Введение к работе
Актуальность проблемы.
В настоящее время к актуальным задачам развития и разработки процессов и аппаратов пищевых производств относится решение вопросов охраны окружающей среды. В агропромышленном секторе особую опасность представляют сточные воды, преимущественно загрязненные органическими отходами белкового происхождения. Такими характерными водами являются сточные воды мясо- и молоко-перерабатывающих производств, животноводческих предприятий свиноводства, птицеводства, КРС и т.д.
Воздействие содержащихся в данных сточных водах органических биогенных элементов на окружающую среду относится к наиболее опасному и вредному виду загрязнении.
Настоящая работа направлена на обеспечение решения задач по очистке сточных вод предприятий перерабатывающей промышленности, животноводческих комплексов и других аналогичных видов афопромышленных сточных вод, надежной эксплуатации очистных сооружений.
Исходя из состава загрязнении сточных вод, а именно, преимущественного загрязнения органическими отходами белкового происхождения, определяется необходимость и целесообразность применения для обработки указанного специфического состава агропромышленных отходов биологических методов, в частности, аэробной биологической очистки активным илом.
Аэробная биологическая очистка сточных вод животноводческих и перерабатывающих предприятий получает все более широкое распространение. Проведенные к настоящему времени исследования показывают, что системы биологической очистки сточных вод активным илом при благоприятных условиях дают хорошие результаты.
Однако, обобщенные данные функционирования очистных сооружении крупных предприятий по переработке продукции животноводства и самих животноводческих комплексов показывают, что в существующих технологических системах аэробной биологической очистки имеется множество недостатков, значительно снижающих эффективность данного способа очистки. К основным недостаткам применяемых в настоящее время методов аэробной биологической очистки относятся;
низкое качество очистки сточных вод;
образование избыточной биомассы активного ила, требующей ее последующей утилизации;
плохая осаждаемость активного ила во вторичном отстойнике вследствие, так называемого, вспухания активного ила;
- практическая неуправляемость технологическим процессом
биологической очистки;
- частые срывы в работе сооружений при залповых сбросах
высоких концентраций загрязнений;
- отсутствие методологических разработок в вопросах микробио
логии функционирования сложных биоценозов различных видов
микроорганизмов, построения трофических цепей метаболизма.
Надежное стабильное функционирование аэротенков, как центрального элемента всего комплекса очистных сооружений, является одним из важнейших условий удовлетворительной работы сооружений биологической очистки в целом.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом научно-исследовательских работ МГУПБ на 1995-1997гг. в рамках заданий по подготовке Федеральной целевой программы "Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997-2000 годы", в соответствии с планами научно-исследовательских работ ВНИТИБП по теме "Отработать технологические процессы обеззараживания и биологической очистки сточных вод в опытно-промышленных условиях, выдать исходные требования для проектирования промышленного производства" (инв. № 01.86.0031249) на лабораторной базе отдела производственной санитарии и охраны окружающей среды ВНИТИБП.
Цель и задачи исследования.
Общей целью настоящей работы является повышение эффективности аэробной биологической очистки сточных вод за счет разработки методологии и принципов модельной оптимизации технологических условий реализации микробиологических процессов аэробной биологической очистки, оптимизации технологических схем очистки и повышения надежности функционирования очистных сооружений.
В развитие общей цели предусматривается выполнение следующих основных задач:
разработка и исследование динамической модели оптимизации процессов аэробной биологической очистки;
выбор и обоснование методов качественной и количественной оценки эффективности функционирования биологических систем;
дифференциация процесса аэробной биологической очистки на гидродинамическую модель потока жидкости и биохимическую модель окисления биогенных органических загрязнений;
создание динамической модельной установки для проведения экспериментальных работ на реальных сточных водах;
исследование кинетики биохимического окисления органических загрязнений активным илом в.системах реакторного типа;
исследование гидродинамических процессов реальных потоков смеси сгочной воды с активным илом в хемостатных моделях и промышленных сооружениях;
проведение экспериментальных исследований по определению характерных зависимостей параметров и режимов аэробной биологической очистки в системах реакторного и проточного типов;
оценка возможности повышения эффективности и надежности систем аэробной биологической очистки за счет оптимизации гидродинамических процессов и режимов биохимического окисления;
проведение микробиологических исследований по определению кинетики трансформации состава биоценозов активного ила и сопутствующей микрофлоры при реализации процессов аэробной биологической очистки на динамических модельных установках;
- проведение совместного интегрирования количественных
показателей кинетики биохимического окисления загрязнений и гид
родинамических характеристик потока, получение аналитических
зависимостей, позволяющих прогнозировать эффективность функцио
нирования промышленных сооружений биологической очистки сточ
ных вод;
- разработка практических рекомендаций по применению разра
ботанной методики для определения достоверных технических и
технологических характеристик процесса биологической очистки на
этапе подготовки исходных данных для проектирования новых очист
ных сооружений и реконструкции существующих.
Научная новизна.
Разработана принципиально новая методология определения достоверных технологических характеристик функционирования биологических аэробных систем очистки сточных вод на основе принципов оптимизации параметров динамически модельного процесса и совместного интегрирования дифференциальных характеристик, отражающих технические, технологические и микробиологические аспекты реального процесса очистки.
Разработаны мероприятия по интенсификации процесса полной биологической очистки сточных вод; загрязненных органическими отходами белкового происхождения, путем оптимизации гидродинамической эффективности сооружений биологической очистки и биохимической эффективности процессов окисления биогенных загрязнений адаптированными биоценозами активного ила, а также оптимизации условий устойчивого саморегулирования функционирования биоценозов различных трофических уровней.
Разработаны динамические модели, позволяющие определять количественные характеристики гидродинамической и биотехнологической эффективности функционирования промышленных очистных сооружений аэробной биологической очистки.
Практическая ценность работы.
Установлено, что использование динамической модели оптимизации систем биологической очистки при расчете технологических и проектных параметров функционирования промышленных очистных сооружений позволяет существенно повысить достоверность получаемых при этом технических и технологических характеристик, а также обеспечить возможность прогнозирования конечных результатов очистки.
Установлено, что оптимизация технологического процесса биологической очистки на основе критериев гидравлической и биохимической эффективности аэрационных сооружений позволяет существенно улучшить качественные показатели функционирования промышленных очистных сооружений, в частности, качества очистки от биогенных загрязнений, увеличения производительности очистных сооружений, увеличения нагрузки на них и т.д.
Установлено, что применяемые в работе методы динамического моделирования позволяют дать реальную количественную и качественную оценку эффективности функционирования не только вновь проектируемых очистных сооружений, но и действующих сооружений биологической очистки.
Разработаны рекомендации по проведению экспериментально-технологической части работ и разработке исходных данных при проектировании и реконструкции очистных сооружений мясоперерабатывающих и животноводческих производств.
Апробация работы.
Новизна и практическая значимость проведенной работы подтверждена использованием ее результатов Головным научно-производственным предприятием "БИОКОС" при разработке проектов строительства и реконструкции целого ряда очистных сооружений на территории Российской Федерации и Республики Беларусь, по которым получены положительные заключения государственной экспертизы и секций НТС Минсельхозпрода РФ. Кроме того, эффективность использования результатов работы подтверждается внедрением разработанных промышленных технологических процессов аэробной биологической очистки и достижением, вследствие этого, значительного улучшения по сравнению с аналогами технологических характеристик функционирования очистных сооружений мясоперерабатывающего цеха в с. Бабино Удмуртской Республики производительностью 25 м3/сут, очистных сооружений птицефабрики "Юрьевецкая" Владимирской обл. производительностью линии до 1000 мУсут и очистных сооружений свинокомплекса совхоза-комбината "Борисовский" Минской обл. Республики Беларусь производи іслмюстью до 4500 м3/сут.
По результатам научных исследований получено 7 патентов на изобретение по разработанным способам биологической очистки сточных вод и по техническим решениям конструктивного исполнения сооружений и установок для их осуществления.
Результаты работы включены в материалы Всероссийской конференции "Научные основы технологии производства ветеринарных препаратов" во Всероссийском научно-исследовательском и технологическом институте биологической промышленности в 1995 году. Материалы, полученные при проведении исследований, опубликованы в ряде статей, помещенных в журналах "Мясная индустрия".
Структура и объем диссертации.
Работа состоит из введения, восьми глав, общих выводов, списка использованной литературы, списка опубликованных работ и приложений. Работа изложена на 353 страницах машинописного текста, содержит 108 рисунков и 5 приложений. Библиография включает 193 наименования, из которых 121 наименование на иностранных языках и 22 наименования работ, опубликованных автором.