Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и выбор направления исследований 14
1.1 Биофлоккуляция дисперсно-коллоидных загрязнений на участке механической очистки 14
1.2 Гидродинамические и массообменные характеристики аэрационных сооружений 19
1.3 Процессы аэробной биологической очистки сточных вод активным илом 24
1.4 Процессы отстаивания смесей сточных вод и активного ила 30
1.5 Факторы, определяющие эффективность аэробной биологической очистки 34
Глава 2. Объекты, материалы и методы исследований .38
2.1 Биофлоккуляция дисперсных загрязнений в первичных отстойниках 38
2.2 Гидродинамические и массообменные характеристики аэрационных сооружений биологической очистки 40
2.3 Аэробная биологическая очистка в аэрационных сооружениях 41
2.3.1 Отработка режимов аэробной биологической очистки с продленной аэрацией в аэротенках различных типов 41
2.3.2 Определение оптимальных режимов возврата активного ила 42
2.3.3 Микробиологические исследования активного ила в аэротенках 43
2.4 Осаждение биомассы активного ила во вторичных отстойниках...44
Глава 3. Повышение эффективности седиментации дисперсных, частиц загрязнений за счет использования активного ила в качестве источника биофлоккулянтов 48
3.1 Эффективность аэробной биологической очистки при различных способах обработки исходной сточной воды перед подачей ее в первичных отстойник 49
3.2 Эффективность механической обработки исходной сточной воды при различных способах ее обработки перед подачей в первичный отстойник 51
3.3 Интегральные характеристики сточной воды при использовании в качестве источника коагулянта предварительно обработанного активного ила 52
3.4 Прогнозирование снижения нагрузок по загрязнениям на участок аэробной биологической очистки 55
Глава 4. Гидродинамические и массообменные характеристики аэрационных сооружений биологической очистки 64
4.1 Кинетические закономерности процесса биологической очистки..64
4.1.1 Механизм переноса кислорода и субстрата в системах с активным илом 64
4.1.2 Кинешка процесса биоокисления субстрата в аэрационных сооружениях 67
4.2 Динамика и управление потреблением (респирацией) и растворением кислорода в аэрационных сооружениях 72
4.2.1 Основы динамики растворенного кислорода 72
4.2.2 Определение скорости передачи кислорода 73
4.2.3 Определение скорости потребления кислорода 74
4.3. Моделирование процессов циркуляции, перемешивания и окисления в аэротепках с помощью обобщенных критериев 75
Глава 5. Аэробная биологическая очистки сточных вод активным илом 99
5.1 Разработка технологии аэробной биологической очистки с продленной аэрацией и уменьшением избыточного активного ила 99
5.1.1 Биологическая очистка сточных вод от соединений азота 99
5.1.2 Дефосфатация сточных вод 101
5.1.3 Пути совершенствования методов аэробной биологической очистки 103
5.2 Использование микрофауны активных илов для оптимального управления режимами работы системы очистки сточных вод 104
5.3 Влияние возврата активного ила в голову технологической линии обработки на функционирование системы очистки сточных вод 107
Глава 6. Процессы отстаивания смесей сточных вод и активного ИЛА 122
6.1 Гидравлическая эффективность емкостных сооружений биологической очистки 122
6.1.1 Гидравлические характеристики емкостных сооружений. 122
6.1.2 Эффективность очистки сточных вод в сооружениях аэробной биологической очистки 124
6.1.3 Технологическая эффективность сооружений 125
6.1.4 Гидравлическая эффективность отстойников 126
6.2 Процессы седиментации водно-иловых смесей во вторичных отстойниках 128
6.2.1 Экспериментально-расчетные исследования процессов седиментации водно-иловых смесей во вторичных отстойниках 128
6.2.2 Экспериментальные исследования седиментационных характеристик вторичных отстойников и способ определения их конструктивных характеристик 136
Глава 7. Оптимизация процессов управления аэробной биологической обработкой сточных вод 160
7.1 Повышение эффективности седиментации дисперсных частиц за счет использования предварительно обработанного активного ила в качестве источника биофлокулянтов 160
7.2 Управление процессом очистки сточных вод от азотных загрязнений и контроль степени очистки с помощью измерения редокс-потенциала 161
7.3 Использование микрофауны активного ила как потенциального индикатора эффективности процессов очистки сточных вод 163
7.4 Регулирование амплитудно-частотных колебаний параметров сточных вод на выходе из очистных сооружений 166
7.5 Оптимальное согласование характеристик аэротенков и вторичных отстойников 172
Выводы 187
Литература 189
Приложения 203
- Гидродинамические и массообменные характеристики аэрационных сооружений
- Гидродинамические и массообменные характеристики аэрационных сооружений биологической очистки
- Эффективность механической обработки исходной сточной воды при различных способах ее обработки перед подачей в первичный отстойник
- Динамика и управление потреблением (респирацией) и растворением кислорода в аэрационных сооружениях
Введение к работе
Актуальность проблемы
В настоящее время большую научно-техническую проблему представляет экологическая защита природной среды от загрязнения ее отходами промышленных производств и бытовыми стоками населенных пунктов. Попадание органических и минеральных загрязнений в водные и почвенные бассейны происходит при сбросе коммунальных и промышленных сточных вод, образующихся при реализации технологических процессов производства и переработки продукции и в процессе жизнедеятельности людей. Особенность сточных вод, сбрасываемых на очистные сооружения, состоит в том, что они в значительной степени загрязнены веществами органического и минерального происхождения, находящихся в дисперсной, коллоидной и растворенной формах. Сточные воды содержат в своем составе широкий спектр органических углерод-, азот- и фосфорсодержащих загрязнений, требующих применения различных физико-химических и микробиологических способов изъятия их из сточных вод. Дисперсно-коллоидные загрязнения, находящиеся во взвешенном состоянии, отделяют от сточной воды различными способами в процессе механической обработки (в основном, путем гравитационного осаждения в первичных отстойниках) и выводят из очистных сооружений на иловые площадки. Органические вещества, находящиеся в растворенном состоянии, подвергаются биологическим методам обработки, в процессе которых реализуются биохимические процессы их окисления микроорганизмами активного ила.
Важным обстоятельством при этом является то, что эффективность работы сооружений биологической очистки (аэротенков и вторичных отстойников) во многом определяется физико-химическим составом сточных вод, предварительно прошедших механическую очистку. Процесс усвоения микроорганизмами органического субстрата из поступающей в
7 аэротенк сточной воды протекает наиболее интенсивно, когда органические вещества находятся исключительно в растворенном состоянии. В этом случае облегчается подвод питательных веществ к клеткам микроорганизмов, повышается глубина ферментативного гидролиза, а значит - улучшаются условия и полнота поглощения субстрата клетками бактерий активного ила. В результате растет коэффициент полезного действия биохимического процесса, в аэротенке формируется ефлоккулированный активный ил, хорошо осаждающийся во вторичном отстойнике, т.е. в целом повышается качество очистки, надежность и устойчивость работы очистных сооружений. Поэтому эффективность отделения дисперсных и коллоидных загрязнений на участке механической очистки во многом определяет эффективность работы всех очистных сооружений.
Микробиологические исследования биоценозов активного ила показывают, что ил, функционирующий в аэротенках, имеет сложную и непрерывно развивающуюся структуру. Биоценоз активного ила состоит в основном из микроорганизмов, связанных трофическими и метабо'литными процессами, которые лежат в основе биологической очистки сточных вод. Поэтому оптимальное управление смешанными культурами микроорганизмов в условиях биохимического окисления органических загрязнений является одним из наиболее перспективных путей максимального использования окислительной способности микроорганизмов активного ила. В этой связи изучение кинетики роста, жизнедеятельности и отмирания смешанных микробных популяций в биомассе активного ила является актуальной и важной задачей. Целенаправленное регулирование жизнедеятельности микробных популяций способствует снижению содержания патогенной микрофлоры в сточных водах до санитарно-показательных норм и получению максимальной эффективности биохимических процессов окисления микроорганизмами органических загрязнений.
Важное значение имеет также оптимальная организация гидравлических и массообменных процессов в самом аэрационном сооружении. Основными факторами, влияющими на выбор этих режимов, является гидродинамическая схема течения потоков и эффективность процесса насыщения жидкой среды кислородом воздуха, подаваемого системами аэрации. На начальной стадии биологическую обработку сточной воды целесообразно производить путем ее интенсивной аэрации в емкостях смесительного типа. При этом имеет место высокая гомогенизация стоков и интенсивное насыщение кислородом микроорганизмов активного ила. В этих условиях одновременно протекают два процесса — биологическое окисление органических примесей и синтез новых бактериальных клеток. На конечной стадии биологической очистки обработку сточной воды целесообразно производить в вытеснительном режиме, который обеспечивает возможность реализации процессов избирательного лизиса микроорганизмов и снижения за счет этого прироста избыточной биомассы активного ила. Поэтому эффективный процесс биохимического окисления загрязнений " должен предусматривать соответствующую организацию гидравлических и аэрационных режимов по всей длине аэротенка. ,.<
Немаловажное значение для работы системы очистки имеет также и оптимальное поддержание концентрации работающей в аэротенке биомассы активного ила за счет его рециркуляции из вторичного отстойника. При этом возврат в голову сооружений активной биомассы должен учитывать не только необходимость поддержания высокой окислительной мощности аэротенка, но и дополнительное загрязнение сточной воды, подаваемой на аэробную обработку.
Правильный выбор эффективных технологических схем очистки и оптимизация составов биоценозов активного ила являются основными путями достижения высоких показателей очистки и снижения избыточных биомасс активного ила.
Создание эффективной многоступенчатой системы очистки требует
9 проведения большого объема научно-исследовательских и доводочных работ для получения оптимальных конструктивно-технологических решений и внедрения их в промышленных масштабах в системах очистки производственных и хозяйственно-бытовых стоков.
Однако, несмотря на актуальность проблемы комплексной оптимизации технологических процессов, реализуемых в системах аэробной биологической очистки, до настоящего времени эта проблема не решена в полном объеме и на должном научно-техническом уровне. Это объясняется тем, что при создании отдельных элементов технологических схем разработчики в первую очередь решают задачи получения их максимальной эффективности, не связывая их с условиями работы других элементов очистных сооружений. Вопросы согласования режимов работы всех участков в едином комплексе системы очистки остаются, как правило, в стороне, что приводит к недоиспользованию потенциальных возможностей сооружений биологической очистки. В научно-технической литературе рекомендации по оптимизации характеристик составных частей схем очистки не систематизированы и в каждом конкретном случае эти вопросы решаются разработчиками по-своему, притом не всегда в лучшем виде.
Цель и задачи исследований
Целью настоящей работы являлась разработка научно-обоснованных рекомендаций по комплексной оптимизации технологических процессов аэробной биологической очистки сточных вод.
При выполнении работы были поставлены следующие задачи: - разработка рекомендаций по оптимальному согласованию и управлению режимами работы отдельных структурных элементов в общей технологической схеме системы очистки сточных вод; исследование возможности интенсификации процессов биологической очистки сточных вод путем предварительного
10 флоккулирования дисперсных загрязнений биополимерами, выделяемыми микроорганизмами активного ила при его предварительной гидромеханической обработке; - экспериментальные исследования процессов аэрации водно-иловых смесей в аэрационных сооружениях и изучение механизмов переноса и потребления растворенного кислорода в биологических системах с активным илом; - получить обобщенные безразмерные критерии оценки процессов циркуляции, перемешивания и окисления в аэротенках с диффузорными аэраторами; - исследование возможности совершенствования технологии аэробной биологической обработки сточных вод с продленной аэрацией и использованием активного ила для повышения качества очистки и снижения выхода избыточного активного ила из очистных сооружений; идентификация доминирующих форм микроорганизмов в аэрационных сооружениях на разных трофических уровнях по питанию и оценка возможности оптимального управления биоценозами па разных этапах очистки; определение экспериментальных характеристик гидравлических потоков во вторичных отстойниках и разработка математических моделей процессов отставания водно-иловых смесей в системах биологической очистки сточных вод; разработка управляющих воздействий на процессы осаждения биомассы активного ила в отстойниках при различных гидравлических условиях их функционирования; разработка методов регулирования амплитудно-частотных характеристик процессов изменения загрязненности сточных вод на выходе из очистных сооружений для обеспечения заданных параметров очистки в реальных условиях их эксплуатации.
Научная новизна
Изучены механизмы переноса кислорода и полисубстрата в условиях реального процесса биологической очистки, когда бактериальные клетки образуют клоны, входящие в состав более крупных образований - хлопков активного ила.
Изучены закономерности развития видового состава сложных активных илов и на основе результатов микробиологических исследований выданы рекомендации по управлению биоценозами микрофлоры аэротенков, прогнозированию параметров биологической очистки и оптимальному управлению технологическими режимами работы очистных сооружений.
Разработаны способы повышения эффективности осаждения дисперсно-коллоидных загрязнений в первичных отстойниках и окислительной мощности аэротенков за счет гидромеханической обработки биомассы активного ила, рециркулируемой из вторичных отстойников в голову очистных сооружений.
Получены зависимости, определяющие время пребывания водно-иловых смесей во вторичных отстойниках, и вычислены значения задержки и ' сегрегации потоков при различных гидравлических условиях и технологических режимах работы отстойников различных конструктивных схем.
Разработан метод определения эффективности очистки сточных вод путем совместного интегрирования кривых кинетики процессов окисления биогенных элементов а аэротенке и кривых распределения времени пребывания воды во вторичных отстойниках.
Определены вероятностно-статистические параметры колебаний параметров загрязнений на выходе из очистных сооружений при гармонических и стохастических изменениях этих параметров в сточных водах, поступающих на очистку в реальных условиях эксплуатации.
Разработаны математические модели процессов прохождения
12 колебаний концентраций загрязнений через аэрационный бассейн со смешенными, дисперсными и поршневыми гидравлическими потоками.
Впервые разработаны модели процессов циркуляции, перемешивания и окисления, обеспечивающие возможность масштабирования результатов испытаний опытных и промышленных аэротенков.
Разработан комплекс практических рекомендаций по обеспечению максимальной эффективности аэробной биологической очистки за счет согласования технологических режимов основных структурных элементов биологических систем.
Полученные результаты позволяют научно обосновывать конструктивно-технологические решения, принимаемые при проектировании новых и реконструкции действующих сооружений биологической очистки.
Практическая ценность
Полученные выводы базируются на результатах комплекса экспериментально-теоретических исследовании и позволяют с высокой надежностью рекомендовать оптимальные конструктивно-технологические решения при создании систем биологической очистки сточных вод различного происхождения.
Разработанные рекомендации могут быть использованы при решении практических задач совершенствования как отдельных функциональных узлов, так и технологических схем биологической очистки в целом с учетом особенностей микробиологических процессов обработки сточных вод различного происхождения.
Научно-практические рекомендации подтверждены материалами теоретических и экспериментальных работ, показавших высокую степень сходимости, что обеспечивают возможность их надежного использования в производственных условиях с учетом особенностей конкретных видов и характеристик очистных сооружений.
13 Апробация работы.
На основании проведенных исследований разработана «Методика повышения эффективности аэробной биологической очистки путем регулирования амплитудно-частотных характеристик по загрязнениям сточных вод предприятий АПК в реальных условиях эксплуатации». (Утв. Ученым советом МИКХиС, апрель 2008 г., протокол № 8 )
Результаты и материалы выполненной работы использованы ОАО «Лизинг экологических проектов» г. Москва при проведении проектно-конструкторских работ при проектировании сооружений по очистке сточных вод г. Саров (Нижегородской обл.), ОАО «ВОДОКАНАЛ» г.Ишим при разработке проектных работ по переоснащению действующих городских сооружений, ООО «Инженерно-архитектурный центр» ДХО ЗАО ТАФ «Архпроект» г. Уфа при разработке проектных работ по разработки и согласованию технологических схем биологической очистки стоков пос. Ярки и Шапша ХМАО.
Материалы диссертационной работы доложены на Международной научно-практической конференции «Научные основы производства ветеринарных биологических препаратов», г. Щелково. 2007, 2008 гг.; 8-м Международном конгрессе «Вода; экология и технология», г. Москва, 2008; Международной научно-практической конференции «Строительство - 2008», г.Ростов на Дону, 2008; V Всероссийской научно-практической конференции «Экология человека: концепция факторов риска, экологической безопасности и управления риском», г. Пенза, 2008.
Гидродинамические и массообменные характеристики аэрационных сооружений
Гидравлический режим потока водно-иловой смеси в аэрационном сооружении оказывает значительное влияние на бактериологический состав и активность биомассы активного ила в аэротенках, его флоккуляцию и осаждаемость во вторичных отстойниках, т.е. на эффективность и надежность аэробной биологической очистки сточных вод в целом.
Гидравлический режим потока в аэротенке устанавливается под влиянием формы и других элементов конструкции аэротенка (секционирования, конструкции впуска и выпуска и др.). По конструкции и обусловленным ею гидравлическим режимам различаются два основных вида проточных аэротенков непрерывного действия: аэротенки-смесители, в которых устанавливается режим полного перемешивания потока; аэротенки-вытеснители, в которых устанавливается режим идеального вытеснения потока.
На практике существуют в основном аэротенки промежуточного (между аэротенками-смесителями и аэротенками-вытеснителями) типа с режимами потока в диапазоне от режимов полного перемешивания до режимов идеального вытеснения.
В аэротенках-смесителях, имеющих малые отношения длины к поперечным размерам, исходная сточная вода подается непрерывно и путем интенсивного перемешивания немедленно распределяется по всему объему аэротенка. Высокая интенсивность перемешивания в аэротенках-смесителях обуславливается аэрацией, осуществляемой для гомогенизации смеси сточной воды и активного ила и снабжения микроорганизмов кислородом. Гидравлический режим потока смеси сточной воды и активного ила в таком аэротенке определяется как непрерывный поток полного перемешивания. Соответственно этому режим питания микроорганизмов активного ила органическим субстратом также является непрерывным. В таких аэротенках обычно достигаются высокие степени разбавления поступающей сточной воды и устанавливаются низкие значения нагрузки органического субстрата на активный ил. Вследствие этого такие аэротенки имеют значительное преимущество при обработке сточных вод с содержанием веществ, оказывающих токсическое действие на активный ил. Вместе с тем, аэротенки-смесители имеют и значительные недостатки, основными из которых являются вспухание и плохая осаждаемость активного ила во вторичных отстойниках. Причиной этого является то, что аэротенки-смесители в наибольшей степени подвержены преобладающему росту нитчатых микроорганизмов .
Определяющей конструктивной особенностью аэротенков вытеснителей является высокое значение отношения длины к ширине (более 30). При этом емкость аэротенка секционируется путем установки поперечных водопроницаемых перегородок. В результате продольное перемешивание в аэротенке является незначительным и устанавливается гидравлический режим потока, определяемый как режим вытеснения или режим «поршневого» типа. Перемешивание сточной воды и активного ила происходит на коротком начальном участке аэротенка. Далее образовавшаяся таким образом водно-иловая смесь перемещается по длине аэротенка без обмена и взаимодействия с соседними слоями смеси. По мере движения смеси микроорганизмы активного ила постепенно усваивают органический субстрат и его концентрация в смеси снижается, в результате чего устанавливается определенный градиент концентрации субстрата по длине аэротенка. По мере продвижения смеси сточной воды и активного ила по аэротенку органический субстрат в ней иссякает и наступает фаза эндогенного питания микроорганизмов. В заключительной части аэротенка (эндогенной зоне) происходит регенерация активного ила. Микроорганизмы перерабатывают и усваивают оставшийся органический субстрат и промежуточные продукты метаболизма, накопленные в начальных участках аэротенка. Такой режим питания способствует угнетению нитчатых микроорганизмов и предупреждению вспухания активного ила. В результате селекции имеет место преобладание флоккулирующих микроорганизмов, что приводит к получению активного ила, обладающего хорошей осаждаемостью. В этом отношении аэротенки-вытеснители имеют значительные преимущества перед аэротенками-смесителями. Гидравлическое время пребывания сточной воды и активного ила в аэротенке должно обеспечивать достаточную продолжительность обработки смеси сточной воды и активного ила в эндогенной зоне. Недостатком аэротенков вытеснительного типа является невозможность парирования залповых поступлений сточных вод, содержащих токсичные вещества, губительно действующие на бактериальный состав активного ила.
В аэротенках промежуточного типа устанавливается соответственно промежуточный гидравлический режим потока между режимами полного смешения и поршневого вытеснения с большим или меньшим приближением к одному из этих крайних режимов. В аэротенке частичного перемешивания может быть достигнуто сочетание положительных особенностей аэротенков-смесителей и аэротенков-вытеснителей.
Отсюда ясно, что наиболее ответственным моментом проектирования очистных сооружений аэробной биологической очистки сточных вод активным илом в аэротенках является выбор типа аэротенка, реализующего соответствующий гидравлический режим течения водно-иловой смеси.
Как правило, рекомендуется применять аэротенки-вытеснители или аэротенки промежуточного типа между смесителями и вытеснителями, но приближающиеся к аэротенкам-вытеснителям по гидравлическому режиму потока.
Гидродинамические и массообменные характеристики аэрационных сооружений биологической очистки
Экспериментально-технологические исследования проводились с целью с целью изучения влияния на гидродинамические и массообменные процессы различного рода воздействий и оценки эффективности технологических и конструктивных решений по повышению эффективности изучаемых процессов. При испытаниях использовались модели аэрационных сооружений различных типов (от аэротенков полного смешения до аэротенков с поршневым потоком) и практически все применяемые в настоящее время типы аэраторов - пористые распределители и перфорированные трубы (диффузоры). Испытанные аэраторы отличались схемами размещения их в аэротенках, имели различную напорность и разные глубины погружения в водную среду. С помощью трассаторов изучались схемы течения турбулентных гидравлических потоков в сечениях аэротенков, скорости всплытия пузырьков воздуха, образующих ядра струй и увлекающих жидкостные потоки, углы раскрытия воздухо-жидкостных факелов. Производились измерения по длине аэротенков концентраций взвешенных веществ, растворенного кислорода и скоростей потребления кислорода, на основе которых рассчитывались удельные скорости потребления кислорода. Скорости потребления кислорода определялись экспериментально с помощью респирометров и графически с использованием профилей концентрации кислорода по длине аэротенка. Особенность методического подхода при проведении этих испытаний состояла в том, что скорости потребления и передачи кислорода определялись в режиме текущего времени одновременно, чтобы исключить влияние временных изменений скорости передачи кислорода. Управление концентрациями растворенного кислорода осуществлялось с помощью автоматических контроллеров, перенастраиваемых с помощью компьютерных программ и периодически регулируемых в процессе испытаний. Результаты исследований по данному разделу приведены в главе 4. Испытаниям подвергались различные типы аэрационных сооружений - аэротенки идеального смешения, идеального вытеснения и гетерогенные аэротенки, отличающиеся геометрией, способом подачи питания и выпуска обработанного стока. Основными показателями сточных вод, определяемыми в процессе испытаний, являлись концентрации взвешенных веществ, БПК5, ХПК, NH3, N02, N03, Р205, рН. Необходимые для аналитического расчета параметров очистных сооружений математические модели протекающих процессов предусматривали оптимальное совмещение биологических моделей процесса бактериального роста и гидравлических моделей, описывающих условия течения водно-иловой смеси. Экспериментальные работы по проверке влияния возврата активного ила в голову технологической линии обработки на функционирование системы очистки сточных вод проводились на городских очистных сооружениях. В состав очистных сооружений входили: вертикальный первичный отстойник диаметром 33 м и аэротенк объемом 4000 м . Средние нагрузки на ил равнялись 0,4 кг БПК5/кг а.и.сут., доза активного ила в аэротенке - 2,5 г/л. Уровни загрязнений сточной воды приведены в табл.2.1. Количество рециркулируемого активного ила при испытаниях изменялось от 0 до 50%. Сгущение осадков первичного и вторичного отстойников производилось либо раздельно: первичного отстойника — отстаиванием, вторичного — флотацией, либо совместно - отстаиванием смешанных осадков. Процентная доля загрязнений, возвращаемых в голову сооружений с рециркулируемым активным илом при различных способах его обработки, приведена в табл. 2.2. Одной из целей работы являлось исследование особенностей биоценозов микроорганизмов активного ила, доминирующих в сооружениях аэробной биологической очистки различных технологических схем. В качестве объектов микробиологических исследований были выбраны два взаимно противоположных по структуре и составу биоценозов типа сооружений - аэротенки-смесители и аэротенки-вытеснители. Остальные аэрационные сооружения (гетерогенные аэротенки) по указанному выше признаку занимают промежуточное положение и в составе их биоценозов имеют место бактерии тех и других родов. Исследования особенностей микробиологии активного ила при принятых режимах очистки проводились в комплексе с экспериментальными исследованиями физических моделей аэротенков и с производственными испытаниями аэрационных сооружений биологической очистки. Микробиологические исследования велись с применением оптической и электронной микроскопии и обеспечивали возможность идентификации и изучения составов и структуры микробиологических сообществ.
Эффективность механической обработки исходной сточной воды при различных способах ее обработки перед подачей в первичный отстойник
Экспериментальные исследования показали, что гравитационное отстаивание исходной сточной воды в первичном отстойнике в течение 1 час. позволяет снизить уровень загрязнений до 4200 мг/л по концентрациям взвешенных веществ и до 4500 мг 02/л по БПК5.
Введение режима флоккуляции с помощью активного ила позволяет улучшить показатели сточной воды перед аэротенком. Флокуляция может быть усилена путем предварительной (перед подачей на перемешивание с исходной сточной водой) физико-механической обработки иловой суспензии. Силовое гидромеханическое воздействие на клетки микроорганизмов интенсифицирует выделение ими дополнительных количеств биополимеров и благоприятно сказывается на процесс гравитационного отстаивания смеси в отстойнике. Загрязненность сточной воды, поступающей в аэротенк, снижается, при этом концентрация взвешенных веществ уменьшается до 3000 мг/л, БПКз - до 3300 мг02/л. В этих условиях может быть обеспечена возможность реализации высокоэффективного биохимического процесса окисления загрязнений в аэротенке и формирование хорошо сфлокулированной и легко осаждающейся во вторичном отстойнике биомассы активного ила.
Исследования проводились на городских сточных водах и стоках предприятий АПК, характеризующихся повышенным содержанием органических загрязнений.
С целью проверки возможности улучшения осаждаемости мелкодисперсной фракции и снятия пиковых нагрузок по органическим загрязнениям на участок аэробной биологической очистки был проведен комплекс экспериментальных исследований на лабораторных и пилотных установках, смонтированных непосредственно на очистных сооружениях.
Подробные исследования дисперсного состава сточной воды, поступающей на участок биологической очистки (после первичного отстойника) в схеме с использованием активного ила в качестве биофлоккулянта, показали существенное изменение дисперсного состава в сторону уменьшения размера твердых включений со 100-120 мкм до 30-55 мкм. В первичном отстойнике в значительной степени достигается вывод из сточной воды крупно- и мелкодисперсных частиц загрязнений и имеет место общее снижение нагрузки по органическим загрязнениям, приходящейся на аэротенк.
На рис. 3.2, 3.3 показаны изменения концентрации загрязнений по взвешенным веществам и биохимической потребности в кислороде (БПК5) в сточных водах предприятия АПК. Как видно, диапазон изменения интегральных характеристик загрязненности сточных вод, прошедших механическую очистку и поступающих на участок биологической очистки, довольно значителен и составляет по взвешенным веществам от 3000 до 17000 мг/л, по БПК5 от 4000 до 12500 мг 02/л.
При этом участок механической очистки с использованием биофлоккулянтов обеспечивает снятие загрязнений по крупно- и мелкодисперсной фракциям на 80-90% и в сточной воде, поступающей в аэротенк, остается лишь растворенная и частично коллоидная субстанции органических загрязнений. Это существенно снижает нагрузку по загрязнениям в аэротенке и обеспечивает повышение эффективности его работы в целом.
Микробиологические исследования биоценоза активного ила позволили получить подтверждение на микроуровне положительного влияния предварительной обработки активного ила.
Полученные при проведении работы результаты свидетельствуют о том, что предварительная обработка сточной воды позволяет существенно снизить нагрузки по органическим загрязнениям на участок аэробной биологической очистки и повысить эффективность работы очистных сооружений в целом.
На рис. 3.4, 3.5 приведены зависимости относительного снижения концентраций взвешенных веществ и БПК5 от величины энергетического параметра воздействия на иловую суспензию при ее обработке. Видно, что имеет место наличие оптимума зависимости относительного снижения взвешенных веществ и БПК5 от интенсивности энергетического воздействия на иловую суспензию.
При проведении работы был выполнен комплекс микробиологических исследований по определению состава биоценоза активного ила и структуры его флоккул, их изменению в процессе физико-механической обработки.
Проведены исследования видового состава сопутствующей микрофауны в различных условиях по питанию микроорганизмов в аэротенке.
Динамика и управление потреблением (респирацией) и растворением кислорода в аэрационных сооружениях
Концентрация растворенного кислорода (DO) является фактором, существенно влияющим на процессы, протекающие с участием активного ила. DO оказывает значительное влияние как на технологические параметры аэрационной установки, так и на биологическую активность микроорганизмов активного ила, и, следовательно, - на качество сбрасываемых очищенных вод. Концентрация DO, создаваемая аэратором, участвует в нескольких физических и биологических процессах, таких как: гидравлический транспорт кислорода на входе и выходе из аэратора; массопередача газообразного кислорода в растворенный кислород; утилизация кислорода в результате клеточного синтеза зооглейных гетеротрофных организмов или нитрифицирующих организмов, таких как Nitrosomonas и Nitrobacter; и утилизация кислорода в результате разложения организмов. В диспергированном реакторе с поршневым потоком динамика DO может быть описана уравнением: где z -длина реактора; c(z,t) - концентрация растворенного кислорода; cs -концентрация насыщенного растворенного кислорода; kia - скорость передачи кислородной массы; Е — коэффициент дисперсии; v - скорость потока; VR — скорость потребления кислорода (скорость респирации).(переделоть во всех формулах) Для описания динамики концентрации DO в реакторе полного смешения уравнение (1) может быть упрощено и приведено к виду: где Q - скорость потока на входе; V - объем реактора; с;п - концентрация DO на входе; R — расход возвратного потока ила, R — rQ; г — коэффициент рециркуляции активного ила. Скорость передачи кислородной массы kia может быть определена в режиме текущего времени путем оценки динамики концентрации DO. Скорость потребления кислорода R не зависит от концентраций DO до тех пор, пока они достаточно велики. Если скорость потребления кислорода R постоянна, то изменение скорости потока воздуха Fair будет вызывать системное изменение концентрации DO по зависимости примерно первого порядка: При проведении работы скорость передачи массы кислорода kia определялась путем обработки статистических данных, полученных в серии экспериментов на опытных установках. Результаты этих экспериментов показали, что величины скорости передачи массы кислорода kLa могут сильно отличаться в различных частях реактора. На рис. 4.2 показано изменение потребности в растворенном кислороде в зависимости от времени обработки, определенное по результатам экспериментов и рассчитанное с помощью математической модели. Изменение величины скорости передачи кислорода kLa в зависимости от времени обработки с использованием полученной динамики концентраций растворенного кислорода DO приведены на рис. 4.3. Анализ результатов исследований показал, что главной причиной, по которой необходимо управление воздушным потоком, является то, что скорости потребления кислорода R значительно изменяются по времени аэробной обработки сточной воды.
