Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ 19
1.1 Гидродинамика жидкостных потоков в аэрационных сооружениях 21
1.2 Процессы массопереноса кислорода в аэрационных сооружениях 23
1.3 Процессы аэробной биологической очистки сточных вод активным илом в дисперсном состоянии 30
1.4 Процессы биологической доочистки сточных вод, сбрасываемых в открытые водоемы и водотоки 40
1.5 Пути интенсификации механической очистки сильно загрязненных высокодисперсных стоков 52
1.6 Проблемы управления и прогнозирования функционированием систем биологической очистки 60
Собственные исследования 61
Глава 2. ОБЪЕКТЫ, МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 61
2.1 Экспериментальные исследования процессов гидродинамики и
массопередачи кислорода 61
2.1.1 Объекты исследований 61
2.1.2 Методики проведения экспериментальных исследований 62
2.2 Экспериментальные исследования процессов аэробной биологической очистки 64
2.2.1 Моделирование процессов функционирования биомассы.64
2.2.1.1 Модель Моно 67
2.2.1.2 Модель Герберта 70
2.2.2. Микробиология аэробной биологической очистки сточных вод активным илом 72
2.3 Процессы микробиологической очистки сточных вод в системах с иммобилизованной микрофлорой 81
2.3.1 Экспериментальные установки 81
2.3.2 Методы идентификации микроорганизмов биоценоза иммобилизованной биопленки 83
Глава 3 ГИДРОДИНАМИКА И МАССОПЕРЕДАЧА КИСЛОРОДА В
АЭРАЦИОННЫХ СООРУЖЕНИЯХ 110
3.1 Экспериментальные исследования влияния параметров аэрационной системы на гидродинамику процессов аэробной биологической очистки сточных вод 110
3.1.1 Результаты исследований 111
3.1.1.1 Теоретическое обоснование 111
3.1.1.2 Результаты экспериментов 113
3.2 Исследование процессов поддерживания твердых частиц во взвешенном состоянии 121
3.3. Массопередача кислорода в аэрируемых бассейнах 123
3.3.1 Влияние расхода воздуха 123
3.3.2 Влияние столба жидкости 128
3.3.3 Влияние размеров бассейна 128
3.3.4 Влияние погружения диффузора 132
3.4 Гидродинамика и массопередача кислорода в многофазовом реакторе 134
3.4.1 Гидродинамика многофазового реактора 134
3.4.2 Массопередача кислорода в многофазовом реакторе 137
3.4.3 Применение многофазового реактора в системах очистки сточных вод 141
3.5 Гидродинамика псевдоожиженного слоя в цилиндрическом и усеченно-коническом реакторе 145
3.5.1 Основные характеристики псевдоожиженного слоя 145
3.5.2 Математические модели процессов псевдоожижения 149
3.5.2.1 Потери нагрузки в фиксированном слое 149
3.5.2.2 Потери нагрузки в псевдоожиженном слое 150
3.5.2.3 Минимальное псевдоожижение 152
3.5.2.4 Максимальное псевдоожижение 154
Глава 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ АЭРОБНОЙ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД АКТИВНЫМ ИЛОМ 174
4.1 Аэротенки смесительного типа 174
4.1.1 Исследование балансов веществ 175
4.1.1.1 Баланс микроорганизмов активного ила на границе вторичного отстойника 175
4.1.1.2 Баланс микроорганизмов на границе смесителя перед аэротенком 175
4.1.1.3 Баланс субстрата на границе смесителя перед аэротенком 176
4.1.1.4 Баланс микробной массы на границах ферментера 176
4.1.1.5 Баланс субстрата на границах ферментера 179
4.1.2 Расчет станций очистки 188
4.2 Моделирование и расчет процессов многосекционного аэротенка- смесителя 192
4.2.1 Исследование балансов веществ 193
4.2.2 Расчет станций очистки 196
4.3 Моделирование и расчет процессов в гетерогенных аэротенках .198
4.3.1 Использование модели диффузионного поршня 198
4.3.2 Исследование балансов веществ .202
4.3.3 Расчет станций очистки 204
4.4 Моделирование и расчет процессов очистки в аэротенке- вытеснителе поршневого типа 210
4.4.1 Использование модели поршневого потока 210
4.4.2 Исследование балансов веществ 211
4.4.3 Расчет станций очистки 211
Глава 5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД В СИСТЕМАХ С ИММОБИЛИЗОВАННОЙ МИКРОФЛОРОЙ 238
5.1 Математическая модель реактора с биопленкой на неподвижном твердом носителе 240
5.2 Моделирование капельного биофильтра с засыпной загрузкой .250
5.2.1 Экспериментально-расчетные исследования процессов очистки биопленки на загрузочном материале 250
5.2.2 Гидравлические модели биофильтров с загрузкой 253
5.2.3 Технологические модели биофильтров с загрузкой 260
5.3 Моделирование биореакторов с вращающимися дисками 261
5.3.1 Исследования процессов окисления в биодисках 262
5.3.2 Моделирование и расчет биодисков 265
5.3.2.1 Модель биореактора с дисками, погруженными в жидкость ниже оси вращения 265
5.3.2.2 Модель биореактора с дисками, погруженными в жидкость выше оси вращения 266
5.3.2.3 Модель биореактора с дисками, полупогруженными в жидкость 268
5.4 Расчетно-экспериментальные исследования погружных аэрируемых биофильтров 270
Глава 6. УПРАВЛЕНИЕ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ В СООРУЖЕНИЯХ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД 303
6.1 Методология управления и прогнозирования микробиологическими процессами в сооружениях биологической очистки сточных вод 303
6.2 Результаты экспериментальных исследований по повышению эффективности седиментации дисперсных частиц за счет использования активного ила в качестве источника биофлокулянта 305
6.2.1 Результаты сравнительных испытаний эффективности аэробной биологической очистки при различных способах обработки исходной сточной воды перед подачей ее в первичный отстойник 307
6.2.2 Результаты сравнительных испытаний эффективности механической обработки исходной сточной воды при различных способах ее обработки перед подачей в первичный отстойник 309
6.2.3 Результаты исследований интегральных характеристик сточных вод при использовании в качестве источника коагулянта предварительно обработанного активного ила 309
6.2.4. Прогнозирование снижения нагрузок по загрязнениям на участок аэробной биологической очистки 313
6.2.5. Практические рекомендации по использованию результатов работы в практике строительства и реконструкции очистных сооружений 314
6.3 Управление процессом очистки сточных вод от азотных загрязнений и контроль степени очистки с помощью измерения редокс- потенциала 316
6.3.1 Результаты исследований 318
6.3.1.1 Условия функционирования установок 318
6.3.1.2 Нитрификация 321
6.3.1.3 Снижение редокс-потенциала и нитрификация 321 6.3.2 Управление процессами биологической очистки с помощью редокс-потенциала 322
6.4 Микробиологические исследования активного ила и сопутствующей ему микрофлоры 323
6.5 Использование микрофауны как потенциального индикатора активных илов на пилотной установке в фазе запуска 335
7. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ 369
ВЫВОДЫ 420
ЛИТЕРАТУРА 423
ПРИЛОЖЕНИЯ 446
- Гидродинамика жидкостных потоков в аэрационных сооружениях
- Объекты исследований
- Исследование процессов поддерживания твердых частиц во взвешенном состоянии
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. Отличительная черта сточных вод, сбрасываемых на городские очистные сооружения, состоит в том, что они, в основном освобожденные от крупных включений минерального происхождения, в значительной степени загрязнены органическими веществами. В связи с этим возникает необходимость строительства сложных очистных сооружений, обеспечивающих показатели очистки от органических соединений, заданные государственными природоохранными органами.
Очистка высоко загрязненных стоков имеет ряд особенностей, которые существенно усложняют применение обычных, широко распространенных методов обработки органо-содержащих 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 средне-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
9 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 и важной 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.
Высокие требования государственных природоохранных органов к чистоте сточных вод, сбрасываемых в открытые водоемы и водотоки культурно-бытового и рыбохозяйственного назначения, приводят к необходимости разработки эффективных и, как правило, многоступенчатых систем очистки. Современные традиционные очистные сооружения содержат
10 участок механической очистки сточных вод от крупнодисперсных загрязнений органического и минерального происхождения, участка биологической очистки сточных вод от мелкодисперсных и коллоидных загрязнений органического происхождения в аэротенках с помощью диспергированных в сточной воде микроорганизмов активного ила и участка биологической доочистки сточных вод от трудноокисляемых органических загрязнений в сооружения типа биофильтр и биореактор.
В то же время следует отметить, что возможности методов биологической очистки к настоящему времени далеко не полностью исчерпаны. Актуальность проблемы интенсификации процессов биологической очистки сточных вод несомненна, т.к. повышение технико-экономических показателей этого способа обработки при широких масштабах его применения позволит дать значительный экономический эффект народному хозяйству страны.
Одним из основных путей интенсификации аэробной биологической очистки сточных вод является повышение концентрации взаимодействующих компонентов, участвующих в процессе, микроорганизмов и растворенного кислорода. Для достижения этих целей разработаны сооружения с повышенными дозами активного ила, с применением технического кислорода, с более эффективным использованием кислорода, с более производительными аэраторами и т.д. Однако и эти возможности оказались не беспредельными главным образом из-за ограниченной интенсивности диффузионных процессов в аэрационных сооружениях. Как показывают работы последних лет, для преодоления этого недостатка необходимо обеспечить большую продолжительность контакта обрабатываемой среды с источником кислорода, увеличить поверхность раздела фаз «жидкость-кислород» и осуществить более быстрое обновление их границ. Реализация этих направлений привела, с одной стороны, к созданию глубоких (шахтных) аэротенков, а с другой - к использованию биологических систем с прикрепленной (иммобилизованной) микрофлорой.
В последние десятилетия в научно-технической литературе растет количество работ, посвященных применению систем, использующих иммобилизацию микроорганизмов на носителях.
Прикрепление микроорганизмов к твердому носителю увеличивает продолжительность их пребывания в реакционной среде. Последнее обстоятельство имеет немаловажное значение с учетом затрат на утилизацию больших количеств биомассы активного ила. В биологических слоях, образующихся на твердой поверхности носителя, при стационарном режиме работы биореактора устанавливается равновесие между процессами прироста биопленки и вымывания ее из слоя носителя, В связи с этим отпадает необходимость в рециркуляции биомассы, принципиально необходимой при очистке сточных вод в традиционных аэротенках, работающих на дисперсной биомассе. К тому же следует отметить меньшую влажность биопленки по сравнению с биомассой активного ила традиционных аэротенков, а значит и более эффективное отделение биопленки от очищенной воды во вторичных отстойниках.
Для аэробных биологических иммобилизованных систем важно и то, что в трехфазной среде, состоящей из жидкости, газа и твердого носителя, увеличивается эффективность использования кислорода. Доза прикрепленной биомассы активного ила, развивающейся на поверхности твердого носителя, составляет 30 г/л и выше по беззольному веществу, что совершенно недостижимо для традиционных аэротенков при любом способе сгущения активного ила.
Однако, несмотря на перечисленные выше преимущества, метод иммобилизации микроорганизмов на твердом носителе еще не нашел широкого применения в промышленности. Это объясняется тем, что имеющиеся сведения о биологической очистке с применением техники иммобилизации биомассы в научно-технической литературе не систематизированы, часто носят противоречивый характер и, как правило, недоступны широкому кругу специалистов в области очистки промышленных сточных вод.
Значительно затрудняет внедрение в практику очистки сточных вод иммобилизации биомассы микроорганизмов отсутствие единой методики расчета и рекомендаций по аппаратурному оформлению процесса очистки в промышленных условиях. Имеющиеся литературные данные о высокой эффективности применения техники иммобилизации для биологического удаления углеродсодержащей органики, нитрификации и денитрификации либо содержат разрозненный материал, либо совершенно непригодны для практического использования при проектировании очистных сооружений. Разработка промышленной технологии биологической очистки сточных вод в иммобилизованных слоях требует проведения широких экспериментальных и теоретических исследований физических и биологических процессов как в лабораторных, так и в производственных условиях. Такие исследования, включающие изучение гидродинамики и кинетики биологических процессов синтеза биомассы и усвоения органических загрязнений сточных вод, позволят обеспечить создание наиболее рациональных и эффективных конструктивных схем сооружений аэробной биологической очистки.
Создание эффективной многоступенчатой системы очистки требует 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.
Одним из наиболее эффективных методов решения указанной проблемы является проведение экспериментально-теоретических исследований, позволяющих получить в конечном счете разработанные на основе балансового анализа математические модели технологических процессов очистки с эмпирическими коэффициентами, полученными путем аппроксимации экспериментальных зависимостей, полученных с помощью физических моделей.
Разработанные экспериментально-расчетные модели технологических процессов биологической очистки должны учитывать также и
13 микробиологические модели реализуемых процессов, поэтому наряду с гидравлическими и технологическими моделями необходим комплекс микробиологических работ для выявления доминирующих биоценозов на разных этапах биологической очистки.
Разработанные на основе анализа гидравлических, массообменных, технологических и микробиологических данных эмпирико-математические модели позволяют не только надежно и с высокой точностью прогнозировать процессы в системах биологической очистки, но и управлять ими для получения максимальной эффективности очистки.
Цель и задачи исследований
Целью настоящей работы являлась разработка расчетно-экспериментальных моделей технологических процессов управления комплексной аэробной биологической очисткой сточных вод
При выполнении работы были поставлены следующие задачи:
экспериментальные исследования гидродинамических процессов течения жидких сред в аэрационных сооружениях различных типов и изучение механизмов поддержания во взвешенном состоянии твердых частиц-носителей различных видов;
исследование процессов массопередачи кислорода в аэрационных бассейнах и влияния на них различных факторов конструктивно-технологического характера;
исследование гидродинамики потоков и массопередачи кислорода в многофазном реакторе с псевдоожиженным слоем;
изучение гидродинамики псевдоожижения в биореакторах различных геометрических форм и конфигураций, сравнение их характеристик и выдача рекомендаций по выбору биореакторов в системах биологической очистки;
- экспериментальные исследования процессов функционирования
аэротенков при различных нагрузках по органическим загрязнениям
исходной сточной воды;
- изучение структуры и особенностей функционирования сложных
14 биоценозов активного ила, идентификация доминирующих форм микроорганизмов в аэрационных сооружениях на разных трофических уровнях по питанию, научно-обоснованный выбор биологических моделей;
определение балансов биомассы микроорганизмов, растворенного кислорода и питательного субстрата в аэрационных сооружениях различных типов и разработка расчетно-экспериментальных методов определения их технологических характеристик;
экспериментальные исследования закономерностей формирования иммобилизованной биологической пленки на твердых поверхностях носителей при различных условиях функционирования биологического комплекса «жидкость-биомасса-носитель-кислород»;
экспериментальные исследования процессов массообмена между биопленкой, жидкостью и кислородом в системах иммобилизации микроорганизмов на твердых носителях различных типов;
разработка математических моделей иммобилизованных систем различных технологических схем с корректировкой их с помощью эмпирических коэффициентов, полученных экспериментальным путем;
разработка на основе анализа гидравлических, массообменных, технологических и микробиологических данных методологии управления и прогнозирования систем комплексной биологической очистки с помощью эмпирико-математических моделей для - получения максимальной эффективности очистки с высокой точностью и надежностью.
Научная новизна
Созданы математические модели гидродинамических и массообменных процессов в аэрационных бассейнах различных геометрических размеров и конфигураций.
Разработаны критерии оценки процессов циркуляции и массопередачи кислорода в аэрационных сооружениях различных типов.
Проведен комплекс экспериментальных исследований по определению влияния различных факторов (геометрических параметров бассейнов, типов
15 и компоновок аэрационных устройств) на эффективность процессов циркуляции и массопередачи кислорода.
Приведено теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение перспективности использования для очистки сточных вод многофазных усеченно-конических реакторов с псевдоожиженным слоем.
Разработаны практические рекомендации по выбору геометрических параметров и технологических режимов аэрации для реализации высоко эффективных процессов в аэрационных сооружениях различных типов.
Проведен комплекс экспериментальных исследований по определению характеристик систем биологической очистки и получены эмпирические данные для моделирования процессов биологической очистки 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 рекомендации по выбору характеристик и оптимизации технологических режимов сооружений аэробной биологической очистки сточных вод, загрязненных органическими примесями.
Проведен комплекс экспериментальных исследований по определению влияния внутренних и внешних факторов на процессы формирования иммобилизованной биопленки на твердых носителях.
Получены уравнения балансов веществ, участвующих в процессе биохимического окисления органического субстрата микроорганизмами иммобилизованной на носителе биопленки.
Разработаны математические модели процессов, протекающих в системах биологической очистки с иммобилизованной биопленкой микроорганизмов.
Выданы рекомендации по выбору оптимальных технологических режимов систем аэробной биологической очистки сточных вод, реализующих иммобилизацию биомассы на твердых носителях различных видов.
Полученные результаты позволяют научно обосновывать конструктивно-технологические решения, принимаемые при проектировании новых и реконструкции действующих сооружений биологической очистки.
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 по выбору аэрационных сооружений при создании систем биологической очистки сточных вод различного происхождения. При этом, материалы работы обеспечивают возможность определения оптимальных решений с учетом особенностей конкретных видов и характеристик очистных сооружений.
Выполненная работа может быть использована для решения практических задач проектирования новых и реконструкции действующих очистных сооружений аэробной биологической очистки с учетом особенностей микробиологических процессов обработки сточных вод различного происхождения.
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
17 конкретных видов 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, 29.08.2005г.).
Результаты и материалы выполненной работы использованы ГУП «МосводоканалНИИпроект» при проведении проектирования очистных сооружений городов Владивостока, Гагарина, Покрова и утильзавода «Эколог» г. Люберцы. Кроме того, результаты работы были использованы ДХО ЗАО «АРХПРОЕКТ» Инженерно-архитектурный центр при проектировании очистных сооружений пос. Горноправдинск Ханты-Мансийского района.
Материалы диссертационной работы доложены на II Всероссийской научно-практической конференции «Окружающая среда и здоровье», г. Пенза, 2005; V Международной научно-практической конференции «Состояние биосферы и здоровья людей» Пенза, 2005; на III Международной научно-практической конференция «Проблемы строительства, инженерного обеспечения и экологии городов» г. Пенза, 2001; Научно-практической конференции МИКХиС-2002, г. Москва, 2002; III Всероссийская научно-практическая конференция «Экология человека: концепция факторов риска, экологической безопасности и управления рисками» г. Пенза, 2006.
Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском и технологическом институте биологической промышленности в соответствие с Государственной программой «Разработать технологию биологической
18 очистки сточных вод с высоким содержанием органических примесей» инв. № 01.200.2.01563 и планами хоздоговорных работ Московского института коммунального хозяйства и строительства.
Гидродинамика жидкостных потоков в аэрационных сооружениях
К настоящему времени исследованию процессов циркуляции жидкостей в аэрационных сооружениях посвящено большое количество работ.
В работе [169] использована теория течения струи в бесконечной среде. Считая, что смесь «воздух-вода», составляющая смешанный поток, представляет собой гомогенный поток автором было получено выражение для скорости жидкости: где
Q расход воздуха;
L - длина бассейна;
g - ускорение свободного падения.
В работе производился замер скорости потока в бассейнах с размерами от 400 до 800 мм и отношением H/L (высота/длина) в диапазоне от 2,0 до 0,75. В экспериментах использовались мелкие пластмассовые шарики с плотностью, равной плотности жидкости. С помощью фотографирования с определенным интервалом времени рассчитывалась скорость движения воды при ее циркуляции в бассейне. По результатам проведенной работы были предложены зависимости для определения скоростей потоков в аэрируемых
Объекты исследований
Исследования проводились в серии аэрационных бассейнов различного объема от лабораторных до полупромышленных, установленных на сооружениях биологической очистки. При испытаниях использовались бассейны различных геометрических форм и концигураций: прямоугольные, цилиндрические, ктановой (восьмиугольной ) и имеющие промежуточные формы, имеющие промежуточные формы.
Основными изменяющимися геометрическими параметрами были:
- высота воды в бассейна;
- уровень воды выше системы аэрации;
- геометричесеие формы бассейна (для вывода экстраполяционных
зависимостей).
При испытаниях использовались практически все применяняемы в настоящее время типы диффузоров, различающихся размерами, образующихся в момент отрыва пузырей воздуха, подаваемого в воду (от 3 до 6мм). Кроме того, использовались в качестве аэраторов перфорированные и пористыеые полиэтиленовые трубы. В ряде бассейнах диффузоры (пористые и перфорированные трубы) размещались продольно, что соответствует размещению воздухораспределителей у дна промышленного аэротенка рядом с перегородкой и по всей длине сооружения.
В двух бассейнах размещение распределителей воздуха диктовалось необходимостью изучения процессов циркуляции и массопередачи кислорода в двух планах вертикально и горизонтально.
class3 ГИДРОДИНАМИКА И МАССОПЕРЕДАЧА КИСЛОРОДА В
АЭРАЦИОННЫХ СООРУЖЕНИЯХ class3
Исследование процессов поддерживания твердых частиц во взвешенном состоянии
Как только частицы переходят во взвешенное состояние, они вовлекаются потоком жидкости в циркуляционное движение. Отложение на дне осадка твердых частиц происходит, когда скорость жидкости у днища ниже скорости необходимой для поддержания частиц во взвешенном состоянии. Установлено также, что скорость у днища, необходимая для перевода частиц во взвешенное состояние, должна быть около 0,3 м/с.
Для избежания аккумуляции осадка необходимо иметь значение "Vf" не ниже минимального, при котором частицы вовлекаются в поток. Если Vc обозначает скорость падения взвешенных частиц, то переход частиц во взвешенное состояние происходит, когда скорость потока жидкости Vf будет выше Vc.
По результатам работы предложена следующая зависимость для отношения скоростей потока и падения взвешенных частиц: где X - фактор трения, равный 0,1-1,0 при /Vc, находящимся в диапазоне 3-9.
На практике необходимо поддерживать указанное отношение скоростей ниже 100.
В случае аэрируемого бассейна прямоугольной или цилиндрической формы, снабженного диффузорами из перфорированных труб, были определены условия, при которых частицы будут находиться во взвешенном состоянии. Исследование проводились в реальных условиях функционирования аэрационного сооружения с активным илом.
Активный ил с концентрацией 6,4 г/л (по сухому веществу) был разбавлен до 2,0 г/л. Все обследованные активные илы начинали циркулировать до того, как выпадут в осадок. Это позволило нам определить значения (G/L)min и (G/L)max или (Gmin и Gmax), которые составляли 9 9 соответственно 0,35 м /час и 0,7 м /час и, которые соответствуют Vf = 95 мм/с и Vf = 129 мм/с. Наличие активного ила изменяет физико-химические характеристики воды - скорость Vf незначительно снижается. Среднее по результатам экспериментов различие в скорости Vf при наличии и при отсутствии активного ила составляет примерно 15%.
Результаты работы показали, что скорость Vf примерно равная 100 мм/с, достаточна для поддержания биомассы активного ила во взвешенном состоянии, тогда как рекомендованная в известной технической литературе скорость Vf должна составлять около 300 мм/с.
Таким образом, поддержание во взвешенном состоянии единичных V частиц в аэрируемом бассейне достигается, когда отношение /Vc будет выше 6,0. Для цилиндрических бассейнов это отношение имеет значение около 2,0, что вызывает интерес к циркуляции в цилиндрическом бассейне.
Конечно, не следует забывать, что в случае биологической очистки сточных вод массопередача кислорода может быть фактором, который определит расход воздуха и, как следствие, скорость Vf выше 10 см/с.
Похожие диссертации на Технологическое моделирование управляемого процесса аэробной биологической очистки сточных вод
