Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ 10
1.1 Процессы флотации жировых загрязнений 11
1.2 Теоретические основы флотации 17
1.3 Очистка жиров биохимическим окислением в аэротенках 19
СОБСТВЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 25
Глава 2. ОБЪЕКТЫ, МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.25
2.1 Исследование процессов биохимического окисления жировых загрязнений 25
2.2 Систематизация расчетных схем флотационной очистки воды 29
2.3 Расчетно-экспериментальный метод определения скорости всплытия
пузырей воздуха в реальных условиях аэротенка 31
Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ПСЕВДО ОЖИЖЕНИИ ГОМОГЕННЫХ СИСТЕМ В ПРИСУТСТВИИ ПЛАВАЮЩИХ И ЭМУЛЬГИРОВАННЫХ ЖИРОВ 35
3.1 Гидродинамика трехфазных псевдоожиженных слоев 35
3.2 Диффундированный массоперенос веществ при гомогенном псевдоожижениии 38
Глава 4. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПРОЦЕССОВ УДАЛЕНИЯ ЖИРОВ ФЛОТАЦИОННЫМИ МЕТОДАМИ 56
4.1 Возникновение конвективных потоков 56
4.2 Двухмерная модель 58
4.3 Влияние сильного перемешивания 64
4.4 Механизм флотационной обработки загрязненных стоков 66
4.5 Теория флотационной очистки воды (от малых частиц) 68
Глава 5. КОНЦЕНТРАЦИИ ЖИРОВ НА СТАНЦИЯХ ОЧИСТКИ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ УДАЛЕНИЯ ПЛАВАЮЩИХ ЖИРОВ 75
5.1 Определение жиров в исходной сточной воде 76
5.2 Определение жиров в обезжиренной воде, поступающей на городские очистные сооружения 80
5.3 Определение жиров в активном иле аэрационных сооружений 80
5.4 Определение жиров в очищенной воде на выходе из городских очистных сооружений 83
5.5 Влияние жиров на функционирование станции очистки 83
5.6 Принципы конструирования жироловок. 88
5.7 Определение эффективности действия жироловки в системе очистных сооружений 89
5.8 Комплексное обследование действующих жироловок 91
Глава 6. УДАЛЕНИЕ ЖИРОВ МЕТОДОМ ФЛОТАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ СТОЧНЫХ ВОД 94
Глава 7. УДАЛЕНИЕ ЖИРОВ МЕТОДОМ АЭРОБНОЙ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД 113
7.1 Материалы и методы исследований 115
7.2 Результаты исследований 115
7.3 Аэробная обработка жиросодержащих сточных вод 124
Глава 8. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-РАСЧЕТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ БИОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЖИРОСОДЕРЖАЩИХ СТОЧНЫХ ВОД 133
8.1 Экспериментально-расчетные промышленные испытания процессов
очистки сточных вод 133
8.2 Влияние концентрации растворенного кислорода на очистку сточных вод 138
ВЫВОДЫ 153
ЛИТЕРАТУРА 154
ПРИЛОЖЕНИЯ 164
- Процессы флотации жировых загрязнений
- Исследование процессов биохимического окисления жировых загрязнений
- Гидродинамика трехфазных псевдоожиженных слоев
Введение к работе
Актуальность проблемы
В настоящее время важной научно-технической проблемой, требующей срочного решения, является 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. В связи с этим возникает необходимость строительства сложных очистных сооружений, обеспечивающих показатели очистки, заданные природоохранными органами.
Современные традиционные очистные сооружения содержат участок механической очистки сточных вод от крупнодисперсных загрязнений органического и минерального происхождения, участок биологической очистки сточных вод от мелкодисперсных и коллоидных загрязнений органического происхождения в аэротенках с помощью диспергированных или псевдоожиженных в сточной воде микроорганизмов активного ила и участок биологической доочистки сточных вод от трудноокисляемых органических загрязнений в сооружения типа биофильтр и биореактор с иммобилизованной биопленкой.
Сточные воды, как правило, содержат широкий спектр органических углерод-, азот- и фосфорсодержащих загрязнений, находящихся в диспергированном, коллоидном и растворенном состояниях. Особую трудность представляет собой очистка жиросодержащих сточных вод, загрязнения которых носят многофазовый характер (в виде плавающей пленки, эмульсии и раствора) и поэтому требуют применения различных по принципу действия очистительных мероприятий.
Систематическое загрязнение поверхностных водоемов неочищенными или недостаточно очищенными сточными водами, содержащими в своем составе
жиры, является одним из наиболее серьёзных факторов возникновения опасных природных ситуаций. В отношении водоёмов эта проблема осложняется еще и климатическим фактором, обусловленным сезонностью использования природных вод населением, т. к. процессы самоочищения сточных вод от жировых соединений приходятся на теплый период года, совпадающий с периодом культурно-бытового использования водной сети. Лишь с середины-конца весны (в зависимости от географического положения водоема) накопившиеся жировые загрязнения начинают окисляться водными бактериями благодаря повышению температуры воды, солнечной радиации и свободному поступлению кислорода воздуха через поверхность контакта воды и воздуха, ранее закрытую льдом. Однако именно в этот период к ранее накопленным загрязнениям в водоемы начинают интенсивно поступать новые порции загрязняющих веществ с талыми и ливневыми водами, содержащими жировые соединения.
Наиболее перспективным направлением работ в области совершенствования существующих систем обработки органосодержащих отходов является разработка комбинированных систем, позволяющих комплексировать эффективные конструкторско-технологические решения по очистке органических веществ различных видов 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 принципов и на этой основе добиться получения максимального качества очистки и минимальных экономических затрат. Диспергированные жировые загрязнения (в основном крупно- и средне-дисперсные частицы), находящиеся во взвешенном состоянии, отделяют от сточной воды в процессе физико-механической обработки (жироулавливанием, флотацией) и выводят из очистных сооружений на иловые площадки. Жировые вещества, находящиеся в мелкодисперсном, коллоидном и растворенном состояниях, подвергаются биологическим методам
7 обработки, в процессе которых реализуются биохимические процессы их окисления микроорганизмами активного ила.
Разработка эффективных промышленных технологий обработки жидких отходов требует проведения широких экспериментальных и теоретических исследований физико-химических и микробиологических процессов усвоения жировых загрязнений как в лабораторных, так и в производственных условиях. Только по результатам научно-исследовательских работ на экспериментальных и промышленных объектах могут быть созданы технологические модели комплексной биологической обработки, обеспечивающие возможность надежного прогнозирования характеристик систем очистки и создания наиболее рациональных и зффеїсгивньїх конструктивно-технологических схем очистных сооружений.
Цель и задачи исследований
Целью настоящей работы являлась разработка технологических моделей очистки жиросодержащих сточных вод от плавающих, эмульгированных и растворенных жиров с помощью физико-химических и микробиологических методов обработки.
При выполнении работы были поставлены следующие задачи:
разработка комплексных технологических моделей обработки жиросодержащих сточных вод, обеспечивающих оптимальные технико-экономические показатели и надежное прогнозирование характеристик очистных сооружений предприятий по производству и переработке мясной продукции;
- анализ и систематизация расчетных схем флотационной очистки воды;
исследование составов и концентраций жировых соединений, поступающих со сточными водами на локальные станции очистки предприятий;
разработка технологических моделей биохимической обработки жиросодержащих стоков в условиях активно-иловых процессов в аэротенках;
- анализ параметров и режимов функционирования производственных
технологических линий очистки жиросодержащих стоков.
Научная новизна
Разработана математическая модель конвективных потоков, возникающих при микрофлотации, обеспечивающей интенсификацию флотационного процесса.
Впервые изучены процессы диффундированного массопереноса загрязняющих веществ при гомогенном псевдоожижении трехфазных систем.
Впервые проведены исследования по расщеплению жиров при помощи селекционированных баїсгериальньїх популяций в сооружениях аэробной биологической очистки.
Разработан расчетно-экспериментальный метод определения скорости всплытия пузырей воздуха в реальных условиях аэротенка
Усовершенствованы и оптимизированы методы удаления жиров путем флотационной обработки сточных вод.
Проведена оценка влияния концентрации растворенного кислорода на протекание процессов усвоения жиросодержащих загрязнений в аэротенках.
Практическая ценность.
Работа охватывает широкий диапазон технологических и конструктивных решений, включающих обработку жиросодержащих загрязнений в поверхностном, эмульсионном и растворенном состояниях путем улавливания плавающей на поверхности воды пленки, флотирования эмульгированных частиц во флотационных установках и биохимического окисления жиросодержащих растворов в аэрационных сооружениях традиционного типа, Важным этапом работы является также комбинированная обработка, обеспечивающая возможность оптимального использования различных технологий обработки плавающих, эмульгированных и растворенных жиров в пределах единого производственного цикла.
Полученные результаты и выводы базируются на материалах теоретических, модельных и экспериментальных исследований физико-
9 химических и микробиологических систем обработки жиросодержащих отходов и позволяют с высокой степенью надежности рекомендовать их к практическому использованию в промышленных масштабах при создании новых и реконструкции действующих локальных систем очистки сточных вод мясоперерабатывающих предприятий и боен. 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 и характеристик очистных сооружений.
Апробация работы.
На основании проведенных исследований разработано научно-методическое руководство по созданию комплексной системы очистки сточных вод от плавающих, эмульгированных и растворенных жиров.
Результаты и материалы выполненной работы использованы ГУЛ «МосводоканалНИИпроект» при разработке проекта модернизации очистных сооружений кондитерских фабрик в г. Ступино и г. Покров; ЗАО «Водоснабжение и водоотведение» г. Москва при проектировании очистных сооружений свинокомплекса «Надеево» Вологодская обл.
Материалы диссертационной работы доложены на VIII Международной
научно-практической конференции «Экология и безопасность
жизнедеятельности», Пенза 2008; Международном научно-практическом семинаре «Водоснабжение и водоотведение мегаполиса», М., 2008.
10 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
Процессы флотации жировых загрязнений
При очистке сточных вод применяется принудительная флотация, когда для улучшения отделения частиц, обладающих природной флотируемостью, но имеющих недостаточную скорость разделения, используется газовая среда, как правило, воздух. Процесс флотации может также провоцироваться путем искусственного снижения плотности частиц, превышающей плотность жидкости. При этом используется способность твердых частиц прилипать к пузырькам газа с образованием пар «твердая частица - газ», имеющих меньшую плотность, чем жидкость, в которой они диспергированы. Таким образом, процесс флотации имеет трехфазную природу (газ - жидкость - твердая фаза) и зависит от физико-химических характеристик всех трех фаз, и в первую очередь от характера их межфазных взаимодействий (большая или меньшая гидрофобность). Пузырьки газа обычно классифицируют по их размеру: средние (2-4 мм), мелкие (от сотен микрон до 1 мм) и микропузырьки (40-70 микрон). При очистке сточных вод применяется также напорная флотация (флотация растворенным воздухом), спровоцированная действием микропузырьков струи, обогащенной газом, растворенным в ней под большим [11, 18,25, 32, 34,40,42, 88].
Исследование процессов биохимического окисления жировых загрязнений
При испытаниях на первом этапе были использованы четыре типа реакторов, изготовленных из поликарбонатного волокна. Каждый реактор был разделен перегородками на 9 л полностью смешенных и аэрируемых частей и 1 л осаждаемую камеру. Вес каждой перегородки был отрегулирован. Для подачи воды использовались перильстатические насосы. На каждый реактор устанавливалась водяная пробка, чтобы поддержать гидравлическое время пребывания 1,5 суток. Это соответствовало среднему выходу потока 6,5 л/сут. Воздух подавался через диффузоры, установленные в днище емкости. Температура поддерживалась в диапазоне 22±2С.
Количество сточной воды из тенка предварительной обработки локального убойного цехе КРС, баранов, свиней и овец запасалось в 200 л рефрижераторном тенке при температуре, чуть выше температуры замерзания. Концентрация ХПК устанавливались около 5400 мг/л или разжижением воды через крышку, или добавлением небольших количеств мясной крови. Обычный состав сточной воды приведен в табл. 2.1.
Запасной (резервный) тенк заполнялся очищенными и запасными новыми партиями сточной воды каждую неделю. ХПК и БПК5 сточной воды контролировались в течение каждого недельного периода хранения, но заметных изменений не имело место. Реакторы засевались 10 л активного ил, полученного из локаторного хранилища, рН находился между 7,0 т 7,8 для всех реакторов
Три реактора запитывались непрерывно сточной водой со скоростями со скоростями 4,6; 2,7 и 1,81 сут"1 и смешивались с концентрациями жидких летучих суспедированных частицам 4100, 3800 и 4700 мг/л при возрастах ила с, равных 5, 10 и 20 суток соответственно. В четыре реактора 2,6 л воды подавалась за 8-ми часовой период и водяная пробка удерживалась только в течение суток. Концентрации жидких летучих суспедированных частиц составляли 3560 мг/л, с сохранялся в течение 10 суток в течение недели, но сточная вода не подавалась и ил худел в выходные дни. Такой режим питания был выбран, чтобы моделировать поток сточной воды от бойни. Для всех реакторов 0с контролировался удалением субстратных объемов смешанной жидкости от каждого из реакторов ежедневно, обеспечивая потери твердых частиц в выходящем вверх потоке. Истощенная жидкая смесь заменялась подаваемой сверху-водой и этот объем брался в расчет для вычисления гидравлического времени пребывания. Концентрация растворенного кислорода устанавливалась в диапазоне 1.2—1.7 мг/л.
Гидродинамика трехфазных псевдоожиженных слоев
В последнее время вопросам исследования гидродинамических свойств псевдоожиженого слоя трехфазных систем «вода-воздух-твердые вещества» в широком диапазоне режимов уделяется все большее внимание. Очевидно, это связано с тем, что начинают исчерпывать свои потенциальные возможности традиционные способы аэробной биологической обработки сточных вод.
Настоящая работа выполнялась с целью исследования гидродинамических процессов в мощных псевдоожиженных слоях, содержащих крупные частицы.
В процессе экспериментальных исследований в качестве жидкой фазы использовалась вода, в качестве газовой фазы - воздух, в качестве твердых тел -стеклянные шарики и фавий. Исследования выполнялись в колоннах-реакторах больших размеров с двумя видами твердых веществ: стеклянными шариками диаметром б мм и неотесанным фавием средним диаметром 2,6 мм. Скорость воды при испытаниях изменялась в пределах 0,038-0,102 м/с, скорость воздуха - в пределах 0-0,261 м/с.
Исследования выполнялись в колонне из прозрачного оргстекла высотой 2,4 м и диаметром 650 мм. Высота слоя составляла 545 мм, слой поддерживался перфорированной решеткой с диаметром отверстий 3 мм. Подача воды и воздуха поступала в зону ниже перфорированной через калиброванные ротаметры.
По высоте колонна оборудовалась 12 пробоотборниками. Статическое давление на всех точках отбора замерялось манометрами, профили давления по высоте колонны использовались для определения времени пребывания жидкости Є и высоты слоя Н. Для получения информации по продольному смешению жидкости в слое использовались два инжектора: импульсный и калиброванный. В качестве трассатора использовался раствор КМп04, который определялся на спектрометре. Предполагалось, что перемешивание в слое может быть описано моделью поршневого потока осевой дисперсии. Проблема хвоста кривой отклика решалась экспоненциальным корректированием кривой отклика трассатора. Числа Ре использовались для расчета высоты смеси жидкой фазы (НМЕ) по формуле.
