Диссертация (Совершенствование контактных биореакторов для очистки сточных вод)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕУЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙСТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»На правах рукописиПукемо Михаил МихайловичСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНТАКТНЫХ БИОРЕАКТОРОВДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОДСпециальность:05.23.04 – Водоснабжение, канализация, строительные системыохраны водных ресурсовДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководительдоктор техн. наук, профессор Алексеев Е.В.Москва – 20192ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ….….….….….….….….….….….….….….….….….….….….……ГЛАВА1.ПРИМЕНЕНИЕСУЩЕСТВУЮЩИХ5КОНТАКТНЫХБИОРЕАКТОРОВ ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД….….….….….….….…121.1.

Классификация очистных сооружений с прикрепленной биомассой…...121.1.1. Контактные реакторы с незатопленной загрузкой….….….….….……..151.1.2 Контактные реакторы с периодически затопляемой загрузкой….…….181.1.3. Контактные реакторы с затопленной загрузкой….….….….….….…….191.2. Особенности прикрепленной биомассы….….….….….….….….….……..261.3. Конструктивное исполнение контактных загрузочных материаловносителей биомассы….….….….….….….….….….….….….….….….….…….28Выводы по главе 1….….….….….….….….….….….….….….….….….….…...34ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ БИОПЛЕНКИ НАБИОЗАГРУЗКАХ ПЕТЕЛЬНОГО И ЕРШОВОГО ТИПОВ….….….….….….352.1.

Разработка загрузки для контактных биореакторов….….….….….….…..352.1.1. Определение формы биозагрузки….….….….….….….….….….….…...352.1.2. Определение высоты петли….….….….….….….….….….….….….……412.1.3. Параметры разработанной петельной биозагрузки….….….….….….…482.2. Опытная установка с петельной и ершовой биозагрузкой….….….……..492.3. Исследование динамики роста биомассы….….….….….….….….….……512.3.1. Методика исследований….….….….….….….….….….….….….……….512.3.2.

Результаты исследований….….….….….….….….….….….….….……...532.4. Изучение структур и свойств биопленок, формируемых на загрузкахпетельного и ершового типов….….….….….….….….….….….….….….…….562.4.1. Методика проведения микробиологических исследований….….….….562.4.2.

Результаты исследований формируемых биопленок….….….….….…..60Выводы по главе 2….….….….….….….….….….….….….….….….….….…...73ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ КОНТАКТНОГО БИОРЕАКТОРА743В НАТУРНЫХ УСЛОВИЯХ….….….….….….….….….….….….….….……..3.1. Исследование кинетики окисления органических веществ….….….….…743.2. Исследование влияния неравномерности нагрузки на биоценоз….….….79Выводы по главе 3….….….….….….….….….….….….….….….….….….…...93ГЛАВА4.РЕКОМЕНДАЦИИПОПРИМЕНЕНИЮПЕТЕЛЬНОЙЗАГРУЗКИ В КОНТАКТНЫХ БИОРЕАКТОРАХ …………………………...954.1. Область применения петельной полимерной биозагрузки ………………954.2. Конструкции кассет петельной полимерной загрузки………………..…..964.3. Технологические параметры петельной загрузки………….……………..984.4. Размещение элементов биозагрузки в биофильтре………………….……1014.5.

Размещение элементов биозагрузки в контактном реакторе…………….. 103Выводы по главе 4……………………………………………………………….107ГЛАВА 5. ВНЕДРЕНИЕ И ОПЫТ ЭКСПЛУАТАЦИИ КОНТАКТНЫХБИОРЕАКТОРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЕТЕЛЬНОЙ ЗАГРУЗКИ ВСОСТАВЕ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ ……………………………………1085.1. Внедрение полимерной петельной загрузки на сооружениях сбиофильтрами......................................................................................................... 1105.2. Внедрение полимерной петельной загрузки на сооружениях сконтактными биореакторами................................................................................1125.3.

Опыт эксплуатации контактных биореакторов с петельной загрузкой…119Выводы по главе 5………………………………………………………………121ГЛАВА6.ЭКОНОМИЧЕСКИЕПОКАЗАТЕЛИПРИМЕНЕНИЯРАЗРАБОТАННОЙ ПЕТЕЛЬНОЙ БИОЗАГРУЗКИ………………………….122Выводы по главе 6……………………………………………………………….127ЗАКЛЮЧЕНИЕ………..…………………………………………………………128СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ……………….131СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………….……………………………………………133ПРИЛОЖЕНИЕ А…………………………..…………………………………...146ПРИЛОЖЕНИЕ Б…………………………..…………………………………...147ПРИЛОЖЕНИЕ В………………………..……………………………………...1484ПРИЛОЖЕНИЕ Г……………………………………………………………...149ПРИЛОЖЕНИЕ Д……………………………………………………………...150ПРИЛОЖЕНИЕ Е……………………………………………………………...151ПРИЛОЖЕНИЕ Ж……………………………………………………………...152ПРИЛОЖЕНИЕ И……………………………………………………………...153ПРИЛОЖЕНИЕ К……………………………………………………………...154ПРИЛОЖЕНИЕ Л..…………………………………..………………………...1585ВВЕДЕНИЕАктуальность темы исследования.Интенсивнаяурбанизациятерриторий,расположенныхвнезонобслуживания централизованными системами водоотведения обуславливаетнеобходимость развития систем и сооружений для отведения и очистки сточныхвод с малым притоком.Особенность таких сточных вод состоит в высокойнеравномерности поступления в течение суток и года в целом, как по объему, таки по содержанию загрязняющих веществ.

При этом, система нормативныхтребований, предъявляемых к системам очистки малых потоков сточных вод вчасти качества очищенной воды, включая биогенные элементы, не отличается оттребований к централизованным очистным сооружениям.В этих условиях общепринятым решением является применение, какнаиболее универсальных, биологических процессов деструкции органическихзагрязняющихвеществиудалениябиогенныхэлементов.Посколькубиологические процессы очистки воды относятся к медленным, то в условияхзначительной неравномерности притока возникает необходимость устройствадополнительныхрегулирующихемкостей,чтоприводиткувеличениюстроительных объемов и стоимости очистных сооружений.Наиболее распространенным технологическим решением для малыхочистных сооружений является биологическая очистка в аэротенках с активнымилом. При недостаточной стабилизации притока сточных вод свободноплавающий активный ил может выноситься из сооружений или осаждаться, чтовызывает технологическое нарушение процесса очистки сточных вод [8,19,22,67].Анализ существующих систем очистки малых потоков сточных водпоказывает,чтоочистныесооружениясиспользованиемконтактныхбиореакторов в наибольшей мере соответствуют особенностям этих вод[30,94,110,120].На основе обобщения отечественного и зарубежного опыта строительства,проектирования и эксплуатации очистных сооружения для малых населенных6мест, актуальным направлением представляется совершенствование контактныхбиореакторов на основе исследований, разработки и создания элементов иконструкций устройств для формирования и эффективного использованияприкрепленной биомассы.Степень разработанности темы исследования.Вопросы совершенствования работы сооружений биологической очисткишироко освещены в работах В.Н.Швецова, Э.С.Разумовского, Н.А.Залетовой,С.В.Степанова, В.И.Баженова, Н.С.Жмур, А.А.Денисова.

Существенный вклад висследование работы биореакторов и формирования биоценозов внесли работыЮ.В. Воронова, И.И. Иваненко, Д.А.Даниловича, М.Н.Козлова, В.П. Саломеева,Ю. А. Феофанова, H.J. Choi, M. Henze, R. Lemaire, H. Odegaard, B. Young.Однакоприменениеновыхзагрузочныхматериаловвконтактныхбиореакторах и особенности формирования на них биоценозов требуетдополнительного исследования.Объект исследования. Малые биологические канализационные очистныесооружения.Предмет исследования. Процесс биологической очистки сточных вод оторганических веществ и азотных соединений в контактных биореакторах.Цель работы – научное обоснование разработки и применение нового типазагрузки для интенсификации процесса очистки сточных вод в контактныхбиореакторах.Для достижения цели были поставлены следующие задачи:- изучить и проанализировать принципы работы и конструктивныерешениясуществующихконтактныхбиореакторовсприкрепленнымимикроорганизмами для очистки сточных вод;- разработать и создать новый тип биозагрузки из полимерных материаловдля контактных биореакторов, обладающей высокой удельной поверхностью ибиостойкостью, обеспечивающей интенсивный рост и прикрепление биоценоза;7- исследовать условия формирования, структуру и видовой составорганизмов-индикаторов биоценоза контактных биореакторов при работе с новымтипом загрузки;- изучить эффективность снижения органических загрязняющих веществна новом типе загрузки;- изучить влияние на биоценоз биопленки неравномерности поступленияорганических загрязнителей в контактных биореакторах спредлагаемойзагрузкой;- разработать рекомендации по применению контактных биореакторов сразработанной биозагрузкой для интенсификации процессов очистки сточныхвод;- провестиисследованияработыбиореакторовсиспользованиемпредлагаемой загрузки в натурных условиях;- провести экономический анализ результатов применения предлагаемоготипа загрузки из полимерных материалов в контактных биореакторах в составесооружений биологической очистки сточных вод.Научная новизна:- предложенновыйподходкувеличениюудельнойповерхностиконтактного материала путем создания многоуровневой петельной структуры изпорошково–волокнистых полимерных материалов;- полученыновыерезультатыосоставебиоценозабиопленки,формирующейся на многоуровневой поверхности загрузки петельного типа;- установлено, что в петлеобразных структурах загрузки биопленкахарактеризуетсяпространственнымнаправленнымростомсообществамикроорганизмов, формирующих матрикс, к противоположной части петли,образуя мостики;- определены кинетические закономерности очистки сточных вод вконтактных биореакторах с многоуровневой петельной загрузкой в натурныхусловиях, положенные в основу проектирования очистных сооружений.8Теоретическая и практическая значимость работы:- теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможностьинтенсификациипроцессовбиологическойдеструкцииорганическихзагрязняющих веществ путем создания загрузочного материала с большойудельнойповерхностьюиформированиянанемструктурированногомногоуровневого биоценоза;- экспериментальнодоказаноналичиефрактальныхмостиковмикроорганизмов, формируемых на разработанной загрузке, и их устойчивогопространственного роста, что способствует повышению количества биомассы,исключая факторы ее заиливания и повышая эффективность гидродинамическогомассообмена;- доказана устойчивость прикрепленного биоценоза, сформированного наповерхности разработанной загрузки, к изменяющемуся объему и составуочищаемых сточных вод за счет его многоуровневого роста и высокой степенивнутреннего массообмена в контактном биореакторе;- разработаны рекомендации по применению петельной загрузки вконтактных биореакторах для очистки сточных вод;- разработана и внедрена новая конструкция загрузки петельного типа изпорошково-волокнистых материалов и метод ее создания, отличающаяся высокойудельнойповерхностьюдляприкреплениябиоценоза,биостойкостью,возможностью формирования многоуровневой биопленки с активным матриксом(патентнаполезнуюмодель№152194«Биологическаязагрузкадлябиореактора»);- разработана и внедрена новая конструкция контактного биореактора спетельной загрузкой, обеспечивающего глубокую биологическую очисткусточных вод и обладающего технологической устойчивостью к неравномерностигидравлической нагрузки (патент на изобретение № 2620974 «Биореактор дляочистки сточных вод»).9Методология и методы исследования.