Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Современные процессы и аппараты анаэробной биохимической очистки сточных вод 10
1.1 Анализ процессов биохимической очистки промстоков в анаэробных условиях 10
1.2 Кинетика и механизм реакций анаэробного распада 12
1.3 Факторы, влияющие на анаэробный процесс 19
1.3.1 Потребность анаэробных микроорганизмов в питательных компонентах 19
1.3.2 Токсичность и ингибирование анаэробного процесса 22
1.3.3 Влияние температуры на анаэробный процесс 26
1.4 Образование биогаза, выход и использование биогаза 27
1.5 Тенденции в совершенствовании конструкций аппаратов анаэробной биохимической очистки производственных сточных вод 29
1.5.1 Классификация аппаратов анаэробной биохимической очистки 29
1.5.2 Сравнительный анализ аппаратов анаэробной биохимической очистки 31
Выводы 40
Глава 2 Основы повышения эффективности и надежности процессов и аппаратов анаэробной биохимической очистки сточных вод 42
2.1 Очистка стоков в слое гранулированного анаэробного ила 42
2.2 Двухступенчатая анаэробная биохимическая очистка - реальный путь повышения эффективности анаэробных процессов 43
2.3 Колонные аппараты. Теоретические основы создания аппаратов с псевдоожиженным слоем загрузки 45
2.4 Практика применения аппаратов "Биосорб" в процессах очистки производственных сточных вод 52
Глава 3 Лабораторные исследования очистки производственных сточных вод в аппаратах с псевдоожиженным слоем загрузки 58
3.1 Характеристика сточных вод фабрики по производству макаронных изделий 58
3.2 Описание лабораторной установки 60
Выводы 68
Глава 4 Математическая обработка результатов экспериментальных исследований 70
4.1 Характеристика результатов экспериментальных исследований 72
4.2 Математическая обработка результатов исследований. Аппроксимация экспериментальных данных Анализ однородности дисперсий. Графо-аналитические зависимости 81
Выводы 91
Глава 5 Опытно- промышленная установка очистки промстоков фабрики по производству макаронных изделий ОАО "Вермани" 92
5.1 Принципиальная схема опытно- промышленной установки 94
5.2 Средства контроля и управления процессом очистки промстоков 97
5.3 Пуск в эксплуатацию опытно-промышленной установки очистки промстоков
ОАО "Вермани" ПО
5.4 Основные технико-экономические показатели опытно-промышленной установки 115
5.5 Сравнительная оценка вариантов очистки промстоков 120
Выводы 123
Заключение 125
Приложение 1 128
Приложение 2 131
Литература
- Кинетика и механизм реакций анаэробного распада
- Двухступенчатая анаэробная биохимическая очистка - реальный путь повышения эффективности анаэробных процессов
- Практика применения аппаратов "Биосорб" в процессах очистки производственных сточных вод
- Математическая обработка результатов исследований. Аппроксимация экспериментальных данных Анализ однородности дисперсий. Графо-аналитические зависимости
Введение к работе
Успешное решение проблемы рационального использования и
охраны природных ресурсов, перехода экономики к экологически
безопасному развитию в значительной степени определяется
технологической и экономической эффективностью
производственных процессов, масштабами использования малоотходных и безотходных технологических циклов, оборотных и замкнутых систем водопользования. В тех случаях, когда образование промстоков, представляющих опасность для поверхностных и подземных вод, является неизбежным фактом, важно использовать для их обезвреживания наиболее эффективные методы и средства, исключающие загрязнение окружающей среды и обеспечивающие утилизацию очищенной воды, образующихся осадков и биогазов. По данным Министерства природных ресурсов Российской Федерации, Министерства здравоохранения Российской Федерации, Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды предприятия пищевой промышленности являются крупными источниками загрязнения водных ресурсов. В соответствии с нормативными требованиями при выпуске производственных сточных вод в городскую систему канализации концентрация органических загрязнений по ХПК не должна превышать 315 мг/л. Фактические значения уровней загрязнений на выпусках предприятий пищевой промышленности составляют: молочные и сыроваренные заводы - 2500ч-8000 мг/л; мясокомбинаты - 4000-4-8000 мг/л; производство консервов - 1500^-5000 мг/л; пивоваренные заводы -3000ч-18000 мг/л; производство хлебобулочных изделий - 1500^-6000 мг/л; производство макаронных изделий - 1500-^8000 мг/л.
Применение локальной биологической очистки промстоков в
анаэробных и аэробных условиях при последовательной работе
биохимических реакторов может обеспечить глубокую очистку
стоков и их использование на технические нужды предприятий,
утилизацию биологически минерализованных осадков при
благоустройстве и озеленении городских территорий, утилизацию
биогаза в энергетических установках. Автором проведена
приближенная оценка объемов указанных выше целевых продуктов
при средней производительности предприятий пищевой
промышленности, в том числе: молочные и сыроваренные заводы -
объем очищенной воды - 250 м /сутки; объем биогаза - 250-:-800
м /сутки (эквивалентное количество теплоты - 1,314-4,19 Гкал/сутки);
минерализованный осадок - 0,24-0,8 м /сутки; мясокомбинаты
(показатели приведены в принятой выше последовательности) -
200 м /сутки, 3204-640 м /сутки (1,64-3,3 Гкал/сутки),
0,324-0,64 м3/сутки; производство консервов - 180 м3/сутки,
1084-360 м3/сутки (0,56ч-1,87 Гкал/сутки), ОДч-0,36 м3/сутки; пивоваренные заводы - 250 м /сутки, 300+1800 м /сутки (1,56ч-9,3 Гкал/сутки), 0,34-1,8 м /сутки; производство хлебобулочных изделий - 80 м3/сутки, 484-192 м3/сутки (0,244-0,99 Гкал/сутки), 0,044-0,2 м3/сутки; макаронных изделий - 220 м3/сутки, 484-200 м3/сутки (0,244-0,99 Гкал/сутки), 0,044-0,25 м3/сутки.
Утилизация очищенной сточной воды, биогаза и шлама обеспечивает значительный экономический эффект, как показано в работе, частично компенсируя эксплуатационные затраты локальных очистных сооружений.
За последние годы в нашей стране и за рубежом получают развитие новые, высокоэффективные способы биохимической
очистки сточных вод в анаэробных и аэробных условиях в аппаратах
с псевдоожиженным слоем загрузки. Широкое применение этих
аппаратов в практике сдерживается недостаточным научным
обеспечением проектирования, унификации и серийного
производства.
Диссертационная работа автора направлена на дальнейшее совершенствование конструкций аппаратов и обеспечение их внедрения в производство очистки сточных вод предприятий пищевой промышленности. Основной объем экспериментальных работ проведен на фабрике по производству макаронных изделий (АО "Вермани", г. Нижний Новгород). Научно-исследовательские работы выполнялись по планам НИР и ОКР федеральной целевой программы "Оздоровление экологической обстановки на реке Волге и ее притоках, восстановление и предотвращение деградации природных комплексов Волжского бассейна" ("Возрождение Волги") и международному проекту "Волга-Рейн" - подпрограмма "Биосорб" (Российская Федерация - Федеративная Республика Германия). С германской стороны в выполнении подпроекта "Биосорб" принимал участие Ганноверский университет (Institut fur Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik der Universitat Hannover).
Целью диссертационной работы является повышение эффективности процессов биохимической очистки производственных сточных вод предприятий пищевой промышленности. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
проведен анализ результатов научно-исследовательских работ, а также данных промышленных испытаний аппаратов и сооружений, предназначенных для биохимической очистки концентрированных и слабоконцентрированных сточных вод в
анаэробных услрвиях;
определены современные тенденции повышения эффективности биохимической очистки сточных вод на локальных сооружениях предприятий пищевой промышленности с оценкой их основных показателей;
проведена сравнительная оценка конструкций аппаратов с псевдоожиженным слоем загрузки, в результате которой определены наиболее перспективные конструкции для систем локальной очистки промстоков в анаэробных условиях;
исследован в многофакторном эксперименте стадийный процесс анаэробной очистки сточных вод;
определены оптимальные конструктивные и технологические
параметры аппаратов анаэробной очистки промстоков фабрики по
производству макаронных изделий "Вермани", в том числе диаметр и
высота аппаратов, рециркуляционный расход воды, высота
псевдоожиженного слоя загрузки, концентрация и зольность
активного ила, окислительная мощность аппаратов, показатели
очищенной воды, количество образующегося биогаза;
разработаны технические решения для проектирования установки локальной очистки производственных сточных вод;
на основе результатов исследований разработана и внедрена в практику на фабрике "Вермани" автоматизированная промышленная установка производительностью 156 м3/сутки;
Научная новизна работы:
предложена математическая модель процесса анаэробной
очистки стоков, описывающая влияние существенных факторов на
качество очищенной воды и рекомендуемая к использованию при
проектировании и эксплуатации установок;
установлена целесообразность разделения технологического процесса анаэробной очистки на две стадии: стадии кислого брожения и щелочного, метанового брожения, что позволяет значительно увеличить нагрузку на ил, не нарушая стабильности работы реакторов;
в процессе экспериментальных исследований установлено, что при изменении физико-химического состава исходной сточной воды устойчивое формирование и сохранение гранул анаэробного ила обеспечивается при использовании в качестве загрузки гранулированного активированного угля (например, марки АГ-3); использование загрузки из других инертных материалов, не обладающих высокими сорбционными свойствами поверхности, не обеспечивает стабильности системы "загрузка - гранулированный ил" при изменении состава и расходов стоков:
на основании выполненных исследований определены нормы технологического режима эксплуатации установок анаэробной очистки промстоков.
Практическая значимость работы состоит в разработке рекомендаций по проектированию и эксплуатации установок анаэробной биохимической очистки производственных сточных вод. Выполнен проект и осуществлено строительство автоматизированной опытно-промышленной установки биохимической очистки промстоков фабрики по производству макаронных изделий с использованием новейшей компьютерной контрольно-измерительной техники и технологического оборудования. Использование полученных научных и производственных результатов создает возможность широкого внедрения в практику технологий,
исключающих загрязнение водных ресурсов и обеспечивающих их рациональное использование.
Апробация работы. Доклады по результатам работы были
представлены на Международном научно-промышленном форуме
"Великие реки' 99"/ICEF (25-28 мая 1999г., г. Нижний Новгород),
Международном научно-промышленном форуме "Великие реки'
2000'VICEF (16-19 мая 2000 г., г. Нижний Новгород), Научно-
технической конференции профессорско-преподавательского
состава, аспирантов и студентов ННГАСУ "Строительный комплекс-
97", г.Нижний Новгород 1997г., Научно-технической конференции
профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов
ННГАСУ "Строительный комплекс-98", г.Нижний Новгород 1998г.,
Международном семинаре - совещании экспертов Германии и России
по результатам выполнения проекта "Волга-Рейн" (24-30 июня 2000г.
Кельн, Германия).
Результаты исследований докладывались на научно-техническом совете АО "Вермани" с представлением проекта производственной установки для очистки сточных вод фабрики.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 статей.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка литературы из 102 наименований, в том числе 64 зарубежных работ. Работа изложена на 145 страницах машинописного текста, содержит 41 рисунков, 17 таблиц, 2 приложения.
Кинетика и механизм реакций анаэробного распада
В кинетике биохимических процессов применяются два варианта моделирования процессов очистки сточных вод - на основании математического описания классических представлений ферментативной кинетики и математическое описание эмпирическими зависимостями экспериментальных данных [5]. При математическом описании кинетики различных анаэробных процессов, как процессов с участием бактериальных клеток, с успехом применяют основные уравнения ферментативной кинетики [3-Ю, 76]. При описании динамики роста микроорганизмов X и потребления субстрата S выделяют отдельные стадии : лаг-фазу, переходную фазу, фазу ускоренного роста, фазу замедленного роста, стационарную фазу и фазу отмирания [9,10].
Согласно постулату, сделанному Моно в 1942 году, математическая закономерность развития сложной популяции ила аналогична закономерности развития чистой культуры бактерий, принципы ферментативной кинетики приложимы к сложной системе «загрязнения сточных вод - активный ил» [5]. Модель Моно имеет вид: dX_MmXS dt Ks +S dS= 1 jumXS dt YKS+S где Х- концентрация микроорганизмов; S- концентрация субстрата; Ks- константа полунасыщения; jum- максимальная удельная скорость роста культуры; Г-коэффициент превращения субстрата в биомассу. Модель Моно является наиболее распространенной для описания динамики роста микробиологических культур, константы ее часто определяются графически по методу двойных обратных координат Лайнуивера - Бэрка [10].
Однако модель Моно является упрощенным подходом к системе «загрязнения сточных вод - активный ил», она не учитывает сложные взаимосвязи, которые существуют в смешанных микробных культурах, к которым относится анаэробное сообщество микроорганизмов. В ряде последующих работ модель Моно получила дальнейшее развитие. В табл. 1.1 приведены некоторые типы моделей, применяемых для расчета скоростей окисления в системе «загрязнения сточных вод -активный ил» [9, 10].
Наряду с использованием моделей, основанных на принципах ферментативной кинетики, для оценки процессов со сточными водами по-прежнему широко применяется «эмпирическая» кинетика. В этом случае кинетические уравнения отражают влияние лишь некоторых параметров системы по результатам эксперимента [5]. Было установлено [4], что для метаногенных бактерий, использующих уксусную кислоту в качестве субстрата, которые, как правило, определяют окислительную мощность анаэробных сооружений, кинетика реакций распада уксусной кислоты хорошо описывается уравнением Моно, при низких концентрациях распад происходит по реакции первого порядка, при высоких - нулевого. Однако отмечается, что это уравнение применимо лишь к чистым культурам, на практике необходимо учитывать комплексное влияние параметров сточной воды и конкретного анаэробного аппарата. С помощью чистых культур можно определить граничные условия протекания анаэробного процесса.
Учитывая то, что в анаэробном одноступенчатом реакторе количество кислотообразующих и метаногенных бактерий находится в соотношении 7:1 и принимая во внимание, что весь активный ил является активным, максимальная нагрузка на ил имеет значение r)B0Ts =1,4 кг ХПК/кг акт. ила-сут [4]. На практике значение максимальной нагрузки на ил бывает меньше, так как не весь анаэробный ил является активным. Перегрузка реактора по субстрату ведет к торможению анаэробного процесса. Нужно также отметить, что максимальная объемная нагрузка зависит от концентрации ила в реакторе, то есть зависит от технических средств для удержания в нем биомассы [3].
Для двухступенчатых систем с разделенными процессами кислого и метанового брожения в метановом реакторе соотношение количества кислотообразующих и метаногенных бактерий будет существенно отличаться от соотношения 7:1. Количество метаногенных бактерий будет значительно выше, чем для одноступенчатого процесса. Исходя из этого, для двухступенчатого процесса может быть получена значительно большая нагрузка на ил (rBoTS), не нарушающая стабильности работы анаэробного реактора. Так, например, в работе [11] указано, что для двухступенчатой системы с применением аппаратов кипящего слоя была достигнута нагрузка на ил TB0TS 2 кг ХПК/кг акт. ила-сут., при этом сохранялась стабильность работы метанового реактора.
Распад органических соединений до СН4 и СОг сообществом анаэробных бактерий представляет из себя сложный многоступенчатый процесс, в котором принимают участие различные группы микроорганизмов. Симбиотическое сообщество анаэробных бактерий может менять используемые им пути ферментации [3], благодаря чему функционирует как саморегулирующаяся система, поддерживающая значение рН, окислительно-восстановительный потенциал и термодинамическое равновесие оптимальным для роста образом, что обеспечивает стабильность работы анаэробного аппарата. В последнее десятилетие значительно выросли знания о микробиологических процессах, протекающих при анаэробной очистке сточных вод. Это стало существенной предпосылкой для успешного практического применения анаэробного способа биохимической очистки для обезвреживания различных промышленных сточных вод. Согласно современным представлениям, процесс анаэробного распада протекает в четыре стадии [4, 25], представленные на рис. 1.1. Субстраты, содержащие серу и азот, могут вызывать рост еще двух дополнительных групп бактерий: сульфатредуцирующих и денитрификаторов. Процесс анаэробного распада сложных органических соединений подробно описан в ряде работ [3, 4, 6, 12-14]. На стадии гидролиза высокомолекулярные растворимые и нерастворимые соединения с помощью гидролитических ферментов расщепляются и превращаются в растворимые полимеры (моносахариды, аминокислоты, высшие жирные кислоты).
На ацидогенной стадии, в основном, факультативные анаэробы используют продукты гидролиза в качестве субстрата, при этом в водной фазе в качестве продуктов распада образуются низшие жирные кислоты (муравьиная, уксусная, пропионовая, масляная, молочная кислота), а в газовой фазе - С02 и Н2. Ацидогенная стадия характеризуется тем, что ХПК сточной воды меняется незначительно, значение рН снижается вследствие кислотообразования, сточная вода приобретает неприятный запах. Метаногенные бактерии способны использовать в качестве субстрата ограниченное число соединений: муравьиную кислоту, уксусную кислоту, метанол, С02 и Н2.
Двухступенчатая анаэробная биохимическая очистка - реальный путь повышения эффективности анаэробных процессов
Согласно литературным данным мнения ученых о преимуществах и недостатках двухступенчатого анаэробного процесса очистки сточных вод разделились [4, 51, 52]. Большинство авторов, основываясь на результатах лабораторных экспериментов и промышленной эксплуатации анаэробных сооружений, отмечают, что двухступенчатая анаэробная очистка с полным или частичным разделением кислой и метановой стадий брожения является путем повышения эффективности и стабильности работы сооружений анаэробной очистки стоков [4, 43, 44, 53, 54]. Так как метаногенные и ацетогенные бактерии могут потреблять только низшие органические кислоты (муравьиная, уксусная), метанол, С02, и Н2 в качестве субстрата, то гидролиз субстрата и ацидогенная стадия являются предпосылкой для успешного протекания процесса анаэробной очистки. Поэтому, исходя из фундаментальных принципов биохимии, процесс логично разделить на две стадии с фазой гидролиза и ацидогенной фазой на первой ступени и ацетогенной и метаногенной фазой на второй ступени. Важным преимуществом двухступенчатой анаэробной очистки является стабильная работа сооружений при изменениях физико-химического состава исходной сточной воды, отмечается быстрый ввод в действие таких сооружений, особенно в тех случаях, когда реактор кислого брожения является одновременно усреднителем. Усреднитель - реактор кислого брожения важен для обеспечения непрерывной подачи воды на метановую ступень, если сточная вода не поступает непрерывно в течение суток. Например, приводятся доказательства, что для UASB- реактора достаточно предварительное кислое брожение на 20-40 % (от 20 до 40 % фильтрованного ХПК находится в форме органических кислот), чтобы обеспечить устойчивость гранулированного анаэробного ила [53]. В зависимости от состава сточной воды авторы предлагают время пребывания в аппарате кислого брожения от 6 до 24 часов. Другие авторы считают, что двухступенчатая анаэробная очистка необходима для углеводсодержащих стоков и не имеет смысла при очистке стоков, содержащих белковые вещества, так как фаза гидролиза и ацидогенная фаза в этом случае имеют тот же оптимум рН, что и последующие ацетогенная и .метаногенная фазы [13]. Одним из недостатков процесса анаэробной очистки стоков являлся сложный ввод в действие анаэробных сооружений, сегодня этот процесс значительно ускоряется при добавлении подходящего "стартового" ила к системе [4, 56].
В последние годы предпочтение отдается колонным аппаратам. Придавая этой конструкции приоритетное значение, в Европе проведено несколько симпозиумов, на которых определены основные направления в разработке и применении колонных аппаратов [57]. В таких аппаратах можно создать повышенное давление, обеспечивающее рециркуляцию без существенных затрат на электроэнергию, сократить площадь, занимаемую сооружениями. Важными элементами конструкции аппаратов являются высота и диаметр установки. Они влияют на технологический процесс очистки стоков и определяют затраты на электроэнергию, расход металла, затраты на изготовление, монтаж и транспортировку оборудования. Отношение высота - диаметр аппаратов в практике используется в интервале 3:1 - 5:1, а степень рециркуляции воды в пределах 4-8 [58, 59]. В мировой практике имеет место широкий диапазон размеров аппаратов (табл. 2.1) [60]. Отмечается, что отсутствие стандартов в подходе к конструированию препятствует широкому применению аппаратов такого типа [44].
Отношение высоты колонны к ее диаметру - существенный конструктивный параметр аппарата. Необходимый объем реактора определяют по окислительной мощности единицы объема аппарата, а диаметр - по скорости подъема воды. Существует мнение, что расход рециркулируемои воды приводит к увеличению экономических затрат на обслуживание установки, поэтому необходимо стремиться к высоким аппаратам с минимальным расходом рециркуляционной воды [58].
С увеличением степени рециркуляции снижается необходимая высота колонны и увеличивается ее диаметр. Это изменяет эксплуатационные затраты, прежде всего, расход электроэнергии на рециркуляцию воды. Можно обеспечить псевдоожижение загрузки только за счет сточной воды, в этом случае колонна будет иметь максимальную высоту.
Практика применения аппаратов "Биосорб" в процессах очистки производственных сточных вод
Аппарат с псевдоожиженным слоем загрузки "Биосорб", разработанный в ННГАСУ (рис. 2.4), работает следующим образом. Исходная сточная вода вместе с рециркулируемым потоком направляется в нижнюю часть внутренней камеры, ограниченной цилиндрической стенкой 5, в распределительную систему аппарата. Двигаясь снизу вверх, очищаемая вода последовательно проходит зону псевдоожиженного активированного угля 6, заселенного биомассой, и зону гранулированного анаэробного ила 7, в которых происходит очистка сточной воды. Далее поток воды попадает в верхнюю часть аппарата, в которой благодаря наличию вертикального и тонкослойного отстойника 8, происходит возврат крупных частиц анаэробного ила во внутреннюю камеру реактора. Большая часть осветленного потока собирается на рециркуляцию кольцевым трубопроводом 9, расположенным в верхней части колонны, часть потока, равная расходу исходной очищаемой воды, движется сверху вниз через периферийный фильтр с многослойной загрузкой 10, в котором происходит финишная доочистка воды. При необходимости фильтр промывают обратным током воды. Рис. 2.4. Принципиальная схема аппарата "Биосорб" 1- подача исходной сточной воды на очистку; 2- усреднитель- аппарат кислого брожения; 3- насос для перемешивания и подачи сточных вод на очистку; 4- корпус аппарата; 5- разделительная цилиндрическая стенка; 6- псевдоожиженный слой загрузки; 7- псевдоожиженный слой гранулированного ила; 8- полочный отстойник; 9- водосборный трубопровод; 10- биофильтр; 11- рециркуляционный насос; 12- вывод избыточного ила; 13- очищенная вода; 14- выход биогаза В ННГАСУ разработаны аппараты "Биосорб" диаметром 1,5; 2,2; 3; 3,4 метра и высотой 6; 12; 20 метров с производительностью от 2 до 60 м /сутки. До настоящего времени было построено 5 промышленных сооружений очистки стоков двух молочных заводов, красильного производства, окрасочных камер, коммунальных стоков [21, 54, 61, 62]. Результаты эксплуатации сооружений последних 5 лет представлены в табл. 2.2.
Эксплуатация аппаратов показала их высокую надежность и техническую эффективность. Нагрузка по ХГЖ в производственных условиях колеблется в пределах 3-35 кг ХПК/м -сут. Эффективность очистки промстоков при использовании одноступенчатой схемы очистки в анаэробных реакторах составляет 87-93%, при использовании двухступенчатой анаэробно-аэробной очистки эффект достигает 98% (очистка коммунальных стоков). Концентрация органических загрязнений в производственных сточных водах колеблется в пределах 800-35 000 мг/л. Необходимо отметить, что на всех перечисленных выше объектах применение биохимической очистки промстоков в аппаратах "Биосорб" позволило кардинально решить проблему экологически безопасной эксплуатации производственных объектов и объектов социальной сферы. В процессе эксплуатации очистных сооружений подтверждены расчетные технологические параметры реакторов. Необходимо высказать замечания в адрес предприятий, являющихся собственниками очистных сооружений, что образующийся в реакторах в больших объемах биогаз не утилизируется как энергоноситель, а сбрасывается в атмосферу или подается на свечу. Назначение установки Высота аппарата,м Диаметраппарата,м Объемаппарата,м3 Нагрузка поХПК, (кгХПК/ мЗ-сут.) Эффект очистки сточныхвод поХПК,% Анаэробная очистка производственных сточных вод окрасочных камер НПО "Салют", г. Нижний Новгород 6 1,5 10,6(двареактора) 8,1-9,6 90 Анаэробно-аэробная очистка производственных сточных вод красильного производства, АО "Искож", г. Нефтекамск, (Башкортостан) 20 3 141,3(восемьреакторов) 35 87 Анаэробная очистка производственных сточных вод молокозавода, пос. Урмары, (Чувашская республика) 12 1,5 21(одинреактор) 5,7-11,5 93 Анаэробно-аэробная очистка коммунальныхстоков, (Узбекистан) 6 1,5 10,6(двареактора) 3 98 Администрации предприятий объясняют этот факт достаточной обеспеченностью природным газом, не используется на технические нужды очищенная вода, не утилизируется минерализованный и обезвоженный осадок, представляющий ценность как удобрение. По-видимому, в регионах дислокации предприятий не создана правовая и экономическая мотивация для обеспечения рационального использования природных ресурсов и охраны окружающей среды.
1. Основные тенденции научно-технического прогресса в области биохимической очистки производственных сточных вод связаны с созданием аппаратов, реализующих анаэробный биохимический процесс, с обеспечением высоких коэффициентов массопередачи в реакторах, высоких концентраций анаэробного ила в активной зоне, высоких нагрузок по ХПК на единицу объема сооружений. Современные аппараты анаэробной очистки стоков, как правило, конструктивно объединяют несколько технологических операций, отличаются компактностью и высокой надежностью и эффективностью работы.
2. Лабораторные и промышленные испытания аппарата анаэробной биохимической очистки промстоков "Биосорб", созданного в ННГАСУ, показали, что по основным технологическим и экономическим показателям он является конкурентноспособным при сравнении с лучшими образцами зарубежной анаэробной техники. Для обеспечения широкого внедрения в практику аппаратов "Биосорб" необходимо проведение научно-исследовательских работ для оценки его технологических возможностей при очистке промстоков предприятий пищевой промышленности.
3. В процессе проведения научно- исследовательских работ установлено, что при повышенных концентрациях органических загрязнений в промстоках целесообразно процесс анаэробной биохимической очистки разделить на две стадии: стадию кислого брожения и стадию щелочного, или метанового, брожения. Первая стадия очистки может осуществляться в усреднителях, вторая стадия - в аппаратах "Биосорб".
4.Применение колонных конструкций аппаратов анаэробной биохимической очистки промстоков позволяет значительно сокращать площади для строительства локальных очистных установок и энергетические затраты на циркуляцию воды в аппаратах, создавать оптимальные условия для использования материалов загрузки кипящего слоя с низким удельным весом и высокой пористостью, обеспечивать высокую концентрацию анаэробного ила путем его гранулирования.
5. Производственные испытания аппаратов "Биосорб" в процессах очистки промстоков различных промышленных предприятий и объектов социальной сферы показали, что конечные продукты очистки стоков - очищенная сточная вода, биогаз, минерализованный осадок по качественным параметрам могут утилизироваться соответственно в системах технического водоснабжения, в тепловых энергетических установках, при благоустройстве территорий. Для решения вопросов утилизации необходимы правовой и экономический механизмы, создание которых обусловлено практикой.
Математическая обработка результатов исследований. Аппроксимация экспериментальных данных Анализ однородности дисперсий. Графо-аналитические зависимости
С целью установления закономерностей по многоступенчатому и многофакторному процессу очистки сточной воды обработаны результаты эксперимента для всех вариантов оценки процесса. В качестве универсального показателя в сравнительной оценке работы установки принята скорость реакции биологического окисления органических соединений - окислительная мощность единицы объема реактора (ОМ). При этом, в этот показатель включены все необходимые объемы сооружений для реализации биологического процесса. Например, объем приемного резервуара усреднителя-накопителя, промежуточные емкости, объемы отстойников.
В оценке окислительной мощности решено использовать все семь зафиксированных анализом воды факторов. При этом вид частного уравнения принят одинаковым для всех - уравнение Моно. Для уровня значимости р=0.05 и числа степеней свободы //=1; /2=6$ находим значение -Ткригаческое О-!?- Для всех показателей дисперсии по критерию Кохрена являются значимыми. Оценка процесса биологической очистки выполнена по трем вариантам состояния очищаемой воды: первый вариант - от качества исходной сточной воды (первый «створ») до качества очищенной воды на выходе из колонного аппарата (третий «створ»); второй вариант - от качества воды на входе в фильтр (третий «створ») до качества очищенной воды на выходе из фильтра (четвертый «створ»); третий вариант, от качества исходной сточной воды (первый «створ») до качества полностью очищенной воды после фильтра (четвертый «створ»).
Результаты расчетов уравнения окислительной мощности при оценке по первому варианту (колонный аппарат) - коэффициентов, СКО, критерия Кохрена - сведены в таблицу 4.1. На рис. 4.8-4.10 представлена графическая зависимость окислительной мощности аппарата от рассматриваемых показателей.
Для оценки установки по второму варианту общей зависимости коэффициент V=1.9-10"n. При этом СКО равно 850.5, критерий Кохрена - 0.143, число опытов N=48. Для общей зависимости окислительной мощности, в объеме оценки установки по третьему варианту анализа воды (таблица 4.3) коэффициент V=9.5 10"13. При этом СКО равно 557, критерий Кохрена - 0.152, число опытов N=11. Графические зависимости окислительной мощности установки от рассматриваемых показателей представлены нарис. 4.14-4.16.
. Зависимость окислительной мощности установки от концентрации аммонийного азота в исходной воде Оценка .предложенной технологической схемы очистки рассматриваемых промышленных сточных вод анаэробным способом показала ее высокую эффективность. Полученные математические модели многофакторного процесса рекомендуется применять при проектировании установок и их эксплуатации в процессе оперативного управления процессом очистки.
1. За последние годы учеными Германии, Нидерландов, США и России создано несколько высокоэффективных конструкций аппаратов анаэробной биохимической очистки производственных сточных вод. Широкое внедрение аппаратов в практику сдерживается, прежде всего, отсутствием математических моделей, адекватно описывающих процессы, происходящие в аппаратах и методы их расчета.
2. Универсальным критерием оценки эффективности биохимической очистки промстоков в рассматриваемых аппаратах является окислительная мощность единицы объема реактора (ОМ). Используя этот критерий, автором проведена статистическая оценка результатов экспериментов за пять месяцев непрерывной работы установки, используя многопараметрическую математическую модель. При оценке ОМ использовались семь факторов. При этом вид базового уравнения принят одинаковым для всех - уравнение Моно. Статистический анализ однородности дисперсий проводился на основе критерия Кохрена.
