Содержание к диссертации
Введение
1. Биологическая очистка городских сточных вод от азота и фосфора при повышенных дозах активного ила 9
1.1. Анализ существующих теорий процессов биологического удаления азота и фосфора 9
1.2. Технические методы повышения производительности сооружений биологической очистки сточных вод 16
1.2.1. Технология с использованием мембранных биологических реакторов 17
1.2.2. Технология очистки сточных вод с использованием свободно плавающих загрузок 21
1.2.3. Технология с использованием полочных модулей 23
1.3. Технологические методы повышения производительности сооружений биологической очистки сточных вод 26
1.3.1. Технология очистки сточных вод аэробным гранулированным активным илом 26
1.3.2. Использование коагулянтов для увеличения скорости илоразделения во вторичных отстойниках 29
1.4. Выводы 32
1.5. Постановка цели и задач исследования 32
2. Исследования технологии очистки сточных вод с повышенными дозами активного ила в полупромышленных условиях 34
2.1. Условия проведения полупромышленных исследований 35
2.2. Результаты экспериментальных исследований по повышению дозы активного ила на полупромышленной установке 38
2.3. Изучение кинетики илоразделения при работе сооружений с повышенными дозами ила 46
2.4. Выводы по главе 52
3. Исследования технологии очистки сточных вод с повышенными дозами активного ила в промышленных масштабах 53
3.1. Условия проведения промышленных исследований 53
3.2. Результаты исследований по повышению дозы ила в аэротенке в промышленных условиях эксплуатации 56
3.3. Оптимизация технологии и оценка работы сооружений с повышенными дозами ила при резких колебаниях нагрузки по органическим загрязняющим веществам .66
3.4. Выводы по главе 78
4. Математическое описание результатов исследований технологии очистки сточных вод от биогенных элементов при повышенных дозах активного ила 79
4.1. Определение общего возраста активного ила для совместного удаления азота и фосфора из сточных вод при работе сооружений с повышенными дозами активного ила 79
4.2. Разработка методики расчета технологического режима эксплуатации сооружений с повышенными дозами активного ила 84
4.3. Определение кинетических параметров процессов нитрификации и денитрификации 94
4.4. Выводы по главе 107
5. Разработка методики расчета для проектирования, рекомендации на эксплуатацию и технико-экономические показатели работы сооружений с повышенными дозами активного ила 108
5.1. Разработка методики расчета для проектирования сооружений с повышенными дозами активного ила 108
5.2. Рекомендации по пусконаладочным работам и эксплуатации аэротенков с повышенными дозами ила 118
5.3. Технико-экономические показатели технологии очистки сточных вод с повышенными дозами ила 121
5.4. Выводы по главе 126
Общие выводы 127
Список литературы 129
- Технология с использованием мембранных биологических реакторов
- Результаты экспериментальных исследований по повышению дозы активного ила на полупромышленной установке
- Оптимизация технологии и оценка работы сооружений с повышенными дозами ила при резких колебаниях нагрузки по органическим загрязняющим веществам
- Разработка методики расчета технологического режима эксплуатации сооружений с повышенными дозами активного ила
Введение к работе
Современные требования, предъявляемые к качеству очищенной сточной воды, ставят перед предприятиями коммунального хозяйства задачи реконструкции существующих сооружений под технологии удаления биогенных элементов. При реализации процессов совместного биологического удаления азота и фосфора необходимо большее время пребывание, чем при работе сооружений только на удаление органических загрязнений, что ведет к необходимости увеличения объемов аэротенков на 20-30%. Значения илового индекса, как правило, повышаются с 80-100 см3/г до 150-200 см3/г. Таким образом, количество вторичных отстойников также должно быть увеличено. При существующей тенденции сокращения размеров площадей, выделяемых под строительство новых и реконструкцию существующих очистных сооружений, возникает необходимость разработки технологий, обеспечивающих процессы очистки сточных вод от биогенных элементов с заданной эффективностью без увеличения объемов сооружений.
Актуальность работы. Формирование активного ила с пониженными, для технологии биогенных элементов, значениями илового индекса, может стать решением задачи увеличения производительности сооружений без дополнительных капитальных затрат. Технологии, основанные на культивировании илов, обладающих специфическими свойствами, успешно развиваются с 1970-х годов (анаэробная очистка промышленных сточных вод с применением метаногенных гранул ила). Таким образом, актуальными являются исследования в области повышения производительности сооружений биологической очистки сточных вод от азота и фосфора за счет увеличения дозы активного ила, полученной селекционным методом.
Цель работы состояла в разработке эффективной технологии, позволяющей интенсифицировать работу сооружений биологической очистки городских сточных вод от азота и фосфора с помощью повышенных доз активного ила (4,5-6,5 г/л), полученных направленной селекцией.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
исследовать основные закономерности повышения дозы активного ила в сооружениях очистки сточных вод от биогенных элементов, селекционным методом;
оценить работу сооружения с повышенными дозами ила в период резкого увеличения нагрузки по органическим загрязняющим веществам;
определить параметры работы сооружений с повышенными дозами ила, позволяющие обеспечивать глубокое биологическое удаление фосфора из сточных вод, качественного состава характерного для г. Москвы;
определить кинетические параметры процессов нитрификации и денитрификации для проектирования сооружений биологической очистки сточных вод по предложенной технологии;
разработать методику, позволяющую рассчитать технологические параметры работы аэротенков при их переходе на исследуемую технологию очистки сточных вод, а также определить период пусконаладочных работ;
подготовить методику расчета для проектирования сооружений биологической очистки сточных вод от азота и фосфора с повышенными дозами активного ила, полученными селекционным способом;
провести технико-экономическую оценку разработанной технологии в сравнении с традиционной схемой очистки сточных вод с дозой активного ила 2,5-3,0 г/л.
Научная новизна работы заключается в следующем:
теоретически обоснована и экспериментально подтверждена технологическая возможность увеличения производительности сооружений очистки сточных вод от биогенных элементов до 30% с помощью повышенных доз активного ила, полученных селекционным методом, и дано математическое описание процесса;
выявлена взаимосвязь между значением илового индекса и дозы активного ила в процессах очистки сточных вод от биогенных элементов при селекции активного ила с повышенными скоростями осаждения;
определено влияние резкого увеличения нагрузки по органическим загрязняющим веществам (при залповом поступлении загрязнений) на работу сооружения с повышенными дозами активного ила, обладающих пониженными значениями илового индекса;
определены кинетические характеристики процессов нитрификации и денитрификации, необходимые для расчета сооружений работающих по технологии с повышенными дозами активного ила, полученными селекционным способом, с достижением заданного качества очищенного стока.
Практическая ценность:
реализован в полупромышленных, а также промышленных условиях метод формирования активного ила, обладающего пониженными, для технологии удаления биогенных элементов, значениями илового индекса;
показано, что для реализации процесса глубокого удаления фосфора из сточных вод качественного состава, характерного для г. Москвы, при эксплуатации аэротенков с повышенными дозами ила необходимо время пребывания в анаэробной зоне сооружения 1 час, и общий возраст ила должен составлять от 12 до 19 суток;
разработана методика расчета параметров работы аэротенков, позволяющих обеспечивать глубокую очистку сточных вод от азота и фосфора, при их переходе на технологию с повышенными дозами активного ила;
предложена методика расчета для проектирования сооружений биологической очистки сточных вод от биогенных элементов с повышенными дозами активного ила;
экономически обоснована перспективность применения предложенной технологии для очистки городских сточных вод от азота и фосфора.
Достоверность полученных результатов подтверждается большим объемом и длительностью экспериментальных исследований на полупромышленных и промышленных сооружениях очистки сточных вод, сходимостью результатов моделирования с экспериментальными данными, применением стандартизированных методов измерений и анализов.
Апробация работы и публикации. Изложенные в диссертационной работе материалы докладывались и обсуждались на ежегодных конференциях профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета (СПбГАСУ) (2008-2011 гг.), на ежегодных международных научно-технических конференциях молодых ученых СПбГАСУ “Актуальные проблемы современного строительства” (2007-2010 гг.), на юбилейной X-ой международной межвузовской научно-технической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов Московского государственного строительного университета “Строительство – формирование среды жизнедеятельности” (2007 г.); на 8-ом международном конгрессе “Вода: экология и технология” - Экватэк-2008; на четвертых академических чтениях РААСН, проведенных в Петербургском государственном университете путей сообщения, на тему “Новые исследования в областях водоснабжения, водоотведения, гидравлики и охраны водных ресурсов” (2009 г.).
По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованном ВАК.
На защиту выносятся:
результаты исследований по изучению процессов удаления биогенных элементов из сточных вод с повышенными дозами активного ила, полученными методом направленной селекции;
математическое описание процессов увеличения концентрации биомассы в аэротенках при выводе их на технологический режим с повышенными дозами ила;
технологические параметры эксплуатации сооружений с повышенными дозами ила, позволяющие обеспечивать глубокое удаление азота и фосфора из сточных вод;
методика расчета для проектирования сооружений с повышенными дозами ила и показатели экономической эффективности разработанной технологии.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 150 страницах машинописного текста, включает 23 таблицы, 66 рисунков и состоит из введения, пяти глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы из 136 наименований и 2 приложений.
Технология с использованием мембранных биологических реакторов
Наличие в технологической схеме очистки анаэробной зоны, которую должна пройти биомасса перед попаданием в условия, где есть акцептор электронов - кислород или нитрат. При поступлении сточной воды в анаэробные условия ФАО поглощают легкоокисляемую органику, конвертируют и запасают в виде полимерных насыщенных оксикислот (ПНО). Процесс накопления обеспечивается энергией, выделяющейся при разложении полифосфатов, в результате чего образуется ортофосфат [22, 23]. Как показали исследования Scheer Н. [24], время пребывания в анаэробной зоне обычно составляет 1-3 ч, рассчитывается на сумму пикового расхода в сухой период и расход возвратного ила и зависит от содержания легкоокисляемой органики в исходной воде, от дозы активного ила и от содержания нитратов в иловой смеси.
Наличие в схеме очистки сточной воды аноксидной и аэробной зон. При прохождении иловой смеси через эти зоны происходит рост биомассы, сопровождающейся потреблением фосфата и запасом его в виде полифосфатов; параллельно происходит синтез гликогена. На осуществление этих процессов затрачивается энергия окисления ПНО [25, 26].
Наличие в сточной воде достаточного количества легкоокисляемой органики для запуска всех механизмов синтеза органических полимеров [27]. Необходимое количество легкодоступной органики для удаления 1 мг фосфора по данным различных источников широко варьируется: от 7-10 мг ацетата [11, 28] до 20 мг ХПКлегкодоступ [7, 18] на 1 мг фосфора.
В большинстве городов России сточные воды, поступающие на очистные сооружения, содержат недостаточное количество легкоокисляемой органики для протекания стабильной дефосфотации. Как показывают исследования Меркель О.М., комбинированный метод очистки сточных вод с добавлением уксусной кислоты для увеличения концентрации доступной органики позволяет сокращать объем анаэробной зоны, и обеспечивать качество очищенной сточной жидкости от фосфора до уровня ПДКрыбхоз в любой период года [29]. Представляет интерес способ повышения летучих жирных кислот (ЛЖК) за счет использования продуктов метаболизма, образованных в результате протекания первой стадии анаэробного сбраживания осадка из первичных отстойников - ацидофикация [30, 31]. На Сестрорецкой станции аэрации (Санкт-Петербург) производительностью 13,9 тыс.м3/сутки один из первичных отстойников действовал в обычном режиме, пропуская 60-70% общего стока. Во второй отстойник, функционирующий в режиме сбраживателя, подавался весь осадок из первого отстойника и 30-40% сточных вод. В результате содержание общего фосфора в очищенной воде снизилось с 1,1-1,5 до 0,8-1 мг/л [32]. Таким образом, применение ацидофикации позволяет на 30% повысить эффективность удаления фосфора из сточных вод.
По рекомендациям Kaschka Е. и Weyrer S. [33] аэробный возраст активного ила должен составлять 3...20 суток. Согласно данным Wentzel [34] при возрасте ила менее 3 суток содержание полифосфатов становится слишком низким для обеспечения поглощения ацетата в анаэробных условиях; следовательно, наблюдается срыв процесса очистки даже при достаточном количестве доступного ацетата. В одноиловых системах оптимальный возраст активного ила определяется с учетом процесса нитрификации и составляет 6...8 суток. Слишком высокие возраста активного ила могут приводить к следующим последствиям [35]: снижение прироста активного ила, в результате чего выведение фосфора из системы, связанное с включением в биомассу «обычных» бактерий снижается; избыточная аэрация - все запасные вещества ФАО, включая гликоген, окисляются, происходит ингибирование роста бактерий и, следовательно, срыв процесса биологического удаления фосфора; минерализация микробной массы активного ила с выделением растворимых фосфатов. 5. Отсутствие азота нитратов в анаэробной зоне, так как на денитрификацию будет расходоваться, в первую очередь, дефицитная легкодоступная органика в соотношении 3-6 мгХ1Жлегкоокисл/мгМ-г Юз [36, 37]. 6. Отсутствие растворенного кислорода в потоке поступающей сточной воды. Как показал опыт эксплуатации нового блока удаления биогенных элементов Люберецких очистных сооружений (г. Москва), в результате низкой геодезической посадки блока при проектировании, приведшей к возникновению водосбросов по длине подводящих и распределительных каналов, концентрация растворенного кислорода, в воде, поступающий в анаэробный коридор, составляла 4-5 мг/л, окисляя легкодоступную органику и уменьшая скорость удаления фосфора [38]. Наиболее существенным недостатком глубокого биологического удаления фосфора является обратимость процесса биологической аккумуляции фосфатов. Бактерии способны к расщеплению внутриклеточных полифосфатов и выделению фосфатов в окружающую среду. Данный факт необходимо учитывать при обработке илов очистных сооружений. Так, время пребывания ила в отстойниках должно быть ограничено; кроме того, снабжение кислородом аэробной зоны аэротенка должно проводиться в режиме, обеспечивающим достаточное количество кислорода на выходе из сооружения, чтобы предотвратить создание анаэробных условий во вторичном отстойнике [39]. Совершенствование процессов биологической очистки сточных вод продолжается, и в настоящее время существует большое количество технологических схем работы аэротенков, позволяющие достичь ПДКрыбхоз как от азота, так и от фосфора [40, 41, 42, 43]. Проведенный анализ результатов работы аэротенков по различным схемам совместного удаления биогенных элементов, позволил нам выбрать для проведения экспериментальных исследований технологическую схему, представленную на рис. 3.2, как наиболее отработанную и эффективную для очистки стоков качественного состава характерного для г. Москвы. Для описания кинетических закономерностей удаления загрязнений из сточных вод Яковлевым СВ., Бондаревым А.А., Скирдовым И.В., Швецовым В.Н., Морозовой К.М., Мишуковым Б.Г. и др. разработаны математические модели, основанные на использовании модифицированных уравнений ферментативных реакций [44, 6, 10, 45, 46, 47]. Наиболее детализированное описание кинетики удаления биогенных элементов дает модель Activated Sludge Model (ASM) [48, 49]. На сегодняшний день, большинство программных продуктов, моделирующих работу очистных сооружений (BioWin, GPS-X и др.), созданы на математической базе модели ASM [50].
Результаты экспериментальных исследований по повышению дозы активного ила на полупромышленной установке
На основании проведенного литературного обзора были сформулированы цель и задачи исследований. Целью настоящей работы являлось разработка эффективной технологии, позволяющей интенсифицировать работу сооружений биологической очистки городских сточных вод от азота и фосфора с помощью повышенных доз активного ила (4,5-6,5 г/л), полученных направленной селекцией.
Задачи работы: - исследовать основные закономерности повышения дозы активного ила в сооружениях очистки сточных вод от биогенных элементов, селекционным методом; - оценить работу сооружения с повышенными дозами ила в период резкого увеличения нагрузки по органическим загрязняющим веществам; - определить параметры работы сооружений с повышенными дозами ила, позволяющие обеспечивать глубокое биологическое удаление фосфора из сточных вод, качественного состава характерного для г. Москвы; - определить кинетические параметры процессов нитрификации и денитрификации для проектирования сооружений биологической очистки сточных вод по предложенной технологии; - разработать методику, позволяющую рассчитать технологические параметры работы аэротенков при их переходе на исследуемую технологию очистки сточных вод, а также определить период пусконаладочных работ; - подготовить методику расчета для проектирования сооружений биологической очистки сточных вод от азота и фосфора с повышенными дозами активного ила, полученными селекционным способом; - провести технико-экономическую оценку разработанной технологии в сравнении с традиционной схемой очистки сточных вод с дозой активного ила 2,5-3,0 г/л. 2. Исследования технологии очистки сточных вод с повышенными дозами активного ила в полупромышленных условиях Определению оптимальной повышенной дозы активного ила в очистных сооружениях посвящено большое количество научно-исследовательских работ. В работе Мойжес О.В. установлено, что для очистки производственных сточных вод (БПКП0ЛН - 400-600 мг/л) в аэротенках циклического действия оптимальной дозой ила является доза до 7,5 г/л при иловом индексе 102-118 см/г и 30-минутном отстаивании [116]. Исследования по очистке городских сточных вод (взвешенные вещества - 90-200 мг/л; ХПК - 180-300 мг/л; БПКП0ЛН- 120-210 мг/л; азот аммонийный - 17-30 мг/л; фосфор — 2,3-4 мг/л), проводимые на пилотной установке с мембранным биореактором показали, что поддерживать дозу ила в биореакторе выше 8 г/л технологически нецелесообразно, не только из-за процессов самоокисления ила и накопления продуктов метаболизма, которые сопровождаются ухудшением качества очищенной воды, но и заметного ухудшения условий массопередачи [117]. Таким образом, на основании проведенных ранее исследований, нами было принято решение повысить дозу активного ила с 2-2,5 г/л до 6-7 г/л с последующим гравитационным илоразделением во вторичном отстойнике. На данном этапе исследований нами были поставлены следующие задачи: - установить основные закономерности повышения дозы активного ила методом направленной селекции; - оценить возможность самоорганизации микробиального сообщества, обладающего повышенными скоростями осаждения и соответственно пониженными, для технологии удаления биогенных элементов, значениями илового индекса; - определить седиментационные характеристики полученного активного ила. 2.1. Условия проведения полупромышленных исследований Исследования по повышению дозы активного ила проводились нами на полупромышленной установке удаления биогенных элементов (ПУУБЭ), расположенной на Курьяновских очистных сооружениях (КОС) г. Москвы (Рис. 2.1). Проведение экспериментов на полупромышленной установке позволило нам, в первую очередь, избежать негативного влияния пристеночных эффектов характерных для лабораторных установок. установки удаления биогенных элементов: А - первый этаж. Б - второй этаж. Полупромышленная установка состоит из 10 колонн и одного вторичного отстойника. Каждая колонна имеет объем 100 л, оснащена перемешивающим устройством с регулированием числа оборотов в диапазоне 100-900 об/мин и аэратором, что позволяет отрабатывать различные схемы очистки сточных вод. Вторичный отстойник стандартной конфигурации с зубчатым переливом и воротниковыми устройствами сбора осветленной воды. Объем отстойника - 340 л, общая глубина - 1,8 м. Осветленная сточная вода на ПУУБЭ с помощью насоса подается из промышленного первичного отстойника.
Оптимизация технологии и оценка работы сооружений с повышенными дозами ила при резких колебаниях нагрузки по органическим загрязняющим веществам
На втором этапе исследований нами проводилась оптимизация процессов удаления азота и фосфора при работе аэротенка с повышенными дозами активного ила. На текущем этапе эксперимента аэротенк выводился на режим с повышенными дозами ила согласно технологическим параметрам, полученным расчетным путем (см. п. 4.2).
После запуска сооружения доза активного ила в аэротенке находилась в диапазоне от 2,5 г/л до 3,0 г/л при иловом индексе 130-180 см3/г.
Осветленная сточная вода имела следующие концентрации загрязняющих веществ: взвешенные вещества - 65... 125 мг/л; БПК5 - 60... 100 мг/л; ХПК -205...380 мг/л; N-NH4 - 17...21 мг/л; Р-Р04 - 1,9...2,6 мг/л. Таким образом, средний состав сточной воды на обоих этапах был практически одинаковый. Аналогично первому этапу исследований, расход возвратного активного ила поддерживался постоянным, и за счет уменьшения расхода избыточного активного ила общий возраст активного ила составлял 20-30 сутки. В начальный период эксперимента масса органических загрязнений, поступающих на очистку, поддерживалась на уровне 5300 кгБПКз/сутки при средних значениях илового индекса 130-150 см3/г. (Рис. 3.12, I период). После увеличения гидравлической нагрузки в 1,1-1,3 раза и БПК5 в 1,5-1,6 раза, то есть при суточном повышении Q BnK5 в 1,8-2 раза, доза ила в аэротенке постепенно была увеличена с 3 до 5 г/л за период 10 суток (Рис. 3.12, II период). При этом через двое суток был зафиксирован вынос взвешенных веществ до 10-11 мг/л, продолжавшийся 5 суток, в результате которого произошло вымывание мелких фракций ила. Значения илового индекса постепенно снизились до 110-120 см3/г. Количество нитчатых бактерий в активном иле сократилось по сравнению с началом эксперимента. После увеличения дозы активного ила до 4,9-5,2 г/л масса органических загрязнений была снижена в 1,2 раза для соблюдения стабильной концентрации взвешенных веществ в очищенной воде (Рис. 3.12, III период). На этом же этапе общий возраст активного ила был уменьшен до 14-16 суток. Далее 40 суток доза ила в аэротенке составляла в среднем 5-5,4 г/л, иловый индекс уменьшился до 80-90 см3/г. Концентрация взвешенных веществ в очищенной сточной воде изменялась от 5 до 8,5 мг/л. Наблюдаемый коэффициент прироста активного ила по БПК,0Л1, составил 0,3-0,4 мг ила/мг БПКполн. Таким образом, достигнутая доза активного ила на 15% меньше по сравнению с дозой ила в аэротенке на первом этапе исследований. Это объясняется тем, что расход избыточного активного ила был увеличен в 1,4-1,6 раза для поддержания общего возраста активного ила не более 19 суток. Микроскопические исследования, проводимые в ходе второго этапа эксперимента, показали изменения структуры активного ила. Аналогично первому этапу эксперимента, был сформирован активный ил компактной, округлой формы с низким содержанием нитчатых бактерий. На рис. 3.13 представлены зависимости значений илового индекса от дозы активного ила в аэротенке на первом и втором этапах промышленного эксперимента при применении метода направленной селекции по уравнению (2.1). Корреляция между расчетными и реальными зависимостями составила 0,85-0,87, что позволяет сделать вывод о достаточно высокой точности подобранных коэффициентов в уравнении (2.1). Показатели очищенной сточной воды, полученные на втором этапе исследований: N-NH4=0,2-0,4 мг/л, N-N02 =0-0,03 мг/л, N-N03 =6,5-8,5 мг/л (Рис. 3.14). Концентрация Р-Р04 в очищенной воде на начальном этапе составляла 1,5-2,0 мг/л при общем возрасте активного ила 24-30 суток. После вывода сооружения на режим с повышенными дозами активного ила проводилась оптимизация процесса удаления фосфора из сточной воды. В ходе наладки процесса нами изучались кинетики выделения-поглощения фосфора фосфатов, как в промышленных, так и в лабораторных условиях, которые позволили установить основные причины недостаточной глубины удаления фосфора. Период, сутки Рис. 3.14. Динамика качества очищенной сточной воды в период второго этапа эксперимента: 1 - по аммонийному азоту; 2- азоту нитритов; 3 - азоту нитратов.
Технологическим критерием наличия фосфат-аккумулирующих микроорганизмов (ФАО) является интенсивность роста концентрации фосфатов в конце анаэробной зоны, происходящего в результате разложения внутриклеточных полифосфатов. Типичные динамики выделения-поглощения фосфатов по длине аэротенка при благоприятных для биодефосфотации условиях (кривая №1) и без них отражены на Рис. 3.15. При благоприятных условиях скорости выделения и поглощения фосфора фосфатов активным илом в натурных условиях (пробы отбирались по длине аэротенка) составляли 2,3-2,6 мгР-РСУгБВ ч и 0,4-0,5 MrP-P(VrEB 4 соответственно (Рис. 3.15, кривые №1-3). Высокий общий возраст активного ила (более 16 суток), а также недостаточное количество легкоокисляемой органики в осветленной сточной воде способствуют уменьшению количества ФАО в активном иле, и скорости выделения-поглощения фосфора при этом уменьшаются в 2-3,5 раза (Рис. 3.15, кривые №4-5).
Изменение концентрации фосфора фосфатов от времени пребывания в анаэробных условиях показано на Рис. 3.16. Скорость выделения фосфатов в первый час лабораторного эксперимента варьировалась от 3,8 до 6 мгР
Разработка методики расчета технологического режима эксплуатации сооружений с повышенными дозами активного ила
Для определения скоростей нитрификации и денитрификации в сооружениях, работающих по технологии с повышенными дозами активного ила, предварительно был проведен анализ зависимости скорости удаления аммонийного азота от содержания кислорода в аэротенке, от количества субстрата (N-NH4) и от температуры (уравнение 1.3), а также зависимости скорости восстановления азота нитратов от концентрации органического вещества в стоке, концентрации субстрата (N-N03) в сооружении, наличии растворенного кислорода в аноксидной зоне и температуры (уравнение 1.4). Из уравнения (1.4) были исключены составляющие, описывающие влияние концентрации растворенного кислорода и количества органического вещества в зоне денитрификации, так как в период проведения промышленных исследований в аноксидную зону аэротенка не осуществлялся заброс кислорода (проводились регулярные измерения), и по проведенному ниже расчету, органических веществ для полного удаления нитратов достаточно.
Расчет необходимого количества органических веществ для проведения процесса денитрификации через ХПК. С учетом того, что в аэротенке организован процесс биологического удаления фосфора, количество органических веществ, поступивших в аноксидную зону, составит: ХПК,,, , , = ХПКобщ -ХПКл1в = ХПКобщ &00-(7-10)] = 191 342мг/л, (4.23) где ХПКоСщ=205-380 мг/л - ХПК на входе в экспериментальный аэротенк; ХПКд/о - фракция легкоокисляемой органики, составляющая 7-10% от ХГЖобщ [7]. ХПКл/о - фракция, которая может быть использована фосфат-аккумулирующими микроорганизмами (ФАО) в анаэробных условиях (преимущественно ацетат). Данная фракция определяется методом дифференциальной респирометрии, заключенным в определении динамики скорости поглощения кислорода активным илом [131]. Количество ХПК на восстановление азота нитратов в анокидной зоне: ЦхПКден1,тр=АМ-Ы03 -ХПК, „г_„з =(15...20)-(2,87...5) = 43...Ю0 мг/л, (4.24) где AN-N03 - концентрация азота нитратов, удаляемая в аноксидной зоне; ХПКі_мг_м-шз - количество ХПК на восстановление 1 мг N-N03 до N2 (2,87-5 мг ХПК в зависимости от фракции [132]).
Анализ уравнений (4.26)-(4.27) показывает, что для расчета скоростей нитри-денитрификации необходимо было в лабораторных тестах определить следующие параметры: максимальную удельную скорость нитрификации -Р икс_ы-ми константу полунасыщения по N-NH4 - KSNHt, константу полунасыщения по кислороду - KSt0i; максимальную удельную скорость денитрификации - pmKC_N_NOl , константу полунасыщения по N-NO3 - KSNOi.
Как известно, константа полунасыщения - это концентрация субстрата, при которой скорость реакции v составляет половину от максимальной Vmax (Рис. 4.9, А). Максимальная скорость Vmax, определяемая по графику, построенному в прямых координатах, является величиной асимптотической и рассчитывается недостаточно точно. Поэтому, для определения констант полунасыщения был применен метод двойных обратных величин [133]. На графике обратной зависимости начальной скорости реакции от начальных величин концентрации субстрата у = f[y\ продлевают полученную прямую за ось ординат. Тогда на абсциссе отсекается отрезок, соответствующий обратной величине константы полунасыщения - 1/Кт (Рис. 4.9, Б). В результате, константа полунасыщения определяется, когда скорость реакции пропорциональна концентрации субстрата (реакция первого порядка).
Анализ зависимости удельной скорости нитрификации от концентрации аммонийного азота при константах полунасыщения, приведенных в [7] показал, что при концентрациях N-NELH), 1-0,9 мг/л скорость реакции описывается уравнением первого порядка и при N-NH4 6 мг/л скорость описывается уравнением нулевого порядка. По аналогичной зависимости удельной скорости окисления аммонийного азота от концентрации растворенного кислорода в реакторе было получено, что при О2=0,1-0,7 мг/л скорость реакции описывается уравнением первого порядка, и при О2 6,0 мг/л скорость реакции описывается уравнением нулевого порядка. Зависимость удельной скорости денитрификации от концентрации азота нитратов (константы взяты из [7]) при N-NO3 0,8-l мг/л описывается уравнением первого порядка; при N-N03 5-6 мг/л описывается уравнением нулевого порядка.
Таким образом, при проведении исследований необходимо было соблюдать следующие технологические условия: при определении константы полунасыщения по аммонийному азоту начальная концентрация N-NHU должна быть меньше 0,9 мг/л; при определении константы полунасыщения по кислороду концентрация 02 должна быть меньше 0,7 мг/л; при определении константы полунасыщения по азоту нитратов начальная концентрация N-N03 должна принимать значения меньше 1 мг/л.
Эксперименты проводились нами в лабораторных условиях, так как в промышленных условиях возникает погрешность в расчете времени реакции из-за суточной неравномерности притока. Этапы определения кинетических параметров процессов нитри-денитрификации представлены ниже.
Подготовка оборудования для экспериментов (Рис. 4.10): емкость объемом 5 л; компрессор аквариумный фирмы Neto (производительность - 4 л/мин); лопастная, верхнеприводная мешалка EUROSTAR power control-vise фирмы IKA; фильтры обеззоленные "Белая лента"; стеклянные воронки; колбы для фильтрования иловой смеси; баночки для проб (50 мл).
