Аэрация в строительстве это

0
69

Сегодня строительство и эксплуатация крупных очистных сооружений являются очень важными задачами. Выбор оптимального дизайна для строительного процесса может помочь снизить первоначальные затраты. Тщательная эксплуатация и современное оборудование сокращают финансовые расходы. Принимая во внимание огромный спрос на новые очистные сооружения или установки для очистки сточных вод, которые необходимо обновить после того, как в мае 1991 года вступило в силу новое законодательство об очистке сточных вод это довольно ясно, что только экономически эффективные процессы, поддерживаемые энергоэффективным оборудованием, являются ответом на экономическую очистку сточных вод.

Что касается эксплуатационных расходов на биологическую очистку, то приблизительно 70% общего потребления энергии используется для активированной иловой части очистной установки, то есть для систем перемешивания и аэрации. Этот процесс показывает, насколько важна надлежащая конструкция таких систем и предполагает использование только инновационного и энергоэффективного оборудования.

В настоящее время представлены теоретические соображения для проектирования систем аэрации для аэробных процессов. Эти соображения приводят к рекомендациям по строительству и эксплуатации систем аэрации. На самом деле аэрация в строительстве рассматривается в качестве организованного естественного воздухообмена. Это явление происходит за счет разности удельных весов внутреннего и наружного воздуха. Принцип применения аэрации зависит от условий. На сегодняшний день данный метод широко применяется в цехах, в таких помещениях, где наблюдается избыток тепла. Благодаря аэрации осуществляется обмен воздуха.

Схема установки искусственного фонтана для аэрации

Ключевая особенность конструкций для аэрации:

  • Мощность от 4 кВт до 110 кВт.
  • Медленная скорость, диапазон от 40 до 60 об / мин.
  • Полное смешивание
  • Стандартная эффективность аэрации (SAE) в чистую воду 1,8 кгO2 / кВтч
  • Диаметр до 4,0 м
  • Мостовой или плавающий

Общее описание:

Современный аэратор, предназначенный для строительства- это вертикальный аэратор на поверхности вала, который обеспечивает механическое средство переноса кислорода в канализацию или промышленные стоки. Может быть предусмотрена ручная или любая требуемая степень автоматического управления, включая регулировку интенсивности аэрации с помощью контроля растворенного кислорода.

Качественные разработки могут регулироваться на обычных мостах, на штативах с мостами доступа или бассейнах. Их также можно контролировать по конфигурации, обеспечивая тем самым широкий диапазон возможностей обработки от небольших сообществ до крупных установок.

Дизайн:

Современные аэраторы обеспечивают достаточный вход для кислорода и максимальные характеристики смешивания с минимальным расходом энергии. Проверенные эксплуатационные характеристики означают, что установки просты с использовании, недороги и эффективны.

Полное перемешивание и соответствующие скорости циркуляции, хотя аэрационные резервуары достигаются с помощью прочной конструкции без засорения.

Обработка:

Окисление жидкости способствует культивированию и размножению микроорганизмов, которые проводят процесс обработки путем разрушения органического вещества.

Оксигенация также восстанавливает уровни растворенного кислорода в конечном стоке, чтобы поддерживать жизнь растений и животных при выгрузке в реки и озера.

Вертикальные аэраторы шахт достигают переноса кислорода, развивая большой интерфейс между воздухом и жидкостью, так что кислород может диффундировать из воздуха в жидкость. Для достижения этого необходимо предотвратить локальное накопление концентрации кислорода, способствуя хорошему перемешиванию в жидкости.

Аэратор, представленный на рынке, удовлетворяет обоим этим критериям, создавая подповерхностную жидкость и разряжая ее в тяжелых потоках, создавая тем самым сильную турбулентность при большой ударе по поверхности жидкости.

Технические данные:

Официальные поставщики предлагают стандартизованный дизайн аэраторов в диапазоне от 4 кВт до 110 кВт. Все аэраторы гарантируют стандартную эффективность аэрации в чистой воде (при 15 ° C) 1,8 кг / кВт / ч (в зависимости от мощности вала двигателя).

Влияние длительностей аэрации и периодов неаэрации на удаление азота и нитрифицирующую структуру бактериального сообщества оценивали в реакторах с периодическим аэрированием (IA), обрабатывающих переваренные сточные воды. Пять реакторов IA работали параллельно с различными временными соотношениями аэрации и неаэрации (ANA). Популяции бактерий-окислителей аммиака (AOB) и нитрит-окисляющих бактерий (NOB) контролировали с использованием 16S рРНК-слот-блот-гибридизаций.

Разнообразие разновидностей AOB оценивали с использованием гемодиализа гена денатурирующего гена. Nitrosomonas и Nitrosococcus были доминирующими AOB и Nitrospira spp. были доминирующим NOB во всех реакторах, хотя Nitrosospira и Nitrobacter были также обнаружены на более низких уровнях. Реакторы, работающие с самым коротким временем аэрации (30 мин), показали наивысшие уровни РРНК Nitrosospira, а реакторы, работающие с самыми длинными аноксическими периодами (3 и 4 часа), показали самые низкие уровни нитробактера по сравнению с другими реакторами. Nitrosomonas sp. деформация Nm107 была обнаружена во всех реакторах независимо от характеристик реактора.

Шахты для отвода газов в домашней системе аэрации

Аналогичные микробиологические процессы Nitrosomonas europaea, Nitrosomonas sp. штамм ENI-11 и Nitrosospira multiformis были обнаружены во всех реакторах. Значения биомассы концентраций AOB и эффлюентного аммиака не были существенно различны среди реакторов. NOB были более чувствительными, чем AOB, к длительным периодам неаэрации, так как накопление нитритов и более низкие уровни NOK рРНК наблюдались для ANA в течение 1 ч: 4 ч.

Реактор с самым длинным временем неаэрации 4 ч осуществлял частичную нитрификацию с последующей денитрификацией через нитрит, тогда как другие реакторы удаляли азот через традиционную нитрификацию и денитрификацию через нитрат. Повышенная эффективность удаления аммиака не была связана с уровнями конкретных видов AOB или с более высоким разнообразием видов AOB.

Значительно растет интерес к биологическим технологиям удаления азота, которые используют низкий уровень кислорода для достижения частичной нитрификации, окисления аммиака до нитрита аммиакоокисляющими бактериями (AOB) и последующей денитрификации через нитрит, восстановления нитрита до газообразного азота гетеротрофным денитрификаторы. Требования к щелочности и кислороду ниже для частичной нитрификации, а требования к органическому субстрату ниже для денитрификации через нитрит, чем традиционный процесс нитрификации / денитрификации, что приводит к существенной экономии.

Частичная нитрификация основана на выборе AOB над нитрит-окисляющими бактериями (NOB), что позволяет накопить нитрит. Длительное накопление нитритов может быть достигнуто путем контроля времени удерживания твердых веществ, температуры, концентрации свободного аммиака и гидроксиламина или условий растворенного кислорода (DO) (2, 12, 15, 19, 23, 42).

Ключ к эффективной и надежной биологической очистке сточных вод зависит от знания вовлеченных микроорганизмов и того, как они реагируют на различные рабочие условия. В последнее десятилетие сообщалось о нескольких исследованиях микробного разнообразия активированного ила и биопленок на основе библиотек генов 16S рРНК. Денатурирующий гель-электрофорез (DGGE) использовался для отделения амплифицированных генов 16S рРНК и определения влияния концентрации аммиака и растворенного кислорода на составы сообщества нитрификаторов (18, 25, 35). Однако обычно используемые 16S рРНК-праймеры для исследований AOB имеют ограниченную специфичность, а высокое сходство между 16S рРНК-генами AOB делает невозможным разрешение и идентификацию близкородственных видов AOB (31).

Альтернативно, функциональный ген, кодирующий альфа-субъединицу аммонийоксигеназы (amoA), фермента, ответственного за превращение аммиака в гидроксиламин, обнаруженный во всех АОБ, был использован в качестве специфического молекулярного маркера в экологических исследованиях АОБ с использованием DGGE (4, 5 , 32, 39) и ПЦР в реальном времени.

Периодически аэрированные реакторы успешно используются для удаления азота из переваренного свиного навоза путем достижения полной нитрификации в течение аэрированных периодов с последующей денитрификацией в течение неаэрированных периодов (9, 30). Переваренный свиной навоз обычно содержит высокие концентрации аммиака и низкое отношение углерода / азота. Эти характеристики налагают трудности для традиционного подхода нитрификации / денитрификации, обусловленного (i) высокой потребностью в кислороде для полной нитрификации аммиака до нитрата и (ii) относительно низким содержанием органического субстрата, доступным для полной денитрификации.

Непрерывные аэрированные реакторы потенциально могут быть оптимизированы при использовании для частичной нитрификации с последующей денитрификацией через нитрит, что приводит к снижению потребности в кислороде для удаления аммиака и восстановленного органического субстрата для денитрификации. Специалисты предположили, что циклы аэрации с достаточно короткими аэрированными периодами или достаточно длинными неаэрированными периодами могут обеспечить соответствующие условия для частичной нитрификации и денитрификации через нитрит. В настоящем исследовании ученые оценили влияние различных циклов аэрации на эффективность удаления азота и составы сообщества AOB и NOB с использованием amoA DGGE и количественной гибридизации с блочным блоттингом на основе 16S рРНК.

Преимущества аэрации садового участка

Лабораторные реакторы

Селудет выделить пять идентичных 6-литровых оргстекла-реакторов (A, B, C, D и E), которые работали в условиях прерывистой аэрации, каждый из которых имел различное отношение времени аэрации к неаэрации (ANA): 1 ч: 1 ч (реактор А) , 1 ч: 3 ч (реактор Б), 0,5 ч: 1,5 ч (реактор С), 0,5 ч: 2 ч (реактор D) и 1 ч: 4 ч (реактор Е). В реакторы подавали анаэробно расщепленные сточные воды со следующими средними концентрациями: 197 ± 111 мг NH3-N-литр-1 (общий аммиак), 296 ± 150 мг общего азота Kjeldahl (TKN) литр-1, 344 ± 83 мг растворимого химиката потребляемая кислородом литр-1 и 305 ± 114 мг общего органического углерода литр-1.

Вливаемый расход составлял 2 литра в день-1, приток субстрата в течение 20 мин каждые 60 мин. Время гидравлического удержания и среднее время пребывания клеток составляли 3 дня и 20 дней соответственно. Все реакторы работали при комнатной температуре (25 ° C). Среднее значение рН во всех реакторах составляло от 7,6 до 7,8, и добавление щелочи не было необходимым.

Реакторы А и В были инокулированы активным илом из станции очистки сточных вод. Отработанный осадок из реакторов A и B хранился при температуре 4 ° C и использовался для инокуляции реакторов C, D и E. Сточная вода была получена раз в две недели из лагуны, полевая лаборатория и хранилась при температуре 4 ° C. Конструкция реактора позволила установить осаждение биомассы в зоне осветления и рециркуляции в зону аэрации. Управление воздушным циклом осуществлялось с помощью электромагнитного клапана, активированного электронным таймером. Сжатый воздух регулировали до 10 фунтов / дюйм2, а поток воздуха контролировали с помощью регулятора массового расхода газа при 500 мл мин-1.

Аналитические методы

Из каждого реактора собирали образцы втекающего и отходящего потока во время аэрированной фазы и анализировали на TKN, NH3-N (общий аммиак), NO3-N, NO2-N, растворимую химическую потребность в кислороде, общий органический углерод, pH , общее количество взвешенных твердых веществ и летучих взвешенных твердых веществ стандартными методами (10). DO измеряли с использованием измерителя YSI 52 DO и кислородного зонда YSI 5739. Измерения потенциала окислительно-восстановительного потенциала проводили с использованием металлического сплава Platinum.

Бактериальные культуры

Чистые культуры Nitrosomonas europaea (ATCC 25978 в среде ATCC 2265), Nitrosospira multiformis (ATCC 25196 в среде ATCC 929) и Nitrobacter agilis (ATCC 25384 в среде ATCC 480) выращивали аэробно в 0,5-литровых колбах при 30 ° C. РН поддерживали на уровне 8,0 путем периодического добавления 20% Na2CO3. Клетки собирали центрифугированием при 3200 × g, и клеточные гранулы обрабатывали для экстракции РНК.

Выделение нуклеиновой кислоты

Два набора образцов смешанного раствора (по 14 мл каждого образца) центрифугировали при 3200 × g в течение 5 мин и хранили при -80 ° С для экстракции РНК и ДНК. РНК экстрагировали с использованием модифицированной методики экстракции фенолом с низким рН. ДНК экстрагировали с использованием набора изоляции ДНК PowerSoil в соответствии с инструкциями производителя. Концентрации нуклеиновых кислот измеряли спектрофотометрически.

Поскольку чистые культуры Nitrospira недоступны, in vitro-транскрибируемая 16S рРНК использовалась в качестве эталонной рРНК в мембранных гибридизациях, как описано ранее.

Метод денатурирующего гель-электрофореза и клонирование

фрагменты гена amoA амплифицировали с использованием полупринятого подхода, в котором продукты начального цикла ПЦР с праймерами AmoA-1F и AmoA-2R-TC (31, 36) очищали агарозой и использовали в качестве матрицы для второго раунда ПЦР с использованием того же кроме того, что передний праймер (AmoA-1F) имел зажим GC, прикрепленный к его 5′-концу. Агарозную очистку продуктов ПЦР проводили с помощью керновых лент правильного размера с использованием стерильного наконечника пластиковой пипетки и переноса вырезанной сердцевины в стерильную ПЦР-трубку для второго раунда ПЦР. Амплификации проводили с использованием 0,5 мкМ каждого праймера, 25 мкл реакционной смеси системы FailSafe PCR E, 1 мкл ДНК-экстракта и стерильной чистой воды до общего объема реакции 50 мкл. ПЦР проводили с использованием термоциклера при следующих условиях: 94 ° С в течение 5 мин; 28 циклов 92 ° С в течение 1,0 мин, 58 ° С в течение 1,0 мин и 72 ° С в течение 1,0 мин; и конечное удлинение при 72 ° С в течение 45 мин.

Амплифицированные фрагменты гена amoA (491 п.о.) разделяли на 8% (мас. / Об.) Акриламид-бисакриламидных гелях с градиентом денатурирования от 20 до 60% мочевиноформамида при 60 ° С и 80 В в течение 16 ч с использованием системы D-кода. Гели окрашивали краской SYBR Gold, а также визуализировали с помощью трансиллюминатора.

Стерильные иглы шприца использовались для ячеек DGGE (приблизительно одна треть ширины полосы), а вырезанные сердечники переносили в стерильные трубки ПЦР для повторной амплификации и последующего DGGE для проверки эффективности изоляции полос. Эту процедуру повторяли три-пять раз. Тем не менее, некоторые группы казались чистыми, в то время как другие по-прежнему «загрязнялись» переполняющими группами. Чтобы разрешить чистоту полосы и получить надежные последовательности, «изолированные» полосы повторно амплифицировали с использованием незакрепленных праймеров, лигировали в векторы pCR2.1 и трансформировали в компетентные клетки Escherichia coli INVaF, используя набор клонирования TA (Invitrogen, Carlsbad, CA).

Белые колонии собирали из пластин агара (10 колоний из каждого образца лигирования), а плазмидные вставки амплифицировали с использованием праймеров AmoA-1F-GC-зажима и AmoA-2R-TC. Окончательный DGGE был необходим перед секвенированием полос, чтобы подтвердить, что усиленные вставки и первоначально вырезанные полосы имели одинаковые шаблоны миграции. Чтобы проверить воспроизводимость, были также секвенированы две пары полос с идентичными мигрирующими структурами, но из разных образцов окружающей среды.

Последовательность действий

Выбранные клоны были секвенированы в ДНК-секвенировании ДНК Duke University с использованием системы секвенирования цикла терминатора Perkin-Elmer с ДНК-полимеразой AmpliTaq в сочетании с инструментами секвенирования ДНК ABI 3730 и 3100 PRISM и терминатором BigDyeTMv1.1.

Олигонуклеотидные зонды и гибридизации слот-блотов

Олигонуклеотидные зонды, нацеленные на 16S рРНК нитрификаторов, используемых при гибридизации с точки зрения точек, перечислены в таблице Table1.1. Зонды были получены от Sigma-Genosys. Зонды были 5′-концами, помеченными [γ-32P] ATP и полинуклеотид-киназой T4 и очищали колонкой Quickspin Oligo. Мембраны с иммобилизованной РНК гибридизовали, как описано ранее, и промывали при соответствующих температурах промывки. Результаты были выражены в процентах от общей рРНК, измеренной с помощью универсального зонда.

Производительность реактора

Входящие сточные воды были одинаковыми для всех реакторов. Однако биомасса была подвергнута уникальным концентрациям NH3 и кислорода в каждом реакторе, так как подача сыворотки была полунепрерывна, а накопление NH3 происходило в течение неаэрированных периодов. Ранее обсуждались профили азота, рН, DO и окислительно-восстановительного потенциала для реакторов, описанных в этом исследовании (M. A. Head и др., Представленные для публикации).

Реакторы B (ANA, 1 ч: 3 ч) и E (ANA, 1 ч: 4 ч) показали накопление нитритов до 5,4 мг NO2 — N литр-1 и 7,8 мг NO2 — N литр-1, соответственно , в то время как другие реакторы проявляли незначительное накопление нитритов в периоды аэрации. Только реактор E с самым длинным периодом неаэрации показал значительное сокращение нитрита в течение периодов неаэрации, как указано концентрацией сточных нитритов 0,8 мг NO2-N литров-1 в конце периодов неаэрации. Восстановление нитрита в реакторе В было незначительным, о чем свидетельствует концентрация эффлюентного нитрита 4,9 мг NO2 — N л-1 в конце периодов неаэрации.

Долгосрочная эксплуатация реакторов и гибридизация мембран

Таблица 33 показывает средние концентрации стоков во время периодов аэрации от пяти реакторов за 1 год эксплуатации. Реакторы показали стабильную работу в течение большей части отбираемых дней. Тем не менее, короткие периоды нестабильности эффективности произошли во всех реакторах, что привело к относительно высоким стандартным отклонениям для данных об отходах, приведенных в таблице. Реактор C имел самую высокую среднюю концентрацию эффлюентного аммиака (32 мг NH3-N литр-1), а реактор B имел самые низкие средние концентрации эффлюентного аммиака (22 мг NH3-N литров-1). Однако средние концентрации эффлюентного аммиака не были существенно различны среди реакторов (показатель дисперсии [ANOVA] P 0,7212; α = 0,5), что указывает на то, что сообщества АОБ во всех реакторах могут окислять аммиак до аналогичных уровней в течение аэрированных периодов.

Концентрации нитрита и нитрата сточных вод были значительно различны среди реакторов (значения ANOVA P 0,003 и 0,004 для нитрита и нитрата соответственно, α = 0,5). Реактор А с самым коротким неамеризованным периодом имел самую низкую концентрацию нитрита сточных вод. Реактор E с самым длинным неаэрированным периодом имел наивысшую концентрацию нитрита сточных вод. Эти данные свидетельствуют о том, что NOB более чувствительны, чем AOB, до более длительных периодов неаэрации. Реактор В имел самую низкую концентрацию нитрата эффлюента, а реактор С имел самую высокую среднюю концентрацию нитрата сточных вод.

Также наблюдались фракции AOB (общее β-AOB) и NOB (включая Nitrobacter и Nitrospira) в биомассе, а средние значения показаны в таблице. Средняя доля AOB существенно не отличалась среди реакторов (значение ANOVA P 0,376; α = 0,5). Nitrosomonas и Nitrosoccocus были доминирующим АОБ во всех реакторах, на которые приходится более 70% общей фракции АОБ. Реакторы C и D, как с самым коротким периодом аэрации (0,5 часа), показали самый низкий процент нитрозомоназа-нитрозоконкуса от общего β-AOB среди реакторов. Nitrospira была доминирующей группой NOB во всех реакторах, на долю которых приходилось более 73% общего объема NOB.

Реакторы B и E, как с самыми длинными периодами неаэрации (3, так и 4 ч), показали наименьшие средние фракции Nitrobacter, Nitrospira и NOB (Nitrobacter plus Nitrospira) среди реакторов, что указывает на то, что длительные периоды неаэрации оказывают сильное влияние на уровни биомассы NOB. Реакторы C и D, оба из которых работают с 0,5 ч аэрации, не показали существенно разных общих фракций биомассы NOB, чем реакторы с более длительными периодами аэрации, что указывает на то, что короткие периоды аэрации не оказали значительного воздействия на популяции NOB в реакторах.

Накопление нитритов является результатом скорости окисления аммиака, превышающей скорость окисления нитрита. Различия в скоростях окисления можно отнести к AOB, превосходящему NOB, из-за ряда факторов, включая ингибирование свободного аммиака, концентрацию растворенного кислорода, содержание органического вещества и летучих жирных кислот, температуру и рН.

Накопление нитрита при низком уровне DO обычно связывается с разницей в константе насыщения для DO между AOB и NOB. Значения в литературе для констант насыщения AOB и NOB в интервале активного ила варьируются от 0,25 до 0,5 мг O2 литр-1 и от 0,34 до 2,5 мг O2-литр-1. Специалисты сообщили, что AOB остался незатронутым в реакторе с суспендированным ростом, работающем при низком уровне DO (<0,5 мг / л), в то время как NOB сильно ингибировали, что приводило к накоплению нитрита до 60 мг литра-1. Кроме того, было обнаружено, что AOB более быстро восстанавливается с периодов голодания субстрата, чем NOB, что приводит к случайному накоплению нитритов после того, как аммиак снова становится доступным. Специалисты сообщили, что AOB разработал способность переносить флуктуации DO, но NOB этого не сделал.

В этом исследовании было обнаружено, что NOB и AOB хорошо регулируются для изменения уровней DO, когда неаэрирующие циклы были ниже 2 ч. NOB были затронуты только длительными периодами неаэрации в течение 3 и 4 часов, что привело к снижению фракций биомассы NOB и накоплению нитритов в периоды аэрации. Короткие периоды аэрации (0,5 ч) существенно не влияли на популяции NOB, и процесс нитрификации проводился вплоть до нитрата во время аэрации. Поэтому важна не только концентрация растворенного кислорода, но и продолжительность периодов неаэрации, при выборе AOB над NOB в латерально-аэрированных реакторах.

На практике было показано, что высокие концентрации аммиака выбирают АОБ над NOB, что приводит к накоплению нитритов. Как правило, AOB имеют более низкие константы ингибирования аммиака и могут выживать при повышенных концентрациях аммиака. Так как подача реактора на входе в реактор была полунепрерывна, накопление аммиака происходило в периоды неаэрации, а биомасса в реакторах с различными циклами аэрации подвергалась уникальным концентрациям аммиака. Тем не менее, ингибирование NOb аммиаком, вероятно, не имеет значения, поскольку, как правило, в контексте ингибирования учитывается только свободный аммиак, а свободный аммиак пренебрежимо мал в диапазоне рН (от 7,6 до 7,8) и общих концентрациях аммиака (от 1,2 до 64,0 мг NH3- N), сохраненных в этом исследовании.