Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ БЫТОВЫХ СТОЧНЫХ ВОД И ПЕРЕРАБОТКИ ИХ ОСАДКОВ 6
1.1. Анаэробные методы очистки бытовых сточных вод 6
1.1.1. Основные стадии процесса анаэробной очистки бытовых сточных вод 6
1.1.2. Анаэробный реактор восходящего потока с активным илом 10
1.1.3 Влияние физико-химических параметров на эффективность реакторов РВП-АИ 13
1.1.4. Критерии проектирования реакторов восходящего потока 21
1.1.5. Параметры регулирования и контроля реакторов РВП 28
1.2. Механизмы анаэробного метанового сбраживания осадков городских сточных вод 30
1.2.1. Характеристика осадков бытовых сточных вод 30
1.2.2. Влияние технологических параметров на скорость метанового сбраживания осадка 32
1.2.3. Технологические схемы анаэробного сбраживания осадков городских сточных вод 37
1.2.4. Подготовка осадка к утилизации 44
1.2.5 Санитарно-гигиеническая оценка сброженных осадков 46
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 53
2.1. Общая характеристика округа Мансанарес 53
2.2. Определение характеристик сточных вод округа Мансанарес 54
2.2.1. Отбор проб 54
2.2.2. Анализ стоков in situ и в лаборатории 55
2.2.3. Анализ изменений параметров проб во времени 56
2.2.4. Физико-химические характеристики стоков 69
2.3. Исследование кинетики анаэробного процесса сбраживания органических веществ 72
2.4. Усредненные характеристики стоков 81
ГЛЛВЛ 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ БЫТОВЫХ СТОКОВ В РЕАКТОРЕ ВОСХОДЯЩЕГО ПОТОКА 85
3.1. Описание реакторов 85
3.2. Эксплуатация и оценка реакторов 86
3.2.1. Оценка реакторов в период запуска (этап I) 87
3.2.2. Оценка реакторов в период запуска (этап II) 94
3.3. Расчёт размерных параметров промышленного реактора восходящего потока 101
3.3.1. Объем реактора 101
3.3.2. Высота реактора 102
3.3.3. Сепаратор газ - твердое вещество - жидкость 103
3.3.4. Система распределения входящего потока 105
3.3.5. Система отбора проб и поступления ила 107
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ДВУХФАЗНОЙ ТЕХНОЛОГИИ АНАЭРОБНОГО СБРАЖИВАНИЯ ОСАДКОВ ГОРОДСКИХ СТОЧНЫХ ВОД ПО
4.1. Интенсификация процесса метанового брожения 110
4.2. Повышение концентрации загрузки 111
4.3. Фазовое разделение 114
4.4. Аэробно-анаэробные и анаэробно-аэробные процессы стабилизации осадков 124
4.5. Исследование режимов работы реакторов первых фаз и первых ступеней... 128
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 135
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 136
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 138
- Влияние физико-химических параметров на эффективность реакторов РВП-АИ
- Определение характеристик сточных вод округа Мансанарес
- Оценка реакторов в период запуска (этап II)
Введение к работе
Актуальность работы. Очистка бытовых и промышленных сточных вод является важной проблемой химической экологии и может осуществляться механическими, химическими, физико-химическими, биологическими и термическими методами. Одним из наиболее распространенных и высоко эффективных методов очистки бытовых сточных вод и переработки их осадков является анаэробный метод, реализованный в реакторе восходящего потока с активным илом (РВП - АИ). Однако, к началу данного исследования были недостаточно изучены эколого-химические аспекты новых высокоэффективных методов анаэробной очистки бытовых стоков и обработки образующихся органических осадков.
Цель и задачи исследования. Цель работы - комплексное исследование физико-химических характеристик бытовых стоков и эколого-химических особенностей анаэробных процессов очистки сточных вод и переработки образующихся осадков.
Основные задачи исследования:
определить физико-химические характеристики и исходный химический состав бытовых сточных вод округа Мансанарес (Венесуэла);'
установить возможность анаэробной очистки указанных бытовых стоков на реакторе (системы РВП - АИ) и провести типовой расчет его размеров;
изучить кинетику анаэробного процесса очистки;
исследовать изменение показателя ХПК в реакторе системы РВП - АИ при обработке бытовых стоков;
проанализировать современные технологические схемы для анаэробной переработки осадков; определить характеристики обезвоживания осадков, обработанных по двухфазной схеме;
разработать новые высокоэффективные процессы и аппараты очистки
стоков.
Научная новизна работы. В работе сформулированы требования, предъявляемые к стокам, обрабатываемым с использованием реактора
восходящего потока (РВП - ЛИ), определены условия интенсификации процесса анаэробного сбраживания осадков городских сточных вод. Определена константа скорости реакции, протекающей при очистке сточных вод, установлена требуемая потребность в кислороде для ее реализации. Изучено изменение показателя ХПК в реакторе при обработке бытовых стоков.
Практическая ценность. В работе исследован состав и свойства очищаемых сточных вод, определены конструктивные особенности реактора системы РВП - АИ и оптимальные режимы его эксплуатации.
Проведён анализ современных технологических схем, применяемых для анаэробной переработки осадков. Исследованы процессы гидролиза осадка, позволяющего реализовывать на практике интенсивные технологии метанового брожения.
Полученные результаты позволили выявить основные технологические особенности методов очистки сточных вод и переработки осадков на примере эксплуатации реактора системы РВП - АИ, а также анаэробных метатенков.
Апробация работы. Основные материалы работы докладывались: на 5-ом Международном конгрессе «Экватэк-2002, вода: экология и технология». М., 2002 г.; Всероссийской конференции «Актуальные проблемы экологии и природопользования». - М. РУДН, 2003 и 2004 годы.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 научных статей.
Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 146 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырёх глав, заключения, выводов и списка литературы (125 наименований). В диссертации содержится 35 таблиц и 53 рисунка.
Влияние физико-химических параметров на эффективность реакторов РВП-АИ
Эффективность анаэробной переработки сточных вод зависит от соотношения между различными скоростями реакций, происходящими в реакторе РВП-АИ. В свою очередь, скорость реакций зависит от изменения условий среды.
При выборе схемы биологической переработки сточных вод необходимо учитывать основные экологические факторы [14], тесно связанные с физико-химическими параметрами процесса. Контроль этих параметров позволяет быстро нарастить биомассу, что обеспечивает эффективное разложение органических веществ, содержащихся в стоках. При этом происходит и образование биогаза [17].
Рассмотрим влияние основных физико-химических параметров на эффективность процесса очистки в реакторе РВП.
1. Концентрация взвешенных веществ в стоках. Реакторы РВП-АИ чувствительны к содержанию взвешенных частиц (СЧ) в стоках и к химическому показателю кислорода (ХПК). Условием эффективной обработки стоков в реакторе РВП служат два критерия [13] :
СЧ 1000мг/л (1.1)
СЧ/ХПК 0,5 (1.2)
2. Температура процесса является важным фактором для экономичного выполнения процесса, так как значительно влияет на его эффективность. Нафев способен изменить константу химического равновесия, а также биологическую активность и преобладание определенных разновидностей веществ в реакторе.
При использовании мезофильного режима анаэробной обработки (20-40С) оптимальная температура - 37С. Возможно также осуществление процесса в температурном интервале 15-25С, но при этом необходимо избегать резких перепадов температуры. Если сточные воды имеют температуру порядка 50С, то их можно перерабатывать в термофильном режиме (55-60С), что более эффективно по сравнению с мезофильном режимом [14-16].
3. Колебания содержания и расхода органических веществ в стоках. Реактор РВП-АИ можно использовать для обработки стоков, в которых наблюдаются значительные колебания в расходе потока и в содержании в нём органических веществ. При высокой концентрации органических веществ рекомендуется проводить рециркуляцию выходящего потока, так как при его смешивании с входящими сточными водами происходит усреднение концентрации органических веществ. В случае же, когда наблюдаются значительные колебания расхода потока сточных вод, необходимо использование нескольких реакторов, включённых параллельно. Несмотря на то, что это ведет к увеличению затрат, они компенсируются за счет роста эффективности, стабильности и безопасности процессов во время совместной работы нескольких реакторов РВП-АИ [18]. Реакторы РВП можно также использовать для сезонной переработки стоков (при существенном увеличении расходов) поскольку они могут функционировать циклами и после нескольких месяцев простоя части реакторов можно, без особых сложностей, ввести их в эксплуатацию за несколько недель. Кроме того, достаточно быстрое наращивание производительности является несомненным преимуществом реакторов типа РВП-АИ по сравнению с аппаратами аэробной очистки.
4. Уровень рН и содержание питательных веществ. Основными эле ментами, необходимыми для питания и роста анаэробных бактерий, являются азот и фосфор. Одним из основных преимуществ анаэробной обработки является низкий уровень потребности в такого рода питательных веществах. Именно поэтому в реакторах РВП возможна обработка сточных вод с низким содержанием нутриентов, если в данных стоках соблюдаются следующие пропорции [19]: ХПК/Ы 70 (1.3) ХПК/РО50 (1.4) Некоторые микроэлементы такие, как никель, кобальт, молибден и др., также необходимы для развития бактерий, и их недостаточное содержание усложняет процесс обработки стоков. Комбинация различных видов стоков может компенсировать недостаток содержания микроэлементов в некоторых сточных водах.
Оптимальный уровень рН для анаэробной обработки составляет приблизительно 7,0. Показатели рН ниже уровня 6,2 и выше 7,6 могут быть опасными для бактерий, в особенности, для метаногеннной их разновидности.
При низком уровне рН в сточных водах (менее 6,2), как в случае с концентрированными стоками или с имеющими большую органическую нагрузку, важно нейтрализовать стоки, добавляя в них соду, известь и другие вещества. Реактор рекомендуется оснастить системой автоматического контроля за уровнем рН [20].
5. Токсичность химических компонентов осадка. Сточные воды, предназначенные для переработки, могут содержать токсичные компоненты, которые в определенных концентрациях повреждают клеточную структуру бактерий. Поэтому необходимо предварительно исследовать состав стоков на наличие возможных ингибиторов или токсичных для процесса веществ.
Некоторые сложные вещества, присутствующие в небольших концентрациях, стимулируют производство метана, тогда как их высокое содержание замедляет химический процесс. Например, аммиак, который в концентрации 50-200 мг/л в реакторе благотворно влияет на протекание анаэробного процесса. Его содержание, равное 200-1000 мг/л, не оказывает негативных влияний на процесс, в то же время, при увеличении концентрации аммиака до 1500-3000 мг/л происходит замедление процесса, и это еще заметнее проявляется в среде с высоким уровнем рН. Содержание аммиака, превышающее уровень 3000 мг/л, токсично для анаэробных бактерий [21]. В случае с сульфидами, замедление реакции проявляется, начиная с уровня концентрации этих веществ, равного приблизительно 1000 мг/л. Сульфиды вызывают токсичный эффект, если содержатся в стоках в концентрациях, превышающих 4500 мг/л [27].
Токсичными для метанового сбраживания могут оказаться катионы легких металлов (натрия, калия, магния, кальция). Однако при сравнительно низких концентрациях они оказывают даже стимулирующее действие. При совместном их присутствии в низких концентрациях наблюдается снижение их суммарного токсического действия [25].
Определение характеристик сточных вод округа Мансанарес
Чтобы иметь полное представление о количественном и качественном составе сточных вод в различные сезоны и в соответствии с программой, исследования проводились в два этапа: в сезон дождей (с 10:30 утра 30 июля 1998 года до 9:30 утра 31 июля 1998 года) и в засушливый период (с 9:00 утра 08 февраля 1999 года до 8:00 утра 09 февраля 1999 года). Забор проб производился непрерывно в течении 24 часов с периодичностью 1 проба в час.
Отбор проб осуществлялся в конечной точке коллекторной системы сточных вод, находящейся напротив насосной станции округа Мансанарес. Это место находится на улице, заканчивающейся тупиком, где расположены два входных отверстия диаметром 45 см, разделенные пролетом в 62 метра.
Для того, чтобы отобрать и усреднить определяющие пробы (отдельно для каждого периода), были подготовлены 8 литров составных проб. Для их приготовления были смешаны объемы моментальных проб, пропорционально высоте уровня воды в коллекторе в момент отбора. Пробы сохраняли при низких температурах (около 0 С) до момента приготовления составных проб.
Одновременно 500 мл каждой из моментальных проб также сохраняли при низких температурах для того, чтобы затем осуществить исследование почасового изменения показателей БПК5,2о и ХПК целостного и растворимого.
Дополнительно при каждом отборе брались моментальные пробы в часы- пик, другими словами, когда расход жидкости был максимальным.
2.2.2. Анализ стоков in situ и в лаборатории
Исходя из характеристик коллектора и с целью определения объемов сточных вод, при первом отборе проб определяли линейную скорость выходящего потока. Для этого использовали плавающий индикатор, расположенный во входном отверстии в верхнем бьефе и измеряли время его перемещения до входного отверстия в нижнем бьефе. Линейную скорость потока определяли по формуле:
где L - расстояние между входными отверстиями бьефа,м; т. - время перемещения индикатора, ч., Экспериментально определенная величина т составляла 0,6-0,8 ч. Имея данные о глубине коллектора, высоте уровня вод (показатель, полученный при помощи использования специального шеста со шкалой), ширине канала и средней скорости потока, был определен объемный расход потока в коллекторе. Расчеты производили по формуле:
Q = vxS,
где Q- объемный расход потока, м3/ч; v - линейная скорость потока, м/ч; S - площадь сечения коллектора, м2.
Практически линейную скорость потока определяли с использованием концентрированного раствора соли, который был введен во входное отверстие, расположенное в верхнем бьефе. В тот момент, когда соль достигала нижнего бьефа, резко увеличивалась проводимость стоков, достигая максимального значения. Это время соответствовало времени т, подставляемому в формулу для расчета линейной скорости потока. Для определения высоты уровня жидкости применялся зонд, который при контакте с ее поверхностью выдавал световой сигнал, и по разнице времени между подачами сигнала вычисляли высоту уровня вод в коллекторе.
Как для моментальных предварительных проб, отбираемых ежечасно, так и для моментальных проб при максимальном расходе стоков, были определены in situ следующие характеристики:
температура С;
уровень рН;
растворенный кислород, мг/л;
удельная проводимость, uS/ см;
содержание твердого осадка, мл/л.
Остальные анализы были произведены в лаборатории экспериментальной станции обработки воды Центрального Университета Венесуэлы. Анализ изменений параметров проб во времени
Взятые пробы позволили составить обзор гидравлических и физико-химических характеристик потока, которые представлены на рис. 2.1 — 2.10, где прослеживаются изменения во времени каждого из параметров при отборах проб в засушливый и дождливый период.
Рис. 2.1 отражает изменения, происходившие в структуре потока сточных вод в различные периоды отбора проб. Эти данные подтверждают присутствие временных интервалов максимального и минимального расходов потока при двух отборах проб. Зафиксированы два периода максимального расхода потока: первый в интервале между 6:00 и 10:00 часами утра и второй в промежутке между 19:00 и 21:00 часами вечера. Это изменение параметров во времени объясняется особенностями деятельности местного населения в эти часы. Для первого отбора проб, который был осуществлен в четверг и пятницу (30-31 июля 1998 года) в период дождей, средний расход потока достигал уровня 47 л/сек. При этом его максимум был зафиксирован на отметке 65 л/сек. в 6:30 утра, а минимум соответствовал уровню в 19 л/сек. для 2:30 ночи. При отборе проб №2, проведенном в засушливый период в понедельник и вторник (08-09 февраля 1999 года), максимальный расход потока был зарегистрирован в 10:00 часов утра с показателем в 92 л/сек., а минимальный уровень соответствовал промежутку между 3:00 и 4:00 часами ночи (7 л/сек.) со средним показателем расхода потока равным 35 л/сек.
При сравнении изменений параметров расхода потока во времени (рис 2.1) можно наблюдать, что характер кривых совпадает для обоих периодов отбора проб. Однако, во время дождливого периода были получены меньшие показатели расхода жидкости, что обусловлено особенностями потребления воды в это время года. Это также говорит о том, что кривая объемного расхода жидкости в округе Мансанарес соответствует стандартной кривой для засушливого и дождливого периодов, характерной для небольших жилых зон.
Оценка реакторов в период запуска (этап II)
На втором этапе исследований при запуске реактора ВГУ составило 6 часов, при этом осуществлялись контроль и оценка реакторов при скоростьи восходящего потока, равной 0,287 м/ч для реактора А и 0,192 м/ч для реактора В. Эта фаза продлилась 30 дней.
Физико-химические характеристики входящего потока для обоих реакторов были аналогичны параметрам, установленным на предыдущем этапе (об этом свидетельствуют данные на рис. 3.6. и 3.7).
Данные для уровня рН и щелочности исходящих из реакторов А и В потоков были аналогичны данным, полученным на первой фазе исследований. При этом кривые зависимости рН и щёлочности, полученные ранее, сохранили свой характер (рис. 3.6 и 3.7).
Данные рис 3.8 свидетельствуют о том, что показатели ХПК входящего потока были немного выше, чем установленные на фазе I (между 280 и 390 мг/л), при этом концентрации ХПК в исходящих потоках также увеличились: 122 - 232 мг/л для реактора А и 109-190 мг/л для реактора В. Очевидно, что реактор В работал более стабильно, чем реактор А, по отношению к изменениям органической нагрузки.
Эти данные были переведены в цифры, отражающие процент вымывания в течение всего периода оценки (рис. 3.9): 46% для реактора А и 50% для реактора В, что опять подтвердило более высокий уровень производительности реактора В.
После того, как система была оценена как стабильная в отношении показателя а, была проведена интегральная оценка системы посредством сбора проб в течение суток. Их результаты отражены в табл. 3.5.
Согласно данным табл. 3.5 были получены следующие показатели вымывания для реактора А: ХПК и БПК5,го - 49% и 48% соответственно. Что касается реактора В, эти цифры были немного выше: 52% для ХПК и 53% для БПК5,2о что отражает большую степень разложения органического вещества и в связи с этим большую эффективность реактора В, что хорошо согласуется с литературными данными [24].
Средние концентрации для ХПК и БПК5,2о, полученные при анализе исходящих потоков на этой фазе (128 мг/л ХПК и 60 мг/л БПК5.20 Для реактора А и 124 мг/л ХПК и 58 мг/л БПК5,20 для реактора В), соответствуют венесуэльским нормативам слива сточных вод, которые устанавливают уровень в 350 мг/л для ХПК и 60 мг/л для БПК5,2о Было также установлено, что для реактора А общее содержание сухих веществ достигло показателя в 444 мг/л, с концентрацией твердых суспензий равной 50 мг/л, в то время как в случае с реактором В уровень содержания сухих веществ равнялся 425 мг/л, а концентрация твердых суспензий достигла показателя в 67 мг/л (табл. 3.5). Можно четко проследить, что содержание сухих веществ в каждом из исходящих потоков уступает аналогичному показателю входящего потока. Одновременно вымывание твердых суспензий равнялось 66% в случае с реактором А, и 54% для реактора В, что свидетельствует о том, что не происходило выноса ила на этой фазе.
В табл. 3.6 представлены данные, свидетельствующие о том, что концентрация ЛЖК значительно упала по сравнению с предыдущей фазой и достигла значений, аналогичных показателям по илу, подготовленному для ввода в систему, указывая на развитие метаногенерирующих бактерий в течение данного периода.
Что касается количества сухих веществ, присутствующих в иле, то также наблюдается рост общего содержания сухих веществ, по сравнению с предыдущей фазой. При этом было зафиксировано увеличение биомассы в иле реактора В.
Результаты экспериментальной оценки пилотной модели реактора РВП - АИ, функционирующей на Экспериментальной Станции Обработки Воды (РЕТА), а также определение характеристик сточных вод округа Мансанарес подтверждают возможность применения данной технологии для первичной обработки стоков и обеспечения соответствия исходящего потока установленным нормативам. После проведения этих предварительных исследований были определены основные размеры промышленного (натурного) реактора типа РВП - АИ.
