Введение к работе
Актуальность проблемы
Наиболее перспективным направлением работ в области совершенствования существующих систем обработки органосодержащих отходов является разработка комплексных систем, позволяющих сочетать эффективные конструкторско-технологические решения в едином производственном цикле. Как установлено исследованиями последних лет, применение комбинированных биологических систем может обеспечить получение максимального эффекта, т.к. они позволяют использовать преимущества различных по своей природе технологических и конструктивных решений и на этой основе добиться получения наивысшей производительности, максимального качества очистки и минимальных экономических затрат. Существенный вклад в развитие биологических методов обработки органосодержащих отходов внесли: С.В. Яковлев, Я.А. Карелин, Е.И. Гюнтер, И.И. Павлинова, Ю.В. Воронов, И.В. Скирдов, В.Н. Швецов, М.А. Евилевич, Р.Ш. Непаридзе, С.М. Шифрин, Ю.Ф. Эль, Т.А. Карюхина, И.Н. Чурбанова, А.А. Денисов и другие. Разработка эффективных промышленных технологий обработки жидких отходов требует проведения широких экспериментальных и теоретических исследований физико-химических и микробиологических процессов, как в лабораторных, так и в производственных условиях. По результатам научно-исследовательских работ представляется возможность создания технологических моделей комплексной биологической обработки, обеспечивающих возможность надежного прогнозирования характеристик и создания наиболее рациональных и эффективных конструктивно-технологических схем очистных сооружений.
Диссертационная работа выполнялась на полупромышленных установках и промышленных объектах, а также в отделе производственной санитарии и охраны окружающей среды ВНИТИБП РАСХН и лаборатории кафедры Коммунального и промышленного водопользования МГАКХиС в соответствии с планами государственной тематики (ИК №02201158629; РК №01201169494).
Цель и задачи исследований
Целью настоящей работы являлась разработка моделей комплексной технологической системы биологической обработки жидких отходов при различных составах и нагрузках на активный ил.
При выполнении работы были поставлены следующие задачи:
- разработка математических моделей процессов обработки сточных вод в трехфазных псевдоожиженных системах с использованием расчетных и эмпирических коэффициентов, получаемых по результатам экспериментальных работ на физических моделях в лабораторных условиях; сравнение результатов прогнозирования и экспериментальных данных с целью определение степени их корреляции между собой;
- модификация существующих математических моделей процессов аэробной обработки и создание обобщенной модели активно-иловых процессов, обеспечивающей возможность моделирования системы и позволяющей прогнозировать функционирование отдельных технологических элементов, входящих в состав комплекса обработки сточных вод различного состава;
- экспериментальные исследования процессов аэрации и усвоения субстрата в реакторах с иммобилизованной биопленкой, разработка на этой основе математических моделей обработки сточных вод и сравнение математических прогнозов с экспериментальными данными;
- разработка погружных комбинированных систем обработки сточных вод с рециркуляцией активного ила с биопленками, нагруженными высоко- и низко концентрированными сточными водами;
Научная новизна
1. Впервые разработаны математические модели процессов обработки сточных вод в трехфазных псевдоожиженных сисемах, базирующиеся на двух принципиально отличных методах определения коэффициента массопередачи веществ через биопленку: с помощью диссипации энергии и среднеквадратичных отклонений скорости потока жидкости. Сравнение результатов прогнозирования с помощью этих методов с экспериментальными данными испытаний показали, что полученные математические модели достаточно точно описывают процессы массопередачи, причем модель, базирующаяся на среднеквадратичных отклонениях скорости потока, является более корректной, чем модель, базирующаяся на скорости диссипации энергии.
2. Впервые научно-обосновано и экспериментально доказано, что комплексное применение псевдоожиженного слоя в активно-иловых реакторах аэробного типа является перспективным направлением развития и совершенствования систем аэробной биологической очистки, обеспечивающим как повышение качества очистки, так и достижение высокого технико-экономического эффекта в строительстве и эксплуатации.
3. Впервые при разработке математической модели аэробного биологического процесса был использован метод фрагментации доминирующих показателей загрязнений входного ХПК на три фракции:
- биодеградируемую (включающую растворы и частицы);
- небиодегрдируемые растворы;
- небиодеградируемые частицы;
Это позволило при разработке модели рассматривать: растворимые и дисперсные биодеградируемые фракции как единую фракцию; растворимую небиодеградируемую фракцию как проходящую через реактор без изменения; твердую небиодеградируемую фракцию, аккумулирующуюся в иле и сбрасываемую вместе с ним в течение суточного цикла обработки.
На основе многократной модификации существующих математических моделей процессов усвоения субстрата и массопередачи кислорода и применения эмпирических коэффициентов, полученных по результатам экспериментов, разработан ряд обобщающих технологических моделей, обеспечивающих комплексное прогнозирование результатов обработки сточных вод;
4. На основе комплекса проведенных экспериментальных работ разработан ряд математических моделей, описывающих концентрацию иммобилизованной биомассы, усвоение субстрата в биопленке, массопередачу кислорода, аэрацию и усвоение субстрата в реакторе с прикрепленной биопленкой, приведено сравнение результатов прогнозирования и экспериментальных данных.
5. Разработаны практические рекомендации по выбору характеристик реакторов с погружной прикрепленной биопленкой, функционирующие на сильно- и слабозагрязненных сточных водах, а также рекомендации по разработке комбинированных систем обработки сточных вод с рециркуляцией активного ила.
Практическая ценность
Работа охватывает широкий диапазон технологических и конструктивных решений, включающих обработку в условиях псевдоожиженных слоев, аэробную обработку активным илом в суспендированном и иммобилизованном состояниях бактериальной массы, анаэробную обработку сточных вод и осадков, комбинированную обработку жидких отходов, обеспечивающую возможность оптимального использования возможностей различных технологий в пределах единого производственного цикла.
Полученные результаты и выводы базируются на материалах теоретических, модельных и экспериментальных исследований аэробных, аноксических и анаэробных систем обработки органосодержащих отходов и позволяют с высокой степенью надежности рекомендовать их к практическому использованию в промышленных масштабах при создании новых и реконструкции действующих систем биологической очистки сточных вод и обработки осадков очистных сооружений. Разработанные рекомендации и предложения подтверждены материалами теоретических и экспериментальных работ, показавших высокую степень сходимости, что обеспечивают возможность их надежного использования в производственных условиях с учетом особенностей конкретных видов сточных вод и характеристик очистных сооружений.
Апробация работы
На основании проведенных исследований разработаны:
1. «Основы технологического регламента сооружений аэробной биологической очистки» (Утв. Отделением ветеринарной медицины РАСХН 15.09.2005г.)
2. «Научно-методические рекомендации по оптимизации гидродинамических процессов в аэрируемых сооружениях биологической очистки высоконагруженных сточных вод предприятий агропромышленного комплекса» (Утв. ВНИТИБП РАСХН, 15.12.2006г.),
3. «Научно-методическое руководство по созданию комплексной системы биологической обработки жидких органосодержащих отходов» (Утв. Отделением ветеринарной медицины РАСХН 15.09.2008г.)
4. «Научно-методическое руководство по созданию комплексной системы биологической обработки жидких органосодержащих отходов». (Утв. Отделением ветеринарной медицины РАСХН 15.09.2009г.)
5. «Методическое руководство по моделированию процессов массопередачи кислорода и усвоения субстрата в барботажных реакторах с иммобилизованной билопленкой». (Утв. Отделением ветеринарной медицины РАСХН 15.09.2011г.)
Результаты и материалы выполненной работы использованы ГУП «МосводоканалНИИпроект» при проектировании очистных сооружений г.Владивостока и при разработке проекта «Экспериментальный блок комплексной очистки Курьяновских очистных сооружений» г. Москва. Кроме того, результаты работы были использованы ЗАО «Водоснабжение и водоотведение» г. Москва при проектно-конструкторских работах на станции биологической очистки сточных вод (СБОС) г. Якутска, ОАО «Водоканал» г. Ишим при реконструкции производственных очистных сооружений, ОАО «Тюмень Водоканал» и ОАО «Сибгипрокоммунводоканал».
Материалы диссертационной работы доложены на ряде Международных и Российских научных и научно-практических конференций: Региональной научной конференции молодых ученых аграрных вузов Сибирского федерального округа, Омск, 2003; Международной научно-практической конференция «Научные основы производства ветеринарных биологических препаратов» г. Щелково, 2006; Научно-технической конференции студентов, аспирантов и преподавателей МИКХиС «Современные проблемы инженерных систем и экологии городов и населенных пунктов», Москва 2006; 5-й Международной конференции «Природноресурсный потенциал, экология и устойчивое развитие регионов России», Пенза, 2007; Международном научно-техническом форуме «Реализация Государственной программы развития рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия: инновации, проблемы перспективы», Омск-2009; Международной научно-практической конференции – Омского государственного аграрного университета, Омск, 2009; Международной научно-практической конференции «Водоснабжение и водоотведение мегаполиса», Москва, 2009; Международной научной конференции «Научные основы производства ветеринарных биологических препаратов», Щелково, 2009; VIII-й Международной научной конференции «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды», Самарканд; Международном водном форуме Экватек-2010 «Модернизация сооружений очистки сточных вод», Москва, 2010 г; II-й Международной науч.-практ. конф. памят. акад. РАН и РААСН С.В. Яковлева, «Водоснабжение и водоотведение мегаполиса», Москва, 2011; V Международной науч.-практ. конф. «Мониторинг экологически опасных промышленных объектов и природных экосистем», Пенза, 2011; II-й Международной науч.-практ. конф. «Проблемы демографии, медицины и здоровья населения России: история и современность». Пенза, 2011; Всероссийской научной конференции с международным участием «ЭКОБИОТЕХ» посвященной 60 летию ин-та Биологии Уфимского научного центра РАН, УФА 2011; II-й Международной науч.-практ. конф. «Строительная индустрия: вчера, сегодня, завтра». Пенза, 2011.
Структура и объем диссертации
