автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Регулирование биоценоза одноиловых систем

а- #

Росшпская-нн-Допу государственная академия сгрснтелмпна N

На прапах рукописи

ДОЛЖЕН КО Лидия Алскссепна

I'ЕГУЛ ИРОВЛИ ИЕ БИОЦЕНОЗА ОДНОИЛОВЫХ СИСТЕМ

05.23.04. - Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени • кандидата технических наук

Ростов-на-Доиу 19%

Работа выполнена на кафедре "Водоснабжение и водоотпеденпе" Ростовекой-на-Дону государственной академии строительства.

Научные руководители: доктор технических наук,

старший научный сотрудник 1 БОНДАРЕВ А.А. академик жнлищпо-коммушшыюй академииРосснйской Федерации, доктор технических паук, профессор СЕРПОКРЫЛОВ Н.С.

Официальные оппоненты: академик инженерной академии

Украины, доктор технических наук, профессор КУЛИКОВ Н.И. кандидат технических наук КЛИМУХИН В.Д.

Ведущее предприятие: АО "Водоканалпроект"

Защита , диссертации состоится 1996г.

в ^^часов на заседании диссертационного совета К.063.64.03 при Ростон-ской государственной академии строительства по адресу: 344700, г.Ростои-на-Дону, ГСП-17, ул. Социалистическая, 162.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГАС.

Автореферат разослан " ¿^с/^ ^^х?.— 1996г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук,

доцец^С^^^^? И.П.Турянский

ОБЩАЯ X \РАКТЕРИСТИКЛ РАБОТЫ

Актуальность проблемы.В комплексе мероприятий по охране водоемов от загрязнения важное значение имеет реконструкция очистных сооружений биологической очистки. Биологическая очистка сточных вод, предполагающая использование целого комплекса инженерно-технических сооружений (азротешен, вторичные отстойники, илоуллотнители и т.д.), требует значительных капитальных вложений и эксплуатационных затрат. Вот почему особую актуальность приобретает задача выбора оптимальных режимов для повышения эффективности работы сооружений биологической очистки и снижения объемов избыточной биомассы.

Диссертационная работа посвящена разработке способов интенсификации технологических процессов на базе научных основ биологический очистки сточных вод от сложных органических веществ и соединении азота.

Основу научных исследований по даткшу вопросу заложили отечественные ученые С.Н.Строгалов, Н.А.Базякина, Н.ЛЛукины.ч, С.В.Яковлгв, В.И.Швецов, И.В.Сгспрдов, А.А.Бондарев, Т.А.Каргохнпа, М.А.Елнлепнч, Н.И.Кулнков, И.Н.Чурбаиога, А.Н.Элов, Л.ГС.Корознн, а также зарубежные \V.WJ. ЁскепГе1с1ег, С.Натсг, О.А.НегЬсП, В.Л1к)'пБОл, СЛУеЬЬ и другие специалиста. . . . '

В диссертационную работу вошли исследования; выполненные автором как исполнигелем госбюджетной темы "Совершенствование работы сооружений биологической очистки в условиях Крайнего Севера"; "Оптимизация работы очистных сооружал ш. лесопромышленного комплекса", включенной в план важнейших тематик НИР КНТГТ Госкомвуза РФ "Человек и окружиошая среда", хоздоговорных тем "Разработка рекомендаций по соверцгепстаовангао работы сооружений биологической очистки ТПО "Устт-Илпмстат ЛПК" (х/д № 5037), "Реконструкция с целыо ннтенсифтсащш ремаша работы очистных сооружений АО "Кондитерский комбинат "Кубаль" гЛлмашсвска" (х/д № 29/950У).

Цель работы. Целыо исследований явпласи разработка эффективных технологических процессов глуботсой бнолоппескон очистки сточных вод от сложных органических веществ и соединений азота на основе направленного формиропашы огтшальпых биоценозов в свободном объеме и в иммобилизованном состояшти. .* - ■ ^ .

. В соответствии с постаплештой целыо необходимо решить следующие задачи псслсдопатгй:

• теоретически обосновать. п экспериментально подтвердить возможность направленного формирования оптимальных биоценозов;

• гга основе закономерностей популяцпонной динамики и фермента-. тивной кинетики разработать математическую модель регулирования биоценоза иловых систем; •

• определить физиологические условия симбиоза азоттраисформн-pyiomero биоценоза одноиловых систем;

• исследовать возрастные характеристики иммобилизации биоценоза на контактных носителях;

• разработать методику расчета и технические решения регулирования биоценоза иловых систем.

Научная постна работы:

• впервые дано экологическое обоснование возможности интенсификации биодеструкции загрязнений сточных вод путем направленного формирования оптимальных биоценозов;

• впервые установлена взаимосвязь между возрастом ила и удельной плотностью азоттрансформирующих популяций в симбиотнческих условиях;

• предложена математическая модель и инженерная методика расчета регулирования биоценоза нлозых систем.

Практическая значимость работы ;

• разработаны технические решения регулирования биоценоза иловых систем;

• определены иммобилизационные характеристики некоторых контактных носителей;

<» получены фактические значения кинетических характеристик и констант ферментативных реакций, позволяющие оптимизировать расчеты режимов биологической очистки сточных вод.

Реализация работы.

Рекомендации по совершенствованию режимов работы сооружении биолога ческой очистки реализованы па полуироизиодствешюй установке по биологической очистке сточных вод ТПО "Усть-Илимский ЛПК" и при реконструкции очистных сооружений АО "Кондитерский комбинат "Кубань" г.Тимашевска, используются в учебном процессе РГАС.

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены

па:

• заседании научно-технического совета лаборатории очистных сооружений ВНИИ ВОДГЕО, г.Москва 1991 г.; ,

• научно-технических конференциях Братского индустриального института, г.Братск, 1990-1995 гг.;

• региональной научно-практической конференции Ростовской-на-Дону государственной академии строительства , г.Ростов-на-Дону, 1995 1996 гг.; •

• международной студенческой научно-практической конференцш "Экология и регион", г.Ростов-на-Дону, Ростовская государственная эко номическая академия,1995 г.

На защиту выносятся результаты исследований основных закономерностей роста и развития биоценоза нлопых систем при биологической очистке сточных вод , содержащих сложные органические вещества а соединения азота , позволяющие обеспечить оптимальные параметры технологических режимов работы сооружений на стадиях проектирования и эксплуатации.

Публикации.

Основные результаты исследовании опубликованы в семи печатных работах.

Диссертационная работа является результатом самостоятельной работы автора.Материалом послужшш лнчиьге лабораторные и производственные исследования в лаборатории биологической очистки сточных вод НИН ВОДГЕО (г.Москва), лаборатории очистки сточных вод РНИИ АКХ (г.Ростов-на-Дону), па очистных сооружениях ТПО"Усть-Илимскнй ЛПК" (г.Усть-Нлпмск), на очистных сооружениях АО"Кондитерский комбинат "Кубань" (г.Тимашепск).

Структура и (кп.ем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы из 129 наименований и приложения. Общий объем диссертации 175 страниц, из них страниц машинописного текста 125, рисунков 37, таблиц 14 и 4 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Do введении приведены обоснование актуальности поставленной проблемы, краткая характеристика научной и практической значимости настоящей научно-исследовательской работы. Определены цели и поставлены задачи исследований.

В первой главе в результате анализа тенденций интенсификации биологической очистки сточных под от сложных органических веществ и соединений азота в одноиловых и мпогонловых системах обоснована перспективность использования смешанного биоценоза при создании оптимальных условий взаимодействия различных популяций микроорганизмов и возможности регулирования их технологическими параметрами.

Поиск взаимосвязи между биотическим сообществом и управляющими им факторами выявил возможность регулирования физиологического состояния биоценоза изменением возраста активного ила. Изменяя возраст ила, можно управлять видовым разнообразием смешанного биоценоза, в состав которого входят микроорганизмы с разными скоростями роста и жизненными циклами, что и определяет физиологическое состоите и активность ила в целом. Причем, в соответствии с законами популяцнон-ноЛ динамики, ценозы с высоким разнообразием являются более устойчивыми к проявлениям внешних возмущений. В то же время математические выражения для расчета возраста ила б системах биологической очистки сточных вод, справедливые на стадии проектирования, не дают возможности определения его истинного значения на действующих сооружениях,

что является достаточно сложной, и порой неразрешимой, задачей, требующей точного знания фактического баланса биомассы. " •

При эксплуатации иловых систем отвод избыточного ила ведется обычно периодически, при этом его концентрация изменяется, в соответствии с закономерностями разделения иловых смесей ,в зависимости от высоты слоя осажденного ила: в момент начала откачки она максимальна, затем снижается. Таким образом, общее количество биомассы существенно отличается от расчетного, определяемого по времени откачки. При изменении времени откачки фактичесиш возраст ила ие является постоянной величиной, а биоценоз переходит в неустойчивое состо шне, и из системы возможно периодическое вымывание отдельных групп микроорганизмов. Только 'при высоком уровне эксплуатационной дисциплины возможно поддержание фиксированного, но но обязательно оптимального для данного субстрата возраста ила. Учитывая у1сазанные сложности, данный способ не может быть использован для регулирования физиологического состояния активного пла в системах биологической очистки сточных вод.

Тем не менее на основании литературных данных можно заключить, что регулирование биоцеиоза с помощью возраста ша - один пз возмолс-ных путей интенсификации биологической очистки сточных вод, когда оптимально подобранный возраст ила, особенно дая сложных многокомпо-• нентных субстратов, может выступать в качестве технологического параметра, управляющего эффективностью процесса и способствовать направленному формированию требуемых физиологических н седиментаци-онных свойств активного няа.

Разобщенность мнешй о возможности регулирования биоценоза с точки зрения экологической биотехнологии и отсутствие технических решений осуществления такой задачи обусловили необходимость-проведения дополнительных исследований с учетом особенностей кинетики.процесса деструкции сложных органических веществ н соединений азота, динамики,. роста смешанных популяций мшерооргангамов, условий их оптимального развития. ■ '

Вторая глава посвящена обобщению теоретических основ биохимии, микробиологии и технологии биологической очистки сточных вод, связанных с вопросами регулирования биоценоза смешанных культур.

Основанием для интенсификации биологической очистки сточной воды Являются кинетические закономерности процеса, раскрывающие механизм биохимической деструкции загрязнений и способности микроорганизмов активного ила утилизировать субстрат.

Для сточных вод, содержащих сложные органические вещества н соединения азота, механизм взаимодействия субстрата, фермента и образующегося ферментсубстратного комплекса является достаточно сложным. Для его описания Иерусалимским И.Д., Скирдовым И.В., Швецовым В.Н. и др. предложены коэффициенты, отражающие характер торможения скорости ферментативной реакции.

Взаимосвязь между скоростью ферментативной реакции (V), потребностями микроорганизмов в энергии (Кг,) и синтезе клеточного вещества (Кр) осуществляется через возраст ила (Т), т.е. зависит от удельной скорости роста клеток, потребляющих данный субстрат:

(Г)"

Для формирования устойчивого физиологического состояния биоценоза в свободном объеме бноокнслителя с определенной скоростью утилизации субстрата предложена схема поддержания фиксированного возраста ила при помощи отвода иловой смеси постоянной и известной концентрации непосредственно из аэротснка. Для такой схемы уравнение материального баланса для биомассы и лимитирующего субстрата представляет собой следующие выражения:

\У-11а = \V-n-a-dx-Q-b-a-dT , • (2)

где р - удельная скорость роста микроорганизмов; Ь - коэффициент регулирования биоценоза, учитывающий, какая часть расхода сточных вод удаляется из системы с избыточным илом; а - концентрация биомассы по сухому веществу; \У- объем биоокислителя; С?- расход сточных вод; Бо и Б -начальная и остаточная концентрация субстрата,

где У - коэффициент выхода биомассы при гетеротрофном росте на источнике углерода и энергии.

В результате преобразований получено основное условие поддержания установившегося равновесия при непрерывном культивировании биомассы активного ила между удельной скоростью роста микроорганизмов и удельной скоростью отведения иловой смеси:

(О

Изменяя заранее определенный коэффициент регулирования биоценоза, можно управлять видовым составом микроорганизмов и технологическими параметрами системы.

Если Ь- -> 0, то удельная скорость отведения иловой смсси становится меньше скорости роста микроорганизмов, т.е. Ь-(3 V/

при этом возраст активного ила в системе (Т) увеличивается и концентрация биомассы (а) начинает повышаться, что приводит к убыли питательных веществ и накоплению продуктов обмена. Все это неблагоприятно отражается на скорости роста микроорганизмов, и она начинает падать. Вследствие этого

Г. (6)

и система стремится к установлению нового подвижного равновесия..

<ц и (5)

>„ и (7)

Если Ь->оо, то удельная скорость отведения и..овой смеси становится выше удельной скорости роста микроорганизмов b-Q w

и концентрация биомассы и системе начнет снижаться. При этом питательные вещества расходуются меньше, концентрация субстрата возрастает, чго положительно сказывается па удельной скорости роста и она увеличится; в результате система приходит к новому установившемуся режиму, соответствующему более высокой концентрации субстрата и более низкой концентрации биомассы.

Если отношение удельной скорости отведения иловой смеси к объему бноокислителя превысит максимальную скорость роста микроорганизмов

b-Q г.~\

>!'„.<, (ь)

то через некоторое время все микроорганизмы будут вымыты из системы.

Если b=const, то микроорганизмы постоянно поддерживаются и заданном физиологическом состоянии. Установление равновесно-стабильного состояния системы возможно только при постоянном отведении фиксированного расхода избыточного ила из бноокислителя

^ = const, (9)

W

Если же из системы отводить нефиксированное количество биомассы, то она находится в неустановившемся режиме.

Следовательно, непрерывный процесс биологической очистки сточных иод обладает саморегулирующей способностью в пределах достижения максимальной удельной скорости роста.

На основании полученных выражений построена теоретическая зависимость между стационарными концентрациями биомассы, лнм1Тгирую-щего субстрата и скоростью отведения иловой смеси для биоокислителя при формировании биоценоза с различными скоростями роста Цпых^ОДч-1, Цтах2=0,5ч-', |Тшахз=0,8ч"'. Для расчета приняты следующие параметры системы: Км=0,2г/л, Y=0,7r/r, So= 1,0г/л.

Из графика (рис.1) следует, что медленнорастущие микроорганизмы могут находиться в системе только при малых удельных скоростях отведение иловой смеси, однако именно в этой зоне биоценоз будег представле: высс:<нм видовым разнообразием микроорганизмов, имеющих разные скорости роста и поэтому являющихся более конкурентоспособными.

В реакторе непрерывного культивировании возраст ила является обратной величиной удельной скорости роста микроорганизмов, т.е.

0,3

I

\У

0,6-

, еут.

(10)

\ ! \ 1

\

\

Т -- — =

и ь-<з

Таким образом, регулируя возраст =- 04 ^_____

ила, можно управлял, как концентраци- 5- ' С11 биомассы, так и видовым разиообра- Р" зпем биоценоза, а следовательно и эф- 3"

1 о 0,2-

фектнвн остыо процесса очистки сгоч-^ ных вод.

Рассмотрим возможность регулирования биоценоза н проточном био-окт-слителе непрерывного культивирования с использованием иммобилизованных клеток и составим уравне- Рис.1. Теоретическая завнеи-нне материального баланса для об- мость концентрации биомассы ог щей биомассы: удельной скорости отведения ила

0.0

т= 0,3 1А| I-т = С.5 | т= 0,21/4

Л1

0,0

0,2

0,4

0,6'

0,8

Уд. скорость отзадзния ила, -Г

\У • ¿а = V/• // • а • с1 г + V/ • ^ • а,,,, с!г-<5-Ь-3'<1г, О 1)

где Зим - концентрация иммобилизпрованной биомассы, равная количеству прикрепленных микроорганизмов но сухому веществу на единицу объема биоокислитсля.

Уравнение материального баланса по лимитирующему субстрату имеет следующий вид:

\V■dS=Q■S,■dr-[Q■(l-b)^S■^lrt-Q■b■S■<lт]-W■

■¿г.

(12)

Графическая интерпретация полученных преобразовании приведена на рис.2 (характеристики системы по рис.!, а концентрация иммобилизованной микрофлоры принята: а,ш1 = 0, аичг= 0,003 г/л, а„«з = 0,03 г/л).

Анализ графика показывает, что присутствие иммобилизованной микрофлоры на контактных носителях сохраняет в объеме биоокислителя не только быстрорастущие, но и медленнорастущие виды микроорганизмов, независимо от удельной скоростз^отведения иловой смеси.

Следовательно, регулирование биоценоза с частичной иммобилизацией на контактных носителях основывается на саморегуляции системы путем ограничения скорости роста микроорганизмов и возраста ила количеством и качеством субстрата. В результате этого устанавливается равновесная концентрация активного ила, необходимая для стабильности системы в целом.

Для экспериментального подтверждения полученных результатов произведен анализ микроорганизмов, которые могли бы стать индикаторами изменения возраста ила в системе. Однако рассмотрение отдельных

особей микроорганизмов при изучении целостной системы не является правомерном, так'как применительно к ней нельзя говорить о рождаемости, смертности, возрастной структуре - характеристиках, имеющих смысл только па групповом уровне. Следовательно, только популяции бактерий, внутри которых особи могут обмениваться генетической информацией, могут быть объектом теоретических и экспериментальных исследований с применением методов популяционной динамики. Таким требованиям удовлетворяют азотгрансформиругощие микроорганизмы, осуществляющие полный круговорот азота в экологическом пространстве сооружении биологической очистки. Возможность выделения каждой группы: аммоиифнкаторов, тарификаторов, дснитрификагоров и

0,8

0,6

5

5 0,4

5 0,2

0,0 0,0

---

--- = 0.003 г/Л. = 0.03 г/л.

\

А \

\ 1\

V \ч \

0.2 0,4 0,6 0,8 1,0 Уд. скорость отведения ила, ч"1

Рис.2. Зависимость концентрации ила от его скор эсти отведения при частичной иммобили-азотфнксаторов на элективных средах, зацнн

широко используемых в микробиологии, позволяет определять численность отдельных микроорганизмов. Разница в скоростях роста отдельных популяций позволяет предложить способы направленного формирования оптимальных биоценозов для конкретных сточных вод.

В третьей главе приведены краткие характеристики объектов и методов исследований. Объектами исследования регулирования смешанного биоценоза иловых систем явились: лабораторная модель аэротенка-смесигеля со встроенным отстойником; полупронзводетвенная модель-аз р о теш: а ячеистого типа и производственные азрогепки - иы'тсепщхши.

Для исследования пидоиого разнообразия биоценоза нз работающего в заданном режиме аэротенка отбирались пробы иловой смеси для микробиологических и химико-технологических анализов. На каждом исследуемом режиме продолжительность адаптации составляла величину двух-трехкратногр возраста ила. В стабильном режиме до отбора контрольных проб установка работала не менее одной педели.

Определение численности и систематической принадлежности микроорганизмов биоценоза активного ила проводилось посевом методом предельных разведений на агаровые пластинки с элективными средами. Чашки с агаризованными средами инкубировались при температуре 12° С .в течение 5-7 суток до появления видимых колоний. Видовое разнообразие биоценоза выражалось принятыми в микробиологии индексами. Для анализа видового разнообразия используют сравнения, основанные па нндек-

сах разнообразия, предстапляюших собой математические зависимости между числом видов и их значимостью.

Исследования им мобилизационных характеристик биоценоза активного ила проводилось на образцах контактных носителей, определенной цлощадн: синтетические ерши, сетки капроновые Хэ 008 и 01, стекло силикатное h= 1,5 мм.

Лабораторный контроль за работой сооружений осуществляли по общепринятым методикам определения нитритов, нитратов, аммонийного азота, фосфора, ХПК, БПК и технологических показателен: концентрации ила, динамики осаждения иловой смеси, илового индекса, зольности.

В четвертой главе приведены результаты и обсуждение экспериментальных исследований. Статистическая обработка экспериментальных данных проведена с помощью пакета программ Micro Cal Origin ver.2.8.

В лабораторных условиях была предпринята попытка сформировать устойчивое физиологическое состояние смешанного биоценоза активного ила на одном и том же субстрате (BnKs/N=12,5) путем изменения его возраста заранее определенными коэффициентами регулирования биоценоза. Анализ результатов показал, что при нефиксированном возрасте ила удельная плотность популяций имеет существенное рассеяние, о чем свидетельствуют большие значения срсднеквадратических отклонений, и при доверительной вероятности Р=0.95 полученные значения t-статистики Стыодента не превосходят критического значения (2.353), что свидетельствует о статистической несостоятельности оценок для заданного доверительного интервала. При фиксированном возрасте ила (7 и 20 суток) оценки удельных плотностей всех популяций с доверительной вероятностью Р=0.95 могут быть приняты за достоверные, так как для них полученные ' значения t-хритерия Стыодента превосходят критическое значение.

Таким образом, поддержание постоянного возраста ила может характеризовать определенный заданный режим работа биоокиелнтеля. Процентное распределение удельной плотности популяций (1 - аммоннфи-каторы, 2 - тарификаторы, 3 - денитрификаторы, 4 - азотфнксаторы) в логарифмических величинах при возрастах ила Т=7 и Т=20 суток приведено па рис.3.

Результаты химико-технологического контроля за работой лабораторного аэротенка показали, что при увеличении возраста активного ила в системе достигается более глубокая очистка как по органическим веществам, так и по азотным соединениям, эффективность денитрнфнкацин увеличивается в 4,4-раза, окислительная мощность сооружений по органическим веществам f€>M) увеличилась на 10%. При повышении дозы ила с 1,8 до 2,3 г/л, улучшились седиментационные свойства активного ила н иловый индекс снизился со 110 до 89 ем3/г. Суммарный индекс видового разнообразия биоценоза при этом возрос в 1,8 раза.

Т=7 суток Т=20 су'1 ок

Рис.3. Круговые диаграммы распределения азоттрапсформирующего биоценоза при регулировании возраста ила

а=1,0г.'л, Ти/ф а=1,5(/л, Тк/ф • а=4,5г'л, Ти/ф

а=2,С|/л ТМ5суг. - а=2,0г/лТн/ф

Таким образом, увеличение времени пребывания смешанного, в том числе и азоттрансформнрующего биоценоза, в биоокнелшеле, соответствующее увеличению его суммарного разнообразия, обпаружньает тенденцию к снижению отрицательных видов взаимодействий за счет положительных, повышающих устойчивость экосистемы в целом.

Исследования по эффективности очистки на полупроизводствениой установке позволили определить оптимальный возраст ила для еючных вод лесопромышленного комплекса Т = 15 суток, что соответствует значению коэффициента регулирования биоценоза Ь=0,015.

При возрасте ила Т =15 суток и постоянной продолжительности аэрации, увеличению его концентрации соответствовал минимальный вынос взвешенных веществ из вторичных отстойников. При исследовании кинетики осаждения иловой смеси (рис.4) равной концентрации ^ а=2,0 г/л, в установившемся и неустано- § вившемся режиме, получено, что скорость флокуляции при Т=15 сут. возрастает в 4,2 раза при временной разнице в 0,25 часа. Такое же запаздывание идет и иа стадии стесненного осаждения. Однако стадия уплотнения наступает одновременно через два часа от начала опыта. Слой уплотненного осадка при фиксированном возрасте ниже на 33%.. Сравнивая кинетику уплотнения избыточной иловой смеси при а=4,5 г/л и избыточного ила, отводимого из аэротенка с

60-

60

20

•;__ --

'V \

\ \

▼ \

ь N А—Л

—

0 12 3 4 Время отстаивания, мае.

Рис. 4. Кинетика разделения иловой смеси

о,оа

фиксированным возрастом при а=2,0г/л, очепнлно, что период уплотнения в плоуплотшгтелях существенно сокращается и они, работая и режиме вторичных отстойников, могут подавать осадок на дальнейшую обработку.

Анализ результатов исследования показывает также, что удельный прирост активного ила прямо про- §0,04 порцнонален продолжительности аэрации и обратно - позрасту ила.

Для изучения регулирования биоценоза путем иммобилизации на контактных носителях, их образцы, закрепленные на жестком каркасе, были помещены по вновь запускаемый аэротенк-вытесинтель и зоны: окисления, нитрификации, дешпри-

Зона Дёнитрифияации

— ■ - Принес по сухому веществу

- • Привес по смыву

0,07

0,03

I 0,05

3 0,03

0,02

0,01

0,00

fk

4-

4-^-4--

Л й

г

10 20 30 40 Время иммобилизации, сут.

50

фикамин н доокисления- отдувки газов.

Рис.5. Иммобилизация смешанного биоценоза на сетке № 008

Отмечено, что независимо от расхода сточной жидкости на всех видах контактных носителей сохраняется постоянная величина привеса, представляющая активный слой бактериальных клеток на инертной поверхности контактного носителя, лишенного питательных веществ (рнс.5). При подаче субстрата и создании оптимальных условий роста избыточные клетки (пики привесов) под действием гидродинамического давления переходят в суспендированное состояние п свободном объеме биоокислителя, тем самым повышая концентрацию иловой смеси. При недостатке питания активный слон на инертной поверхности носителя состоит из слаборастущнх клеток. Таким образом, предлагаемая полупроницаемая перегородка из сетчатых материалов может выполняй, роль ферментатора, регулирующего состав биоценоза и концентрацию иловой смеси лимитирующим субстратом.

Микробиологический анализ азоттраисформирующего биоценоза, выраженный величиной экологической плотности, п пределах каждой функциональной зоны показан (рис.б) на сетчатом носителе № 008. При увеличении времени пребывания образцов контактных носителей п ~ио-окислителе, как и при увеличении возраста ила в системе, наблюдаетед рост тарификаторов во всех функциональных зонах.Такаи же зависимость имеет место на всех исследуемых типах носителей. Это свидеюль-ствует о том, что при иммобилизации микроорганизмы с малыми скоростями роста не вымываются из системы независимо от расхода сточной жидкости и происходит саморегулирование биоценоза.

Сома окислении органических веществ _А — В —»— С —V— D

100-i во

60

f 40

20

—---

|/

7 /

л

--__ _-■

О 10 20 30 -¡О 50 •Зозрасг иммобилизованного ила, сут.

Зона нитрификации

—«—А -—В —А— С —т—D

5 80

<г>

»х §• 60

I

с о

С 40

о 20 с; С

/г --- ----

у

/ А.

/

bV

О 10 20 30 40 50 Возраст иммобилизованного ила, сут.

Зона денитрификации —- - А —•— В —С —»— D

100

80

60-

£ 40

о 20-

А

л N - —

J /* VI

/

0 10 20 30 40 50 Возраст иммобилизованного ила, сут.

Зона доокисления-отдуаки —А —— В —С —D

100-

N

5 80

'I 60

I 40 £ 8

о 20

л

У м

»—п ч

О 10 20 30 40 50 Возраст иммобилизованного ила, сут.

Рис. 6. Возрастная иммобилизация (А - аммонификаторы, В - тарификаторы, С - деиитрифнкаторы, Д - азотфиксаторы) на сетке № 008 по функциональный зонам

Оценка видового разнообразия иммобилизованного биоценоза на сетке № 008 и синтетических ершах представлена по каждой функциональной зоне (табл.1).

Таблица 1

Оценка видового разнообразия иммобилизованного биоценоза по индексу доминирования

Вид носителя Попу- Функциональные зоны

ляции

1 2 3 4

Сетка № 008 А 3,73 3,33 2,92 3,47

В 2,59 3,82 3,79 2,42

С 3,57 3,64 ■ 3,91 3,62

D 2,15 2,12 2,09 2,14

Суммарный индекс 0,45 0,56 0,49 0,31

разнообразия

Ерши А 9,61 9,27 - 8,99 9,11

В 9,25 11,02 10,54 9,62

С 9,78 9,96 10,20 9,64

D 8,95 9,П 8,98 9,02

Суммарный индекс 0,62 0,78 0,84 0,55

разнообразия

Анализ видового разнообразия иммобилизованного биоценоза выявил, что доминирование отдельных групп азотгралсформнрующих микроорганизмов практически совпадает с функциональным назначением каждой из зон по обоим носителям. Следовательно, это подтверждает, что при иммобилизации биоценоза происходит саморегулирование возраста пла на контактных носителях. ■

В пятой главе представлены технические решения по регулированию биоценоза на действующих очистных сооружениях и результаты производственных исследований интенсификации биологической очистки сточных вод.

Для регулирования биоценоза в иловых системах, в зависимости от производительности станции ц типа сооружений, предложены следующие технические решения.

При малых расходах сточных вод регулирование биоиепоза и отведение избыточной иловой смеси может быть произведено с помощью управляемого электромагнитного клапана. При больших расходах регулирование биоценоза может быть осуществлено с помощью устройства, обеспечивающего постоянный и равномерный в течение суток отвод избыточной иловой смеси из аэрогенка.

При чередовании функциональных зон в биоокислитслс, например, при очистке азотсодержащих сточных вод, увеличение возраста ила может бьт.достигнуто путем зонного рециклирования биомассы.

Для регулирования иммобилизованного биоценоза предложены неподвижные полупроницаемые перегородки-ферментаторы из ссгчачых материалов, закрепленных па жестком каркасе , отделяющих функциональные зоны биоокислителя. Каркас перегородки состоит из отдельных металлических рам, соединенных по типу "жалюзи", поворачивающихся около продольной оси, определяя степень контактирования иммобилизованного биоценоза с субстратом. Достоинством такой конструкции стало равномерное распределение биомассы по площади, стойкость к коррозии, малое гидравлическое сопротивление потоку, возможность иммобшшзн-ровать широкий спектр микроорганизмов, способность работать в аэробных и анаэробных услоглях, отсутствие необходимости регенерации.

Для производственных сточных вод лесопромышленного комплекса установлена правомочность описания процесса биологической очистки сточных вод уравнением Мнхаэлиса - Мснтен. Исследования по кинетике окисления показали, что торможение скорости ферментативной реакции под воздействием высокой концентрации субстрата происходит по типу конкурентного пнгибировапия (а =3,0) и обусловлено присутствием специфических веществ: фенола, скипидара, мстилмеркаптана и диметнлеуль-фида. Определены фактические значения кинетических констант и физиологических коэффициентов для интенсификации режима работы сооружений:

Км = 200 мг/л; Ушах = 163,8 мгХПК/(г*ч); Ф= 1,0 г/л;

К, =23,9 мгХПК/(г*ч); КР =1060 мгХПК/(г*ч).

В результате регулирования биоценоза с помощью перегородок-ферментаторов и зонного рециркулировапия биомассы повысилась Тлубн: на очистки по органическим веществам до 1 мг БПКз/л (с 95 до 99% по эффективности),по азоту аммонийному с 20 до 1 мгМ/л, эффективность де-нитрификации увеличилась па ?5%, причем последний процесс проходил без дополнительного добавления органического субстрата. Для оптимизации режимов работы сооружений очистки АО"Кондитерская фабрп-ка"Кубань" определены кинетические коэффициенты но функциональным стадиям процесса (табл.2).

_Таблица 2

Процесс Ушах, к». Ф, Кэ, кР.

мг/г*ч мг/л л/г мг/г*ч мг/г

Окисление органических 68,5 8,0 0,8 4,18 о оо "Г

веществ

Нитрификация 8,25 3,0 0,83 1.2 420

Денитрифйкацня 5,9 2,3 1.18 1,05 240

В шестой глапс предложена методика расчета интенсификации режима и биологической очистки сточных вод и разработан алгоритм автоматизированного выбора параметров процесса очистки, который реализован на алгоритмическом языке СИ. Обобщенный алгоритм состоит из двух модулей расчета: для окисления органических веществ при БП1<5/М>20 и для совместного процесса "окчелення органических веществ-нитрификацнн-деннтрифнкацни" при 20>БПКз/Н>4. В примерах расчетов были использованы экспериментально определенные кинетические коэффициенты и константы ферментативных реакций исс дедуемых объектов.

Для очистных сооружений лесопромышленного комплекса произведен расчет оптимального режима путем изменения возраста ила (при использовании рекомендуемого устройства по отбору иловой смеси из аэрогенка), который позволяет повысить глубину очистки от сложных органических. веществ на 20%, увеличить концентрацию ила с 1,4 до 1,9г/л,- снизив при этом его удельный прирост в 1,8 раза.

Результаты расчета по совместной очистке органических веществ и соединений азота (для городских очистных сооружений) показали, что равновесная концентрация ила, при требуемой глубине очистки по нормативам, должна быть разпа 2,96г/л, при этом оптимальный возраст ила составит 28 суток, а коэффициент регулирования биоценоза Ь=0,0!. Для поддержания такой концентрации и требуемого возраста ила необходимо использование иммобилизованной микрофлоры.

Анализ результатов производственных исследований и расчета показал удовлетворительную сходимость полученных данных: по концентрации ила 2,80 и 2,9бг/л соответственно, удельные скорости деструкции органических веществ и азота отличались не более чем на 2%.

Дана эколого-экономичеекая оценка интенсификации режимов биологической очистки сточных под путем регулирования биоценоза иловых систем. Экономический эффект от предотвращения экологического ущерба природной среде составил 716206 руб., что. в 6,5 раза меньше платы за сброс очищенных сточных вод при базовом варианте. Экономический эффект от реконструкции станции по сравнению с предполагаемым строительством блока .доочпсттси составит 1260317 тыс.руб.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Результаты исследований автора позволяют сделать следующие выводы:

1. Теоретически обоснована и экспериментально доказана правомерность использования научных'основ кинетики ферментативных реакций, популяционной динамики и классической микробиологии, что позволило разработать математическую модель для нахождения оптимальных режимов работы сооружений биологической очистки путем направленного регулирования биоценоза иловых систем с учетом возраста активного ила.

2. Предложены оригинальная схема и устройства для поддержания фиксированного значения возраста ила для производственных сооружений разной производительности, позволяющие существенно упростить регулирование биоценоза в процессе эксплуатации. Для расчета истинного значения возраста ила на действующих очистных сооружениях предложено использовать коэффициент регулирования биоценоза.

3. Экспериментально подтверждена возможность формирования устойчивого биоценоза путем изменения и поддержания в фиксированном состоянии возраста ила, при котором суммарный индекс видового разнообразия увеличивается с 0,266 до 0,481, а эффективность денитрифнкации (завершающей процесс очистки) возрастает в 4,4 раза. Оценки удельных плотностей популяций с доверительной вероятностью Р=0,95 соответствовали достоверным по t-критершо Стьюдекта.

4. Установлено, что поддержание оптимального возраста ила для сточных вод лесопромышленного комплекса с расчетным коэффициентом регулирования биоценоза Ь=0,015 увеличивает скорость флокуляции иловой смеси равной концентрации (а=2,0г/л) и природы в 4,2 раза, при временной разнице в 0,25 часа. При этом снижение слоя уплотненного осадка на 33% позволяет использовать ндоуплотнителн и режиме вторичных отстойников.

5. Впервые экспериментально установлена взаимосвязь между возрастом агсшвного ила и удельной плотностью азоттрансформиругощих популяций в симбнотических условиях, на основании которой для регулирования видового состава биоценоза и концентрации иловой смссн. при переменном расходе разработана конструкция полупроницаемой перегородки-ферментатора из сетчатых материалов типа "жалюзи", определяющая степень контактирования иммобилизованной микрофлоры с субстратом, па которую подана заявка на патент.

6. Установлено, что для сточных вод лесопромышленного комплекса субстратное торможение реакций происходит по конкурентному типу (а=3,0). Определены фактические значения кинетических характеристик и констант ферментативных реакций, а также физиологических коэффициентов, использованные для расчета оптимальных режимов. Результаты расчета позвотяют прогнозировать возмо:хность снижения прироста ила в 1,8 раза, повышения эффективности очистки от сложных органических веществ на 20%, уменьшения выноса взвешенных веществ, что подтверждается экспериментальными данными на полупроизподствешюй установке.

7. Эколого-экономический анализ предотг-ращения ущерба окру жающей природной среде за счет уменьшения сброса в водоем с очищен ными сточными водами загрязнений АО "Кондитерская фабрик.

" "Кубань" показал, что экономический эффект от внедрения предложенно! технологии оптимизации процесса биологической очистки состави 716206 руб./год. Экономический эффект от реконструкции станции п< сравнению с предполагаемым строительством блока доочистки состави: 1260317 тыс.руб.

Основные положен;!? диссертации п результаты исследований опубликованы в следующих работах:

1. Эффективность функционирования сооружений биологической очистки в условиях новой экологической политики/ Е.Г.Максимов, Л.Р.Галямов, Д.П.Клнманов //Тезисы докладов 12 науч.-тех. конференции Братского индустриального ин-та. - БрИИ. -Братск, 1991. - С.8.

2. Исследование кинетических характеристик процесса биологической очистки сточных под // Тезисы докладов 13 науч.-тех. конференции БрИИ.- Братск, 1992. - С.32.

3. Снижение прироста активного ила // Там же. - С.34.

4. Лабораторные исследования седиментационных свойств адаптированного активного ила//Тезисы докладов 14 науч.-тех. конференции БрИИ,- Братск, 1993. - С.44.

5. Исследование процесса ингибировапия активного ила продуктами метаболизма //Тезисы докладов 15 науч.-тех. конференции БрИИ.-Братск, 1994.-С.28.

6. Повышение стабильности адаптированного биоценоза / Н.С.Ссрпокрылов // Экология п регион: Материалы междунар. студ. на-уч.-тех. конф.- Ростов-на-Дону, 1995.-С.71.

7. Возможности иммобилизации биоценоза в одпоиловых биоокне-лителях / А.П.Псрмпнов//Там же. - С.72.

JIP № 020818. Подписано в печать 7£03.36 Формат 60*84/16 Бумага писчая. Печать офсетная Уч.-изд. л. 1,0.

Тираж ЮОэкз. С 77 ~ .

Редакционно-издательский центр Ростозской-на-Дону

государственной,академии строительства

344022, Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая. 162.