Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ 8
Собственные исследования 24
Глава 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 24
2.1 Экспериментальные установки 28
2.2 Моделирование процессов функционирования биомассы 30
2.2.1 Модель Моно 32
2.2.2 Модель Герберта 36
2.3 Микробиология аэробной биологической очистки сточных вод активным илом 38
Глава 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ПРОЦЕССОВ ИДЕАЛЬНОГО АЭРОТЕНКА-СМЕСИТЕЛЯ 63
3.1 Исследование балансов веществ , 64
3.1,1 Баланс микроорганизмов активного ила на границах вторичного отстойника 64
3.1.2. Баланс микроорганизмов активного ила на границе смесителя перед аэротенком 65
3.1.3 Баланс субстрата на границе смесителя перед аэротенком 66
3.1.4 Баланс микробной массы на границах ферментера 66
3.1.5 Баланс субстрата на границах ферментера 69
3.2 Расчет станций очистки 78
Глава 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ПРОЦЕССОВ МНОГОСЕКЦИОННОГО АЭРОТЕНКА-СМЕСИТЕЛЯ 95
4.1 Исследование балансов веществ. 96
4.2 Расчет станций очистки 98
Глава 5. МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ПРОЦЕССОВ ГЕТЕРОГЕННОГО АЭРОТЕНКА 101
5.1 Использование модели диффузионного поршня 101
5.2 Исследование балансов веществ 104
5.3 Расчет станций очистки 107
Глава 6. МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ПРОЦЕССОВ АЭРОТЕНКА С ДИФФЕРЕНЦИРОВАННЫМИ ПОТОКАМИ 127
6.1 Особенности моделей аэротенков с дифференцированными-потоками. Л27
6.2 Исследование балансов веществ 128
6.3 Расчет станций очистки 130
Глава 7. МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ИДЕАЛЬНОГО АЭРОТЕИКА- ВЫТЕСНИТЕЛЯ 134
7.1 Результаты экспериментальных исследований процессов биологической очистки в колонках-реакторах 134
7.2 Использование модели поршневого потока 136
7.3 Исследование балансов веществ 137
7.4 Расчет станций очистки 138
ВЫВОДЫ 147
ЛИТЕРАТУРА 149
ПРИЛОЖЕНИЯ 162
- СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
- Микробиология аэробной биологической очистки сточных вод активным илом
- Расчет станций очистки
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 загрязнений в водные и почвенные бассейны происходит при сбросе коммунальных и промышленных сточных вод, образующихся при реализации технологических процессов производства и переработки продукции. Отличительная черта сточных вод, сбрасываемых на городские очистные сооружения, состоит в том, что они в значительной степени загрязнены органическими веществами. В связи с этим возникает необходимость строительства сложных очистных сооружений, обеспечивающих показатели очистки, заданные природоохранными органами.
Очистка высоко загрязненных стоков имеет ряд особенностей, которые существенно усложняют применение обычных, широко распространенных методов обработки органо-содержагдих сточных вод. Сточные воды городских коммунальных служб содержат широкий спектр органических углерод-, азот- и фосфорсодержащих загрязнений, находящихся в диспергированном, коллоидном и растворенном состояниях. Диспергированные загрязнения (в основном крупно- и срещге-дисперсные частицы), 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 мелкодисперсном, коллоидном и растворенном состояниях, подвергаются биологическим методам обработки, в процессе которых реализуются биохимические процессы их окисления микроорганизмами активного ила. При этом, эффективность работы сооружений биологической очистки (аэротенков, биофильтров, вторичных
отстойников) во многом определяется концентрацией загрязнений сточных вод, предварительно прошедших механическую очистку.
Активный ил, функционирующий в очистных сооружениях, является живым консорциумом, который имеет сложную структуру. Биоценоз активного ила состоит в основном из микроорганизмов, связанных трофическими и метаболитными процессами, в результате которых происходит очистка сточных вод.
Управление смешанными культурами микроорганизмов в условиях непрерывных процессов биохимического окисления органических загрязнений является одним из перспективных путей максимального использования биологической активности и окислительной способности микроорганизмов активного ила. В этой связи изучение кинетики роста, жизнедеятельности и отмирания смешанных микробных популяций в биомассе активного ила является актуальной задачей. 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. 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.
Цель и задачи исследований
Целью настоящей работы являлась разработка методов расчета сооружений биологической очистки с использованием данных экспериментальных исследований и математических моделей процессов функционирования биомассы активного ила.
При выполнении работы были поставлены следующие задачи:
- экспериментальные исследования функционирования аэротенков при различных нагрузках по органическим загрязнениям сточной воды;
изучение структуры и особенностей функционирования сложных биоценозов активного ила и доминирующих видов микроорганизмов в аэр анионных сооружениях различных технологических схем;
определение балансов микроорганизмов, кислорода и биогенных элементов субстрата в аэротенке идеального смешения и разработка расчетно-экспериментального метода определения его характеристик;
определение балансов микроорганизмов, кислорода и биогенных элементов субстрата в многосекционном аэротенке и разработка расчетно-экспериментального метода определения его характеристик;
определение балансов микроорганизмов, кислорода и биогенных элементов субстрата в гетерогенном аэротенке с частичным перемешиванием и разработка расчетно-экспериментального метода расчета его характеристик;
определение балансов микроорганизмов, кислорода и биогенных элементов субстрата в идеальном аэротенке-вытеснителе и разработка расчетно-экспериментального метода определения его характеристик;
Научная новизна.
Проведен комплекс экспериментальных исследовании по определению-характеристик систем биологической очистки и получены эмпирические данные для моделирования процессов биологической очистіш сточных вод с помощью активного ила.
Получены уравнения балансов микроорганизмов, кислорода и биогенных элементов субстрата в системах биологической очистки различных технологических схем.
Разработаны математические модели процессов функционирования сооружений аэробной биологической очистки различных типов в широком диапазоне нагрузок на биомассу активного ила.
Выданы рекомевдации по выбору характеристик и оптимизации технологических режимов сооружений аэробной биологической очистіш сточных вод, загрязненных органическими примесями.
Практическая ценность.
Полученные результаты и выводы базируются на разработанных математических моделях и экспериментальных исследованиях и позволяют с достаточно высокой надежностью рекомендовать оптимальные конструктивно-технологические решения при создании новых и реконструкции действующих сооружений биологической очистки сточных вод различного происхождения. Разработанные 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.
Апробация работы.
На основании проведенных исследований разработаны научно-методические рекомендации по оптимизации характеристик и технологических режимов сооружений аэробной биологической очистки сточных вод активным илом.
Результаты и материалы выполненной работы использованы ГУЛ «МосводоканапНИИпроект» при проектировании очистных сооружений утильз ав ода «Эколог» г. Люберцы..
Материалы диссертационной работы доложены на П Всероссийской научно-практической конференции «Окружающая среда и здоровье »,г. Пенза, 2005.
Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском и технологическом институте биологической промышленности в соответствие с Государственной программой «Разработать технологию биологической очистки сточных вод с высоким содержанием органических примесей» инв. № 01.200.2.01563 и планами хоздоговорных работ Московского института коммунального хозяйства и строительства.
Состояние вопроса и выбор направления исследований
Биологическая очистка сточных вод активным илом представляет собой постоянно аэрируемую с частичной рециркуляцией биомассы ферментацию, в которой: поступающий на очистку субстрат состоит из совокупности органических биораз латаемых составляющих, измеряемых в концентрациях БПК5 и ХПК; используемая биомасса активного ила (биоценоз) является комплексной ассоциацией большого числа обычных почвенных микроорганизмов и микрофлоры поверхностных вод. Микробиоценозы сооружений биологической очистки сточных вод формируются, как правило, спонтанно и, практически, структура такого микробиоценоза для каждых конкретных очистных сооружений является уникальной [7, 123, 128]. Тем не менее, существуют общие принципы функционирования этих микробиоценозов [2, 12, 17, 20-22, 26-28, 32, 63, 78, 106, 109].
В условиях аэрации смеси сточной воды и активного ила проходят два процесса: биологическое окисление органических примесей (субстрата) и синтез новых клеток микроорганизмов активного ила Процесс окисления органических веществ проходит в две стадии. Первая стадия - адсорбция загрязнений. Активный ил обладает высокой адсорбционной способностью, т. к. образован преимущественно вязкими полисахаридами, синтезированными бактериями. На поверхности частиц активного ила концентрируются поступающие со сточной водой мелкие частицы, и молекулы растворённых веществ [4, 23, 35, 39- 1, 45, 81, 82, 93, 96, 107, 18, 129,138] Вторая стадия - процесе окисления адсорбированного материала. Органические примеси по существу переходят в биомассу активного ила: идёт процесс прироста биомассы [3, 5, 15, 36, 37, 58, 73, 78].
После переработки органических примесей микроорганизмы активного ила необходимо выделить из сточной воды. Для этого смесь сточной воды и активного ила из аэротенка поступает во вторичный отстойник, где активный ил путем осаждения выделяется из сточной воды [6, 8, 60, 73, 75, 99, 133, 135, 136].
Осевший ил из вторичного отстойника частично подаётся (рециркулируется) обратно в аэротенк. Рециркуляция является обязательным элементом работы такой системы [5].
Поскольку универсального способа очистки сточных вод нет, то из множества типов очистных сооружений следует выбираются те, которые максимально отвечают требованиям конкретной ситуации.
Биоиоценоз активного ила весьма сложен, он включает в себя большое число видов микроорганизмов; простейших, грибов, бактерий, вирусов [11, 24, 28-30, 54, 83]. Бактериологический состав активного ила изменяется в широких пределах в зависимости от особенностей состава сточных вод, режима работы очистных сооружений и других факторов [61, 126, 127, 132]. Тем не менее, принято считать, что активный ил содержит две основные функциональные группы микроорганизмов: флокупирующие и нитчатые. Наличие и соотношение флокулирующих и нитчатых микроорганизмов характеризуют два основных свойства активного ила: осаждаемость и уплотняемость [101-104]. Эти микроорганизмы находятся в активном иле в состоянии конкурентного роста и накопления. При преобладании флокулирующих микроорганизмов наблюдается флокуляция — образование хлопьев размером до нескольких миллиметров (флокул).
Микробиология аэробной биологической очистки сточных вод активным илом
Одной из задач работы являлось исследование особенностей биоценозов микроорганизмов активного ила, доминирующих в сооружениях аэробной биологической очистки различных технологических схем. В качестве объектов микробиологических исследований были выбраны две взаимно противоположные по структуре и составу биоценозов сооружения -аэротенки-смесители и аэротенки-вытеснители. Остальные аэрациошше 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 на натурных моделях аэротенков и с производственными испытаниями аэрационных сооружений биологической очистки. Микробиологические исследования велись с применением оптической и электронной микроскопии и обеспечивали возможность изучения составов и структуры микробиологических сообществ.
Отправной точкой исследования было изучение активного ила экспериментальных аэротенков, действующих в системах аэробной биологической очистки. Прежде чем приступить к исследованию многокомпонентного и сложного биоценоза, изучались культуры, полученные из яиофилизированного активного ила. Лиофильно высушенный активный ил используется для инициации рабочего цикла во вновь построенных аэротенках, следовательно, он содержит необходимый минимум компонентов микробиоценоза.
Полученные результаты характеризуют особенности биоценозов активного ила при очистке сточных вод различными технологическими способами, реализующими в аэротенках процессы смешения и вытеснения.
В аэротенках-смесителях доминирующим видом микроорганизмов являются нитчатые формы бактерий. При этом преобладают нитчатые бактерии, принадлежащие в основном к роду Sphaeratilus natans. Встречаются также агрегаты нитчатых и флоккулирующих бактерий, причем нитчатая составляющая биоценоза представлена бактериями родов Microthrix parvicella и Nosiocoida Umicota, a также нитчатыми бактериями группы актиномицетов рода Nocardia.
Нитчатые бактерии образуются в результате нитчатого роста простяковых почкующихся бактерий и образуют флоккулы пальцеобразной формы. Наличие значительного количества нитчатых микроорганизмов приводит к интенсивному вспуханию активного ила в аэротенке.
Флоккулирующую часть бактерий в аэротенках-смесителях представляют бактерии рода Zoogloea rctmigera, они факультативно занимают небольшую нишу в общем сообществе микроорганизмов и сами но себе не играют основной роли в микробиологических процессах. Часто наблюдается взаимодействие популяций зооглейных и нитчатых бактерий рода Sphaerotilus, соединённых в длинные, взаимопересекающиеся цепочки, покрытые тонкими чехлами. Нитчатые бактерии образовывали подобие каркасов, вокруг которых зооглейные бактерии формировали скопления клеток, заключённых в студенистые матриксы.
В аэротешсах-вытеснителях, реализующих поршневой режим течения, имеет место продленная аэрация смеси сточной воды и активного ила. В этих условиях доминирующую роль играют флоккулирующие виды бактерий, наиболее характерным из которых являются бактерии рода Zoogloeo ramigera. В сообщество микроорганизмов входят также простековые стебельковые бактерии рода Caulobacter и простековые почкующиеся бактерии рода Hyphomicrobium. В составе биоценоза присутствуют также бактерии вида Nitrobacter winogradskyi и Nitrococcus mobilis, а также бактерии рода Bdellovibrio bacteriovorits.
Расчет станций очистки
Параметры, представленные в предыдущем параграфе, при их использовании для расчета станции очистіш можно классифицировать на 5 групп.
1. Общие данные: - расход сточных вод Q, подаваемых на очистку; - загрязнения, поступающие со сточной водой на очистку хс. Указанные параметры Q и х значительно меняются во времени на входе в реальные очистные сооружения. 2. Физиологические постоянные, которые определяются экспериментально на отобранных образцах проб сточных вод, подаваемых на очистку: - константы скорости ко и к2; - пороговая константа х$; - коэффициент конверсии субстрата в микроорганизмы а; - коэффициенты потребления кислорода ао и Ь.3. Переменные, которые устанавливаются заранее: концентрация остаточного загрязнения на выходе х, или, что то же самое, степень очистіш т). Выбор х определяется нормами сброса, которые устанавливают остаточное загрязнение, максимально допустимое на выходе из очистных сооружений. При высокой или низкой нагрузке и требуемой степени очистки ниже 90-95% можно достаточно корректно ограничиться одноступенчатой схемой очистки. Для стоков с очень высокой степенью загрязненности и при требуемой степени очистки близкой к 100% становится нереальным обеспечить заданные требования на одностадийной схеме очистки, т.к. требуется значительное увеличение времени обработки. В этом случае необходимо применение многостадийная схема очистки. - концентрация биомассы в аэротенке X. Выбор концентрации биомассы в аэротенке X связан с выбором х. Численная величина X выбирается в зависимости условий очистки, как представлено в табл. 1.1. Действительно, выбор х и X связаны, между собой и должны удовлетворять ограничениями, накладываемыми удельной органической нагрузкой х . - коэффициент сепарации в отстойнике а = Х/Хь. Выбор этого коэффициента достаточно сложен, т.к. его численная величина зависит одновременно и от размеров отстойника и от условий его эксплуатации, а также от показателя взвешенного состояния биомассы, поданной в сооружение. Показатель взвешенного состояния биомассы активного ила, как установлено, характеризуется иловым индексом. На современном этапе знаний величина илового индекса не может быть установлена заранее, однако имея в виду, что удельная органическая нагрузка х является величиной, отвечающей выбранному и корректному способу очистки, для практических целей можно считать, что величина илового индекса не должна превышать 120 мл/г.
Значения коэффициента сепарации отстойника в диапазоне 0,25-0,40 могут быть достигнуты, если при 0,5 х 1,0 кг БПКУкг сут принимать скорость потока во вторичном отстойнике в соответствии со следующими рекомендациями:
Похожие диссертации на Моделирование процессов аэробной биологической очистки сточных вод активным илом
