л;  − константа торможения.

Зависимость удельной скорости окисления по БПК биореактора от качества очистки, дополненная данными работы действующего производственного аэротенка (который работал при более низких гидравлических нагрузках) и рассчитанная по вышеприведенному уравнению для реакции с торможением субстратом, подтверждает, что кинетика окисления органических загрязнений по БПК как в производственном аэротенке, так и в МБР описывается идентичной зависимостью.

В разделе 4.4 представлены результаты изучения работы погружных мембранных блоков в МБР. Целью исследований было выявление взаимосвязи параметров работы биореактора с темпом забивания мембран и нахождение оптимальных условий проведения фильтрования.

Параметры работы микрофильтрационных мембран существенно влияют на условия работы биореактора и одновременно зависят от технологических режимов биологического процесса. На эффективность работы мембранных модулей также оказывают влияние скорость потока при фильтровании, интенсивность обратного потока при промывке мембран, частота и длительность циклов фильтрования и обратных промывок, а также интенсивность барботажа воздухом. Поэтому в течение всего эксперимента в автоматическом режиме проводились измерения величин потоков пермеата и потоков при обратной промывке, а также соответствующих им перепадов ТМД на мембранах (рис.4.4.1).

В качестве обобщенной характеристики использовалась величина нормализованного потока J_н, измеряемая как удельный поток через мембрану − м³/(м².сут), отнесенный к единице перепада давления (м. вод. ст.), − м/(сутм. вод. ст.).

Рис.4.4.1. Характеристика работы мембранного модуля пилотной установки за период исследований.

На рис.4.4.4. представлены обобщенные результаты работы мембран от разных производителей и отличающихся размером пор (0,22-0,04 мкм).

Рис.4.4.4. Сводная характеристика работы различных мембран.

Графики на рис.4.4.4. показывают, что несмотря на разницу в размерах пор, разные условия работы биореакторов и состав очищаемых жидкостей, в течение первых примерно 30 дней любая новая мембрана резко снижает свою производительность. После этого наступает длительный период стабильной работы (независимо от условий, типа сточной воды, нагрузок и т. д.) с весьма низким и примерно одинаковым темпом потери производительности. Величина J_н − 0,2–0,4 м/(сут. м. вод ст.), наблюдаемая в этот период, приемлема с технологической и технико-экономической точек зрения. Длительность этого периода также весьма велика, на что указывает непрерывная работа мембран в пилотной установке в течение года без необходимости ее химической очистки.

Корреляционный анализ позволил установить взаимосвязь среднего темпа снижения нормализованного потока J с технологическими параметрами работы мембранного биореактора. Наблюдается устойчивая статистическая связь темпа снижения нормализованного потока J_н с дозой ила в реакторе (R= 0,76) и с удельной скоростью окисления (рис.4.4.2).

Зависимость темпа снижения нормализованного потока от удельной скорости окисления имеет ярко выраженный минимум, что свидетельствует о наличии области оптимальных параметров работы биореактора по нагрузке на ил. Этот режим характеризуется максимальной степенью очистки в реакторе и минимальным темпом падения производительности мембран.

Рис.4.4.2. Влияние удельной скорости окисления, дозы ила на средний темп снижения нормализованного потока.

Минимальному темпу снижения нормализованного потока J [0,001−0,0015 м³/(м².сут м. вод. ст.)] соответствует величина удельного потока пермеата 0,3−0,35 м³/(м².сут), что приемлемо с практической точки зрения.

Глава 5 «Методика расчёта очистных сооружений и технико-экономическая оценка технологии очистки сточных вод в МБР».

В разделе 5.1 представлена методика расчёта биореакторов. Проведенные исследования показали, что расчет биореактора в системах с МБР может производиться по тем же зависимостям, что и аэротенков. Основными расчетными параметрами являются удельная скорость окисления при заданной степени очистки по БПК и доза ила.
Удельная скорость окисления по БПК с учётом степени очистки и концентрации активного ила рассчитывается по уравнению (5-3) с использованием констант и коэффициентов, полученных экспериментальным путем:

(5-3)
Кинетические константы и коэффициенты для конкретного вида городских сточных вод, полученные в результате обработки результатов выполненных исследований, представлены в таблице 5.1.1, и используются при технико-экономической оценке мембранной биотехнологии.

Таблица 5.1.1.

Кинетические константы и коэффициенты для технологического расчета очистных сооружений.

Требуемая площадь фильтрации половолоконных микрофильтрационных мембран, м² определяется как отношение расхода воды на сооружение (м³/сут.) и рекомендуемой скорости фильтрования через мембраны, м³/м².сут. Скорость фильтрования для исследованных мембран рекомендуется принимать от 0,3 до 0,35 м³/м².сут.

В разделе 5.2 представлено конструктивное оформление МБР, система автоматического контроля и управления.

В разделе 5.3 выполнена технико-экономическая оценка применения МБР для станции производительностью 30000 м³/сут на примере городских сточных вод. Технико-экономический расчет сооружений биологической очистки выполнен для двух вариантов: технологическая схема очистки сточных вод с использованием МБР без первичных отстойников и аэротенков по традиционной схеме. Сооружения механической очистки, удаления и обезвоживания осадка приняты одинаковыми для обоих вариантов и в расчёте не учитываются.
Результаты технико-экономического расчета представлены в таблицах 5.3.1 и 5.3.2.

Таблица 5.3.1.
Технологический расчёт очистных сооружений по сравниваемым вариантам.

Сравнительный анализ показывает, что технология очистки сточных вод в МБР позволяет сократить объемы очистных сооружений в 3-4 раза, занимаемую ими площадь в 3-6 раз; сократить количество элементов очистных сооружений, исключив из технологической схемы первичные и вторичные отстойники, блок доочистки, упростить условия эксплуатации; улучшить качество очищенного стока по ХПК в 2-2,5 раза и по БПК – в 5-6 раз, обеспечить практически полное удаление взвешенных веществ и аммонийного азота.

Таблица 5.3.2.

Технико-экономическая оценка показателей сравниваемых вариантов.

Технико-экономическая оценка предлагаемой схемы с МБР по сравнению с традиционной технологией очистки сточных вод показала, что стоимость строительно-монтажных работ по двум вариантам практически равна, но при использовании разработанной технологии достигается экономия за счёт сокращения расходов по таким статьям, как амортизация зданий и сооружений, содержание и текущий ремонт зданий и сооружений. Также в связи с уменьшением количества работающего персонала можно прогнозировать снижение расходов на содержание цехового персонала, заработную плату с начислениями, социальные отчисления, которые трудно поддаются расчёту на стадии анализа новых технологических решений. Снижение затрат на этапе капитального строительства происходит в связи с сокращением занимаемых очистными сооружениями площадей (в рассматриваемом варианте более чем в 7 раз по занимаемой площади), по традиционной схеме рыночная стоимость земельного участка достигает 45-50% от стоимости строительно-монтажных работ данного состава очистных сооружений. При реконструкции существующих очистных сооружений применение МБР позволяет увеличить глубину очистки сточных вод без дополнительного увеличения занимаемых площадей. Годовой экономический эффект может быть рассчитан как разница приведенных затрат при замене одного варианта другим исходя из точных данных о приведенных затратах с учётом капитальных вложений, включающих стоимость оборудования, затрат на зарплату персонала и эксплуатационных затратах.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Впервые теоретически и экспериментально обоснованы преимущества и условия применения МБР для очистки сточных вод с достижением качества очищенного стока до нормативов ПДК рыбохозяйственного водоема (БПК -1-1,5 мг/л, взвешенные вещества 0-3 мг/л, азот аммонийный <0,39 мг/л) без дополнительной ступени доочистки.

Исследования с городскими сточными водами подтвердили высокую эффективность очистки от органических загрязнений по ХПК 80–90%, по БПК – 98,7−99,7%, по аммонийному азоту - 98,5–99,8% и взвешенным веществам при температуре от 8 до 23⁰С и периоде аэрации от 2,5 до 10,3 часов.

Установлена взаимосвязь параметров и условий работы мембран с технологическими параметрами работы биореактора.

Показано, что окислительная мощность МБР по сравнению с традиционными аэротенками возрастает в 3-4 раза. Мембранные биореакторы обеспечивают устойчивость процесса биологической очистки при гарантированном качестве очищенной воды в условиях гидравлических колебаний и изменения качества состава поступающих сточных вод.

Исследования процесса биологической очистки модельных стоков и реальных сточных вод в МБР (в условиях полного удержания биомассы в объёме биореактора) впервые позволили показать, что процессы окисления органических загрязнений сточной воды в МБР подчиняются тем же зависимостям и закономерностям, что и в аэротенках, и адекватно описывается уравнениями ферментативной кинетики.

Для городской сточной воды найдены кинетические константы и коэффициенты, необходимые для расчёта МБР с достижением заданного качества очищенного стока.

Определены и технологически аргументированы оптимальные параметры процесса в биореакторе с мембранами (доза ила не более 8 г/л, продолжительность обработки городских сточных вод не менее 4,5-5 часов), а также мембранных блоков – оптимальная величина удельного потока пермеата 0,3−0,35 м³/м².сут.

Разработана методика расчета мембранных биореакторов для глубокой биологической очистки сточных вод.

Разработаны рекомендации на проектирование станции очистки городских сточных вод производительностью 30000 м³/сут с использованием МБР.

Разработанная технология и метод расчета сооружений могут быть использованы проектными и эксплуатирующими организациями при проектировании и реконструкции систем очистки городских и производственных сточных вод.

Публикации по теме диссертации:

Швецов В.Н., Морозова К.М., Киристаев А.В. Преимущества биомембранных технологий для биологической очистки стоков//Экология производства. 2005. № 11.

Швецов В.Н., Морозова К.М., Нечаев И.А., Киристаев А.В. Теоретические и технологические аспекты применения биомембранных технологий глубокой очистки сточных вод//Водоснабжение и санитарная техника. №12, 2006. С.25.

Швецов В.Н., Морозова К.М., Киристаев А.В. Биомембранные технологии для очистки сточных вод//Экология производства. 2006. №5.

Швецов В.Н., Морозова К. М., Пушников М.Ю., Киристаев А.В., Семёнов М.Ю. Перспективные технологии биологической очистки сточных и природных вод//Водоснабжение и санитарная техника. 2005. N12 (часть 2)

Киристаев А.В. Влияние технологических режимов биореактора на работу мембранных блоков//Сборник статей Международной научно-практической конференции «Биотехнология. Вода и пищевые продукты»: М., 2008.-С.348

Shvetsov V.N., Semenov M.Yu., Kiristaev A.V. Interrelation between technological parameters of bioreactors and membrane operation // IWA regional conference “Membrane technologies in water and wastewater treatment”. Conference proceedings. 2008. С.246

Швецов В.Н., Морозова К.М., Киристаев А.В., Смирнова И.И. Установка для очистки сточных вод от органических соединений. Патент на полезную модель №74122 от 20.06.2008 г.

Швецов В.Н., Морозова К.М., Киристаев А.В., Смирнова И.И. Способ очистки сточных вод от органических соединений, азота и фосфора. Решение о выдаче патента на изобретение от 15.09.2008 г. Заявка №2008112083/15(013068) от 01.04.2008 г.

ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД В МЕМБРАННОМ БИОРЕАКТОРЕ.
Киристаев Алексей Владимирович

05.23.04. Водоснабжение, канализация,

строительные системы охраны водных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

Подписано к печати .10.08 г.
Бумага офсетная.

Печать офсетная.

Заказ №

Тираж: 100 экз.

1 Нумерация таблиц, рисунков и формул принята в соответствии с диссертацией.