Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и выбор направления исследований 11
1.1 Бактериальная микрофлора и роль нитчатых бактерий в формировании условий вспухания активного ила 11
1.2 Причины и последствия вспухания активного ила при биологической очистке сточных вод 16
1.3 Селекция микроорганизмов активного ила при реализации процессов биологической очистки в аэротенках 22
1.4 Основные пути оптимизации режимов и обеспечения устойчивой работы систем биологической очистки 28
1.5 Выводы по обзору литературы 29
Глава 2. Объекты, материалы и методы исследований .32
2.1 Исследование влияния гидравлических режимов в аэротенке на нитчатое вспухание активного ила 32
2.2 Исследование кинетической видовой селекции смешанной культуры и подавления нитчатого вспухания активного ила 38
2.3 Исследование аккумулятивно-регенерационной видовой селекции микроорганизмов активного ила в смешанных культурах 39
2.4 Исследование процессов вспухания нитчатого активного ила и путей исключения срыва работы очистных сооружений 42
Собственные исследования 54
Глава 3. Влияние гидравлических режимов в аэротенке на нитчатое вспухание активного ила 54
3.1 Гидравлические характеристики систем очистки 57
3.2 Стабилизационные характеристики развивающейся сложной культуры 57
3.3 Микробиологические испытания развивающейся сложной культуры 59
3.4 Изменения концентрации субстрата и интенсивности дыхания в индивидуальных системах 61
3.5 Очищающая способность индивидуальных систем 62
3.6 Выводы по главе 70
Глава 4. Кинетическая видовая селекция смешанной культуры и подавление нитчатого вспухания активного ила 85
4.1 Результаты экспериментальных исследований 90
4.2 Кинетика удаления субстрата в селекторах 93
4.3 Выводы по главе 101
Глава 5. Аккумулятивно-регенерационная видовая селекция микроорганизмов активного ила в смешанных культурах 119
5.1 Аккумулятивно-регенерационная селекция микроорганизмов в смешанных культурах 121
5.2 Аккумулятивно-регенерационная модель 125
5.3 Результаты экспериментальных исследований 132
5.4 Выводы по главе 134
Глава 6 Вспухание нитчатого активного ила и пути исключения срыва работы очистных сооружений 149
6.1 Результаты экспериментальных исследований 150
6.2 Анализ полученных результатов 163
6.2.1 Распространение нитчатых в активном иле 163
6.2.2 Влияние нитчатых на вспомогательные процессы обработки 164
6.2.3 Контроль нитчатых 165
6.2.4 Влияние величины растворенного кислорода на нитчатые 168
6.2.5 Влияние органической нагрузки на интенсивность роста микроорганизмов 171
6.2.6 Кривые осаждения 172
6.3 Выводы по главе 174
Выводы 200
Литература 202
Приложения 219
- Причины и последствия вспухания активного ила при биологической очистке сточных вод
- Очищающая способность индивидуальных систем
- Кинетика удаления субстрата в селекторах
- Влияние величины растворенного кислорода на нитчатые
Введение к работе
Актуальность проблемы
Проблема обеспечения устойчивой работы систем аэробной биологической очистки сточных вод активным илом в аэротенках до настоящего времени остается одной из наиболее важных и актуальных в технике водоотведения и канализации. Несмотря на то, что по этим вопросам ведутся интенсивные исследования и публикуется большое количество работ, до настоящего времени эта проблема остается до конца нерешенной и не доведенной до широкого практического применения Отсюда вытекает задача глубокого изучения механизма и динамики процессов формирования нитчатой микрофлоры и влияния ее на процессы, протекающие в системе биологической очистки Только научно-обоснованный подход к решению этих вопросов позволит разработать и реализовать мероприятия технического и технологического характера, обеспечивающие надежное исключение таких опасных явлений как вспухание активного ила и срыв работы очистных сооружений в целом
Существенный вклад в развитие методов обеспечения устойчивости и надежности работы систем биологической очистки путем исключения нитчатого вспухания активного ила внесли. А А Денисов, С В. Яковлев, Я А Карелин, Т А Карюхина, Н С Жмур, Л И Гюнтер
Настоящая диссертационная работа выполнялась в лабораторных условиях и на полупромышленных пилотных установках, смонтированных на действующих очистных сооружениях объектов Цель и задачи исследования.
Целью настоящей работы являлась разработка способов обеспечения устойчивой работы сооружений биологической очистки путем подавления нитчатого вспухания активного ила
При выполнении работы были поставлены следующие задачи-
изучить механизм и динамику процессов формирования нитчатой микрофлоры и ее влияние на процессы, протекающие в системах биологической очистки,
разработать методы культивирования сложных биоценозов активного ила, ингибирующих рост нитчатых форм бактерий и предотвращающих вспухание иловой массы в процессе ее осаждения;
- определить влияние конструктивно-технологических параметров и
режимов работы аэротенков на развитие процессов нитчатого вспухания
активного ила;
выявить пути подавления нитчатого вспухания активного ила за счет регулирования гидравлических режимов потоков и управления подачей субстрата по ходу технологического процесса обработки сточных вод в аэротенках,
разработать кинетическую теорию видовой селекции микроорганизмов в смешанных культурах, обеспечивающую результативное ингибирование активности нитчатой составляющей бактериальной микрофлоры и подавление нитчатого вспухания активного ила в аэротенках,
разработать аккумулятивно-регенерационную теорию видовой селекции микроорганизмов активного ила в смешанных культурах на базе современных представлений о процессах аккумулирования и запасания растворенного субстрата в процессе культивирования;
Научная новизна.
Разработаны эффективные методы контроля и управления ростом и развитием нитчатых форм микроорганизмов в смешанных культурах активного ила
Установлен критерий гидравлического совершенства аэрационных систем, позволяющий по количественной оценке степени перемешивания, определить интенсивность роста нитчатых форм микроорганизмов и возможность срыва в работе сооружений биологической очистки
Определены типы и конструктивно-технологические параметры аэрационных систем, обеспечивающие высокую устойчивость их эксплуагации и исключение нитчатых срывов при воздействии негативных внешних факторов.
Разработана и проверена в лабораторных условиях кинетическая теория видовой селекции микроорганизмов в смешанных культурах, базирующаяся на балансе концентраций субстрата и скоростей роста отдельных видов бактерий
Определены оптимальные технологические параметры работы селектора, являющегося начальной ступенью аэротенка и обеспечивающего возможность подавления роста и развития нитчатых бактерий и парирование ударных нагрузок на аэротенк по органическим загрязнениям
Разработана и проверена в лабораторных условиях аккумулятивно-регенерационная теория видовой селекции микроорганизмов в смешанных культурах, базирующаяся на использовании аккумулирующей способности микроорганизмов запасать значительные количества растворенного субстрата и окислять их в течение регенерационного периода
Определены перспективные технологические методы управления функционированием нитчатой микрофлоры путем регулирования уровня растворенного кислорода в культивируемой среде и величины нагрузок по органическим загрязнениям на активный ил
Практическая ценность.
Полученные результаты и выводы базируются на материалах теоретических и экспериментальных исследований систем биологической очистки сточных вод активным илом и позволяют с высокой степенью надежности рекомендовать их к практическому использованию в промышленных масштабах при создании новых и реконструкции действующих систем биологической очистки сточных вод коммунального и промышленного происхождения Разработанные рекомендации и предложения подтверждены материалами теоретических и экспериментальных работ, показавших высокую степень сходимости, что обеспечивают возможность их надежного
б использования в производственных условиях с учетом особенностей конкретных видов сточных вод и характеристик очистных сооружений
Апробация работы. На основании проведенных исследований
разработаны научно-методические рекомендации по оптимизации
характеристик и технологических режимов сооружений аэробной
биолої ической очистки сточных вод активным илом
Результаты и материалы выполненной работы использованы ГУП «МоеводоканалПИИпроект» при проектировании очистных сооружений Московской юродской онкологической больницы № 62, ОАО «Лизинг jkojioi ических проектов» г. Москва при разработке проекта реконструкции очистных сооружений г Новосибирска, ООО Интститут «Гражданпроект» г Кирова при нроектно-консірукторской разработках очистных сооружений г. Кушур Пермского края, ООО «Инженерно-архитектурный центр» ДХО ЗАО ТАФ «Ахрнроект» при проектно-конструкторской роботе по очистным сооружениям поселков Шапша и Ярки Ханты-Мансийского района ХМАО, ОАО «Водоканал» г Ишим
Материалы диссертационной работы доложены на научно-технической конференции 6-й международной научно-практической конференции «Ресурсы недр России экономика и геополитика, геотехнология и геоэкология, лиюсфера и іеоіехника» г Пенза, 2007
Структура и объем диссертации
Причины и последствия вспухания активного ила при биологической очистке сточных вод
Анализируя работу всей системы аэробной биологической очистки в целом, необходимо отметить, что в аэротенке органические примеси в сточной воде (субстрат) перерабатываются в биомассу (бактерии) активного ила, при этом происходит прирост биомассы. Смесь сточной воды и активного ила поступает из аэротенка во вторичный отстойник, где активный ил путем осаждения выделяется из сточной воды. Осевший активный ил из вторичного отстойника частично подается (рециркулируется) обратно в аэротенк. Такая рециркуляция является обязательным элементом работы такой системы, т.к. для нормальной работы аэротенка в нем необходима достаточная концентрация микроорганизмов активного ила.
Применяется также более развитая система, включающая регенерацию активного ила. В такой системе активный ил, подлежащий рециркуляции в аэротенк, сначала подается в резервуар (регенератор), где подвергается длительной интенсивной аэрации, а затем рециркулируется в аэротенк.
Избыток активного ила в любом случае выводится из системы очистных сооружений, подвергается дальнейшей утилизации и удаляется.
Гидравлический режим потока в аэротенке устанавливается под влиянием конструктивной формы и других элементов конструкции аэротенка (секционирования, конструкции впуска и выпуска и др.).
По видам конструкций и по связанным с этим режимам потока различаются два основных вида проточных аэротенков:
- аэротенки-смесители, в которых устанавливается режим потока полного перемешивания;
- аэротенки-вытеснители, в которых устанавливается режим потока идеального вытеснения.
Существуют также аэротенки промежуточного типа между аэротенками-смесителями и аэротенками-вытеснителями, в которых устанавливается промежуточный режим потока между режимами полного перемешивания и идеального вытеснения.
Высокая интенсивность перемешивания в аэротенках-смесителях обуславливается аэрацией, осуществляемой для гомогенезации смеси сточной воды и активного ила и снабжения микроорганизмов кислородом. В аэротенках-смесителях достигается высокая степень разбавления поступающей сточной воды. Вследствие этого такие аэротенки имеют преимущество при обработке сточных вод, содержащих вещества, оказывающие токсическое действие на активный ил.
Вместе с тем, по современным данным, аэротенки-смесители имеют значительные недостатки. В большом числе исследований установлено, что проточные аэротенки непрерывного действия типа аэротенков-смесителей в наибольшей степени подвержены преобладающему росту нитчатых микроорганизмов и вспуханию активного ила по сравнению с другими видами аэротенков [2, 8, 18, 25, 31, 33, 41, 60, 61, 67, 72, 91, 98, 101, 107, 113-116, 137, 145, 146, 163, 173]. В работах [1, 12 168, 179, 181, 19, 22-24, 163, 167], со ссылками на соответствующие источники, подчеркивается, что в настоящее время существуют значительные основания в поддержку заключения о том, что плохая осаждаемость активного ила может быть связана с характеристиками перемешивания в аэротенке.
Определяющей конструктивной особенностью аэротенков-вытеснителей является высокое значение отношения длины к ширине. Применяется также секционирование таких аэротенков путем установки поперечных проницаемых перегородок. Продольное перемешивание в таких аэротенках отсутствует или является незначительным, устанавливается гидравлический режим потока, определяемый как режим идеального вытеснения (или режим поршневого типа) [96,100,101,143].
Аэротенки-вытеснители имеют значительные преимущества перед аэротенками-смесителями по возможностям предупреждения вспухания активного ила и получения ила, обладающего хорошей осаждаемостью [23, 25, 27,47, 69, 76, 87, 88, 100, 117, 149].
Вместе с тем в литературе отмечается, что преобладающий рост нитчатых микроорганизмов и вспухание активного ила возможны и в аэротенках-вытеснителях. При использовании таких аэротенков, с целью предупреждения вспухания активного ила, необходимо обеспечить соблюдение ряда дополнительных условий, в частности, оптимальные значения нагрузки органического субстрата на активный ил, эффективную аэрацию, достаточное гидравлическое время пребывания сточной воды и время пребывания активного ила в аэротенке.
На практике аэротенки, находящиеся в эксплуатации, являются аэротенками промежуточного типа между аэротенками-смесителями и аэротенками-вытеснителями с различной степенью приближения к одному из этих основных типов аэротенков. В таких аэротенках устанавливается, соответственно, промежуточный режим потока между режимами полного смешения и идеального вытеснения с различной степенью приближения к одному из этих крайних режимов, т.е. гидравлический режим потока частичного перемешивания.В аэротенках промежуточного типа может быть достигнуто объединение положительных особенностей аэротенков-смесителей и аэротенков-вытеснителей.
Рассматривая в совокупности бактериальный состав микрофлоры ила, необходимо заметить, что в биоценозе активного ила выделены бактерии, способствующие биофлокуляции активного ила. На начальном этапе исследований биофлокуляции ее связывали с жизнедеятельностью бактерий вида Zoogloea ramigera. Позже было установлено, что свойством биофлокуляции обладают ряд других видов бактерий активного ила. По этому признаку такие бактерии называются биофлоккулирующими. Флокулирующее действие таких бактерий связано с тем, что в процессе жизнедеятельности они образуют и выделяют особые вещества (внеклеточные полимеры), которые и являются флокулирующими агентами (биофлокулянтами).
По нитчатым бактериям, в связи с тем, что они вызывают вспухание и плохую осаждаемость активного ила, проведено к настоящему времени большое число исследований [130, 131]. На начальном этапе исследований вспухание активного ила связывали в основном с одним видом нитчатых бактерий Sphaeratilus natans. В настоящее время известно около 30 видов нитчатых бактерий. Очень существенно, что некоторые из них вызывают более интенсивное вспухание активного ила, чем Sphaeratilus natans. Это, в частности, относится к нитчатым бактериям Microthrix parvicella, Thiothrix и некоторым другим [34, 35, 61, 67,74, 94, ПО, 111, 130, 131, 143, 166, 172].
В работах [129-131] приводится классификация нитчатых бактерий, дается ключ для идентификации нитчатых бактерий в активном иле. В работе [162] разработана гипотеза относительно роли нитчатых бактерий в флокуляции, вспухании и осаждении активного ила и в осветлении обрабатываемой сточной воды. Разработан метод испытаний и количественной оценки содержания нитчатых бактерий в активном иле. Показателем такой оценки является общая длина нитчатых бактерий в единице объема активного ила. Выявлены корреляционные зависимости характеристик осаждаемости активного ила от этого показателя [167]. Подчеркивается, что нитчатые бактерии в активном иле играют не только отрицательную роль. Отрицательные действия таких бактерий при их малой концентрации не проявляются. При ограниченном содержании они оказывают положительное действие на очистку сточной воды.
Нитчатые бактерии благоприятно влияют на формирование флоккул активного ила. Вследствие армирующего действия нитчатых бактерий увеличиваются размеры и повышается прочность флоккул. При наличии нитчатых бактерий повышается степень осветления воды при отстаивании смеси сточной воды и активного ила. Это связано с тем, что нитчатые бактерии имеют высокую способность улавливать и удерживать взвешенные вещества, находящиеся в воде в коллоидном и в особо мелкодисперсном состоянии [147]. В связи с этим при оптимизации технологии биологической очистки сточной воды активным илом задача состоит не в том, чтобы полностью исключить нитчатые бактерии, а в том, чтобы обеспечить оптимальное соотношение нитчатых и флоккулирующих бактерий в активном иле.
Очищающая способность индивидуальных систем
Средние данные по суспендированным частицам, величинам ХПК, БПК5 в статических, динамических и отфильтрованных вариантах обобщены в табл. 3.4.
Видно, что величины ХПК и БПК5 в отфильтрованных потоках были примерно одинаковы во всех системах. Более низкие значения ХПК в потоках из систем II и III, вероятно, имели место благодаря изменениям содержания пептона, используемого во втором периоде экспериментов. Отношение БПК5/ХПК в отфильтрованных пробах показывает, что остаток растворенной органической материи был биологически резистентным и неразлагаемым.
Видно, что пробы содержат частично резистентные составляющие, первоначально присутствующие в пептоне и особенно резистентные стоки продуктов смешанной культуры. Данные табл. 3.5 показывают, что большинство удаляемых органических загрязнений, остающихся в потоках, обязано суспендированным твердым частицам. Их концентрации были самыми высокими в потоках от полностью смешанных систем и самыми низкими в потоках от системы II с дисперсионным числом 1,06.
Результаты, обобщенные в табл. 3.5, подтверждают, что вспухший ил обычно продуцирует выход потока лучшего качества по концентрациям суспендированных твердых частиц в потоке, чем невспухший ил. В наших экспериментах самые низкие концентрации суспендированных частиц в выходном потоке были отмечены в системе II со средней величиной илового индекса 300 мл/г.
Практика подтверждает, что самые малые концентрации суспендированных твердых частиц в выходном потоке имеют место при объемном иловом индексе от 220 до 260 мл/г. Система IV продуцировала смешанные культуры с очень хорошими характеристиками стабильности, но выходной поток содержал очень небольшие частицы - тонкие флоккулы. Эти маленькие флоккулы не были представлены в выходном потоке из системы с более высоким содержанием нитчатых микроорганизмов. Нитчатые структуры действуют вероятно как сеть, в которой маленькие частицы улавливаются.
Таким образом, в ходе экспериментов было осуществлено управление всеми системами при примерно одинаковых нагрузках, т.к. из литературы известно, что нагрузка на ил могла бы оказать некоторое влияние на величину илового индекса. Однако это управление могло быть реализовано только в системах II, III и IV. В полностью смешанной системе средняя нагрузка на ил 0,3 кгБПК5 х (кг суспендированных в жидкости беззольных твердых частиц.сут)"1 могла быть сохранена только в течение первых 15 суток работы. В течение этого периода ил становится все более и более пухлым и аккумулируется в отстое тенка. В следующие несколько дней отстой тенка полностью заполняется илом. Даже увеличение коэффициента рециркуляции от 0,5 до 3,0 не предотвратит ил от периодического истечения. Потери ила привели к уменьшению концентрации суспендированных в жидкости твердых частиц до средней величины 1,9 г/л, которая в свою очередь привела к увеличению нагрузки на ил до средней величины 0,48 кг БПК5 х (кг суспендированных в жидкости беззольных твердых частиц.сут)". Одновременно возраст ила уменьшается до средней величины 3 суток. Можно полагать, однако, что различие в нагрузках на ил не так велико, чтобы вызвать такие значительные различия в величинах илового индекса. Проверка этого по данным из литературы подтверждает это. Совершенно очевидно, что более высокие нагрузки на ил в системе I не могут вызвать увеличение илового индекса, и наоборот - высокие значения илового индекса вызывают истечение ила из тенка и приводят к увеличению нагрузки на ил.
Эксперименты с полностью смешанной системой были повторены дважды, с новыми исходными илами системы работали в течение 3-х месяцев. В обоих случаях результаты были аналогичными. С используемым субстратом полностью смешанная система функционировала со средними параметрами указанными выше, осуществляя интенсивный рост нитчатых микроорганизмов.
При всех экспериментах стабильные характеристики новых смешанных культур были много хуже, чем характеристики первоначального ила.
Эксперименты, описанные здесь, показали, что должно существовать соотношение между иловым индексом и дисперсионным числом аэрационной системы. Это соотношение показано на рис. 3.11, где иловый индекс изменяется по кривой в зависимости от величины, обратной дисперсионному числу.
Проверки на микроскопе показали, что величины илового индекса зависели от состава нитчатых микроорганизмов в смешанных культурах. Это означает, что степень смешения, характеризуемая количественно дисперсным числом, влияет на селекцию микроорганизмов в смешанной культуре. Степень смешения в аэрационной системе определяется градиентом концентрации субстрата вдоль системы или максимальной величиной субстрата, который должен поддерживаться на входе в систему. Влияние максимальной величины растворенного ХПК на обратную величину дисперсионного числа показано на рис. 3.11. За исключением системы I величины ХПКмакс являются величинами, измеряемыми в первой секции данной системы. Именно фильтр, обеспечивающий в первую очередь селекцию микроорганизмов в смешанной культуре, является активным концентратором субстрата на входе в данную систему. Его ценность, конечно, зависит от степени смешения. Это подтверждается экспериментальными данными, выходящими за рамки настоящей работы и не представленными здесь.
Соотношение между иловым индексом и ХПКмакс показаны на рис. 3.12.
Эксперименты показали, что состав смешанной культуры непрерывно изменяется со степенью дисперсии. Системы с наиболее высокой степенью дисперсии, т.е. полностью смешанные обеспечивают интенсивный рост нитчатых микроорганизмов. Однако это не значит, что все полностью смешанные системы имеют смешанные культуры с высоким содержанием нитчатых микроорганизмов. Существуют и другие факторы, такие как иловая нагрузка, возраст ила, состав субстрата и т.д., которые могут влиять на микробиологический состав смешанных культур. Например, смешанная культура, растущая на том же самом субстрате, который был описан выше, в полностью смешанной системе работает на иловой нагрузке 0,03 кгБПК5 х (кг суспендированных в жидкости беззольных твердых частиц.сут) 1, времени пребывания 48 сут и возрасте ила 120 суток, и имеет величину илового индекса в диапазоне от 60 до 200 мл/г.
Системы с низкими степенями дисперсии и с более высокими градиентами субстрата вдоль первой части системы продуцируют рост форм ZoogJoea и угнетают рост нитчатых микроорганизмов. Кажется, что на практике эти системы были бы предпочтительнее для обработки такой сточной воды, которая вызывает нитчатое вспухание. Однако они не рекомендуются для обработки таких сточных вод, которые содержат более высокие концентрации токсических компонентов (таких как фенолы, формальдегиды и т.д.).
Теория химических реакторов говорит о том, что для того же реакционного периода степень конверсии химического вещества всегда выше в реакторах с идеальным полным смешением, чем в реакторах с поршневым потоком. Эмпирические данные, полученные на базе практики обработки стоков установили, что при одинаковых условиях полностью смешанная аэрационная система обладает более высокой эффективностью очистки, чем системы с поршневой моделью. Это объясняется тем, что смешанные культуры в полностью смешанной системе были более активны. В свете современных знаний становится очевидным, что смешанная культура, развивающаяся в полной смешанной системе, могла иметь более широкий набор микробиальных композиций, чем те, которые развивались в системах с моделью поршневого потока. Как уже было показано, нитчатые микроорганизмы превалируют в смешанной культуре, развивающейся в полностью смешанной системе. Мы имеем экспериментальное подтверждение того, что они более активны в отношении используемого субстрата. Это хорошо согласуется с данными, где измерялись более высокие удельные скорости усвоения глюкозы и фенола нитчатыми, чем ненитчатыми культурами. Это означает, что потребная эффективность очистки может быть получена в полностью смесительной системе с коротким периодом выдержки. Этот результат может быть получен и в меньшем аэрационном объеме и при меньшей стоимости конструкции. Однако нитчатая смешанная культура, развиваемая в сплошной смесительной системе, имеет плохие стабилизационные характеристики и может использоваться во вторичном стабилизирующем тенке с большими объемами. Это м ожет быть продемонстрировано кривыми потока, которые показаны на рис. 3.13 для базового ила и ила, развитого в системах I и IV. Таким образом, очевидно, что стоимость сэкономленной конструкции аэротенка должна распространяться и на вторичный стабилизирующий тенк.
Кинетика удаления субстрата в селекторах
Субстрат, использованный в этих исследованиях состоял из пептона и крахмала в отношении 1:1. Эта концентрация была измерена и выражена в единицах ХПК. Используя изменение градиентов ХПК вдоль селектора (рис. 4.7 и 4.11) можно вычислить кинетические константы удаления субстрата. Порядок кинетических уравнений для использованного субстрата основан на кинетических проверках, выполненных в экспериментах со смешанной культурой в системе S3 на 47-е сутки работы. Результаты экспериментов обобщены в табл. 4.1.
Данные из табл. 4.1 представлены на рис. 4.13 в виде графика.
Средние величины от селектора (рис. 4.7 и 4.11) были обработаны согласно уравнению (4.9) и представлены на рис. 4.14. По этому графику можно видеть, что данные от обоих селекторов (137-165 сут) и (230 290 сут) являются почти одинаковыми прямыми линиями, дающими одну и ту же величину наклона, равную 0,04. Средние величины констант скорости равны К2 = 28,5х 10" и K2S = 3,3x10 Все величины констант скорости, полученные в ходе экспериментов, обобщены в табл. 4.2.
Таким образом, анализируя полученные результаты, необходимо подчеркнуть, что все системы работали при одной и той же органической нагрузке 1,92 кг ХПК/м /сут или 0,84 кг БПК5/м /сут. Иловая нагрузка изменялась в соответствии с концентрацией суспендированных в жидкости твердых частиц. Т.к. средние концентрации суспендированных в жидкости твердых частиц составляли 2,5 г/д, средняя иловая нагрузка была 0,77 кг ХПК (кг суспендированных в жидкости твердых частиц, сут) 1 или 0,34 кг БПК5 (кг суспендированных в жидкости твердых частиц, сут) 1. Все системы функционировали при высоких эффективностях очистки и малых величинах растворенных ХПК и БПК5 во входном потоке. Эффективность удаления растворенной ХПК колебалась от 90 до 95 %.
При этих условиях было повторно продемонстрировано, что рост нитчатых микроорганизмов может быть эффективно ингибирован средствами селектора.
Если нитчатая культура передается в систему с более высокой концентрацией градиента, можно наблюдать постепенное уменьшение нитчатых микроорганизмов в смешанной культуре. Эксперименты, описанные здесь показали, что процесс подавления нитчатых протекает медленно. Он занимает 74 суток в системе S3 с малыми концентрационными градиентами и 63 суток в системе S5 с высокими градиентами концентраций. С другой стороны, только 23 суток необходимо, чтобы изменить не нитчатую культуру, выращенную в системе S3, в нитчатую культуру в полностью смешанной системе.
В этой связи интересно сравнить изменение величин илового индекса, наблюдаемых в системах III и IV, описанных ранее.
Результаты этих наблюдений показаны на рис. 4.15, которые показывают, что селекция была завершена более быстро в системе IV (25 суток), чем в системе III (53 суток). Эти системы различаются только дисперсионными числами и, следовательно, градиентами концентраций субстрата.
Следовательно, становится очевидно, что период, необходимый для достижения устойчивого состава смешанной культуры зависит от двух факторов: базового состава смешанной культуры и градиентов концентрации субстрата вдоль системы. Эти два фактора контролируют процесс при постоянном возрасте или среднем времени пребывания биомассы в системе.
Ранее говорилось о том, что должно существовать соотношение между иловым индексом и дисперсным числом или ХПКмакс в аэрационной системе. Эти соотношения показаны на рис. 4.16, в которых отображены также величины, измеренные в селекторе и в системах S3 и S5. Как видно из рис. 4.16 в случае систем с селекторами необходимо относить величины илового индекса к величинам дисперсионных чисел, измеренным в селекторах (секциях), а не во всех аэрационных системах. Имеет место хорошее соотношение между иловым индексом и ХПК макс. ХПК макс представляет собой максимальную среднюю величину растворенного ХПК, измеренного в первой секции или тубе аэрационной системы или селектора.
Из всех экспериментов, проведенных с одинаковыми субстратами, возрастом ила и нагрузкой, остаточное ХПК может равняться примерно 25 мг/л, что составляет около 4% ХПК входного потока. Вклад крахмала в остаточном ХПК много меньше, чем пептона. Это может быть объяснено тем, что остаточный ХПК, возникающий в процессе деградации крахмала, составлял максимально 2% от крахмала во входном стоке, т.е. 6 мг /л. Оставшиеся 19 мг/л могу быть приписаны пептону. Можно установить, что остаточный ХПК корреспондирующийся в продукты активно-иловых микроорганизмов, составлял максимально 2% от входного ХПК пептона, т.е. 6 мг/л. Это означает, что остальные 13 мг/л остаточного ХПК были сформированы биологически неудаляемыми частями, присутствующими в пептоне, что составляет 4.3 % пептона. Общая величина остаточного ХПК 19 мг/л составляет в этом случае 6,3% пептона.
Из показанного соотношения следует, что величина илового индекса ниже 100 мл/г может быть получена в системе с максимальной величиной удаленного ХПК около 45 мг/л.
Необходимо отметить, что все результаты, полученные в этих и предыдущих экспериментах получены только для испытанного субстрата и только для возраста ила и нагрузки в диапазоне от 4,5 до 5,0 суток и от 0,3 до 0,5 г БПК5(г суспендированных в жидкости беззольных твердых частиц.сут)" соответственно. Для того, чтобы распространить теорию селекции за пределы испытанных возрастов ила и нагрузок на ил необходимы дополнительные эксперименты с различными субстратами и управляющими параметрами (временем пребывания, возрастом ила и нагрузкой). Тем не менее, полученные в настоящей работе результаты вносят свой вклад в лучшее понимание активно-иловых процессов.
В процессе экспериментов регулярно отмечалось, что содержание Sphaerotilus немедленно уменьшалось после того, как смешанная нитчатосодержащая культура была передана в систему с градиентом концентрации субстрата. Это означает, что Sphaerotilus имел меньшую величину обоих констант ks , по сравнению с Leucothrix cohaerens.
Комбинирование селектора с малодисперсионным числом с полностью смешанным тенком создает условия, необходимые для подавления нитчатых микроорганизмов и реализации главного преимущества комплексного смешения - парирования ударной нагрузки. Естественно культура в селекторном тенке будет страдать от ударной нагрузки, но большая часть биомассы в этих описанных условиях будет в полностью смешанном тенке и следовательно способна дать адекватное разбавление на ударную нагрузку.
Как и ранее, снова необходимо подчеркнуть, что селектор не может быть успешно использован для таких субстратов или сточных вод, которые содержат токсичные компоненты в чрезвычайно высоких концентрациях.
Из уравнения (4.5) следует, что константа скорости K2s является скоростью удаления субстрата в мг/г биомассы в час в начальный момент (t = 0). Следовательно, K2(S) связано сци выражает активность биомассы. Согласно кинетической теории селекции константа К2($) должна быть тем выше, чем больше доля ненитчатых микроорганизмов в смешанной культуре. Однако в эксперименте K2(S) на 11-е сутки был выше, хотя смешанная культура содержала большую долю, нитчатых организмов - иловый индекс около 250 мл/г. С другой стороны, в согласии с теорией, много нитчатой культуры развивается в полностью смешанной системе сразу после передачи в систему S5 наименьшей величины K2S. Это свидетельствует о том, что одновременно с кинетическими некоторые некинетические факторы могут воздействовать на наблюдаемые явления и в этом случае селекционная картина будет отличаться от полученной в условиях настоящего эксперимента.
Влияние величины растворенного кислорода на нитчатые
Настоящие исследования показали, что величина концентрации DO является важным фактором в регулировании роста нитчатых из флоккул активного ила. Для активно-иловой системы с реактором полного смешения, функционирующей на малозагрязненных коммунальных сточных водах при низких средних скоростях удаления органического субстрата от 0,33 до 0,37 г ХПК/г летучих суспендированных твердых частиц.сутки, число и длина нитчатых были в среднем выше в системе с величиной DO от 6,7 до 8,0 мг/л, чем с величиной DO от 1,3 до 1,8 мг/л. Однако, на обоих уровнях случай II флоккулирования оценивается превалирующим, и осадительные и уплотняющие свойства воздушной системы были либо идентичны, либо незначительно хуже по отношению к свойствам кислородной системы.
Дальнейшее сравнение может быть сделано между воздушными системами в экспериментах с различными уровнями DO. Более низкий уровень DO (менее 1,0 мг/л) в эксперименте в воздушной системе вызывает несколько более высокую степень нитчатого вспухания, чем уровень DO в эксперименте с более высоким уровнем DO. Эти наблюдения подчеркивают необходимость контроля DO в активно-иловом процессе для случаев, когда устанавливаются низкие величины DO.
При испытаниях высокие скорости удаления субстрата оказывали сильное влияние на числа и длины нитчатых в воздушной и кислородной системах, причем в некоторых случаях кислородная система имела намного более высокие уровни нитчатых, чем воздушная система.
Градиент DO от края флоккулы до центра для определенного диаметра флоккулы зависит от величины уровня субстрата. Когда культура активного ила растет на субстрате, будет иметь место увеличение величины уровня субстрата внутри флоккул. Это может привести к установлению уровней DO внутри флоккул, которые благоприятны для нитчатых, что вызывает их результирующий ростом над зооглейными микроорганизмами. Как только нитчатые вырастут выше уровня флоккулирующих в основной массе раствора, они подвергнутся воздействию более высоких уровней субстрата, чем внутри флоккул, где диффузия уменьшает уровни субстрата. Таким образом, они будут расти еще быстрее и сохраняться в общей массе раствора. Это создает условия для развития сети нитчатых во вспухшем иле под ударной нагрузкой. Более того, рост нитчатых обеспечивает распространение скелета для дальнейшей аккумуляции флоккулирующих бактерий и развития флоккул больших размеров. Проблема кислородного проникновения является таким образом очень важной для дальнейшего роста нитчатых микроорганизмов.
Очевидно, что рост нитчатых происходит во время случаев с высокой органической нагрузкой в воздушной и кислородной системах. Во всех этих случаях число и длина вытянутых нитчатых возрастают. Кроме увеличения числа и длины вытянутых нитчатых, прикрепленных к флоккулам, имеет место также увеличение числа и длины свободно плавающих нитчатых.
На пиковом уровне нитчатых в случае вспухания в воздушной системе (31 сутки) свободно плавающих нитчатых (средней длины 178 мкм) было в 30 раз больше, чем прикрепленных нитчатых (средней длины 68 мкм). Следовательно, этот случай вспухания был вызван исключительно большим присутствием свободно плавающих нитчатых, т.к. прикрепленные нитчатые не увеличились выше их невспухающих уровней.
Во втором случае вспухания в воздушной системе пиковые количества свободно плавающих и прикрепленных нитчатых имели место в одно и то же время и были примерно того же порядка; причем, свободно плавающие нитчатые с усредненной длиной 124 мкм были сравнимы с прикрепленными нитчатыми со средней длиной 71 мкм.
В кислородной системе в случае со вспуханием свободно плавающие нитчатые имели среднюю длину 198 мкм, в то время как прикрепленные нитчатые только 108 мкм длину в среднем. В этом случае со вспуханием пиковое число свободно плавающих нитчатых имело место в течение около 7 суток после достижения пикового числа прикрепленных нитчатых.
Все эти наблюдения можно объяснить, если предположить, что кратковременное увеличение скорости удаления субстрата (и, следовательно, величины концентрации субстрата) вызвано падением концентрации DO внутри флоккул, которое в свою очередь стимулировало нитчатые к росту флоккул. Эти нитчатые продолжали расти и постепенно становились такими длинными, что в турбулентном окружении аэрационной емкости они разрывались и становились свободно плавающими нитчатыми. Этот сценарий объясняет, почему свободно плавающие нитчатые обычно имеют большие средние длины, чем прикрепленные нитчатые, и это также объясняет, почему пиковые концентрации числа свободно плавающих нитчатых достигались позже, чем пиковые концентрации числа прикрепленных нитчатых в кислородной системе.
Первый случай со вспуханием в воздушной системе сопровождался кратковременным увеличением скорости удаления субстрата. Это могло быть объяснено в значительной степени свободно плавающими нитчатыми. При этом аноксические условия в осветлителе вызывали очень быстрый рост нитчатых в длину и рост нитчатых с внешней стороны флоккулы (в аноксическом вспухшем растворе или на стенках осветлителя).
Было уже упомянуто, что кислородная система продуцирует два различных типа нитчатых в процессе и после случая со вспуханием после 42 суток. Это были Sphaerotilus-тип и много длиннее и больше в диаметре грибоподобные нитчатые Zoophagus spp. Проверка показала, что длинные свободно плавающие нитчатые формировали большинство нитчатых в период пика уровня нитчатых. Случай со вспуханием в кислородной системе отличался от случая в воздушной системе в том, что в кислородной системе имело место среднее число длинных (от 175 до 200 мкм) свободно плавающих. Очевидно, длинные нитчатые были или более склонны остаться в системе, или условия для их роста сохранялись дольше, чем условия для роста бактериальных нитчатых.
Критический уровень DO, необходимый чтобы предотвратить бурный рост нитчатых конечно будет зависеть от таких факторов, как свойства и интенсивность подачи сточной воды, конструкция реактора и системы аэрации, температура и другие факторы.
Заключения, полученные относительно концентрации растворенного кислорода в этой работе, показывают, что для большинства городских сточных вод, обрабатываемых со стандартной скоростью, минимальный уровень DO, равный 2,0 мг/л, будет гарантировать равенство качества осаждения воздушного и кислородного ила.
Таким образом, это исследование показало, что обе системы (воздушная и кислородная) могут быть сорваны при увеличении концентрации растворенного кислорода, причем кислородная система показала более слабую сопротивляемость нитчатому срыву.
