Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Современное состояние вопроса очистки бытовых сточных вод малых населенных пунктов 12
1.1 Анализ состояния и перспектив строительства и эксплуатации канализации в малых населенных пунктах 14
1.2 Методы и сооружения для очистки бытовых сточных вод 17
1.2.1 Сооружения для механической очистки 18
1.2.2 Сооружения для биологической очистки 19
1.2.2.1 Теоретические основы технологических процессов очистки сточных вод на сооружениях для биологической очистки 19
1.2.2.2 Сооружения для естественной биологической очистки 25
1.2.2.3 Сооружения для искусственной биологической очистки 27
1.2.3 Станции с применением методов физико-химической очистки 43
Выводы 44
Постановка задач исследований 45
Глава 2 Особенности процессов биологической очистки сточных вод на дисковых биофильтрах 47
2.1 Специфические особенности состава биоценоза биопленки в биофильтрах 47
2.2 Теоретические основы биологической очистки сточных вод методом биофильтрации 48
2.2.1 Гидрохимические и геометрические параметры биопленки в биофильтрах 52
2.2.2 Обобщение результатов теоретических исследований и натурных наблюдений гидродинамической обстановки в дисковом биофильтре . 55
2.2.2.1 Движение сточной воды в ванне корпуса биофильтра 56
2.2.2.2 Движение сточной воды на поверхности сегмента диска выше уровня воды в ванне биофильтра 69
2.2.3 Обобщение результатов теоретических исследований физической модели структуры биопленки и натурных исследований ее структуры 75
2.2.4 Методы инженерного расчета дисковых биофильтров 82
2.3 Методы инженерного расчета вторичных отстойников после биофильтров 90
Выводы 91
Глава 3 Экспериментальные исследования процессов биологической очистки бытовых сточных вод на канализационных очистных сооружениях с дисковыми биофильтрами 92
3.1 Объекты исследований, методики химических анализов сточных вод и методы математической статистики обработки результатов измерений 92
3.2 Исследования гидрохимических параметров биопленки в дисковых биофильтрах 94
3.2.1 Методики экспериментов и химических анализов биопленки 94
3.2.2 Измерения объемной концентрации биопленки в сточной воде, поступающей из дисковых биофильтров во вторичные отстойники 97
3.2.3 Измерения концентрации биопленки по сухому веществу и зольности биопленки 104
3.3 Исследования геометрических параметров биопленки в дисковых биофильтрах 110
3.4 Исследования частоты встречаемости гидробионтов в биопленке в дисковых биофильтрах 111
3.4.1 Методика гидробиологического анализа биопленки 111
3.4.2 Экспериментальные исследования и анализ полученных результатов 113
3.5 Исследования динамики изменения концентрации взвешенных веществ, содержащихся в обрабатываемой сточной воде, в процессе биологической очистки на дисковых биофильтрах 118
3.6 Исследования кинетики осветления сточных вод после дисковых биофильтров 1 125
3.6.1 Описание экспериментальной установки, методика выполнения опытов и методика обработки экспериментальных данных 126
3.6.2 Экспериментальные исследования и анализ полученных результатов 128
3.7 Измерения концентрации кислорода в сточной воде, очищаемой на дисковых биофильтрах 134
3.8 Исследования эффективности биологической очистки сточных вод на действующих очистных сооружениях с дисковыми биофильтрами 137
Выводы 140
Глава 4 Анализ результатов обследования коммунальных канализационных очистных сооружений в населенных пунктах Самарской области 142
4.1 Анализ обеспеченности населенных пунктов Самарской области коммунальными канализационными очистными сооружениями 142
4.2. Анализ технологических схем по составу сооружений и оценка технического состояния оборудования, применяемых на существующих коммунальных канализационных очистных сооружениях в сельских населенных пунктах 149
4.3 Ранжирование муниципальных районов Самарской области по обеспеченности сельских населенных пунктов коммунальными канализационными очистными сооружениями 153
Выводы 156
Глава 5 Разработка рекомендаций по проектированию и строительству систем коммунальной канализации на территории малых населенных пунктов 157
5.1 Выбор и обоснование технических решений при проектировании систем канализации в малых населенных пунктах 157
5.1.1 Выбор схемы канализации 157
5.1.2 Выбор состава коммунальных канализационных очистных сооружений и разработка технологической схемы очистки сточных вод 161
5.2 Разработка программы мероприятий по проектированию и строительству коммунальных систем канализации в сельских населенных пунктах Самарской области 165
5.2.1 Результаты исследований по определению зависимости удельной стоимости строительства от производительности канализационных очистных сооружений 167
5.2.2 Результаты расчетов финансовых затрат на проектирование и строительство коммунальных систем канализации в сельских поселениях 171
Выводы 176
Основные выводы 178
Библиографический список 181
- Теоретические основы технологических процессов очистки сточных вод на сооружениях для биологической очистки
- Движение сточной воды на поверхности сегмента диска выше уровня воды в ванне биофильтра
- Измерения объемной концентрации биопленки в сточной воде, поступающей из дисковых биофильтров во вторичные отстойники
- Анализ технологических схем по составу сооружений и оценка технического состояния оборудования, применяемых на существующих коммунальных канализационных очистных сооружениях в сельских населенных пунктах
Введение к работе
Актуальность темы. Во многих странах мира доля населения, проживающего в не оснащенных системами канализации поселениях, составляет от 5 до 20 %. Несмотря на незначительную долю населения, проживающего в сельских поселениях, не подключенных к централизованной канализации, масштабы загрязнения окружающей природной среды неочищенными сточными водами по-прежнему очень велики.
Наличие большого перечня нормативной документации, пособий по проектированию, действующих типовых проектов станций биологической очистки и большого ассортимента компактных установок очистки заводского изготовления создают впечатление, что рациональные технологические решения по сбору и очистке сточных вод малых населенных пунктов окончательно определены и разработаны. Однако на практике наблюдается ряд экономических, технических, гигиенических и экологических проблем при эксплуатации систем канализации в малых населенных пунктах. Поэтому исследование процессов биологической очистки сточных вод на станциях очистки с дисковыми биофильтрами и разработка технологических и организационно-технических решений для повышения эффективности проектирования и эксплуатации коммунальных систем канализации в малых населенных пунктах являются актуальной научно-практической задачей.
Цель работы и задачи исследований. Целью работы является разработка технологических и организационно-технических решений для повышения эффективности работы станций биологической очистки сточных вод в малых населенных пунктах.
Для достижения этой цели были поставлены задачи исследований:
выполнить анализ состояния и перспектив строительства и эксплуатации канализации в малых населенных пунктах и обобщить результаты исследований по разработке эффективных сооружений и технологических решений для очистки бытовых сточных;
выполнить теоретические исследования гидродинамической обстановки и физической модели структуры биопленки в дисковых биофильтрах;
провести экспериментальные исследования процессов биологической очистки сточных вод на действующих очистных сооружениях с дисковыми биофильтрами;
разработать высокоэффективную технологическую схему очистки бытовых сточных вод для применения на коммунальных очистных сооружениях в малых населенных пунктах;
выполнить анализ результатов обследования коммунальных канализационных очистных сооружений в населенных пунктах Самарской области для разработки программы мероприятий по проектированию и строительству коммунальных систем канализации в сельских населенных пунктах и выполнения расчетов финансовых затрат на реализацию этой программы.
Методы исследований. Теоретические исследования проведены с использованием теории о движении жидкости в пограничном слое, теории кинетики ферментативных реакций биодеструкции органических загрязнений сточных вод и теории статистических решений. Экспериментальные исследования проведены на лабораторной установке для изучения кинетики отстаивания сточной воды и на производственных установках канализационных очистных сооружений в поселках Солнечная Поляна и Восточный Самарской области. Объектами исследований являлись реальные бытовые сточные воды и биопленка в дисковых биофильтрах.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- определены гидрохимические и геометрические параметры биопленки и
частота встречаемости гидробионтов в ней при очистке бытовых сточных вод на
дисковых биофильтрах;
- получены данные о динамике изменения концентрации взвешенных
веществ, содержащихся в обрабатываемой сточной воде, в процессе очистки на
дисковых биофильтрах;
экспериментально получены параметры, характеризующие седиментацион-ные свойства частиц биопленки, выносимых потоком воды из дисковых биофильтров при очистке бытовых сточных вод;
в результате выполнения теоретических и экспериментальных исследований развиты представления о физической модели структуры биопленки и гидродинамической обстановке в дисковых биофильтрах;
- получены графические зависимости удельной стоимости строительства от
производительности канализационных очистных сооружений, позволяющие
выполнить расчеты финансовых затрат на новое строительство и реконструкцию
объектов в сельских населенных пунктах Самарской области и регионах с
аналогичными климатическими и геологическими условиями.
Практическая ценность диссертационной работы состоит в следующем:
- научно обоснована целесообразность строительства централизованной
схемы канализации в малых населенных пунктах;
разработана высокоэффективная технологическая схема очистки бытовых сточных вод с применением дисковых биофильтров на коммунальных очистных сооружениях в малых населенных пунктах;
выполнен анализ результатов обследования коммунальных канализационных очистных сооружений в населенных пунктах Самарской области, на основе которого разработана программа мероприятий по проектированию и строительству коммунальных систем канализации в сельских населенных пунктах, являющаяся составной частью градостроительного документа уровня субъекта РФ «Схема территориального планирования Самарской области»;
выполнены расчеты финансовых затрат на проектирование и строительство коммунальных систем канализации в сельских населенных пунктах Самарской области, на основе которых составлен «Проект инвестиционный программы по развитию систем канализации в Самарской области».
Реализация и внедрение результатов исследований. Рекомендации по проектированию станций биологической очистки на основе предлагаемой технологической схемы переданы в проектные организации ГУП Самарской области «ТерНИИгражданпроект» и ООО НПФ «ЭКОС». Предлагаемая технологическая схема очистки бытовых сточных вод с применением дисковых биофильтров была использована ООО НПФ «ЭКОС» при разработке проектной документации на реконструкцию канализационных очистных сооружений в поселке Новосемейкино.
Разработанная в диссертации программа мероприятий по развитию коммунальных систем канализации в сельских поселениях вошла в состав градостроительного документа «Схема территориального планирования Самарской области»,
утвержденного постановлением Правительства Самарской области №261 от 13.12.07 г.
Апробация работы. Основные результаты доложены и обсуждены на 61-66-й Всероссийских научно-технических конференциях «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика» (СГАСУ, Самара, 2004-2009 гг.), на Пятом международном симпозиуме по хемометрике «Современные методы анализа многомерных данных» (СамГТУ, Самара, 2006 г.), на Втором межрегиональном экономическом форуме «Самарская инициатива: кластерная политика - основа инновационного развития национальной экономики» в секции «Экология региона» (санаторий «Волжский Утес», Самарская обл., 2008 г.), на Международной научно-практической конференции «Водоснабжение и водоотве-дение мегаполиса», посвященной памяти академика РАН СВ. Яковлева (МГАКХиС, Москва, 2009 г.).
Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 17 научных работах, в том числе 3 работы опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Личный вклад соискателя заключается: в постановке цели и задач диссертационных исследований, выборе и обосновании методик и оборудования для проведения экспериментов; в осуществлении экспериментальных исследований, выборе методик математической обработки и графической интерпретации результатов исследований; в систематизации результатов теоретических и экспериментальных исследований и подготовке выводов.
Достоверность полученных результатов оценена с помощью методов математической статистики для обработки результатов прямых измерений с многократными наблюдениями. Для определения параметров изучаемых процессов биологической очистки при постановке экспериментов использованы аккредитованные методики количественного химического и гидробиологического анализа воды, биопленки и активного ила и аттестованные приборы.
На защиту выносятся:
- результаты исследований гидрохимических и геометрических параметров биопленки и частоты встречаемости гидробионтов в ней при очистке бытовых
сточных вод на дисковых биофильтрах, позволяющие развить представления о физической модели структуры биопленки;
результаты исследований динамики изменения концентрации взвешенных веществ, содержащихся в обрабатываемой сточной воде, в процессе биологической очистки на дисковых биофильтрах;
результаты исследований кинетики осветления сточных вод после дисковых биофильтров;
результаты теоретических исследований гидродинамической обстановки и физической модели структуры биопленки в дисковых биофильтрах, обосновывающие их высокую эффективность при очистке сточных вод;
технологическая схема очистки бытовых сточных вод с применением дисковых биофильтров;
обоснование целесообразности строительства в малых населенных пунктах централизованной схемы канализации;
графические зависимости удельной стоимости строительства от производительности канализационных очистных сооружений, позволяющие выполнить расчеты финансовых затрат на новое строительство и реконструкцию объектов в сельских населенных пунктах Самарской области и регионах с аналогичными климатическими и геологическими условиями.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов, библиографического списка и 6 приложений. Работа содержит 175 страниц основного текста, в том числе 35 таблиц и 36 рисунков. Библиографический список включает 149 источников, в том числе 37 - на иностранном языке.
Теоретические основы технологических процессов очистки сточных вод на сооружениях для биологической очистки
На сооружениях биологической очистки осуществляются многостадийные технологические процессы удаления загрязняющих веществ из сточных вод [49, 54-64]. В зависимости от типа сооружений технологические процессы протекают одновременно с различной скоростью или последовательно. Весь цикл технологических процессов, происходящих на сооружениях искусственной биологической очистки, условно разделяют на два этапа. На первом этапе происходит биодеструкция и трансформация органических и минеральных веществ с помощью биоценоза активного ила или биопленки в аэробных, анаэробных или аноксидных условиях в специальных сооружениях — биореакторах (аэротенки, биофильтры и др.). Второй этап — это отделение активного ила или биопленки от очищаемых сточных вод отстаиванием, флотацией или фильтрацией. При этом следует отметить, что биохимические реакции продолжаются и на втором этапе биологической очистки [55, 61, 63]. В составе многостадийных процессов биологической очистки принято выделять три основные стадии [60]: — адсорбция на поверхности биоценоза активного ила или биопленки растворенных, коллоидных и тонкодисперсных органических и минеральных веществ, содержащихся в сточных водах; — процессы биохимического окисления и восстановления органических и некоторых минеральных веществ с образованием активной биомассы; — распад активной биомассы с образованием автолизата (отмершей) и инертной части биомассы.
В основе биологической очистки сточных вод лежит способность микроорганизмов потреблять в качестве источников питания разнообразные органические и некоторые неорганические вещества, а также способность их образовывать колонии и скопления в виде свободноплавающих в воде хлопьев активного ила или биопленки на поверхности различных наполнителей, размещаемых в биореакторах. Активный ил и биопленка, культивируемые в сооружения биологической очистки, — это два специфических вида так называемых биоорганоминеральных комплексов [57], которые представляют собой искусственно (антропогенно) созданные экосистемы [55]. Биоценоз этих биоорганоминеральных комплексов — это сложный комплекс микроорганизмов, формирующийся под влиянием состава и концентрации загрязняющих веществ в обрабатываемой воде, ее рН и температуры, концентрации растворенного в воде кислорода и гидродинамической обстановки в биореакторе.
В биоценозах активного ила аэротенков присутствуют представители семи отделов микрофлоры (бактерии, грибы, актиномицеты, диатомовые, зеленые, эвгленовые, вольвоксовые микроводоросли), а также девяти таксонометрических групп микрофауны (жгутиконосцы, саркодовые, инфузории, первичнополостные, вторичнополостные и брюхоресничные черви, коловратки, тихоходки, паукообразные) [55]. Биоценоз активного ила аэротенка и биопленки биофильтра при очистке одной и той же воды идентичен, но при этом отмечается различие в соотношении количества различных видов микроорганизмов [54]. В книге [65, с. 206] отмечается, что на биофильтрах биоценоз более разнообразен.
Доминирующую роль в биохимических процессах деструкции и потребления органических загрязняющих веществ играют бактерии [54, 55, 57, 60, 61]. В статье [66], посвященной обзору вопросов по биофильтрации сточных вод, обобщены сведения по классификации бактерий.
Изучение биоценозов показало, что грибы составляют до 30 % биомассы биопленки в биофильтрах, а в активных илах доля их незначительна [54]. На основании вышеизложенного, СВ. Яковлевым и Т.А. Карюхиной сделан вывод, что в этом заключается наиболее существенное различие в микрофлоре биофильтров и аэротенков.
Микроводоросли (диатомовые, зеленые, эвгленовые, вольвоксовые) периодически встречаются в биоценозах активного ила, и поэтому разные авторы характеризуют участие водорослей в процессе очистки сточных вод в аэротенках достаточно противоречиво [55, с. 327]. Общепризнано, что во вторичных отстойниках эти микроводоросли значительно размножаются и нарастают на поверхности стен отстойников и водопереливных лотков. Микроводоросли при поступлении в аэротенк с возвратным активным илом не находят в нем удовлетворительные условия для своего существования. В биофильтрах микроводоросли обитают в больших количествах [65, 68, 69].
Представители микрофауны (простейшие и многоклеточные организмы) составляют приблизительно 5-10 % от общей биомассы активного ила [55]. Функциональная роль простейших заключается в осветлении очищенной воды за счет потребления бактерий, разрушенных зооглейных скоплений, грибов и водорослей [55, 56, 61]. Наряду с этим простейшие усваивают и органические загрязнения, находящиеся во взвешенном состоянии [54, 56]. Следует особо отметить, что простейшие выделяют в воду экзоферменты, оказывающие стимулирующее действие на физиологическую активность бактерий [54, 55]. На основании этого было установлено, что вся биота активного ила в целом принимает участие в биодеструкции загрязняющих веществ.
Многоклеточные животные, такие как клещи и мушки, развиваются в биопленке, а в илах аэротенков они отсутствуют [54]. Роль их в процессах очистки воды не установлена. Динамику популяций микроорганизмов определяют три главных фактора: конкуренция в борьбе за питание, отношения «хищник-жертва» и симбиозная связь между организмами. В результате совокупности многообразных биохимических реакций биоразлагаемые органические и некоторые неорганические вещества, которые представляют для микроорганизмов питательный субстрат, превращаются в энергию, клеточные компоненты микроорганизмов (происходит прирост биомассы) и отходы метаболизма [55, 59, 60, 62].
Биохимическое окисление органических загрязнений в сточных водах является процессом метаболической деятельности микроорганизмов, которая катализируется соответствующими ферментами. Сущность механизма ферментативной реакции заключается в том, что на участках клетки, называемых активными центрами, происходит взаимодействие фермента (Е) с молекулой субстрата (S), которое приводит к образованию фермент-субстратного комплекса (ES). Затем совершаются процесс внутримолекулярной перегруппировки этого комплекса и его диссоциация с образованием продуктов реакции (Р) и освобождением молекулы фермента [59].
Движение сточной воды на поверхности сегмента диска выше уровня воды в ванне биофильтра
Для вращения ротора погружного биофильтра с загрузочным материалом, который закреплен симметрично относительно оси вала, как правило, применяются мотор-редукторы с электрическим приводом. В книге [22] описана конструкция дискового биофильтра, названного биофильтратор струйный, у которого ротор приводится в движение в результате воздействия водовоздушных восходящих потоков в ванне биофильтра, образующихся в результате работы водоструйного аэратора.
В книге [73, с. 92] описан погружной биофильтр оригинальной конструкции, в котором загрузочный материал выполнен в виде двух блоков, подвешенных на разных концах одного троса, закрепленного на поворотном барабане. При возвратно-поступательном движении барабана вокруг оси блоки с загрузочным материалом поочередно опускаются в бак со сточной водой. В Справочнике [22] представлено описание конструкции погружного биофильтра с использованием в качестве загрузочного материала бесконечного полотна из ткани или пластмассовой ленты, которая вращается с помощью электрического привода на валу, размещенном над уровнем сточной воды в ванне биофильтра.
Корпус погружного биофильтра выполняют в виде открытой ванны, как правило, с полукруглым днищем. Очищаемая сточная вода подается в открытую ванну через впускное отверстие или через перелив, устраиваемый вдоль одной стороны, расположенный перпендикулярно или параллельно валу ротора биофильтра, а отводится через отверстие или перелив с противоположной стороны. Ванну корпуса погружного биофильтра обычно разделяют перегородками на 2-4 камеры, размещая в каждой из них по одному ротору, выполненному из дисков или других видов загрузки, размещенных внутри барабана. По количеству последовательно соединенных камер (или секций), через которые протекает сточная вода в процессе ее очистки, условно принято говорить о количестве ступеней очистки на биофильтре.
Одним из наиболее значимых конструктивных параметров для биофильтров является удельная площадь поверхности загрузки KF, м /м , пропорционально которой в инженерной практике расчета дисковых биофильтров принято определять количество активной прикрепленной биопленки [81-83, 86] и окислительную мощность сооружения [22, 56, 58, 60, 80, 84, 99, 100]. Для дисковых биофильтров этот параметр вычисляют по формуле [80]: где F— общая площадь рабочей поверхности дисков, м2; W— общая вместимость ванны корпуса биофильтра, м3. Если требуется рассчитать удельную площадь поверхности загрузки, отнесенную к единице объема обрабатываемой воды в ванне дискового биофильтра KFN, м /м , тогда следует использовать формулу
Для дисковых биофильтров по данным работы [60] удельная площадь поверхности загрузки находится в пределах 140—160 м 7м . В статье [80] представлены расчетные данные, показывающие, что параметр Кр =218 м /м при толщине дисков Ъ = 3 мм и расстоянии между дисками А = 15 мм для полукруглой и прямоугольной геометрической формы ванны дискового биофильтра. При этом коэффициент использования объема Kw = 0,116.
Для сравнения удельная площадь поверхности загрузки для капельных, высоконагружаемых и башенных биофильтров соответственно составляет 125, 65 и 50 м2/м3 [58, с. 60]. Для биофильтров с плоскостной загрузкой и системой подачи сточной воды на загрузку методом орошения параметр Кр составляет от 60 до 250 м /м в зависимости от модификации загрузки [49].
При использовании в дисковом биофильтре перфорированных дисков удельная площадь поверхности загрузки существенно уменьшается. Например, по данным статьи [81] при коэффициенте перфорации р = 0,5, Ъ равным от 31 до 60 мм, и А = 30 мм параметр Кр получается равным 45-60 м /м . В книге [22, с. 60] представлены расчеты, выполненные при (р = 0,6 в широком диапазоне параметров Ъ, А и D, которые показывают, что при перфорации дисков параметр KF получается в интервале 40-58 м /м .
Рекомендации по применению перфорированных дисков обосновываются тем, что такая конструкция дисковых биофильтров повышает степень насыщения кислородом обрабатываемой сточной воды. Однако результаты измерений (см. подраздел 3.7) концентрации кислорода в бытовых сточных водах, очищаемых на действующей станции с дисковыми биофильтрами, в которых диски выполнены из листового винипласта без перфорации, показывают, что в обрабатываемых стоках наблюдаются вполне удовлетворительные аэробные условия для биоценоза биопленки. Содержание растворенного кислорода в сточной воде, находящейся в ванне такого дискового биофильтра, составляет от 3,9 до 5,3 мг/л. На основании результатов этих исследований и учитывая литературные данные о том, что перфорация дисков (при р = 0,5-0,6) приводит к уменьшению более чем в два раза удельной площади поверхности загрузки дисковых биофильтров, следует признать конструкцию биофильтров с перфорированными дисками нерациональной.
В автореферате диссертации К.К. Давода [101] представлены результаты исследований, на основании которых показано, что барабанные биофильтры (биоконтакторы) имеют более высокие массообменные характеристики по переносу кислорода, чем дисковые биофильтры, и соответственно сделан вывод — барабанные биофильтры обладают более высокой окислительной способностью.
Измерения объемной концентрации биопленки в сточной воде, поступающей из дисковых биофильтров во вторичные отстойники
В реальных реакторах с неподвижной загрузкой по мере приближения к поверхности твердого тела турбулентность ослабевает, и в результате этого действие механизма молекулярной диффузии начинает усиливаться. А.А. Гухман [117] особо отмечает, что на достаточно близком расстоянии от поверхности загрузки (в ламинарной области течения потока) и непосредственно у самой поверхности турбулентность затухает настолько сильно, что молекулярные процессы получают решающее значение, но при условии, если только здесь не возникают какие-нибудь особые эффекты, возмущающие жидкость.
В дисковых биофильтрах мы наблюдаем совершенно другую картину — непосредственно на границе поверхности, двигающейся в потоке сточной воды загрузки, покрытой слоем биопленки, и в пограничном слое воды, вблизи поверхности загрузки, степень турбулентности потока воды выше, чем во внешнем потоке воды. Наличие на поверхности дисков слоя биопленки, имеющего волокнистую структуру и высокое значение абсолютной шероховатости к = 4 мм, является причиной возникновения турбулентных условий в пограничном слое воды на вращающихся дисках на любом удалении от центра вращения и непосредственно в зоне биохимических реакций на поверхности биопленки и в ее порах.
Обобщение результатов теоретических исследований, наблюдений и измерений гидрохимических параметров биопленки и обрабатываемой сточной воды в дисковом биофильтре позволяет считать, что в процессах массообмена в биологической пленке таких биофильтров наиболее значимую роль играет молярный механизм. Поэтому можно считать, что дисковые биофильтры относятся к проточным реакторам полного смешения, в них процессы массообмена происходят по молярному механизму, который несравненно мощнее молекулярного по мнению А.А. Гухмана [117, с.123] и авторов работ [114, 270].
В технической литературе отсутствуют сведения по вопросу движения сточной воды на поверхности сегмента диска выше уровня воды в ванне корпуса дискового биофильтра. Авторы работ [82, 107] при разработке математической модели для расчета дискового биофильтра высказали предположение, что на поверхности дисков, покрытых биопленкой, при выходе их из потока сточных вод, образуется жидкая пленка, толщина и масса которой постоянна на поверхности загрузки до очередного погружения сегмента диска в поток сточных вод. При этом они особо отметили, что при вращении сегмента диска в воздухе выток жидкости из жидкой пленки не происходит, а в момент погружения сегмента диска в поток сточных вод жидкая пленка мгновенно разрушается, полностью перемешиваясь с загрязненной сточной водой в ванне корпуса биофильтра.
В результате выполнения визуальных наблюдений на очистных сооружениях с дисковыми биофильтрами в пос. Солнечная Поляна было обнаружено и зафиксировано в форме видеозаписи движение частиц пленки воды на отдельных участках поверхности сектора диска, покрытого биопленкой с ворсистой структурой, находящегося выше уровня воды в ванне биофильтра в период его вращения. Это движение выражалось в хаотическом появлении крупных капель воды, которые перемещались (перетекали) в виде струй примерно 15-30 мм по поверхности диска с биопленкой, после чего очертания струй воды исчезали в ворсе биопленки. Период жизни отдельных струй составлял не более одной секунды. Визуально было зафиксировано направление движения струй сверху вниз перпендикулярно горизонтальной поверхности. Ширина и глубина в поперечном сечении струй воды составляла около 5 мм. Явления отрыва капель воды от поверхности биопленки и свободного их падения в ванну биофильтра не наблюдалось. Появление таких струй воды было обнаружено только в круговом секторе диска S, показанном на рисунке 2.5. Периодичность появления визуально заметных струй воды на поверхности дисков в секторе S составляла не более одной секунды, одновременно наблюдалось появление не более двух-четырех таких событий.
Из гидродинамики известно, что на частицы жидкости в потоке воды, совершающей круговое движение, действуют центробежные силы, силы тяжести, силы инерции и поверхностного взаимодействия [114, 118]. В нашем случае при изучении движения пленки воды, прилипшей к поверхности вращающегося диска на горизонтально закрепленном валу, следует сказать, что из числа поверхностных сил: силы давления и силы трения, очевидно, что силы давления не играют существенной роли из-за малой величины глубины потока и поэтому не учитываются.
Анализ технологических схем по составу сооружений и оценка технического состояния оборудования, применяемых на существующих коммунальных канализационных очистных сооружениях в сельских населенных пунктах
В СНиП 2.04.03-85 [3] отсутствуют нормы и правила для проектирования дисковых биофильтров. Анализ и классификация известных математических моделей, описывающих процессы биологической очистки сточных вод на дисковых биофильтрах, и методик расчета этого типа биореакторов выполнены в диссертационных работах Л.А. Фесик [84], Ш.В. Шайеба [107] и К.К. Давода [101]. Общепринято существующие математические модели для дисковых биофильтров разделять на следующие типы: а) эмпирические модели (СВ. Яковлев, Ю.В. Воронов, И.М. Таварткиладзе, Т.П. Тарасюк, R.W. Wilson, Ю.П. Василенко и других авторов эмпирических математических моделей и методик расчета, краткие сведения о которых приводятся в работах [13, 54, 56, 58, 60]); б) формализованные модели, основанные на уравнениях ферментативных реакций (И.В. Скирдов, В.Н. Швецов, В.А. Вавилин, С.С. Кузьмин, Н.Г. Дмитриевский, В.П. Валах, Н.И. Куликов, Ю.А. Феофанов, К.К. Давод); в) диффузионные модели, основанные на уравнениях материального баланса, описывающих процессы потребления субстрата и кислорода биопленкой и их переноса на основе уравнений молекулярной диффузии (J. Famularo, П. Армоэс, М. Хенце, А.Я Олейник, И.М. Черный, Ш.В. Шайеб, О.А. Мирзаева, Н.Г. Степовая). В научно-технической литературе опубликовано 23 методики для расчета погружных биофильтров на основе вышеперечисленных математических моделей, из которых 19 методик рекомендуется применять непосредственно для расчета дисковых биофильтров [4, 13, 54, 56, 58, 60, 78, 79, 81, 83, 84, 86, 99, 100, 101, 107, 111, 121]. В работах [59, 61, 101, 107] отмечается, что существующие расчетные формулы имеют ограниченную область применения, определенную диапазоном использованных экспериментальных данных. При этом следует отметить, что значительная доля опубликованных результатов экспериментальных исследований по применению дисковых биофильтров была выполнена на концентрированных производственных сточных водах.
В книге Л.Н. Брагинского и др. [59] приводится информация о том, что попытки описания процесса биологической очистки на основе уравнения Михаэлиса-Ментен далеко не во всех случаях дают удовлетворительные результаты. Неадекватность результатов объясняется тем, что это уравнение не учитывает скорость диффузии субстрата и кислорода к поверхности хлопков ила и внутри их.
Авторы работ [59, с. 8; 61] считают, что математические модели основанные на уравнении Михаэлиса-Ментен неприменимы при низких концентрациях сточных вод. Л.Н. Брагинский и др. [59] обращают внимание на то, что эти модели не учитывают гидродинамические условия в биореакторах, которые определяют скорость переноса субстрата и кислорода.
Авторы работы [59, с. 10] считают, что математические модели, разработанные на основе уравнений стационарной и нестационарной молекулярной диффузии, не отражают истинного механизма переноса субстрата и кислорода внутрь хлопка активного ила в аэрационных сооружениях. Выполненные ими эксперименты свидетельствуют в пользу физической модели переноса субстрата и кислорода внутрь хлопка активного ила за счет механизма биологической природы, основанного на способности клонов бактерий мигрировать внутри хлопка ила и адаптироваться к условиям внешней среды.
В практике инженерного проектирования дисковых биофильтров в нашей стране [10, 58, 60] и за рубежом [56] наибольшее практическое применение находит метод расчета на основе параметра удельная нагрузка G по БПК г/сут на 1 м площади поверхности дисков. П. Армоэс и М. Хенце [56, с. 224] особо обращают внимание на то, что в странах Северной Америки и Европы нагрузку рассчитывают на 1 м2 поверхности диска, что теоретически более разумно для описания процесса, чем отнесение ее к 1 м общего объема реактора, в котором вращаются диски. На основе сведений шести авторских коллективов они приводят рекомендуемый интервал удельной нагрузки по БПК от 5 до 26 г/(м -сут) при очистке городских сточных вод при температуре 15 С до остаточной концентрации органических загрязнений по БПК до 15 мг/л.
В книгах [10, 60] приводится более широкий интервал удельной нагрузки по БПК от 7 до 100 г/(м -сут). При очистке бытовых сточных вод на дисковых биофильтрах в две ступени (на двух камерном биофильтре) ориентировочно эффект очистки может достигать 60 % при G = 80 г/(м -сут), а при очистке в три и четыре ступени — 80 и 90% соответственно при G, равном 40 и 20 г/(м2-сут).
В книге [53, с.63] приводится информация о том, что в зависимости от состава сточных вод и количества ступеней дисковых биофильтров эффект удаления органических загрязнений составляет 50-98 %, а удельная нагрузка по БПКП0ЛН достигает 200 г/(м -сут).
По результатам исследования процесса очистки бытовых сточных вод малых населенных пунктов на моделях дискового биофильтра с загрузками из тканевых, сетчатых и полиэтиленовых гофрированных трубчатых элементов установлено, что эффект полной биологической очистки (по БПК5 до 90-93 %) достигался при удельной нагрузке в пределах 15—27 г/(м -сут) [106].
При очистке производственных сточных вод предприятий дрожжевых и спиртовых производств с БПКП0ЛН до 2000 мг/л оптимальная удельная нагрузка составляет 150-250 г/(м2-сут) [85]. В работе [99] при очистке сточных вод молокозаводов с БПК5 от 380 до 4800 мг/л было установлено, что оптимальная удельная нагрузка составляет 200-480 г/(м -сут).
Похожие диссертации на Очистка бытовых сточных вод малых населенных пунктов на коммунальных очистных сооружениях с применением дисковых биофильтров
