Введение к работе
Актуальность проблемы
Эффективность работы современных систем очистки сточных
вод в целом определяется совершенством и качеством организации процесса биологической очистки в аэротенках и дополнительной очистки (доочистки) в биологических прудах.
Наряду с проведением широких научно-технических и технологических исследований повышения эффективности аэробной биологической обработки сточных вод с помощью активного ила в настоящее время уделяется большое внимание разработке способов доочистки стоков до норм, установленных природоохранными органами. Имеющиеся к настоящему времени немногочисленные исследования по данной проблеме убедительно показывают, что применение биологических прудов может занять прочное место среди других эффективных методов доочистки сточных вод различного назначения. Различные виды использования биологических прудов требуют проведения исследований условий функционирования бактериально-водорослевых биоценозов, обеспечивающих наибольшую полноту удаления биогенных элементов, надежное обеззараживание водной среды от бактериальных загрязнений и высокую технико-экономическую эффективность промышленного применения.
Существенный вклад в развитие методов обработки жиросодержащих стоков методами флотации и аэробной очистки внесли: Г.Л. Генцер, Н.В. Растрыгин, В.И. Решняк, В.В. Дегтярев, Ю.И. Бланк, С.В. Яковлев, А.А. Денисов, И.И. Павлинова и другие.
Применение процессов биологической самоочистки сточных вод в биологических прудах, использующих в качестве энергоисточника энергию солнца, рассматривается в настоящее время в самых разнообразных комплексных технологических схемах утилизации жидких органических отходов. Более того, надо подчеркнуть неограниченные возможности оптимального сочетания искусственных и естественных способов очистки стоков и создания на этой основе гибких и рациональных систем последовательной утилизации биогенных элементов в аэрационных сооружениях типа аэротенков и открытых водоемах типа биологических прудов.
Цели и задачи исследований
Целью настоящей работы являлась разработка технологических моделей процессов биологической доочистки сточных вод в биологических прудах и транспорта загрязнителей и бактерий путем их фильтрации через почвенные массивы размещения биологических прудов.
При выполнении работы были поставлены следующие задачи:
- изучение физиологии и условий жизнедеятельности растительного и животного мира в биологических прудах;
- разработка математической модели термодинамических процессов в биологических прудах;
- разработка математической модели процесса массопереноса кислорода в биологических прудах;
- моделирование ламинарного течения вод в биологических прудах;
- моделирование турбулентного течения вод в биологических прудах;
- моделирование биохимических процессов в биологических прудах;
- оценка предельных условий протекания процессов биохимического окисления загрязнений в биологических прудах;
- разработка математических моделей процессов удаления загрязнений органического и минерального происхождения и культуральной массы бактерий путем их транспорта фильтрацией через межфазовую поверхность почвенной подложки биологических прудов;
- разработка методов численного решения уравнений транспорта загрязнителей и бактерий, сорбированных на твердой матрице.
Научная новизна
1. Проведены комплексные исследования физиологии и условий жизнедеятельности растительного и животного миров в биологических прудах и выявлены новые закономерности сосуществования этих двух физиологически различных видов микрофлоры. Так, установлено, что рост водорослей при наличии растворенного СО2 перемещает рН культуральной среды к более высоким значениям и поэтому изменение рН обработанной воды может служить хорошим индикатором фотосинтетической активности водорослей. Показано также, что ингибирование патогенной микрофлоры возможно без разрушения водорослей, т.к. кинетики деструкции бактерий и водорослей являются принципиально различными.
2. Впервые проведен тепловой баланс, определяющий термодинамическое равновесие в биологическом пруду на основе анализа поступающих и исходящих тепловых потоков различного происхождения. На этой основе разработана математическая модель термодинамических процессов, которая отражает тепловое состояние обрабатываемой среды в биологических прудах в зависимости от времени пребывания поступающего загрязненного потока и геометрических параметров пруда, влияющих на отношение площади пруда к его объему.
3. Установлено, что изменение концентрации растворенного кислорода в пруду определяется коэффициентом массопередачи кислорода, зависящим от температуры, интенсивности перемешивания жидкой и газовой фаз на границе раздела «газ-жидкость», наличия поверхностно-активных веществ. Впервые разработана математическая модель скорости массопереноса кислорода, обеспечивающая возможность прогнозирования качества доочистки органосодержащих стоков в биологических прудах.
4. На базе классических уравнений механики жидкости разработаны математические модели ламинарных течений применительно к динамическому и термодинамическому состоянию среды неаэрируемого открытого водоема. Полученные модели позволяют прогнозировать гидродинамические характеристики экосистем биологических прудов и могут быть использованы в практике разработки эффективных систем доочистки сточных вод в биологических прудах.
5. На основе балансовых соотношений получены математические модели турбулентных течений в аэрируемых прудах и получены эмпирические коэффициенты процессов перемешивания, обеспечивающие хорошую сходимость экспериментальных и расчетных данных.
6. Впервые разработана локальная модель абсорбции в зависимости от критериальных параметров, характеризующих локальную структуру потока в межфазовой области. Создана динамическая модель, выражающая локальные параметры в зависимости от глобальных характеристик течения водного потока. Установлено, что величина масштабов скорости и длины турбулентного потока зависят от типа взаимодействия (при ветре и без ветра) в межфазовой зоне.
7. Впервые изучены и математически описаны процессы сорбирования загрязнений органического и минерального происхождения и сфлокулированной биомассы, содержащей патогенные бактерии и вирусы, при их транспорте через фильтрующие почвенные слои биологических прудов.
8. Впервые разработаны математические модели, позволяющие прогнозировать качество очистки по БПК и содержание растворенного кислорода в биологическом пруде при наличии транспортировки загрязнителей и бактерий через пористую среду почвенного покрова за пределы пруда.
9. Получены ценные для практики проектирования систем очистки профили изменения концентраций загрязнений при разных скоростях разложения субстрата, расходах потока и коэффициентах диффузии.
Практическая ценность
Работа охватывает широкий диапазон расчетно-экспериментальных исследований процессов биологической доочистки сточных вод в открытых водоемах (биологических прудах).
Полученные результаты и выводы базируются на материалах теоретических, модельных и экспериментальных исследований процессов биологической обработки в биологических прудах 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. Разработанные рекомендации и предложения подтверждены материалами теоретических и экспериментальных работ, показавших высокую степень сходимости, что обеспечивает возможность их надежного использования в производственных условиях с учетом особенностей конкретных видов и характеристик сточных вод и технологических схем конструкций очистных сооружений.
Апробация работы:
На основании проведенных исследований разработаны: «Технологический регламент формирования биоценозов фитопланктона в биологических прудах объектов очистных сооружений предприятий АПК на этапах глубокой доочистки жидких стоков» (Утв. РАСХН 04.12.2007 г.); «Методические рекомендации по созданию систем биологической доочистки сточных вод в открытых водоемах» (Утв. РАСХН 28.05.2009 г.).
Результаты и материалы выполненной работы использованы ГУП «МосводоканалНИИпроект» при разработке проектов: «Благоустройство, восстановление и реабилитация пруда»: по адресу: г. Москва, ЮЗАО, МП «Сев. Бутово», ул. Феодосийская, д. 11а» и «Капремонт Нижнего Мещерского пруда» 2009; ОАО «Лизинг экологических проектов» г. Москва при разработке проекта реконструкции очистных сооружений животноводческого комплекса по откорму 80 тыс. голов свиней в год: г. Коноши Архангельской обл., 2007 г.; МУП «Павлово-Слободское РЭП ЖКХ» на действующих сооружениях аэробной биологической очистки: п. Павловская Слобода Московской обл. 2009.
Материалы диссертационной работы доложены на 8-м Международном конгрессе: «Вода: экология и технология», июнь 2008 г., Москва; Международной научно-практической конференции: «Водоснабжение и водоотведение мегаполиса», март 2009 г., Москва; IX Международной научно-практической конференции: «Состояние биосферы и здоровье людей», сентябрь 2009 г., Пенза; Международной научно-практической конференции: «Научные основы производства ветеринарных биологических препаратов», декабрь 2009 г., Щелково.
Структура и объем диссертации.
