Очистка сточных вод в мембранном биореакторе.

На правах рукописи

Киристаев Алексей Владимирович

ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД

В МЕМБРАННОМ БИОРЕАКТОРЕ.

05.23.04 – Водоснабжение, канализация,

строительные системы охраны

водных ресурсов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2008

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

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Швецов Валерий Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Стрелков Александр Кузьмич кандидат технических наук Соколова Елена Васильевна

Ведущая организация:

ГУП «МосводоканалНИИпроект» г. Москва

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

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

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

Автореферат разослан "__" октября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Кедров Ю.В.

Основные условные обозначения

МБР - мембранный биореактор;

МФ - микрофильтрация;

УФ - ультрафильтрация;

ТМД – трансмембранное давление

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

– зольность активного ила

X - концентрация микроорганизмов

- удельная скорость роста микроорганизмов

- удельная скорость окисления субстрата

Y - экономический коэффициент

константа торможения

коэффициент ингибирования продуктами распада активного ила

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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

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

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

Цели и задачи работы.

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

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

Научная новизна работы заключается в следующем:

• научно обоснованы и экспериментально подтверждены технологические преимущества глубокой биологической очистки сточных вод в МБР;
• показано, что разработанный метод очистки в МБР может применяться для обработки неосветлённых городских сточных вод в условиях существенного колебания их состава;
• установлена взаимосвязь параметров и условий работы мембран с технологическими параметрами работы биореактора;
• показана высокая стабильность процесса очистки в МБР в условиях существенного колебания состава городской сточной воды;
• экспериментально установлена высокая эффективность очистки городской сточной воды от органических загрязнений: по ХПК - 80–90%, по БПК – 98,799,7%, по аммонийному азоту - 98,5–99,8% и взвешенным веществам при температуре от 8 до 230С, периоде аэрации от 2,5 до 10,3 часов и при более высокой производительности (в 3-4 раза) по сравнению с традиционными аэротенками;
• показано, что в МБР процессы биологического окисления органических загрязнений и соединений азота адекватно описываются уравнениями ферментативной кинетики. Для городской сточной воды найдены кинетические константы и коэффициенты, необходимые для расчёта МБР с достижением заданного качества очищенного стока;
• определены и технологически аргументированы оптимальные параметры процесса в биореакторе с мембранами (доза ила не более 8 г/л, продолжительность обработки городских сточных вод не менее 4,5-5 часов), а также мембранных блоков – оптимальная величина удельного потока пермеата 0,30,35 м3/м2.сут.

Практическая ценность:

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

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

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

Апробация работы и публикации:

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

Реализация результатов исследований:

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

На защиту выносятся:

Результаты теоретических и экспериментальных исследований по:

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

Структура и объём работы.

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

Содержание работы

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

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

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

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

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

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

Процессы биологической очистки сточных вод являются результатом метаболической деятельности микроорганизмов, основу которых составляют реакции, катализируемые ферментами как внутри клетки, так и за ее пределами. Математическое описание кинетики ферментативных реакций основано на предположении о существовании комплекса фермента с субстратом и зависимости скорости реакции от скорости распада этого комплекса с образованием продукта реакции и свободного фермента. Согласно этой гипотезе для ферментативных реакций, протекающих по схеме1:

Е+S ЕS E+P (2-1)

Михаэлисом и Ментен выведено известное уравнение:

(2-2)

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

При субстратном торможении скорость реакции выражается уравнением:

(2-3)

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

(2-5)

где скорость роста () выражается уравнением:

(2-6)

а скорость прироста биомассы равна:

(2-7)

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

= а - в, (2-15)

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

При высоких концентрациях субстрата имеются спектры видов, растущих со скоростью а и в, причем а > в.

Согласно уравнению 2-1 можно записать:

a = 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 максимальных скоростей роста:

= аmax-вmax, (2-29)

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

В реакторе в режиме глубокой очистки, когда концентрация субстрата обычно низкая, S0>>St (S

(2-30)

Когда Yа и Yв 0, отбор видов идет по минимальной величине константы Km, поэтому автоселекция и отбор видов направлены на уменьшение константы Km.

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

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

В разделе 2.2 основное внимание уделено особенностям работы мембранных блоков в системах биологической очистки. Видовой состав активного ила специфичен и индивидуален для каждого вида сточных вод и, главным образом, определяется качественным и количественным составом загрязнений, а также степенью очистки. Характеристики фильтруемой воды существенно влияют на степень забивания мембран в любых мембранных системах. В МБР фильтруемой средой является активный ил, состав которого очень сложен. Механизмы задержания и забивания в основном обусловлены адсорбцией на слое кека или отложением внутри пор мембраны. Во многих случаях накопление кека (слоя осадка) является основным механизмом забивания мембран в МБР.

Процесс забивания мембран в значительной степени определяется технологическими режимами работы биологической ступени МБР, гидродинамической обстановкой в реакторе, а также параметрами и схемой фильтрования, перепадом трансмембранного давления (ТМД) и скоростью фильтрования. Несмотря на большое число публикаций, единая точка зрения на взаимосвязь интенсивности забивания мембран с параметрами работы биологического реактора до сих пор отсутствует, что также требует проведения экспериментальных исследований.

В главе 3 описаны модели лабораторных мембранных биореакторов и приведена методика экспериментальных исследований в соответствии с поставленными задачами.

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

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