Очистка сточных вод в мембранном реакторе

На правах рукописи

Киристаев Алексей Владимирович

ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД

В МЕМБРАННОМ БИОРЕАКТОРЕ.

05.23.04 – Водоснабжение, канализация,

строительные системы охраны

водных ресурсов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2008

Пурифайеры, кулеры без бутылей, водоподготовка, монтаж, устройство и обслуживание бассейнов, воздухоочистители

вента, сервис и обслуживание 2

Работа выполнена в открытом акционерном обществе Ордена Трудового Красного

Знамени комплексном научно-исследовательском и конструкторско-технологическом инсти-

туте водоснабжения, канализации, гидротехнических сооружений и инженерной гидрогеоло-

гии «НИИ ВОДГЕО» (ОАО «НИИ ВОДГЕО»)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Швецов Валерий Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Стрелков Александр Кузьмич

кандидат технических наук

Соколова Елена Васильевна

Ведущая организация: ГУП «МосводоканалНИИпроект» г. Москва

Защита состоится «12» ноября 2008 г. в 1300

, на заседании диссертационного совета

Д303.004.01 при ОАО «НИИ ВОДГЕО» по адресу: Комсомольский проспект, 42, стр. 2, г.

Москва, Г-48, ГСП-2, 119048.

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

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

Автореферат разослан "__" октября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук Кедров Ю.В.



Основные условные обозначения

МБР - мембранный биореактор;

МФ - микрофильтрация;

УФ - ультрафильтрация;

ТМД – трансмембранное давление

Jн – нормализованный поток через мембрану

Jуд – удельный поток через мембрану

max - максимальная удельная скорость роста микроорганизмов

Vmax - максимальная удельная скорость окисления субстрата

Km - константа Михаэлиса

S - концентрация субстрата

E - концентрация фермента

ş – зольность активного ила

X - концентрация микроорганизмов

- удельная скорость роста микроорганизмов

- удельная скорость окисления субстрата

Y - экономический коэффициент

− константа торможения

− коэффициент ингибирования продуктами распада активного ила



ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

К недостаткам традиционных технологий биологической очистки относятся относительно

большие объемы очистных сооружений (аэротенков и вторичных отстойников) и степень очистки,

которая не всегда удовлетворяет современным требованиям к сбросу очищенных сточных вод в

водные объекты. Потенциальные возможности традиционных процессов биологической очистки с

активным илом оказались практически исчерпанными. Дальнейшее радикальное улучшение харак-

теристик биотехнологий возможно путем применения принципиально новых решений.

Коренное улучшение технико-экономических характеристик биотехнологий очистки

сточных вод весьма перспективно в направлении создания гибридных технологий, максималь-

но использующих достоинства биологических методов и мембранного фильтрования.

Актуальность представленной работы состоит в том, что на данный момент только техно-

логия с использованием мембранных биореакторов (МБР) позволяет радикально усовершен-

ствовать технико-экономические характеристики процесса биологической очистки и одновре-

менно является решением проблемы доочистки. В России нет аналогичных установок, иссле-

дования в этом направлении практически не проводились, а в зарубежной литературе имеются

лишь фрагментарные общие сведения о технологических параметрах работы мембранных био-

реакторов.

Цели и задачи работы.

Цель работы состояла в создании эффективной технологии глубокой биологической

очистки сточных вод с применением мембранной микро- и ультрафильтрации, а также в разра-

ботке методики расчета МБР. Для реализации поставленной цели были определены следующие

задачи:

исследовать основные закономерности и особенности процессов очистки сточных вод в

МБР;

определить кинетические зависимости удаления органических соединений и соединений

азота (нитрификация) от качества очищенной воды, концентрации активного ила при различ-

ных периодах аэрации в МБР;

определить оптимальные гидравлические и технологические параметры процесса био-

логической очистки с применением МБР;

обосновать целесообразность и эффективность применения технологии с использовани-

ем МБР для очистки сточных вод;

исследовать возможность и эффективность доочистки биологически очищенных сточ-

ных вод в МБР.

Научная новизна работы заключается в следующем:



научно обоснованы и экспериментально подтверждены технологические преимущества

глубокой биологической очистки сточных вод в МБР;

показано, что разработанный метод очистки в МБР может применяться для обработки

неосветлённых городских сточных вод в условиях существенного колебания их состава;

установлена взаимосвязь параметров и условий работы мембран с технологическими

параметрами работы биореактора;

показана высокая стабильность процесса очистки в МБР в условиях существенного ко-

лебания состава городской сточной воды;

экспериментально установлена высокая эффективность очистки городской сточной во-

ды от органических загрязнений: по ХПК - 80–90%, по БПК – 98,7−99,7%, по аммонийному

азоту - 98,5–99,8% и взвешенным веществам при температуре от 8 до 230С, периоде аэрации

от 2,5 до 10,3 часов и при более высокой производительности (в 3-4 раза) по сравнению с тра-

диционными аэротенками;

показано, что в МБР процессы биологического окисления органических загрязнений и

соединений азота адекватно описываются уравнениями ферментативной кинетики. Для го-

родской сточной воды найдены кинетические константы и коэффициенты, необходимые для

расчёта МБР с достижением заданного качества очищенного стока;

определены и технологически аргументированы оптимальные параметры процесса в

биореакторе с мембранами (доза ила не более 8 г/л, продолжительность обработки городских

сточных вод не менее 4,5-5 часов), а также мембранных блоков – оптимальная величина

удельного потока пермеата 0,3−0,35 м3/м

2.сут.

Практическая ценность:

Впервые теоретически и экспериментально обоснованы преимущества и условия при-

менения МБР для очистки сточных вод с достижением качества очищенного стока до норма-

тивов ПДК рыбохозяйственного водоема (по БПК, взвешенным веществам, соединениям азо-

та) без дополнительной ступени доочистки.

Разработана методика расчета МБР для глубокой биологической очистки сточных вод.

Разработаны рекомендации на проектирование станции очистки городских сточных вод

производительностью 30000 м3/сут с использованием МБР.

Разработанная технология и метод расчета МБР могут быть использованы при проекти-

ровании и реконструкции систем очистки городских и производственных сточных вод.

Достоверность полученных результатов подтверждается большим объемом и длительно-

стью экспериментальных исследований на лабораторных и пилотных установках с реальными

сточными водами в различные сезоны года, сходимостью расчетных и экспериментальных ре-



зультатов, применением стандартизированных методов измерений и анализа, статистической

обработкой результатов.

Обоснованность предлагаемых технологических и конструктивных решений подтвержде-

на лабораторными и полупроизводственными испытаниями с реальными сточными водами.

Апробация работы и публикации:

Основные результаты данной работы докладывались на 7-ом Международном конгрессе

"ЭКВАТЕК-2006" (июнь 2006 г), Международной научно-практической конференции «Био-

технология. Вода и пищевые продукты» (март 2008 г), Конференции международной водной

ассоциации «Мембранные технологии в водоподготовке и очистке сточных вод» (июнь 2008

г), 8-ом Международном конгрессе "ЭКВАТЕК-2008" (июнь 2008 г).

По теме выполненных исследований опубликовано 8 работ, в том числе 2 статьи в жур-

нале, рекомендованном ВАК.

Реализация результатов исследований:

По разработанным рекомендациям выполнен проект городских очистных сооружений г. Шад-

ринск Курганской области производительностью 30000 м3/сут.

На защиту выносятся:

Результаты теоретических и экспериментальных исследований по:

изучению основных закономерностей и зависимостей окисления органических загряз-

нений сточных вод в МБР, в условиях полного удержания биомассы в объёме биореактора;

определению кинетических констант и коэффициент уравнений ферментативных реак-

ций, используемых для описания процессов окисления органических соединений в МБР;

определению оптимальных технологических параметров работы МБР;

определению взаимосвязи параметров и условий работы используемых в МБР мембран

с технологическими параметрами работы биореактора;

методика расчета МБР для глубокой биологической очистки сточных вод.

Структура и объём работы.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка литературы и приложе-

ния. Библиография включает 138 источников, в т.ч. 126 – на иностранном языке. Общий объём дис-

сертации 135 страниц, 41 рисунок и 7 таблиц.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, и сформулированы

цель и задачи исследований, ее научная новизна и практическая значимость, а также основные

положения диссертации, вынесенные на защиту.

Глава 1 «Современное состояние вопроса биологической очистки сточных вод с при-

менением мембранных биореакторов». Первоначально мембраны использовались как эле-



мент доочистки сточных вод после вторичного отстойника. Они обеспечивали удаление из во-

ды взвешенных веществ и части коллоидных соединений. При этом никакого влияния на пара-

метры работы биологического реактора они не оказывали. В настоящее время наблюдается тен-

денция расширения применения МБР для очистки как городских, так и промышленных сточных

вод.

В разделе 1.1 представлен анализ литературных данных, приведены конструктивные ре-

шения МБР, а также прогнозы темпов роста европейского рынка мембран, которые указывают

на ежегодное увеличение количества (в среднем на 10%) вводимых в эксплуатацию МБР с

наиболее перспективными погружными системами.

В разделе 1.2 приведены технологические решения МБР для очистки сточных вод, отме-

чены особенности биологической очистки сточных вод с применением МБР. Анализ отече-

ственных и зарубежных источников показал, что для очистки сточных вод наиболее эффективно

реализовывать биологическую очистку в МБР с погружными половолоконными микро- и ультра-

фильтрационными мембранами. Несмотря на большое число научных работ, вопросы изменения

проницаемости мембран в системах с активным илом и их регенерации, изменения кинетических

характеристик биоценоза активного ила в МБР при накоплении высокомолекулярных соединений в

системе, освещены недостаточно, что потребовало проведения специальных исследований.

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

В разделе 2.1 представлен анализ теоретических предпосылок использования метода

очистки сточных вод с применением МБР, а также методов их математического описания.

Процессы биологической очистки сточных вод являются результатом метаболической де-

ятельности микроорганизмов, основу которых составляют реакции, катализируемые фермен-

тами как внутри клетки, так и за ее пределами. Математическое описание кинетики фермента-

тивных реакций основано на предположении о существовании комплекса фермента с субстра-

том и зависимости скорости реакции от скорости распада этого комплекса с образованием про-

дукта реакции и свободного фермента. Согласно этой гипотезе для ферментативных реакций,

протекающих по схеме1:

Е+S ЕS E+P (2-1)

Михаэлисом и Ментен выведено известное уравнение:

mKS

SVV

max

(2-2)

Согласно этому уравнению зависимость скорости реакции от концентрации органического

вещества выражается гиперболической функцией.

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



При субстратном торможении скорость реакции выражается уравнением:

,2

max

m

m

K

SSK

SVV (2-3)

Скорость роста биомассы () описывается уравнением аналогичным уравнению Михаэли-

са-Ментен:

mKS

S

max

(2-5)

где скорость роста () выражается уравнением:

dt

dX

X

1 (2-6)

а скорость прироста биомассы равна:

Xdt

dX (2-7)

где X - концентрация микроорганизмов. В популяции микроорганизмов имеется целый

спектр исходных медленнорастущих видов, замещение ими исходных форм приводит к пере-

стройке популяции. Один вид (А) вытесняет другой (В) при условии а> в. Давление отбора

() характеризуется как разница в удельных скоростях роста рассматриваемых видов:

= а - в , (2-15)

При отсутствии лимитирования процесса концентрацией субстрата, скорости роста и ско-

рости окисления близки к максимальным и отбор происходит в пользу микроорганизмов, рас-

тущих с максимальной скоростью (max).

При высоких концентрациях субстрата имеются спектры видов, растущих со скоростью а

и в, причем а > в.

Согласно уравнению 2-1 можно записать:

a = аmaxS/(Kаm+S), (2-16)

в = вmaxS/(Kвm+S), (2-17)

Основным параметром, определяющим вид популяции микроорганизмов, при постоянном

расходе сточных вод и достаточно высоком экономическом коэффициенте (YаYв), является

величина максимальной скорости роста. Давление отбора определяется разницей максималь-

ных скоростей роста:

= аmax-вmax, (2-29)

Таким образом, в биоценозе активного ила при окислении легкоокисляемого органическо-

го субстрата с высоким экономическим коэффициентом происходит автоматическое выделение

наиболее быстрорастущих видов, обладающих наиболее высокими максимальными скоростя-

ми роста и окисления.



В реакторе в режиме глубокой очистки, когда концентрация субстрата обычно низкая,

S0>>St (S<<Kаm и S<<Kвm), можно допустить Kаm+SKаm и Kвm+SKвm. В этом случае скорости

роста рассматриваемых видов ниже максимальных (a<<аmax и в<<вmax) и их величина в ос-

новном определяется величиной параметра Km:

,max

am

aa

K

S

,max

Bm

BB

K

S

(2-30)

Когда Yа и Yв 0, отбор видов идет по минимальной величине константы Km, поэтому ав-

тоселекция и отбор видов направлены на уменьшение константы Km.

Наиболее доступными и эффективными в инженерном плане явились методы интенсифи-

кации, основанные на увеличении биомассы активного ила. Эти методы внедрялись одновре-

менно с решением проблемы разделения концентрированных иловых смесей или удержания

биомассы в реакторах.

Бактерии, осуществляющие глубокое удаление трудноокисляемых и биорезистентных ор-

ганических веществ, обладают низкими скоростями роста. Удаление трудноокисляемых орга-

нических веществ на сооружениях биологической очистки со свободноплавающим активным

илом часто не дает должного результата по причине вымывания из системы микроорганизмов,

окисляющих эти вещества, но имеющих низкие скорости роста. Наиболее эффективным спосо-

бом удержания в объёме реактора таких микроорганизмов является использование мембран.

Поэтому погружные мембраны представляют большой интерес с точки зрения разработки ме-

тодов глубокой очистки сточных вод.

В разделе 2.2 основное внимание уделено особенностям работы мембранных блоков в си-

стемах биологической очистки. Видовой состав активного ила специфичен и индивидуален для

каждого вида сточных вод и, главным образом, определяется качественным и количественным

составом загрязнений, а также степенью очистки. Характеристики фильтруемой воды суще-

ственно влияют на степень забивания мембран в любых мембранных системах. В МБР филь-

труемой средой является активный ил, состав которого очень сложен. Механизмы задержания

и забивания в основном обусловлены адсорбцией на слое кека или отложением внутри пор

мембраны. Во многих случаях накопление кека (слоя осадка) является основным механизмом

забивания мембран в МБР.

Процесс забивания мембран в значительной степени определяется технологическими ре-

жимами работы биологической ступени МБР, гидродинамической обстановкой в реакторе, а

также параметрами и схемой фильтрования, перепадом трансмембранного давления (ТМД) и

скоростью фильтрования. Несмотря на большое число публикаций, единая точка зрения на

взаимосвязь интенсивности забивания мембран с параметрами работы биологического реакто-

ра до сих пор отсутствует, что также требует проведения экспериментальных исследований.



В главе 3 описаны модели лабораторных мембранных биореакторов и приведена методи-

ка экспериментальных исследований в соответствии с поставленными задачами.

Исследования проводилась в непрерывно-проточных условиях на лабораторных и пилот-

ной установках МБР с модельными и реальными сточными водами от производства карто-

фельных чипсов и городскими сточными водами (г. Подольск). Были созданы автоматизиро-

ванные испытательные стенды МБР со свободноплавающей микрофлорой, оборудованные по-

ловолоконными микрофильтрационными мембранами с размером пор 0,22 мкм, а также пилот-

ная установка производительностью до 240 л/сут с ультрафильтрационным половолоконным

мембранным модулем (диаметр пор 0,04 мкм) (рис. 3.2.2).

Рис. 3.2.2. Схема и общий вид пилотной установки.

1.– сетчатый фильтр; 2.– питающий насос; 3.– насос отбора проб; 4.– мембран-

ный биореактор; 5.– мембранный модуль; 6.– воздушный компрессор; 7.– рабо-

чий насос; 8.– линия обратной промывки; 9.– блок управления; 10.– термометр;

11.– датчик уровня; 12.– датчик рН-метра; 13.– емкость очищенной воды.

Параллельно по традиционной схеме работала установка аэротенк с отстойником.



Эксперименты проводились в непрерывно-проточном режиме в течение длительного вре-

мени (от 50 до 350 сут), контроль работы установок осуществлялся на основе стандартных ме-

тодов анализа, результаты которых подвергались статистической обработке. Кинетические па-

раметры зависимостей определялись графо-аналитическим методом.

Пилотная установка была смонтирована на очистных сооружениях г. Подольска в здании

решеток. Установка работала более 12 месяцев. Подача исходной сточной воды производилась

непосредственно из канала после механических решеток. Эффективная фильтрационная пло-

щадь половолоконных мембран (с размерами пор – 0,04 мкм) составляла 0,93 м2. ТМД поддер-

живалось в пределах 0,5-5 м. вод. ст.

Процесс фильтрования осуществлялся в циклическом режиме (фильтрация - обратная

промывка-фильтрация) с различной частотой. Режимы фильтрования варьировались в диапа-

зоне 600–1800 с (фильтрование), обратная промывка осуществлялась в течение 30 с.

В главе 4 «Экспериментальные исследования» изложены результаты эксперименталь-

ных исследований.

Раздел 4.1 посвящен оценке принципиальной возможности использования мембранной

микрофильтрации для доочистки биологически очищенной воды, определению роли мембран-

ной фильтрации в процессе доочистки в условиях полного удержания биомассы в биореакторе.

Производственные сточные воды характеризуются высоким значением остаточной ХПК. Часто

эти стоки имеют высокую цветность. Нередко требуется ступень доочистки для дополнитель-

ного снижения ХПК, а традиционные биологические методы доочистки не способны удалять

остаточные концентрации загрязнений по ХПК, взвешенные вещества, цветность. В качестве

субстрата была выбрана выходящая после вторичных отстойников вода от производства кар-

тофельных чипсов. Биологически очищенный сток характеризовался высокой цветностью 80-

140 гр. ПКШ, ХПК – 35-120 мг/л, БПК – 5-25 мг/л, азот аммонийный 2-12 мг/л. Результаты ра-

боты лабораторной установки по доочистке представлены на рис.4.1.1, 4.1.2, 4.1.4.

0

20

40

60

80

100

120

140

1 6 11 16 21 26 31 36

сутки

ХП

К, м

г/л

Исходная сточная вода после МБР

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



Эффект очистки по ХПК за период исследований в мембранном биореакторе составил

25%.

Эффект очистки по цветности при установившемся режиме в МБР получен в среднем 15%

(рис.4.1.2).

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

1 6 11 16 21 26сутки

Цв

етн

ость

, гр

.ПК

Ш

Исходная сточная вода после МБР

Рис. 4.1.2. Динамика изменения цветности в процессе доочистки биоло-

гически очищенной воды в МБР

В процессе доочистки в лабораторной установке МБР имела место нитрификация

(рис.4.1.4), которая осуществлялась за счет накопления в МБР биомассы активного ила и, соот-

ветственно, нитрификаторов.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1 6 11 16 21 26сутки

Ам

мо

ни

йн

ый

азо

т,

мгN

/л

Исходная сточная вода После МБР

Рис. 4.1.4. Динамика изменения азота аммонийного

Концентрация активного ила возросла с 0,08 г/л до 0,8 г/л. Содержание взвешенных ве-

ществ в выходящей воде после мембранных биореакторов снижается практически до 0 мг/л.



К концу эксперимента внутри МБР концентрация органических загрязнений по ХПК до-

стигла 270 мг/л, а цветность - 190 град. ПКШ. Вероятно, это биологически стойкие соединения

в коллоидной форме, поскольку они задерживаются мембраной.

Материальный баланс по ХПК показал, что при доочистке в МБР окисляется 20,9% из по-

ступившей органики, 3,5% накапливается в виде коллоидов и 75,6% выходит с очищенной во-

дой.

Анализ результатов лабораторных исследований по доочистке биологически очищенных

сточных вод указывает, что применение одной мембранной фильтрации даже при наличии ак-

тивного ила на стадии доочистки не обеспечивает достаточно глубокого окисления остаточных

биорезистентных органических веществ (гуминовых, фульвокислот и др.). Остаточная ХПК

снижается на 24,4%, цветность - всего на 17,4%.

В то же время, МБР обеспечивает снижение азота аммонийного на 65%, глубокое удале-

ние взвешенных веществ на 95-99%, что позволяет получить очищенную воду, удовлетворяю-

щую современным нормативам по взвешенным веществам (до 3 мг/л).

В разделе 4.2 представлены результаты лабораторных исследований на имитате сточной

воды. Цель данной работы заключалась в сравнительной оценке технологических преимуществ

метода очистки сточных вод в МБР с традиционной схемой. В качестве органического субстра-

та использовался ацетон (источник углерода) с добавлением биогенных элементов. Параллель-

но работал аэротенк с активным илом. Расход сточной воды на аэротенк изменялся от 2,5 до 7

л/сут. Расход воды на МБР в среднем составлял 8 л/сут. Снижение концентрации органических

загрязнений по ХПК в МБР и аэротенке представлено графически на рис. 4.2.1.

5021

322,3

31,7

615

65,5

0

100

200

300

400

500

600

Исходная вода МБР Аэротенк

ХП

К,

мг/

л

1 режим 2 режим

Рис. 4.2.1. Концентрация органических загрязнений по ХПК (усредненные данные)

до и после очистки



Эффективность очистки по ХПК за этот период в аэротенке составляла – 84%, в МБР -

93%, причём окисление органических веществ происходит значительно глубже и с более высо-

кими удельными скоростями окисления (рис.4.2.3).

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 10 20 30 40 50 60 70 80

ХПК очищенной воды, мг/л

Оки

сл

ител

ьн

ая

мо

щн

ос

ть

, гХ

ПК

/м3.с

ут

аэротенк МБР

Рис. 4.2.3. Зависимость окислительной мощности от качества очищенной воды

Как видно из рис. 4.2.3 и 4.2.6 окислительная мощность (ОМ) в МБР по ХПК и аммоний-

ному азоту в 3-4 раза выше ОМ аэротенка при более высокой степени очистки.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2

Концентрация азота аммонийного в очищенной воде, мг/л

Оки

сл

ител

ьн

ая

мо

щн

ос

ть

по

азо

ту

, г/

м3.с

ут

МБР аэротенк

Рис. 4.2.6. Зависимость окислительной мощности по аммонийному азоту от его

содержания в очищенной воде

Увеличение дозы ила в сооружениях биологической очистки приводит к повышению ОМ

(рис.4.2.4). В аэротенке на протяжении всего эксперимента доза активного ила поддерживалась

в пределах 0,5-2 г/л, в МБР при иловом индексе 200-600 мл/г концентрация активного ила воз-



растала от 1,5 до 16 г/л. В аэротенке с вторичным отстойником наблюдался вынос взвешенных

веществ от 10 до 190 мг/л.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Концентрация ила, г/л

Оки

сл

ите

ль

на

я м

ощ

но

сть

, г/

м3.с

ут

МБР аэротенк

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

Однако, увеличение концентрации активного ила в МБР свыше 10 - 12 г/л приводит к

ухудшению гидродинамической обстановки в реакторе, снижению массообменных характери-

стик системы, затруднению доступа кислорода к активному илу, наблюдаются процессы само-

окисления ила, которые сопровождаются ухудшением качества очищенной воды.

Исследования подтвердили перспективность технологии с применением МБР для биоло-

гической очистки сточных вод. Совмещение мембранной микрофильтрации с биологическим

окислением обеспечивает:

увеличение глубины очистки и достижение качества очищенной воды до нормативов на

сброс в водоем рыбохозяйственного назначения;

повышение окислительной мощности аэрационных сооружений по удалению органиче-

ских загрязнений и соединений азота в 3-4 раза за счет накопления до оптимальной величины

дозы ила в системе;

практически полное задержание взвешенных веществ; стабильную эффективность

очистки при наличии активных илов с высоким иловым индексом (до 250 мл/г и выше);

устойчивость процесса биологического окисления органических соединений и соедине-

ний азота;

удаление органических загрязнений сточной воды в МБР и традиционных аэротенках

описывается идентичными зависимостями.



В разделе 4.3 представлены результаты исследований на пилотной установке в условиях

действующих сооружений канализации г. Подольска (Московская обл.) на городских сточных

водах. Усреднённые показатели качества исходной воды, подаваемой на установку, составля-

ли: взвешенные вещества – 90-200 мг/л; ХПК – 180-300 мг/л; БПКполн – 120-210 мг/л; азот ам-

монийный – 17-30 мгN/л; азот органический – 8-22 мгN/л; фосфор – 2,3-4 мгР/л.

В результате проведенных исследований:

изучены основные закономерности и особенности процессов биологической очистки в

МБР на реальных сточных водах;

оценены предельные возможности технологии с применением МБР по производитель-

ности (окислительная мощность) и по глубине удаления органических загрязнений и соедине-

ний азота;

показаны преимущества и условия применения МБР для очистки сточных вод с дости-

жением качества очищенного стока до нормативов ПДК рыбохозяйственного водоема (БПК -

1-1,5 мг/л, взвешенные вещества 0-3мг/л, азот аммонийный <0,39 мг/л) без дополнительной

ступени доочистки;

оценена стабильность технологического процесса в производственных условиях при

существенных колебаниях состава и расходов городских сточных вод, температуры и других

параметров;

в реальных условиях получены оптимальные технологические параметры, кинетические

константы и коэффициенты, необходимые для расчета сооружения.

За весь период работы установки можно выделить 7 технологических режимов по про-

должительности аэрации (Таэр). Результаты работы установки приведены на рис.4.3.3, 4.3.4.

146,6

65,5

136,7

33,9

2,7 2,3 2,6 0,4

37,939,7

110

35,3 36,8

25,5

32,5 34,329,6

26,7

2

0

15

30

45

60

75

90

105

120

135

150

2,5 2,9 3,2 5,9 7,7 8,9 10,3

Период аэрации,ч.

Ко

нц

ен

тр

ац

ия

, м

г/л

0

5

10

15

20

25

Тем

пер

атур

а,

0С

градиент ХПК ХПК пермеата градиент азота Температура

Рис.4.3.3. Усредненные показатели работы установки



Важной особенностью работы МБР является возникновение градиента концентраций

между содержимым биореактора и пермеатом по различным показателям. За период наблюде-

ний отмечалось увеличение ХПК, БПК и концентрации аммонийного азота внутри биореактора

по сравнению с пермеатом.

Эффективность очистки по ХПК, БПК и удалению аммонийного азота (в целом по системе

«биореактор – мембранный модуль») практически не зависит от времени обработки при Таэр от

2,5 до 17 ч (рис.4.3.4). Эффективность очистки по ХПК составляла 80-90%, по БПК – 98,7-

99,7%, по аммонийному азоту – 98,5-99,8%, что не достижимо на традиционных сооружениях

биологической очистки.

R2 = 0,14

R2 = 0,6

R2 = 0,9

R2 = 0,75

R2 = 0,38

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Период аэрации, ч

Эф

фекти

вн

ость

, %

1-Эффект по ХПК-система 2-Эффект по ХПК-реактор 3-Эффект по БПК-система

4-Эффект по БПК-реактор 5-Эффект по азоту-реактор 6-Эффект по азоту-система

1.

2.

3.

4.5.

6.

Рис.4.3.4. Взаимосвязь эффективности очистки с периодом аэрации.

Для установления взаимосвязи между технологическими параметрами был проведён кор-

реляционный анализ. Имеет место статистическая связь градиента концентрации аммонийного

азота с Таэр (R= - 0,81) и концентрацией активного ила (R= 0,62) в биореакторе. Градиент кон-

центраций азота при Таэр 2,4–3,2 ч также возрастает. Аммонийный азот не может быть задер-

жан мембраной, перепад его концентраций можно объяснить только процессом нитрификации,

протекающим на самой мембране (снаружи или внутри). Это подтверждается также увеличе-

нием концентрации нитратов в пермеате по сравнению с их содержанием внутри биореактора.

Градиент концентрации аммонийного азота также возрастает при дозах ила 8−16 г/л.

Оценка взаимосвязи ОМ с Таэр в МБР и концентрацией активного ила показала, что ОМ

изменяется в зависимости от этих технологических параметров аналогично процессам, проте-

кающим в аэротенках (рис. 4.3.6).



R2 = 0,44

R2 = 0,52

R2 = 0,4

R2 = 0,42

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

Период аэрации, ч.; Доза ила, г/л.

Оки

сл

ите

ль

на

я м

ощ

но

сть

си

сте

мы

, г/

(м3.с

ут)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Оки

сл

ител

ьн

ая

мо

щн

ость

реакто

ра, г/

(м3.с

ут)

1-ОМ системы от периода аэрации 3-ОМ системы от дозы ила4-ОМ реактора от дозы ила 2-ОМ реактора от периода аэрации

1.

2.

3.

4.

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

ΔХПК (разница ХПК внутри биореактора и на выходе) значительно возрастала при сни-

жении Таэр (R= -0,51), что связано с дисбалансом между скоростью поступления загрязнений и

скоростью их биологического окисления.

R2 = 0,41 R

2 = 0,33

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Период аэрации,ч; Доза ила,г/л.

Гр

ад

иен

т Х

ПК

, м

г/л

от периода аэрации от концентрации ила

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

Наблюдалась также устойчивая статистическая связь градиента ХПК с концентрацией ак-

тивного ила (R= 0,57) в биореакторе (рис.4.3.7).

Однако поддерживать дозу ила в биореакторе свыше 8 г/л (для данного вида сточной во-

ды) технологически нецелесообразно не только из-за процессов самоокисления ила и накопле-

ния продуктов метаболизма, но и заметного ухудшения условий массопередачи. При дозе ак-



тивного ила в системе до 8 г/л наблюдался достаточно низкий градиент концентраций как ор-

ганических загрязнений (по ХПК и БПК), так и азота. Взаимосвязь градиента БПК с Таэр и до-

зой активного ила аналогична представленной выше зависимости градиента ХПК.

Обработка полученных данных позволила определить тип уравнения кинетики окисления

данного вида сточных вод, рассчитать коэффициент ингибирования скорости процесса актив-

ным илом и привести к единой дозе ила удельные скорости окисления , мг/(г.ч), с целью

определения остальных кинетических констант Vmax, Km и :

αKK m

2

m

max

/SS

SV

, (4-1)

где Vmax – максимальная удельная скорость биохимической деструкции субстрата, отне-

сенная к единице массы микроорганизмов, мг/(гч); S – концентрация субстрата (количество ор-

ганических веществ по БПК в очищенной воде), мг/л; Km – константа Михаэлиса, характери-

зующая сродство фермента с субстратом, мг/л; − константа торможения.

Зависимость удельной скорости окисления по БПК биореактора от качества очистки, до-

полненная данными работы действующего производственного аэротенка (который работал при

более низких гидравлических нагрузках) и рассчитанная по вышеприведенному уравнению для

реакции с торможением субстратом, подтверждает, что кинетика окисления органических за-

грязнений по БПК как в производственном аэротенке, так и в МБР описывается идентичной за-

висимостью.

В разделе 4.4 представлены результаты изучения работы погружных мембранных блоков в

МБР. Целью исследований было выявление взаимосвязи параметров работы биореактора с

темпом забивания мембран и нахождение оптимальных условий проведения фильтрования.

Параметры работы микрофильтрационных мембран существенно влияют на условия рабо-

ты биореактора и одновременно зависят от технологических режимов биологического процес-

са. На эффективность работы мембранных модулей также оказывают влияние скорость потока

при фильтровании, интенсивность обратного потока при промывке мембран, частота и дли-

тельность циклов фильтрования и обратных промывок, а также интенсивность барботажа воз-

духом. Поэтому в течение всего эксперимента в автоматическом режиме проводились измере-

ния величин потоков пермеата и потоков при обратной промывке, а также соответствующих им

перепадов ТМД на мембранах (рис.4.4.1).

В качестве обобщенной характеристики использовалась величина нормализованного по-

тока Jн, измеряемая как удельный поток через мембрану − м3/(м

2.сут), отнесенный к единице

перепада давления (м. вод. ст.), − м/(сутм. вод. ст.).



0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

79 124 169 214 259 304 349 394 439 484 529 574 619 664 709 754 799 844 889 934 979 сутки

Уд

ел

ьн

ый

по

то

к,

м3/м

2сут,

Но

рм

ал

изо

ван

ны

й п

ото

к,

м/с

ут(м

.во

д.с

т.)

0

1

2

3

4

5

6

Пе

ре

пад

да

вл

ен

ия

, м

.во

д.с

т

1.-нормализованный поток 2.-удельный поток 3.-перепад давления

промывка

химическая

промывка

химическая

2.

1.

3.

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

исследований.

На рис.4.4.4. представлены обобщенные результаты работы мембран от разных произво-

дителей и отличающихся размером пор (0,22-0,04 мкм).

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

0 20 40 60 80 100 120сутки

Но

рм

ал

изо

ва

нн

ый

по

то

к, м

/(с

ут м

. в

од

. с

т.)

мембрана №1 мембрана №2 мембрана №3 мембрана №4

1.

2.

3.

4.

Рис.4.4.4. Сводная характеристика работы различных мембран.

Графики на рис.4.4.4. показывают, что несмотря на разницу в размерах пор, разные усло-

вия работы биореакторов и состав очищаемых жидкостей, в течение первых примерно 30 дней

любая новая мембрана резко снижает свою производительность. После этого наступает дли-



тельный период стабильной работы (независимо от условий, типа сточной воды, нагрузок и т.

д.) с весьма низким и примерно одинаковым темпом потери производительности. Величина Jн

− 0,2–0,4 м/(сут. м. вод ст.), наблюдаемая в этот период, приемлема с технологической и техни-

ко-экономической точек зрения. Длительность этого периода также весьма велика, на что ука-

зывает непрерывная работа мембран в пилотной установке в течение года без необходимости

ее химической очистки.

Корреляционный анализ позволил установить взаимосвязь среднего темпа снижения нор-

мализованного потока J с технологическими параметрами работы мембранного биореактора.

Наблюдается устойчивая статистическая связь темпа снижения нормализованного потока Jн с

дозой ила в реакторе (R= 0,76) и с удельной скоростью окисления (рис.4.4.2).

Зависимость темпа снижения нормализованного потока от удельной скорости окисления

имеет ярко выраженный минимум, что свидетельствует о наличии области оптимальных пара-

метров работы биореактора по нагрузке на ил. Этот режим характеризуется максимальной сте-

пенью очистки в реакторе и минимальным темпом падения производительности мембран.

R2 = 0,7

R2 = 0,8

0,000

0,002

0,004

0,006

0,008

0,010

0,012

0 3 6 9 12 ХПК, мг/г.ч; Сила

Тем

п с

ни

жен

ия

J, м

3/м

2.с

ут н

а

м.в

.ст.

1.- Уд.скорость окисления по ХПК 2.- Доза активного ила

1.

2.

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

нормализованного потока.

Минимальному темпу снижения нормализованного потока J [0,001−0,0015 м3/(м

2.сут м.

вод. ст.)] соответствует величина удельного потока пермеата 0,3−0,35 м3/(м

2.сут), что приемле-

мо с практической точки зрения.



Глава 5 «Методика расчёта очистных сооружений и технико-экономическая оценка

технологии очистки сточных вод в МБР».

В разделе 5.1 представлена методика расчёта биореакторов. Проведенные исследования

показали, что расчет биореактора в системах с МБР может производиться по тем же зависимо-

стям, что и аэротенков. Основными расчетными параметрами являются удельная скорость

окисления при заданной степени очистки по БПК и доза ила.

Удельная скорость окисления по БПК с учётом степени очистки и концентрации активно-

го ила рассчитывается по уравнению (5-3) с использованием констант и коэффициентов, полу-

ченных экспериментальным путем:

im

2

m

max

a*1

1*

*K/SSK

S*V

(5-3)

Кинетические константы и коэффициенты для конкретного вида городских сточных вод,

полученные в результате обработки результатов выполненных исследований, представлены в

таблице 5.1.1, и используются при технико-экономической оценке мембранной биотехнологии.

Таблица 5.1.1.

Кинетические константы и коэффициенты для технологического расчета очистных

сооружений.

№ п.п. Константы и коэффициенты Ед.изм. Аэротенк МБР

1 Максимальная скорость окисления, Vmax мг/г.ч. 22 43

2 Константа Михаэлиcа, Km мг/л 13 13

3 Константа торможения субстратом, 0,18 0,1

4 Коэффициент ингибирования продуктами

метаболизма активного ила,

л/г 0,023 0,023

Требуемая площадь фильтрации половолоконных микрофильтрационных мембран, м2

определяется как отношение расхода воды на сооружение (м3/сут.) и рекомендуемой скорости

фильтрования через мембраны, м3/м

2.сут. Скорость фильтрования для исследованных мембран

рекомендуется принимать от 0,3 до 0,35 м3/м

2.сут.

В разделе 5.2 представлено конструктивное оформление МБР, система автоматического

контроля и управления.

В разделе 5.3 выполнена технико-экономическая оценка применения МБР для станции

производительностью 30000 м3/сут на примере городских сточных вод. Технико-

экономический расчет сооружений биологической очистки выполнен для двух вариантов: тех-

нологическая схема очистки сточных вод с использованием МБР без первичных отстойников и

аэротенков по традиционной схеме. Сооружения механической очистки, удаления и обезвожи-

вания осадка приняты одинаковыми для обоих вариантов и в расчёте не учитываются.



Результаты технико-экономического расчета представлены в таблицах 5.3.1 и 5.3.2.


Технологический расчёт очистных сооружений по сравниваемым вариантам.

МБР Аэротенк

Исходные данныеБез первичного

отстойника

С первичным

отстойником

Расход сточных вод, м3/сут. 30000 30000

Коэффициент часовой неравномерности, мах 1,59 1,59

Макс.час.расход СВ ( по СНиП), м3/час 1988 1988

Взвешенные вещества в исходной воде, мг/л 154 154

Эффект отс. в первичном отст-ке, доли ед. 0 0,5

Взв. вещества на входе в аэротенк, мг/л 154 77

ХПК исходной воды, мг/л 260 260

БПК исходной воды, мг/л 169 169

ХПК воды, поступающей в аэротенк, мг/л 260 208

ХПК очищенной воды, мг/л 30 50

БПК/ХПК 0,65 0,65

БПК воды, поступающей в аэротенк, мг/л 169 135

БПК очищенной воды, мг/л <1 6

Азот общий исходной воды, мг/л 22 20

Азот аммонийный исходной воды, мг/л 13 13

Азот аммонийный очищенной воды, мг/л 0,4 0,4

Азот нитратов очищенной воды, мг/л 9 9

Азот нитритов очищенной воды, мг/л 0,02 0,02

Аэротенк

Концентрация ила, г/л 8 3

Зольность ила, доли ед. 0,3 0,3

Иловый индекс, мл/г 120 120

Продолжительность аэрации по БПК, час 5,3 17,1

Требуемый объем аэротенка, м куб. 6672,8 21382

Требуемая площадь реактора МБР или аэротенка, м2

1668 5346

Первичные отстойники, радиальные

Диаметр отстойника, м 24

Требуемое количество отстойников, шт 5

Требуемая площадь отстаивания, кв.м. 2260

Вторичные отстойники, радиальные

Диаметр отстойника, м 24

Требуемое количество отстойников, шт. 5

Требуемая площадь отстаивания, кв.м. 2260

Блок доочистки, фильтры каркасно-засыпные

Требуемая площадь, м2

3000

Занимаемая площадь очистных сооружений, м2

1668 12866

Требуемая площадь мембран, м2

66000

Сравнительный анализ показывает, что технология очистки сточных вод в МБР позво-

ляет сократить объемы очистных сооружений в 3-4 раза, занимаемую ими площадь в 3-6 раз;



сократить количество элементов очистных сооружений, исключив из технологической схемы

первичные и вторичные отстойники, блок доочистки, упростить условия эксплуатации; улуч-

шить качество очищенного стока по ХПК в 2-2,5 раза и по БПК – в 5-6 раз, обеспечить практи-

чески полное удаление взвешенных веществ и аммонийного азота.


Технико-экономическая оценка показателей сравниваемых вариантов.

Стоимость строительно-

монтажных работ, тыс. руб.

1 ВАРИАНТ

Первичные отстойники, типовой проект 902-2-363.83 23190,04

Аэротенк-смеситель, типовой проект 902-2-211 33028,34

Вторичные отстойники, типовой проект 902-2-347 15730,82

Фильтры доочистки, типовой проект 902-4-11.84 27601,56

Всего: 99550,77

2 ВАРИАНТ

Аэротенк-смеситель, типовой проект 902-2-211 10307,34

Погружные мембранные блоки 88043,48

Всего: 98350,82

Технико-экономическая оценка предлагаемой схемы с МБР по сравнению с традицион-

ной технологией очистки сточных вод показала, что стоимость строительно-монтажных работ

по двум вариантам практически равна, но при использовании разработанной технологии дости-

гается экономия за счёт сокращения расходов по таким статьям, как амортизация зданий и со-

оружений, содержание и текущий ремонт зданий и сооружений. Также в связи с уменьшением

количества работающего персонала можно прогнозировать снижение расходов на содержание

цехового персонала, заработную плату с начислениями, социальные отчисления, которые

трудно поддаются расчёту на стадии анализа новых технологических решений. Снижение за-

трат на этапе капитального строительства происходит в связи с сокращением занимаемых

очистными сооружениями площадей (в рассматриваемом варианте более чем в 7 раз по зани-

маемой площади), по традиционной схеме рыночная стоимость земельного участка достигает

45-50% от стоимости строительно-монтажных работ данного состава очистных сооружений.

При реконструкции существующих очистных сооружений применение МБР позволяет увели-

чить глубину очистки сточных вод без дополнительного увеличения занимаемых площадей.

Годовой экономический эффект может быть рассчитан как разница приведенных затрат при

замене одного варианта другим исходя из точных данных о приведенных затратах с учётом ка-

питальных вложений, включающих стоимость оборудования, затрат на зарплату персонала и

эксплуатационных затратах.



ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Впервые теоретически и экспериментально обоснованы преимущества и условия

применения МБР для очистки сточных вод с достижением качества очищенного стока до

нормативов ПДК рыбохозяйственного водоема (БПК -1-1,5 мг/л, взвешенные вещества 0-3

мг/л, азот аммонийный <0,39 мг/л) без дополнительной ступени доочистки.

2. Исследования с городскими сточными водами подтвердили высокую эффектив-

ность очистки от органических загрязнений по ХПК 80–90%, по БПК – 98,7−99,7%, по ам-

монийному азоту - 98,5–99,8% и взвешенным веществам при температуре от 8 до 230С и

периоде аэрации от 2,5 до 10,3 часов.

3. Установлена взаимосвязь параметров и условий работы мембран с технологиче-

скими параметрами работы биореактора.

4. Показано, что окислительная мощность МБР по сравнению с традиционными

аэротенками возрастает в 3-4 раза. Мембранные биореакторы обеспечивают устойчивость

процесса биологической очистки при гарантированном качестве очищенной воды в услови-

ях гидравлических колебаний и изменения качества состава поступающих сточных вод.

5. Исследования процесса биологической очистки модельных стоков и реальных

сточных вод в МБР (в условиях полного удержания биомассы в объёме биореактора) впер-

вые позволили показать, что процессы окисления органических загрязнений сточной воды в

МБР подчиняются тем же зависимостям и закономерностям, что и в аэротенках, и адекват-

но описывается уравнениями ферментативной кинетики.

6. Для городской сточной воды найдены кинетические константы и коэффициенты,

необходимые для расчёта МБР с достижением заданного качества очищенного стока.

7. Определены и технологически аргументированы оптимальные параметры про-

цесса в биореакторе с мембранами (доза ила не более 8 г/л, продолжительность обработки

городских сточных вод не менее 4,5-5 часов), а также мембранных блоков – оптимальная

величина удельного потока пермеата 0,3−0,35 м3/м

2.сут.

8. Разработана методика расчета мембранных биореакторов для глубокой биологи-

ческой очистки сточных вод.

9. Разработаны рекомендации на проектирование станции очистки городских сточ-

ных вод производительностью 30000 м3/сут с использованием МБР.

10. Разработанная технология и метод расчета сооружений могут быть использованы

проектными и эксплуатирующими организациями при проектировании и реконструкции

систем очистки городских и производственных сточных вод.



Публикации по теме диссертации:

1. Швецов В.Н., Морозова К.М., Киристаев А.В. Преимущества биомембранных

технологий для биологической очистки стоков//Экология производства. 2005. №

11.

2. Швецов В.Н., Морозова К.М., Нечаев И.А., Киристаев А.В. Теоретические и

технологические аспекты применения биомембранных технологий глубокой

очистки сточных вод//Водоснабжение и санитарная техника. №12, 2006. С.25.

3. Швецов В.Н., Морозова К.М., Киристаев А.В. Биомембранные технологии для

очистки сточных вод//Экология производства. 2006. №5.

4. Швецов В.Н., Морозова К. М., Пушников М.Ю., Киристаев А.В., Семёнов М.Ю.

Перспективные технологии биологической очистки сточных и природных

вод//Водоснабжение и санитарная техника. 2005. N12 (часть 2)

5. Киристаев А.В. Влияние технологических режимов биореактора на работу мем-

бранных блоков//Сборник статей Международной научно-практической конфе-

ренции «Биотехнология. Вода и пищевые продукты»: М., 2008.-С.348

6. Shvetsov V.N., Semenov M.Yu., Kiristaev A.V. Interrelation between technological

parameters of bioreactors and membrane operation // IWA regional conference “Mem-

brane technologies in water and wastewater treatment”. Conference proceedings. 2008.

С.246

7. Швецов В.Н., Морозова К.М., Киристаев А.В., Смирнова И.И. Установка для

очистки сточных вод от органических соединений. Патент на полезную модель

№74122 от 20.06.2008 г.

8. Швецов В.Н., Морозова К.М., Киристаев А.В., Смирнова И.И. Способ очистки

сточных вод от органических соединений, азота и фосфора. Решение о выдаче

патента на изобретение от 15.09.2008 г. Заявка №2008112083/15(013068) от

01.04.2008 г.



ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД В МЕМБРАННОМ БИОРЕАКТОРЕ.

Киристаев Алексей Владимирович

05.23.04. Водоснабжение, канализация,

строительные системы охраны водных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

Подписано к печати .10.08 г.

Бумага офсетная.

Печать офсетная.

Заказ №

Тираж: 100 экз.

Documents

Очистка сточных вод в мембранном реакторе