Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ 9
Глава 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 35
2.1 Экспериментальные установки 35
2.2 Методы идентификации микроорганизмов биоценоза иммобилизованной биопленки 37
2.3 Методы оценки физиологического состояния и метаболической активности иммобилизованных клеток 39
Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАНИЗМА ФОРМИРОВАНИЯ ИММОБИЛИЗИРОВАННОЙ БИОПЛЕНКИ 62
Глава 4. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ РЕАКТОРОВ С
БИОПЛЕНКОЙ НА НЕПОДВИЖНОМ ТВЕРДОМ НОСИТЕЛЕ 79
Глава 5. МОДЕЛИРОВАНИЕ БИОФИЛЬТРОВ С ЗАГРУЗКОЙ 96
5.1 Экспериментально-расчетные исследования процессов очистки биопленкой на загрузочном материале 96
5.2 Гидравлические модели биофильтров с загрузкой 98
5.3 Технологические модели биофильтров с загрузкой 108
5.4 Модели с ограничением по массопередаче кислорода 110
Глава 6. МОДЕЛИРОВАНИЕ БИОРЕАКТОРОВ СВРАЩАЮЩИМИСЯ ДИСКАМИ 131
6.1 Исследование процессов окисления в биодисках 133
6.2 Моделирование и расчет биодисков 135
6.2.1. Модель биореактора с дисками, погруженными в жидкость ниже оси вращения 136
6.2.2. Модель биореактора с дисками, погруженными в жидкость выше оси вращения 137
6.2.3. Модель биореактора с дисками, полупогруженными в
жидкость (ТІ =1) 138
6.3 Процессы нитрификации в биодисках 140
Глава 7. РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОГРУЖНЫХ АЭРИРУЕМЫХ БИОФИЛЬТРОВ ; 159
ВЫВОДЫ 172
ЛИТЕРАТУРА 174
ПРИЛОЖЕНИЯ 182
- СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
- Экспериментальные установки
- ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАНИЗМА ФОРМИРОВАНИЯ ИММОБИЛИЗИРОВАННОЙ БИОПЛЕНКИ
Введение к работе
В технологии очистки производственных сточных вод, в особенности стоков предприятий отраслей агропромышленного комплекса, основное применение имеют аэробные биологические методы обработки. Применение биологических методов является одним из путей внедрения безотходной технологии очистки сточных вод, т.к. в настоящее время уже существуют технологии, обеспечивающие аэробную биологическую очистку сточных вод практически без вывода активного ила.
В то же время следует отметить, что возможности методов биологической очистки к настоящему времени далеко не полностью исчерпаны. Актуальность проблемы интенсификации процессов биологической очистки сточных вод несомненна, т.к. повышение технико-экономических показателей этого способа обработки при широких масштабах его применения позволит дать значительный экономический эффект народному хозяйству страны.
Одним из основных путей интенсификации аэробной биологической очистки сточных вод является повышение концентрации взаимодействующих компонентов, участвующих в процессе, микроорганизмов и растворенного кислорода. Для достижения этих целей разработаны сооружения с повышенными дозами активного ила, с применением технического кислорода, с более эффективным использованием кислорода, с более производительными аэраторами и т.д. Однако и эти возможности оказались не беспредельными главным образом из-за ограниченной интенсивности диффузионных процессов в аэрационных сооружениях. Для преодоления этого недостатка необходимо обеспечить большую продолжительность контакта обрабатываемой среды с источником кислорода, увеличить поверхность раздела фаз «жидкость-кислород» и осуществить более быстрое обновление их границ. Реализация этих
направлений привела, с одной стороны, к созданию глубоких (шахтных) аэротенков, а с другой - к использованию биологических систем с прикрепленной (иммобилизованной) микрофлорой. В последние десятилетия в научно-технической литературе растет количество работ, посвященных применению систем, использующих иммобилизацию микроорганизмов на носителях.
Прикрепление микроорганизмов к твердому носителю увеличивает продолжительность их пребывания в реакционной среде, в результате чего снижаются затраты субстрата питательной среда на биосинтез новых клеток и значительно уменьшается- прирост избыточной биомассы. Последнее обстоятельство имеет немаловажное значение с учетом затрат на утилизацию больших количеств биомассы активного ила. В биологических слоях, образующихся на твердой поверхности носителя, при стационарном режиме работы биореактора устанавливается равновесие между процессами прироста биопленки и вымывания ее из слоя носителя, В связи с этим отпадает необходимость в рециркуляции биомассы, принципиально необходимой при очистке сточных вод в традиционных аэротенках, работающих на дисперсной биомассе. К тому же следует отметить меньшую влажность биопленки по сравнению с биомассой активного ила традиционных аэротенков, а значит и более эффективное отделение биопленки от очищенной воды во вторичных отстойниках.
Для аэробных биологических иммобилизованных систем важно и то, что в трехфазной среде, состоящей из жидкости, газа и твердого носителя, увеличивается эффективность использования кислорода. Доза прикрепленной биомассы активного ила, развивающейся на поверхности твердого носителя, составляет 30 г/л и выше по беззольному веществу, что совершенно недостижимо для традиционных аэротенков при любом способе сгущения активного ила.
Однако, несмотря на перечисленные выше преимущества, метод иммобилизации микроорганизмов на твердом носителе еще не нашел широ кого применения в промышленности. Это объясняется тем, что имеющиеся сведения о биологической очистке с применением техники иммобилизации биомассы в научно-технической литературе не систематизированы, часто носят противоречивый характер и, как правило, недоступны широкому кругу специалистов в области очистки промышленных сточных вод.
Значительно затрудняет внедрение в практику очистки сточных вод иммобилизации биомассы микроорганизмов отсутствие единой методики расчета и рекомендаций по аппаратурному оформлению процесса очистки в промышленных условиях. Имеющиеся литературные данные о- высокой эффективности применения техники иммобилизации для биологического удаления углеродсодержащей органики, нитрификации и денитрификации либо содержат разрозненный материал, либо совершенно непригодны для практического использования при проектировании очистных сооружений. Разработка промышленной технологии биологической очистки сточных вод в иммобилизованных слоях требует проведения широких экспериментальных и теоретических исследований физических и биологических процессов как в лабораторных, так и в производственных условиях. Такие исследования, включающие изучение гидродинамики и кинетики биологических процессов синтеза биомассы и усвоения5 органических загрязнений сточных вод, позволят обеспечить создание наиболее рациональных и эффективных конструктивных схем сооружений аэробной биологической очистки.
Цель и задачи исследований
Целью настоящей работы являлась разработка расчетно-экспериментальных моделей технологических процессов функционирования сооружений аэробной биологической очистки с иммобилизованной микрофлорой.
При выполнении работы были поставлены следующие задачи: - экспериментальные исследования закономерностей формирования фиксированной биологической пленки при различных условиях
функционирования биологического комплекса, включающего носитель, пленку, жидкость и газ;
- экспериментальные исследования процессов массообмена между биопленкой, жидкостью и газом в аэротенках, оснащенных различными схемами иммобилизации микроорганизмов на твердых носителях;
- разработка гидродинамических моделей гетерогенных реакторов с фиксированной биологической пленкой и оценка эффективности их функционирования при различных нагрузках по органическим загрязнениям;
разработка математических моделей процессов аэробной биологической очистки в реакторах различных технологических схем с иммобилизованными слоями биопленки;
Научная новизна.
Проведен комплекс экспериментальных исследований по определению влияния внутренних и внешних факторов на процессы формирования иммобилизованной биопленки на твердых носителях.
Получены уравнения балансов веществ, участвующих в процессе биохимического окисления органического субстрата микроорганизмами иммобилизованной на носителе биопленки.
Разработаны математические модели процессов, протекающих в системах биологической очистки с иммобилизованной биопленкой микроорганизмов.
Выданы рекомендации по выбору оптимальных технологических режимов систем аэробной биологической очистки сточных вод, реализующих иммобилизацию биомассы на твердых носителях различных видов.
Практическая ценность.
Полученные выводы базируются на результатах экспериментальных и модельных исследований гидродинамических схем иммобилизованных
систем очистки и позволяют с достаточно высокой надежностью рекомендовать разработанные конструктивно-технологические решения при создании новых и реконструкции действующих сооружений биологической очистки сточных вод различного происхождения. Разработанные рекомендации подтверждены материалами теоретических и экспериментальных работ, показавших высокую степень сходимости, что обеспечивают возможность их надежного использования в производственных условиях с учетом особенностей конкретных видов и характеристик очистных сооружений.
Апробация работы.
На основании проведенных исследований разработаны: 1. «Научно-методические рекомендации по оптимизации гидродинамических процессов в аэрируемых сооружениях биологической очистки высоконагруженных сточных вод предприятий агропромышленного комплекса» (Утв. ВНИТИБП РАСХН, 29.08.2005г.)3
2. «Основы технологического регламента сооружений аэробной биологической очистки» (Утв. Отделением ветеринарной медицины РАСХН 15.09.2005г.)
Результаты и материалы выполненной работы использованы ГУП «МосводоканалНИИпроект» при проектировании очистных сооружений г.Гагарина.
Материалы диссертационной работы доложены на III Международной научно-практической конференция «Проблемы строительства, инженерного обеспечения и экологии городов» г. Пенза, 2001; Научно-практической конференции МИКХиС-2002, г. Москва, 2002; III Всероссийская научно-практическая конференция «Экология человека: концепция факторов риска, экологической безопасности и управления рисками» г. Пенза, 2006.
Состояние вопроса и выбор направления исследований
В настоящее время все более пристальное внимание специалистов в нашей стране и за рубежом привлекают вопросы применения прикрепленной микрофлоры в практику очистки производственных и бытовых сточных вод. Гетерогенные реакторы с иммобилизованной биопленкой обеспечивают высокую эффективность при удалении углеродсодержащей органики и при нитрификации в аэробных условиях. Применение твердых частиц -носителей с прикрепленной к ним микрофлорой в значительной степени совершенствует технологию биологической очистки сточных вод, позволяет управлять процессом и при необходимости интенсифицировать его. Потенциальное преимущество иммобилизованных биологических слоев состоит в том, что размеры биомассы, прикрепленной к отдельной частице носителя (толщина биопленки), могут поддерживаться постоянными за счет создания определенных гидродинамических условий, т.е. создаются условия управления процессами в системах биологической очистки сточных вод [5, 10,24,25,45,58,62].
Большинство биотехнологических процессов основано на использовании микробных клеток, поэтому проблемы, связанные с выбором наиболее обоснованного и технологически приемлемого варианта их применения, имеют первостепенное значение. Отсюда, собственно говоря, и возникла в свое время идея закрепить клетку на или в нерастворимом носителе, чтобы воспользоваться рядом преимуществ гетерогенного процесса над гомогенным.
В настоящее время иммобилизованными считаются такие клетки, для которых созданы искусственные ограничения подвижности во внешней среде, а материальный посредник, обеспечивающий эти ограничения подвижности, считается носителем. В целом система «клетка - носитель» называется иммобилизованной биосистемой.
Во-первых, к преимуществам иммобилизованной системы относится существенное упрощение операции отделения биомассы микроорганизмов от сточной воды. Это в свою очередь позволяет перейти от периодических схем к более производительным и прогрессивным непрерывным технологиям с одновременным значительным уменьшением (а значит и удешевлением) размеров применяемых реакторов.
Во-вторых, для непрерывных процессов обработки СТОЧНЫХ вод появляется принципиальная возможность значительно более длительной эксплуатации биоокислительных свойств клеток бактерий в иммобилизованном состоянии в противовес, как правило, однократному использованию свободных дисперсных культур.
В-третьих, для иммобилизованных клеток по сравнению с традиционной ферментацией имеется возможность повышения продуктивности осуществляемых ими превращений субстрата в биомассу в результате увеличения концентрации биомассы в единице рабочего объема реактора.
В-четвертых, благодаря применению иммобилизации, как правило, снижаются энергозатраты на технологический процесс в целом, т.к. упрощаются процедуры отделения биомассы и очистки сточных вод.
В-пятых, имеет место повышение устойчивости клеток к действию различных неблагоприятных инактивирующих внешних факторов (температуры, кислотности, присутствию электролитов или токсических веществ и др.), что обеспечивает защиту культуры при случайных внешних воздействиях на биотехнологическую систему.
В настоящее время накоплен значительный экспериментальный материал, свидетельствующий об увеличении стабильности иммобилизованных клеток по сравнению со свободно культивируемыми микроорганизмами. Эта стабильность выражается в более продолжительном активном функционировании клеток, при этом отмечается расширение рН- и температурных оптимумов, большая устойчивость к негативным воздействиям окружающей среды. Показано, что иммобилизованные клетки ингибируются более высокими концентрациями токсичных соединений, нежели свободные клетки, суспендированные в водной среде [21, 33, 40, 42, 46, 47, 63].
Экспериментальные установки
При выполнении настоящей работы применялись различные технологические схемы систем аэробной биологической очистки с использованием иммобилизованной микрофлоры на различного типа поверхностях - носителях.
На рис. 2.1 приведена схема лабораторных колонн-реакторов периодического действия.
На рис. 2.2, 2.3, 2.4, 2.5 и 2.6 приведены технологические схемы очистки с применением биофильтров.
На рис. 2.7 приведена схема биодиска.
На рис. 2.8 приведена схема рециркуляции обработанного стока в погружном биофильтре.
На рис. 2.9 приведена схема погружного аэрируемого биофильтра.
На рис. 2.10 приведена лабораторная установка погружного биофильтра, общий вид.
На рис. 2.11 приведена схема биореактора с вращающимися дисками.
Для исследований, выполненных в настоящей работе, использовались сточные воды, поступающие на Курьяновскую станцию аэрации.
Сточные воды подвергаются обработке в блоке сооружений механической очистки, после чего подаются на лабораторную модель системы биологической очистки. Характеристики сточных вод перед биологической очисткой находились в пределах:
- содержание взвешенных веществ 50-300 мг/л;
- биохимическая потребность в кислороде (БПК5) 25-150 мгОг/л;
- химическая потребность в кислороде (ХПК) 50-400 мгОг/л;
- содержание аммонийного азота 10-35 мг/л;
- содержание фосфатов 0,5-4,0 мг/л;
- водородный показатель (рН) 6,6 -7,8;
(в отдельные дни величины указанных характеристик поднимались значительно выше приведенных значений)
На рис. 2.12-2.16 представлены статистические распределения значений характеристик исходных сточных вод за время проведения исследований.
Использовались также сточные воды свинокомлекса «Кузнецовский», образованные путем гидросмыва навоза животных, прошедшие этап механической очистки (приемный резервуар - дуговые сита - первичные отстойники - осветлители с применением коагулянтов) и первую ступень биологической очистки в аэротенках - аэротенк и вторичный отстойник 1-й ступени. Стоки, прошедшие предварительный этап очистки подавались на лабораторную модель системы биологической очистки.
Характеристики сточных вод перед биологической очисткой находились в пределах:
- содержание взвешенных веществ 100-500 мг/л;
- биохимическая потребность в кислороде (БПК5) 50-400 мг02/л;
- химическая потребность в кислороде (ХПК) 400-1600 мг02/л;
- содержание аммонийного азота 10-50 мг/л;
- содержание фосфатов 4-20 мг/л;
- водородный показатель (рН) 7,8-8,1;
На рис. 2.17-2.21 представлены статистические распределения значений характеристик исходных сточных вод за время проведения исследований.
Экспериментальные исследования механизма формирования иммобилизированной биопленки
В процессе непрерывного формирования биопленки она селективно удерживает питательные вещества. При этом имеет место не только концентрирование субстрата в результате адсорбции на твердой поверхности, но и одновременно - каталитический эффект, позволяющий обеспечить преобразование крупных молекул (например, молекул протеина) в малые молекулы, которые легче ассимилируются бактериями.
Процесс адсорбирования растворенных поверхностно-активных субстратов на поверхности раздела «твердое тело-жидкость» выражается уравнением, определяющим величину поверхностного обогащения бактериальной микрофлорой: Г - поверхностное обогащение (моль/единица поверхности); С - концентрация субстрата в растворе; а - поверхностная активность субстрата; R - абсолютная газовая постоянная; Т - температура по шкале Кельвина.
При этом необходимо иметь в виду, что для поверхностно-активных субстратов рост их концентрации в растворе приводит к снижению активности растворяющего вещества:
Изучение механизма формирования биопленки микроорганизмов показало, что этот процесс сопровождается выделением бактериями внеклеточных метаболитов или ферментов. Это явление ослабляет «броуновское» движение бактерий и противодействует гидравлической
подаче жидкой фазы, а вместе с ней и бактерий, к твердой поверхности, что тормозит формирование биопленки на поверхности носителя.
С другой стороны, действие электростатического притяжения между твердой поверхностью и микроорганизмами направлено в противоположную сторону и стремится приблизить бактерии к твердой поверхности. Электростатическое действие в механизме иммобилизации микроорганизмов подтверждается влиянием рН раствора на интенсивность фиксации бактерий на твердой поверхности.
Как установлено, на интенсивность развития указанных выше противоположных процессов, препятствующих и способствующих прикреплению микроорганизмов к твердой поверхности, основное влияние оказывает концентрация субстрата в жидкой среде. Высокая концентрация субстрата вызывает более эффективную аккумуляцию бактерий на носителе за счет электростатических сил притяжения, низкая концентрация субстрата ослабляет эффект аккумуляции бактерий за счет гидравлического противотока внеклеточных биополимеров.
Экспериментальные исследования показали, что твердые поверхности в контакте с высоко нагруженной сточной водой быстро покрываются пленкой волокнистой структуры, представляющей собой агломерат флоккул активного ила в желатиноподобном матриксе биопленки. Толщина пленки зависит от гидравлических условий течения жидкости, содержащей питательные вещества. В спокойных зонах аэрационной емкости биопленка быстро достигает толщины в несколько мм и даже порядка см в затененных зонах, где обеспечивается механическое поддержание прикрепленных к твердому телу бактерий. Бактериальная биопленка в значительной степени гидрофильна, она удерживает пленку жидкости более или менее значительных размеров в зависимости от условий питания биологического комплекса: носитель, биопленка, пленка жидкости.
Процесс массообмена между биопленкой, жидкостью и газами достаточно наглядно может быть проиллюстрирован графическим путем.
Похожие диссертации на Моделирование процессов биологической очистки сточных вод в системах с иммобилизованной микрофлорой
