CC BY
138
АНАЛИЗ ЭНЕРГОЗАТРАТ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ
СТОЧНЫХ ВОД
Денисов Сергей Егорович
д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой водоснабжения и водоотведения, Южно-Уральский государственный университет,
Россия, г. Челябинск Е-mail: vivsusu@mail.ru
Максимов Сергей Павлович
магистрант, Южно-Уральский государственный университет,
Россия, г. Челябинск Е-mail: balid@hotbox.ru
Маршалов Олег Викторович
канд. техн. наук, доцент кафедры физики, филиал Южно-Уральского государственного университета в г. Златоусте,
Россия, г. Златоуст Е-mail: marshalov@zb-susu.ru
THE POWER INPUTS ANALYSIS OF THE BIOLOGICAL WASTEWATER TREATMENT
Sergej Denisov
doctor of Engineering Sciences, Professor, head of the Department of water supply and sanitation, South Ural state University,
Russia, Chelyabinsk
Sergej Maksimov
master student, South Ural State University,
Russia, Chelyabinsk
Oleg Marshalov
candidate of Engineering Sciences, associate professor of the Department of Physics,
branch of South Ural State University in Zlatoust,
Russia, Zlatoust
Денисов С.Е., Максимов С.П., Маршалов О.В. Анализ энергозатрат биологической очистки сточных вод // Universum: Технические науки : электрон. научн. журн. 2015. № 4-5 (17) . URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/2160
АННОТАЦИЯ
Рассмотрен механизм биологической очистки сточных вод. Проведена оценка энергозатрат существующей технологической цепочки. Показана необходимость повышения энергоэффективности, и определены направления реализации поставленной цели.
ABSTRACT
The mechanism of the biological wastewater treatment is considered. The power inputs of the existing technology is estimated. The necessity to increase the energy efficiency is shown, the directions of implementation to serve the purpose are defined.
Ключевые слова: бытовые стоки, биологическая очистка,
энергопотребление, направления совершенствования, энергоэффективность, оптимальный размер флокул, активный ил, насыщение кислородом.
Keywords: domestic waste, biological wastewater treatment, power
consumption, directions improving, energy efficiency, optimum flocculus size, activated sludge, oxygenation.
Энергоэффективность сегодня является ключевым направлением в работе любых отраслей, в том числе и хозяйств водоснабжения и водоотведения. Главная причина повышенного расхода электроэнергии на очистку сточных бытовых вод — применение морально и физически устаревшего оборудования и технологий на предприятиях водокоммунального хозяйства. Поэтому комплексное решение данных вопросов является актуальной задачей.
Для оценки энергозатрат обратимся к схеме очистки сточных вод [1], представленной на рисунке 1. Бытовые воды проходят последовательно следующие этапы [2].
1. Механическая очистка, при которой происходит отделение взвешенных частиц. Для этих целей использую решетки, песколовки и жироловки, устанавливаемые последовательно.
2. Второй этап связан с очисткой от растворенных примесей. В этом случае используют, как правило, аэротенки, которые представляет собой открытую емкость в форме длинного извилистого коридора [1]. Подача бытовых сточных вод сопровождается постоянным подмешиванием в определенных пропорциях биомассы микроорганизмов в виде водной суспензии. Сточные бытовые воды несут, преимущественно в своем составе, массу органических соединений, которые являются отходами жизнедеятельности человека и в то же время своеобразной пищей для определенных микроорганизмов [3]. Эти микроорганизмы усваивают органику, за счет этого растут и размножаются, а концентрация загрязнений в воде, по мере продвижения по коридору, понижается.
Рисунок 1. Схема очистки сточных бытовых вод
Необходимо заметить, что насыщение кислородом очищаемой воды на этом этапе является необходимым и обязательным условием активной деятельности микроорганизмов по размножению, росту и переработке растворенных органических веществ. Для этих целей на дне аэротенка устанавливают специальные устройства, в которые непрерывно мощными
компрессорами подают воздух. Эти устройства снабжены огромным числом отверстий, через которые воздух проникает в движущуюся жидкость. Пузырьки воздуха, проходя через водную смесь, частично растворяются в ней.
Растворенный кислород используется микроорганизмами для дыхания, в результате чего они получают энергию, необходимую для биосинтеза новых микроорганизмов [4]. Заметим, что микроорганизмы потребляют кислород, находящийся только в растворенном состоянии. Поэтому важнейшей технической характеристикой аэротенка является то, какое количество кислорода в растворенном состоянии вводится в единицу объема аэротенка в единицу времени при постоянной аэрации водной суспензии и как быстро происходит падение концентрации растворенного кислорода в обрабатываемой среде. Последние характеристики являются важнейшими в цепочке биологической очистки сточных вод, а их величина является мерой конструктивного совершенства аппаратов, в частности устройств, обуславливающих насыщение среды кислородом [5].
Как было показано, эффективность биологической очистки зависит и от размера флокул, так как она определяет скорость окисления поверхностью микроорганизмов, входящих в состав активного ила [6]. Скорость окисления определяется скоростью доставки органических веществ к поверхности бактериальных клеток. Доставка осуществляется с помощью молекулярной диффузии, которые происходят в слое II (рисунок 2). Чем тоньше слой II, тем быстрее происходит диффузия и тем выше скорость насыщения флокулы органическими веществами из стоков.
Для уменьшения пограничного слоя требуется эффективное
перемешивание [5]. Разбиение хлопьев активного ила и возможное, но нецеленаправленное уменьшение размеров частиц микроорганизмов происходит на этапе регенерации методом барботирования, то есть процессом пропускания газа (воздуха) через слой жидкой обрабатываемой среды. Процессы насыщения кислородом и барботирования являются
высокозатратными, поскольку интенсивность аэрации может составлять 10 м3 /(м3 ч) и более.
Рисунок 2. Структура флокулы в диффузионной модели
I — очищаемая среда;
II — пограничный слой между слоем переработки органики и средой;
III — объём внутри флокулы с переменной концентрацией
субстрата;
IV — объём внутри флокулы с нулевой концентрацией субстрата.
Перечисленные процессы имеют, как правило, электрический привод или используют в своей работе электрическую энергию. Часть из этих устройств подлежит относительно простой модернизации, например привода поворота или вращения решеток, за счет установки прогрессивных двигателей и блоков регулирования их работы. Экономия электроэнергии за счет показанного варианта в диапазоне 15...20 % является, однако, незначительной, так как эти механизмы не входят в группу основных потребителей электричества. Значительные затраты наблюдаются на этапах насыщения кислородом среды и осуществления в начале аэротенка активного процесса регенерации активного ила. Мощные компрессоры при этом являются основными потребителями энергии в представленной технологии биологической очистки сточных вод.
Ощутимого снижения энергозатрат можно добиться, используя современные устройства эффективного растворения кислорода в жидкой среде за счёт увеличения площади межфазной поверхности без увеличения объёма подаваемого воздуха. Вместе с тем необходимо осуществлять целенаправленную размерную регенерацию микроорганизмов до определенных величин, тем самым повышая их активность и способность к продолжительному очищению среды от растворенных примесей. Сохраняя неизменной технологическую последовательность очистки, можно добиться повышения ее эффективности адресным преобразованием значимых характеристик и величин процесса.
Список литературы:
1. Максимов С.П., Алексеев И.А. Обзор методов биологической очистки сточных вод / /Технические науки — от теории к практике. — 2014. — № 41. — С. 95—101.
2. Мосин О.В. Биологическая очистка сточных вод / [Электронный ресурс]. —
Режим доступа: http://www.o8ode.ru/article/planetwa/oprecnenie
/biologi4eckaa_o4ictka_cto4nyh_vod.htm (дата обращения: 12.04.2015).
3. Нюансы очистки сточных вод / [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://kanalizaciya-expert.ru/naruzhnaya/stochnye-vody/ochistnye-sooruzheniya-kanalizacii-99 (дата обращения: 02.03.2015).
4. Очистка сточных вод. Биологические и химические процессы/ М. Хенце, П. Армоэс, Й. Ля-Кур-Янсен, Э. Арван. — М.: Мир, 2004. — 480 c.
5. Современные методы интенсификации работы аэротенков на очистных сооружениях больших городов: обзорная информация / В.И. Калицун, В.Н. Николаев, В.Д. Журавлёв, М.Г. Картавцева. — М.: МГЦНТИ. — 1985. — Вып. 6. — 24 с.
6. Юдаев В.Ф., Маршалов О.В., Биглер В.И. Ячеечная модель поглощения субстрата флокулами активного ила // Хранение и переработка с/х сырья. — 2007. — № 11. — С. 66—68.
