Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и выбор направления исследований 11
глава 2. Объекты, материалы и методы экспериментальных исследований по разработке методологических и системотехнических основ проектирования аэранионных бассейнов 36
2.1 Экспериментальные установки 42
2.2 Моделирование процессов функционирования аэротенков активным илом 48
2.2.1 Модель Моно 50
2.2.2 Модель Герберта 55
2.3 Выводы 58
Глава 3. Разработка методов расчета процессов очисткисточных вод с применением разнотипных аэротенковсмесителей 59
3.1 Расчёт аэротенка - смесителя 59
3.2 Исследование балансов веществ 60
3.2.1 Баланс микроорганизмов активного ила на границах вторичного отстойника 60
3.2.2. Баланс микроорганизмов активного ила на границе смесителя перед аэротенком 60
3.2.3Баланс субстрата на границе смесителя перед аэротенком 61
3.2.4 Баланс микробной массы на границах ферментера 62
3.2.5 Баланс субстрата на границах ферментера 65
3.2.6 Расчет станций очистки 79
3.3 Расчёт многосекционного аэротенка смесителя 87
3.3.1 Исследование балансов веществ 90
3.3.2 Расчет станций очистки 92
3.3.3 Выводы 95
Глава 4. Разработка научных, методологических и системотехнических принципов повышения эффективности функционирования гетерогенного аэротенка 95
4.1 Использование модели диффузионного поршня 95
4.2 Исследование балансов веществ 104
4.3 Расчет станций очистки
4.4 Выводы 124
Глава 5. Разработка научных, методологических и системотехнических принципов повышения эффективности функционирования аэротенка с дифференцированными потоками 125
5.1 Особенности моделирования аэротенков с дифференцированными потоками 125
5.2 Исследование балансов веществ 126
5.3 Расчет станций очистки 128
5.4 Выводы 131
Глава 6. Мониторинг аэробной биологической очистки с использованием математического моделирования по содержанию органических загрязнений сточных вод .131
6.1 Разработка мониторинга очистки с использованием модели Стритера -Фелпса 133
6.2 Разработка мониторинга очистки с использованием модели Томаса, Янга 135
6.3 Разработка мониторинга очистки с использованием модели Лэнгмюра 137
6.4 Выводы 139
Глава 7. Организация процесса аэробной биологической очистки путем регулирования амплитудно-частотных характеристик параметров сточных вод 140
7.1 Математическое описание колебательных процессов на входе и выходе из очистных сооружений 142
7.2 Вероятностно-статистические параметры колебаний нагрузок на входе в очистные сооружения 145
7.3 Энергетические спектры колебаний нагрузок на выходе из очистных сооружений 146
7.4 Графический метод определения необходимого времени пребывания для буферизации изменчивости воды на входе 148
7.5 Технико-экономические показатели очистных сооружений 149
7.6 Выводы 152
Выводы 153
Литература 155
Приложения
- Состояние вопроса и выбор направления исследований
- Моделирование процессов функционирования аэротенков активным илом
- Баланс микроорганизмов активного ила на границах вторичного отстойника
- Исследование балансов веществ
Введение к работе
Актуальность проблемы. Проектирование и строительство сооружений очистки сточных вод как производственный процесс требует высоких капиталовложений, и в глобальном масштабе такие сооружения входят в десятку самых дорогих объектов строительства. В системах очистки решающим фактором является эффективное функционирование и совершенствование производственного процесса обезвреживания сточных вод, доведения их качественного состава до требований сброса в рыбохозяйственные водоемы. От степени очистки сточных вод зависит качество жизни сегодня, а также будущих поколений.
Основной задачей аэротенков является окисление органических веществ; для их нормального функционирования, необходимо соблюдение целого комплекса мер по качеству поступающей воды: температура, рН, щелочность и т. д., которые должны учитываться при проектировании резервуаров, расположение аэрационных систем в них, а также при автоматизации работы и контроля за действием системы в целом.
При проектировании очистных сооружений с учетом существующих реальных колебаний концентраций загрязнений в сточных водах и неравномерности их объемов, поступающих на очистные сооружения, необходимо развитие теоретических основ и практических предложений по организационно-технологической надежности производственного процесса на станциях очистки сточных вод. Для получения заданной степени очистки требуется разработка механизма, учитывающего оптимальное согласование режимов работы всех элементов технологической схемы. Проведённые в настоящее время научные исследования в основном ограничиваются поиском путей совершенствования конструкторско-технологических параметров основных элементов системы очистки.
Цель и задачи исследований
Целью настоящей работы является организация проектирования очистных сооружений с учётом научных, методологических и системотехнологических основ процессов аэробной очистки сточных вод.
Для достижения заданной цели определены следующие задачи исследования:
-для оптимизации проектирования провести анализ организационных, технологических и технических решений функционирования аэротенков при различных нагрузках по органическим загрязнениям сточной воды;
-разработать для проектирования рациональную организационно-технологическую схему по оптимальному согласованию и управлению режимами работы отдельных структурных элементов в общей технологической схеме системы очистки сточных вод;
-разработать методологию проектирования по прогнозированию процессов регулирования гидравлических потоков сточных вод с помощью изучения аэрации водно-иловых смесей в аэрационных сооружениях и изучение механизмов переноса и потребления растворённого кислорода в системах очистки сточных вод с активным илом;
-исследовать возможность совершенствования проектирования сооружений, входящих в технологическую схему станций аэробной обработки сточных вод с использованием возвратного активного ила для повышения качества очистки и снижения его выхода из процесса обработки сточных вод;
-организация анализа и синтеза организационно- технических решений при прогнозировании режимов гидравлических потоков во вторичных отстойниках, разработка математических моделей процессов отстаивания водно-иловых смесей в системах очистки сточных вод;
-организация разработки методов и средств проектирования очистных сооружений с использованием управляющих воздействий на процессы осаждения биомассы активного ила в отстойниках при различных условиях их функционирования;
-организация и мониторинг аэробной очистки сточных вод с помощью математического моделирования по величине содержания органических загрязнений в них с учетом величины биохимического потребления кислорода (БПК);
-организация процесса проектирования очистных сооружений на основе регулирования амплитудно-частотных характеристик колебаний параметров загрязненности сточных вод на выходе из очистных сооружений для обеспечения заданной степени очистки;
-провести технико-экономическое обоснование эффективности энергосберегающего и экологически безопасного производства очистки сточных вод с помощью активного ила.
Теоретическая и методологическая база исследования. Решение поставленных задач осуществлялось с учетом законодательных актов РФ и постановлений Правительства РФ, нормативных, методических документов федеральных, региональных и муниципальных органов управления.
Обоснованность выводов и предложений, полученных в процессе исследования, обусловлена методологией исследования, логической последовательностью выводов и подкрепляющей теоретические выводы практической апробацией.
Теоретической и методологической базой исследования явились труды отечественных и зарубежных ученых в области строительства и эксплуатации сооружений по очистке сточных вод, планирования работ по капитальному ремонту, модернизации и реконструкции.
Исследование проводилось с применением общих методов научного познания: наблюдения, сравнения, оптимизации, анализа и синтеза. Для решения поставленных задач в работе применялись статистические, математические и инструментальные методы. Теоретические положения, выводы и практические рекомендации, содержащиеся в диссертации, являются результатом самостоятельного исследования.
Научная новизна результатов исследования:
-Разработана методология определения оптимальных характеристик систем биологической очистки на примере аэротенков и получены эмпирические зависимости для мониторинга процессов очистки сточных вод с помощью активного ила.
- Разработаны математические модели процессов функционирования сооружений аэробной очистки различных типов в широком диапазоне нагрузок на биомассу активного ила с целью создания механизма управления и поддержания заданных пограничных параметров производства обезвреживания сточных вод.
- Для проектных решений в ходе строительства новых и реконструкции существующих сооружений по очистке сточных вод разработаны рекомендации по выбору характеристик технологических режимов.
Научные результаты, выносимые на защиту:
-
Организационно-технологические решения по обеспечению оптимизации технологических режимов работы сооружений аэробной очистки сточных вод, загрязненных органическими примесями, для проектных решений в ходе строительства новых и реконструкции существующих сооружений по очистке сточных вод.
-
Предложения для проектирования очистных сооружений по выбору методологии организации и технологии определения оптимальных характеристик систем очистки на примере аэротенков в ходе их эксплуатации.
-
Математическая модель, позволяющая рекомендовать оптимальные конструктивно - технологические решения при создании новых и реконструкции действующих сооружений очистки сточных вод различного происхождения.
-
Рекомендации по выбору характеристик и оптимизации технологических режимов в условиях регулирования амплитудно-частотных характеристик параметров загрязнений в поступающих сточных водах на сооружения аэробной очистки, для проектных решений в ходе строительства новых и реконструкции существующих сооружений по очистке сточных вод.
-
Технико-экономическое обоснование эффективности энергосберегающего и экологически безопасного производства с применением механически обработанного избыточного активного ила в системе мониторинга очистки сточных вод.
Практическая значимость работы. Результаты исследований являются практической базой для организации и обеспечения стабильности очистки сточных вод с использованием обработанного избыточного активного ила в производственных условиях. На основе результатов исследований разработаны организационно-технологические решения, которые позволяют:
определять оптимальные параметры проведения и мониторинга процесса аэробной очистки в условиях проектирования, строительства и эксплуатации;
оценивать и выбирать эффективные гидравлические, химические, физические и технологические условия очистки сточных вод в зависимости от заданных параметров потребителя, а также оптимизировать их конструктивные параметры на основе математического моделирования;
определять характеристики и основные параметры оптимизации технологических режимов сооружений аэробной очистки сточных вод, загрязненных органическими примесями, для проектных решений в ходе строительства новых и реконструкции существующих сооружений по очистке сточных вод.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. В соответствии с формулой специальности 05.02.22 – «Организация производства (строительство)», охватывающей проблемы становления, эффективного функционирования и совершенствования производственных процессов, в диссертационном исследовании разработаны организационно-технологические решения по обеспечению стабильности производства по очистке сточных вод, учитывающие гидравлические, химические и технологические изменения поступающих на обезвреживание сточных вод. Отраженные в диссертации научные положения соответствуют 1,4, 5, 7,8,11 пунктам области исследования паспорта специальности 05.02.22 – «Организация производства (строительства)»
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и получили одобрение на Международной конференции «Энергосбережение и энергоэффективность на предприятиях водопроводно-канализационного хозяйства» ЭКВАТЭК 2012 6-7 .06.2012, на II-ой международной научно-практической конференции посвящённой памяти академика РАН и РААСН Сергея Васильевича Яковлева, г. Москва 2011; на II Международной научно-практической конференции «СТРОИТЕЛЬНАЯ ИНДУСТРИЯ: вчера, сегодня, завтра». Пенза, октябрь, 2011г., на VII межвузовской научной конференции студентов и аспирантов «История и перспективы развития инженерных систем Москва 2010.
На основании проведенных исследований разработаны в рамках программы по организации научных исследований, выполняемых подведомственными Министерству образования и науки Российской Федерации высшими учебными заведениями, «Методика организации эффективного функционирования и совершенствования процессов аэробной биологической очистки сточных вод в реальных условиях эксплуатации» и «Научно-методические рекомендации по совершенствованию биотехнологических методов переработки и утилизации отходов городов, сельскохозяйственных и промышленных предприятий», одобренные научно-техническим советом МГАКХиС.
Результаты и материалы выполненной работы использованы ООО «Фирма «Альфа БАССЕНС» при проектировании очистных сооружений и полупромышленных испытаниях, при этом получен экономический эффект 2358тыс. руб.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, общих выводов, списка использованной литературы (157 наименований). Общий объем диссертационной работы составляет 171 страниц, включая 44 рисунков и 4 таблицы.
Состояние вопроса и выбор направления исследований
В связи с ростом городов, нагрузка на очистные сооружения весьма увеличивается, проектных мощностей на станциях очистки сточных вод не хватает, это актуально и для прогрессивных промышленных предприятий. Перед человечеством в настоящее время остро встаёт проблема нехватки питьевых ресурсов, истощения и загрязнения поверхностных источников, появляются всё более «жёсткие» стандарты на сброс в водоёмы ПДК загрязняющих веществ. Строительство новых сооружений очистки сточных вод порой невозможно из-за нехватки отведённой земли, дороговизны систем очистки.
Проблема очистки бытовых и производственных сточных вод, которые неизменно попадают в открытые водоёмы, являющиеся источниками питьевого водоснабжения.
В России сооружения биологической очистки составляют 54,8% от числа всех сооружений (на станциях очистки сточных вод), а водоотведение на них-78,9% от общего объёма сточных вод, что позволяет определить решающую роль биологической очистки в формировании качества используемых вод. Для предотвращения неудовлетворительной работы очистных сооружений, выявлены причины их неудовлетворительной работы, предлагаются пути реконструкции существующих аэротенков, применение новых технологий с использованием биотехнологических приёмов в традиционных системах биологической очистки сточных вод.
При проектировании, стороительства или реконструкции станций очистки сточных вод необходим чёткий прогноз работы главного сооружения на станции- аэротенка, и это первоочередная задача. Т.к. проектирование систем очистки специфично, то требуется максимально учесть все факторы влияющие на его работу, спланировать оптимальные режимы функционирования и оптимизации.
Аэробная биологическая очистка сточных вод в аэротенках представляет собой окислительно-восстановительные процессы, с ферментацией при постоянной аэрации, с рециркуляцией биомассы и без неё.
Поступающие на очистку сточные воды, представляют собой субстрат, состоящий из органических биоразлагаемых веществ, измеряемых в концентрациях БПК и ХПК.
Наличие биохимических процессов микроорганизмов привело к формированию «доктрины катаболической безотказности микробов» [1]. Собственно поэтому очистка сточных вод на аэротенках активным илом приобрела глобальный характер. Используемые биоценозы (биомасса) активного ила, являются микроорганизмами, почвенной и водной фауны, поэтому актуальным является создание оптимальных с технико-экономической точки зрения условий культивирования микроорганизмов, участвующих в процессе очистки сточных вод в традиционных или вновь проектируемых очистных сооружениях [2, 28, 29].
Вопросу разработки технологий аэробной биологической очистки сточных вод населенных пунктов и различных промышленных предприятий посвящено большое количество работ [2, 18, 73, 95, 112, 142]. Сооружения аэробной биологической очистки, важнейшим объектом технологической схемы которых являются аэрационные бассейны - аэротенки и биофильтры, с экономической точки зрения являются наиболее выгодными, простыми в исполнении и надёжными в эксплуатации [57, 73, 116]. Функциональное изучение данных сооружений свидетельствует, что они обеспечивают в полной мере усвоение растворенных в воде органических веществ, являющихся наиболее подходящим питательным субстратом для микроорганизмов активного ила [26, 41, 49, 55, 62, 82, 83, 93, 96, 104,]. На сегодняшний день разработаны эффективные технологии очистки сточных вод, делающие возможным осуществление полного цикла биохимических реакционных превращений [55, 140, 162]. Главным отличием этих технологических решений является реализация различных трофических уровней питания микроорганизмов в процессе обработки сточной воды в аэрационных сооружениях [55, 109, 128, 140, 142]. В итоге, можно получить высокую степень очистки стоков, из-за практически полного извлечения различных видов органических загрязнений, а также сократить выход избыточного активного ила. [28, 55, 63,64,65, 66, 67, 68, 70, 71, 72, 73,81,82]. Поэтому, в настоящее время совершенно справедливо и злободневно ставится вопрос рационализации условий работы различных элементов технологической схемы очистки, на участке первичных отстойников (механической обработки и извлечения дисперсных веществ) до вторичных отстойников участка биологической очистки [99,100,101,102,103]. Решение задачи по достижении высоких эффективных результатов очистки сводится, таким образом, к осуществлению такого технологического процесса, при котором первичные отстойники реализуют осаждение взешенных дисперсных веществ загрязнений и на вход в аэрационный бассейн поступает сточная вода, с органическими примесями находящимися в растворенном состоянии. Главное сооружение системы очистки высокозагрязненных органическими веществами сточных вод является участок биологической очистки с помощью микроорганизмов активного ила [2, 41, 60, 65, 93]. На ранней стадии биологическую очистку стоков целесообразно производить путем ее интенсивной аэрации в сооружениях смесительного типа (аэротенках смесителях). При этом имеет место высокая гомогенизация стоков и интенсивное насыщение кислородом микроорганизмов активного ила. На этой стадии протекает процесс биологического окисления органики [55, 83, 89]. На конечной стадии биологической очистки обработка сточной воды производится в вытеснительном режиме (как правило, в аэротенках-вытеснителях), который обеспечивает возможность реализации процессов избирательного лизиса микроорганизмов и снижения за счет этого прироста избыточной биомассы активного ила [22, 57, 60, 91,92,93,94,95,96,107,108].
Базовыми факторами, влияющими на выбор оптимальных режимов аэрационных сооружений, является гидродинамика потоковых течений в схеме и эффективность процесса насыщения жидкой среды кислородом воздуха и , соответственно, выбора системы аэрации
Схема реализации биологического процесса очистки сточной воды в проточном режиме в аэротенках с возвратом ила из вторичных отстойников и выведением избыточного ила на обработку получила название классической аэрации. [41-84] Эта схема включает аэрационные и отстойные сооружения, оборудование и коммуникации для подачи и распределения сточных вод по аэротенкам, сбора и подачи иловой смеси на илоотделение, отведения очищенной воды, обеспечения возврата в аэротенки циркуляционного активного ила и удаления избыточного ила, подачи и распределения воздуха в аэротенках. По этой схеме активный ил подается сосредоточенно на вход в аэротенк, туда же подается и подлежащая биологической очистке сточная вода после первичного отстаивания. В результате смешения воды и активного ила образуется иловая смесь. В процессе ее движения к выходу из аэротенка обеспечивается необходимая для протекания биохимических реакций длительность контакта активного ила с загрязнениями. 1. Интенсификация механической очистки стоков различной дисперсности.
Очистка стоков, поступающих на очистку с промышленных предприятий, населённых пунктов, реализуется методом аэробной биологической очистки, т.к. он является наиболее эффективным и ни с чем не сравним в стоимостном эквиваленте с прочими методами(физико-химическими, химическим окислением, и т.д.). Состав сточных вод, подаваемых на очистку различен, стоки содержат высокие концентрации органических веществ, дисперсный состав которых колеблется в широких пределах. Этот факт в большей степени затрудняет работу очистных сооружений и технологию аэробной биологической очистки, как следствие, увеличивает требования к надёжности, эффективности работы, как отдельных элементов, так и системы очистки сточных вод в целом [3, 4, 7, 12,14, 28, 30, 37,40, 55, 73, 95,111,112,115,116,118,].
Моделирование процессов функционирования аэротенков активным илом
Исследование механизма размножения микроорганизмов дало возможность выбрать математическую модель, полностью охватывающую кривую роста микроорганизмов, состоящую в основном из фазы экспоненциального роста и фазы затухания.
Анализ существующих научных концепций показал, что в основе представлений о причинах отмирания микроорганизмов на заключительной стадии очистки существует две основные гипотезы. По одной гипотезе переход микроорганизмов в фазу замедленного роста обусловлен истощением основного субстрата, по другой - прекращение формирования биомассы связано с повышением концентрации ингибиторов в процессе роста микроорганизмов.
Скорость роста микроорганизмов к является функцией содержания основного субстрата х, т.е. создание математической модели сводится к поиску зависимости: = /( ) (2-І) Наиболее используемая гипотеза состоит в допущении существования постоянного во времени отношения между приросшей биомассой и использованным субстратом. На этой базе создано несколько классических моделей роста биомассы, рассчитанной по эволюции субстрата. Однако это предположение не является строгим, т.к. субстрат служит не только источником энергии и необходимых элементом для создания новых клеток, но и поставляет необходимую энергию для поддержания жизни уже образованных клеток.
Обычно потребление субстрата, предназначенного для поддержания роста микроорганизмов, достаточно мало по сравнению с потреблением субстрата для поставки углерода, необходимого для строительства новых клеток. В настоящее время наиболее широко используемыми биологическими моделями являются модели Моно и Герберта. Форма эмпирической модели Моно аналогична закону Михаэльса-Мента относительно ферментативных реакций, который записывается в виде: — = кХ (2.8) dt В этом выражении /С — К п Х + Хс (2.9) где xs - имеет физический смысл пороговой концентрации субстрата, выше которой скорость роста становится существенно зависима от концентрации основного субстрата и соответствует частному значению х, для которого (2.10)
Пороговая концентрация субстрата xs обычно очень мала и в течение всей фазы экспоненциального роста равна k = к0.
Модель Моно обычно используется в дифференциальной форме (2.11), т.к. постоянство во времени коэффициента а является гипотезой достаточно дискуссионной в большинстве случаев промышленной ферментации. Эта гипотеза обычно принимается в первом приближении, когда речь идет о биологической обработке стоков.
Модель Моно нашла широкое применение, однако надо иметь в виду, что в ее основе лежит гипотеза контролируемого бактериального роста по скорости потребления основного субстрата. Поэтому, несмотря на широкое использование этой модели, она является неудовлетворительной в большинстве точных исследований.
При разработке этой модели за отправную точку принята гипотеза о том, что микроорганизмы при культивировании, лишенные по прошествии некоторого времени субстрата, могут потреблять свой собственный субстрат, т.е. имеющиеся в клетках запасные вещества. По этой причине имеет место снижение количества биомассы, т.е. возникает явление эндогенного метаболизма. Это обстоятельство приводит к необходимости учета некоторого коэффициента при постоянном культивировании бактерий, например, Nitrosomonas, в условиях ограниченного количества углерода и при очень низком значении степени разбавления. В этом случае эндогенный метаболизм накладывается на явление нормального роста бактерий и протекает при постоянной скорости к2: — = {к-к2).Х = кт.Х (2.25) Экспериментальные исследования показывают, что это имеет место на протяжении всего периода роста и позволяет получить общую скорость роста кт. Очевидно, имеющийся в сточной воде субстрат потребляется только для роста новой биомассы, которая растет со скоростью к.Х. Отсюда имеем. (2.34) Таким образом, модель Герберта учитывает процесс эндогенного метаболизма, что приводит к необходимости учета и роста биомассы вследствие метаболизации субстрата со скоростью роста к и отмирания ее при автопоглощении внутренних веществ со скоростью к2. Модель Герберта базируется на объединении двух дифференциальных уравнений (2.33) и (2.34), решение которых может быть произведено путем численного интегрирования.
Баланс микроорганизмов активного ила на границах вторичного отстойника
Количество биомассы активного ила на входе в аэротенк (с рециркуляцией) равно количеству биомассы активного ила на выходе из аэротенка. Принимая, что содержание микроорганизмов активного ила в поступающем на очистку стоке незначительно перед засевом, вызванным рециркуляцией части биомассы, получим: XbccpQT + 0 =QTX0 (3.4) откуда Хь= (3-5) Используя (3.3), получим х = (3.6) Р Следовательно, концентрация приросшей биомассы активного ила на выходе из аэротенка равна концентрации биомассы активного ила на входе в аэротенк в смеси исходной сточной воды и рециркулируемого активного ила, деленной на степень рециркуляции.
Сумма субстратов, поступающих с исходной сточной водой и рециркулируемой биомассой активного ила, равна количеству субстрата в смеси сточной воды и рециркулируемого активного ила на входе в аэротенк: Qxe + QRx = QTx0 (3.7) Учитывая, что QR = (За QT получим QT = Q + QR = Q + OCPQT (3.8) В результате получим, что расход смеси на выходе из аэротенка равен: QT=T —R (3-9) \-a.j3 Подставляя это выражение в баланс, получим: х0 = хе - (хе - х).а.р (3.10)
Произведение расхода смеси сточной воды и активного ила на выходе из аэротенка на разность между концентрациями биомассы в смеси на выходе из аэротенка и в смеси на входе в аэротенк равно произведению скорости прироста биомассы в единице объема аэротенка на объем аэротенка V.
Для дальнейшего расчета необходимо принять классическую биологическую модель Герберта, применимую для всех случаев устойчивого функционирования аэротенков. На рис. 3.1 приведены результаты расчета изменения концентрации субстрата на выходе из аэротенка в зависимости от скорости разбавления для различных коэффициентов использования отстойника. Расчет производился для исходной сточной воды с концентрацией субстрата 100 мг/л с использованием коэффициентов, полученных при проведении испытаний. Видно, что чем больше разбавление сточной воды в аэротенке, тем интенсивнее перемешивание в аэротенке, меньше среднее время пребывания сточной воды в нем и, следовательно, тем хуже очистка (больше концентрация субстрата в очищенной воде на выходе из аэротенка). Расчет производился для исходной сточной воды с концентрацией субстрата 300 мг/л с использованием коэффициентов, полученных при проведении испытаний. Видно, что с увеличением скорости разбавления концентрация биомассы вначале плавно растет, а затем резко падает. Полученная картина соответствует кривой Герберта, когда вначале имеет место рост микроорганизмов а затем наступает фаза отмирания и их количество резко падает. С уменьшением коэффициента использования отстойника растет плотность рециркулируемой биомассы и, соответственно, ее концентрация в аэротенке. Полученные данные свидетельствуют о том, что максимально возможная концентрация биомассы значительно зависит от а. На рис. 3.3 приведены результаты расчета эффективности очистки (в %) в зависимости от среднего времени пребывания сточной воды в аэротенке при степени рециркуляции 0,9 для различных коэффициентов использования отстойника. Расчет производился для исходной сточной воды с концентрацией субстрата 300 мг/л с использованием коэффициентов, полученных при проведении испытаний. Видно, что с увеличением среднего времени пребывания вначале имеет место резкий рост эффективности очистки за счет интенсивного потребления микроорганизмами легко усваиваемого субстрата. После этого рост эффективности очистки замедляется и наконец практически прекращается, становясь не зависимым от времени пребывания сточной воде в аэротенке.
Видно, что Г очень чувствительно к изменениям а и (З в зоне времени пребывания нескольких часов, т.е. для процессов с высокой нагрузкой. Напротив, это влияние мало ощутимо для времени пребывания порядка 10 часов и более (при полном окислении). Таким образом, видно, что выгодно иметь: - величину Р как можно более высокую, что имеет место при максимальной рециркуляции активного ила. Предел увеличения Р возникает при максимально возможной концентрации биомассы в аэротенке, достаточной концентрации кислорода и оптимальных условиях по удельной органической нагрузке х ; - величину а как можно более низкую, что имеет место при корректно функционирующем вторичном отстойнике, обеспечивающем хорошо сформированные флоккулы бактерий. Установлено также, что увеличение времени пребывания т всегда благоприятно в плане достижения повышенной степени очистки. Всегда выигрыш по эффективности очистки г\ более высокий для процессов при высокой нагрузке. Этот выигрыш становится минимальным при процессах полного окисления. Увеличение времени пребывания х более 10 часов уже не приводит к повышению эффективности очистки. Однако это влияет на качество активного ила. Увеличение времени пребывания т дает активному илу большую стабилизацию, малую способность ферментации (брожения), т.к. процесс физиологически находится в стадии эндогенного метаболизма. Как не увеличивай время пребывания т, степень очистки не достигнет 100%, т.к. никогда нельзя добиться нулевой концентрации остатка субстрата. Этот остаток субстрата определяется как «биологически неразлагаемое БПК5».
Исследование балансов веществ
Балансы веществ на наружных границах аэротенка остаются неизменными по отношению с тем, которые были установлены для гомогенного реактора, функционирующего в одну ступень. На рис 4.6, 4.7 приведены результаты расчета эволюции снижения относительной концентрации субстрата и относительной концентрации биомассы (соответственно) по длине ферментера с поршневым потоком с использованием биологической модели Герберта при различных степенях рециркуляции активного ила. Видно, что относительная концентрация субстрата падает по длине аэротенка вследствие ее поглощения биомассой активного ила, причем увеличение степени рециркуляции приводит к росту количества биомассы в аэротенке и, соответственно, к снижению концентрации субстрата в нем. Относительная концентрация биомассы по длине аэротенка меняется незначительно, в то время как она существенно зависит от степени рециркуляции: с увеличением степени рециркуляции растет и относительная концентрация биомассы в аэротенке. На рис. 4.8 показана параметрическая зависимость относительной концентрации биомассы в аэротенке от степени рециркуляции: видно, что она растет почти пропорционально росту расхода рециркулируемой иловой смеси.
Можно в частности утверждать, что концентрация биомассы увеличивается по длине реактора для (3 = 0,8 или 0,9, тогда как при полной рециркуляции Р = 1,0 концентрация биомассы уменьшается во второй части реактора после довольно незначительного увеличения в первой части. Это говорит о том факте, что реактор во второй фазе функционирует в фазе эндогенного дыхания.
Первый этап расчета состоит в определении коэффициента осевой (аксиальной) диффузии Ez. Экспериментальные результаты, полученные трассированием на пилотных установках и на промышленных сооружениях, были использованы для поиска корреляционных зависимостей. Диффузионная поршневая модель (идеального вытеснения) позволяет получить с великолепной корреляцией экспериментальные результаты, приведенные на рис. 4.9. Формы кривых отклика получены при импульсной подаче трассатора. На рис. 4.9 представлено сравнение кривых отклика при импульсном трассировании аэротенка, моделирующего диффузионный поток идеального вытеснения, и каскадной модели секционированного аэротенка с идеальным смешением. Видно, что кривая отклика модели аэротенка идеального вытеснения имеет вид, близкий к классической кривой идеального вытеснения. Кривая отклика каскадной модели секционированного аэротенка более близка к кривой отклика реально существующих аэрационных сооружений типа, являющихся моделями смешанного (смесительно-вытеснительного) типа.
На рис. 4.10, 4.11 представлены результаты расчета коэффициента осевой диффузии и величины, обратной числу Пекле, от среднего времени пребывания смеси сточной воды и активного ила в аэротенке. Видно, что коэффициент осевой диффузии практически не зависит от времени пребывания смеси сточной воды и активного ила в аэротенке, что свидетельствует о стационарности диффузионных процессов с течением времени. В то же время критерий Пекле линейно снижается с ростом времени пребывания смеси сточной воды и активного ила в аэротенке, что обусловлено снижением с течением времени местных скоростей жидкости в потоках, формирующих гидравлическую картину течения в аэрационном сооружении. В результате расчетов получены следующие результаты. 1. Значительные колебания средней скорости жидкости, соответствующие изменениям расхода жидкости в 3 раза, не влияют на значение величины Ez, как это продемонстрировано ни рис. 4.10, 4.11. В этом случае, если другие переменные остаются постоянные, то число Пекле (Ре) линейно изменяется с реальным расходом в бассейне. 2. Значение коэффициента осевой диффузии EZ сильно зависит от расхода воздуха QA. Можно установить, что коэффициент корелляции г равен 0,82 между EZ и расходом воздуха, начиная с мелко- и кончая крупнопузырчатой аэрацией (рис. 4.12). На рис. 4.12 приведена корреляционная зависимость коэффициента осевой диффузии от расхода воздуха на аэрацию. Видно, что аналитическая зависимость хорошо коррелирует с экспериментальными данными (степень корреляции равна 0,86). В экспериментах применялись мелко- и крупнопузырьчатые аэраторы. Полученные данные свидетельствуют о том, что с ростом расхода воздуха на аэрацию интенсифицируется процесс перемешивания смеси сточной воды и активного ила в аэротенке и процессы осевой диффузии в жидкой смеси соответственно также усиливаются. Крупность пузырей воздуха на характер кривой практически не влияет, данные экспериментально ложатся на разные участки одной и той же кривой. Движение пузырей воздуха, необходимых для создания высокой окислительной способности жидкой среды, и механическое перемешивание при помощи механических поверхностных аэраторов создают градиент восходящих скоростей потоков внутри аэрируемого бассейна. Турбулизация среды в аэротенке необходима для доведения коэффициента массопередачи кислорода до необходимого уровня, поддержания биомассы во взвешенном состоянии и обеспечения однородности концентрации среды. Однако турбулизация ограничивает размеры флоккул, которые являются слишком хрупкими и непрочными, чтобы противостоять разрушительному действию гидравлических сил. Ограничение размеров флоккул благоприятно с точки зрения кинетики массопередачи метаболитов между культуральной средой и микроорганизмами, т.к. процессы массообмена напрямую зависят от величины удельной поверхности флоккул микроорганизмов. Однако, малые размеры флоккул затрудняют их сепарацию в отстойнике, т.к. при малых размерах частиц снижается скорость их осаждения и соответственно увеличивается количество малых частиц и диспергированных микроорганизмов в отстоенной среде.
