CC BY
146
Б/2011 ВЕСТНИК
ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОКИСЛИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ В АЭРОТЕНКЕ
FACTORS AFFECTING THE AFFICIANCY OF OXIDATION PROCESSES IN THE AERATION TANK
П.Д. Викулин, A.O. Фролова P.D. Vikulin, A.O. Frolova
ФГБОУВПО МГСУ
Рассмотрены уравнение модели аэротенка в общем виде и модель идеального вытеснения, типы аэрации, а так же необходимые условия для оптимальной и эффективной работы аэротенка.
The equations of the model of the aeration tank in general form and the model of ideal displacement, the types of aeration and also the necessary conditions for the optimal and efficient operation of the aeration tank.
Основным элементом станций биохимической очистки сточных вод является аэро-тенк. Процессы, протекающие в аэротенке, отличаются значительной сложностью, а их теоретическое изучение далеко от завершенности. Для прогнозирования, планирования, оперативного управления и контроля за качеством водной среды, необходимо комплексное описание гидродинамических и микробиологических процессов в аппаратах.
В аэротенке происходит выделение и окисление биохимическим путем мельчайших взвешенных веществ и суспензии, коллоидных и растворимых органических веществ с помощью вводимого в стоки «активного ила» и воздуха. Активный ил - биоценоз аэробных бактерий и простейших микроорганизмов, развивающихся на органических загрязнениях. Он способен адсорбировать на своей поверхности и окислять в присутствии кислорода воздуха органические вещества сточной воды, которые являются загрязнителями.[5].
Прежде чем выделить основные факторы, влияющие на эффективность окислительных процессов, рассмотрим обобщенную схему организации потоков в аэротенке (рис.1):
В зависимости от значений величины P1i, P2i, P3i данная схема может деформироваться в более простые. Выведем уравнение модели аэротенка в общем виде. Составим материальный баланс для элемента аппарата dl, как это показано на рис.2, по субстрату (S), активному илу (X), и кислороду (С):
PS + FD — + FD^dl + S0v1 (l)dl - FD — - PS - P—dl - S—dl -dl dl dl dl dl
_ ^-^Ldl2 - W1(S, X, С)Fdl = 0; dl dl
PX + FD— + FDd-X- dl + X0v2 (l)dl - FD— - PX - P— dl - X—dl -dl dl dl dl dl
-——dl2 - W2 (S, X, C)Fdl = 0; dl dl 2
ВЕСТНИК МГСУ
8/2011
PC + FD — + FD^dl + KC0v3(l)dl - FD — - PC - P—dl - C — dl dl dl
dP dC
dl
dl
dl
dl dl
dl2 - W3(S, X, C)Fdl = 0.
CB -ли
SlPI
X:.P:
Pj
i_\ /_\
АЭРОТЕНК
ClPs
S^Xe С :i.?-
B -
Рис.1. CB - сточная вода; АИ - активный ил; ОВ - очищенная вода; В - воздух; Р1 - общий расход поступающей сточной воды в аэротенк, м3/ч; Р2 - общий расход поступающего ила в аэротенк, м3/ч; Р3 - общий расход воздуха, подаваемого на аэрацию, м3/ч; Р4 -общее количество очищенной воды, м3/ч; Pli, P2i, P3i - соответственно расход сточной воды, активного ила и воздуха, подаваемого в аэротенк в каждой точке, м3/ч; P4i - количество очищенной жидкости, выводимой из каждой точки аэротенка, м3/ч; S0, X0, C0 - концентрации сточной воды по БПК5 концентрация активного ила и содержание кислорода в воздухе на входе в аэротенк, г/ м3; Sb, Хв, Св - то же на выходе из аэротенка, г/м3
Рис.2 1- длина аэротенка; Б - сечение аэротенка, м2; У1 (1), У2 (1), Уз (1) - функции распределения подачи сточной воды, активного ила и воздуха, м3/ч; Б - коэффициент продльного перемешивания, м2/ч; Wl(S,X,C), W2(S,X,C), Wз(S,X,C) - кинетика изъятия субстрата, скорость размножения активного ила и скорость потребления кислорода, г/м3ч; К - коэффициент, учитывающий использование воздуха в аэротенке; остальные обозначения см. рис.1
А/ЭПИ ВЕСТНИК
Сократив подобные члены в этой системе уравнений, отбросив члены ШР/Ш1(ШБ/Ш1)Ш12, ШР/Ш1(ШХ(11)Ш12, др/д1(ас/а1}д12, поделив на БШ1 и введя обозначения Р/Б=и (где и - линейная скорость потока в аэротенке, м/ч), получим математическую модель процесса биохимической очистки сточных вод в аэротенках в виде:
Dd-S дИ + Б0 ^ - u — - Б—Л - 5, X, С) = 0;
dl2 0 ^ Л Л 1
д2 X У2 (I) ЛХ Ли D——Л + Х0—^—~ - и--X—Л - Б, X, С) = 0;
Л2 0 ^ Л Л
Dd-ССЛ + КС, ^ - и—- С—Л - W3 (Б,X, С) = 0.
С граничными условиями: при 1=0
DdS=и (Б " Б0); Л
DdX=и( Б " Б0); ш
Dd^. = и (Б - Б0). ш
при 1=Ь
дБ _ dX _ дС _ 0 Л д1 Л
Примем для дальнейшего рассмотрения модель идеального вытеснения. Если величины Р, У!(1) и у2(1) равны нулю, то математическая модель в общем виде соответствует режиму идеального вытеснения с сосредоточенной подачей сточной воды и активного ила и записывается в следующем виде:
иШСБ - Б, X, С) = 0;
Л
dX
и — - W2(Б,X,С) = 0; Л
7/-Г
и--W3(Б, X, С) - КС0У3 (I) / ^ = 0.
д1
с граничными условиями при 1=0, Б=Бвх, Х=Хвх, С=Свх
где Бвх, Хвх, Свх - концентрации сточной воды, активного ила и кислорода на входе в аэротенк, которые рассчитываются по соотношениям:
Б _ Б0 р + Би Р2 .
61 Р + Р '
1 1 Т 1 2
X„ =■XoP2 •
Р+Р2
ВЕСТНИК 8/2011
С„ =
Со Р + С Рг Р + Рг
где Си - концентрация кислорода в иловой массе, г/м ; Сс - концентрация кислорода в сточной воде, г/м ; Sи - остаточная концентрация загрязнения в иловой массе, г/м3. [3].
Эффективность протекания окислительных процессов в аэротенках напрямую зависит от обеспечения оптимальных условий жизнедеятельности микроорганизмов. Для этого нужно создать условия для переноса к хлопку необходимых количеств питательных веществ и кислорода, а также обеспечить надлежащее распределение хлопков активного ила во всем объеме аэротенка.
Выделим основные факторы, влияющие на окислительные процессы в аэротенке с участием активного ила:
1. надлежащее количество растворенного кислорода является одним из главных условий нормального протекания окислительного процесса;
2. уровень интенсивности перемешивания, достаточный для обеспечения переноса кислорода и субстрата к хлопкам активного ила и распределения объеме аэротенка;
3. скорость поглощения кислорода водой;
4. температура сточных вод.
В процессе эксплуатации аэротенка неизбежно появление источников неоднородности поля концентраций в объеме. Источником может являться то, что плотность хлопков активного ила превышает плотность воды, что приводит к их оседанию под действием силы тяжести. Поэтому для подачи кислорода в аэротенк и обеспечения достаточного уровня интенсивности перемешивания предусматривается устройство систем аэрации. Подача воздуха обеспечивает несколько процессов, происходящих с активным илом:
- дыхание организмов,
- перемешивание иловой смеси.
Конструктивно системы аэрации делятся на механическую, пневматическую и комбинированную. Однако существующие системы аэрации не способны обеспечить идеального перемешивания.[2].
Поглощение кислорода сточной водой при любых способах ее аэрации происходит в результате контакта воды с пузырьками воздуха. В настоящее время принято считать, что основным фактором, определяющим интенсивность массообмена аэротенках, является размер отверстий барботеров, а влияние гидродинамики потока играет второстепенную роль, однако эксплуатационные показатели сооружений опровергают эту точку зрения. Размер отверстий и скорость выхода из них газа оказывает определяющее влияние на размер пузырьков, а следовательно и на величину поверхности контакта фаз, только в момент их образования. В ходе же всплывания пузырьки подвергаются, во-первых, коалесценции в результате столкновений, и во-вторых, дроблению под действием разности динамических напоров, действующих на пузырь при его обтекании жидкостью. В результате этих воздействий в условиях интенсивного барботажа пузырьки уже через 1-2с после образования достигают некоторого неизменного размера, не зависящего от размеров отверстий и определяется только закономерностями обтекания всплывающих пузырьков.[4].
Еще одним фактором, оказывающим влияние на биологическую очистку сточных вод, является температура исходных сточных вод и температура наружного воздуха. Средняя температура сточных вод в городах России в холодное время года колеблется от 15 до 17°С, температура вод в небольших и средних поселках 9 - 14°С. В аэротенках с обычным режимом аэрации при температуре воздуха от 10 до20°С, температура стоков за время обработки падает на 1 - 3°С, в аэротенках с продленным режимом
Б/2011 М1ВЕСТНИК
аэрации, с перекрытием из щитов, на 4 - 9°С, что приводит к замедлению или полному прекращению процесса биохимической очистки сточных вод. В странах с жарким климатом высокие температуры сточных вод и воздуха и прямые солнечные лучи способствуют повышению температуры обрабатываемых стоков до 35°С и выше, что также отрицательно сказывается на растворимости кислорода воздуха и скорости процесса очистки стоков. Выполнение очистных сооружений канализации в закрытом исполнении частично решает проблемы охлаждения или нагрева очищаемой жидкости. Но основным направлением оптимизации температурного режима работы сооружений, является повышение коэффициента использования кислорода воздуха. [1].
Выводы: эффективность очистки сточных вод в аэротенке зависят от большого количества факторов: интенсивность перемешивания, температура, достаточное количество растворенного кислорода и т.д. Создание оптимальных условий позволит наиболее эффективно очищать сточную воду. Внедрение предлагаемого расчета позволит повысить эффективность очистки сточных вод.
Литература:
1. Алексеев М.И., Ермолин Ю.А. «Теоретические основы управления процессами очистки сточных вод» уч. пособие/ СПб. гос. архит.-строит. ун-т. - СПб.,2009.-174с.
2. Евилевич М.А., Брагинский Л.Н. и др. Аэрационное оборудование для биологической очистки сточных вод в аэротенках. М. ВНИППЭПЛеспром, 1969.45с.
3. Комиссаров Ю.А. «Анализ и синтез систем водообеспечения химических производств: учеб. пособие для вузов/Ю.А. Комиссаров, Л.С. Гордеев, Нгуен Суан Нгуен - М.:Химия.,2002. - 496 с.
4. Стренк Ф. Перемешивание и аппараты с мешалками. Пер. с польск. Л., Химия, 1975. 384с.
5. Яковлев С.В., Воронов Ю.В. Водоотведение и очистка сточных вод/ Учебник для вузов: -М.:АСВ, 2004 -704с.
References:
1. Alekseev, MI, Yermolin Y. "Theoretical Foundations of process control of wastewater treatment," Uch. Manual / St. Petersburg. state. arhit.-building. Univ. - SPb., 2009.-174p.
2. Evilevich MA, Braginskii LN etc. Aeration equipment for biological treatment of wastewater in aeration tanks. M. VNIIPEILesprom, 1969.45p.
3. Komissarov Yu.A.. "Analysis and synthesis of water supply systems of chemical plants: Textbook. manual for schools / Yu.A.. Komissarov, LS Gordeev, Nguyen Xuan Nguyen - M.: Chemistry. 2002. - 496p.
4. Strenk F. Mixing and apparatus with agitators. Trans. Translated from Polish. L., Chemistry, 1975. 384p.
5. SV Yakovlev, Yu Voronov Sewerage and sewage treatment / textbook for high schools: -Moscow: DIA, 2004-704p.
Ключевые слова: аэротенк, активный ил, растворенный кислород, модель идеального вытеснения, интенсивность перемешивания, субстрат, системы аэрации, массообмен, гидродинамика.
Keywords: aeration tank, activated sludge, dissolved oxygen, model of ideal displacement, the intensity of mixing, substrate, aeration systems, mass transfer, hydrodynamics.
Телефон/факс: 8-906-739-28-11,8-915-615-34-93(Фролова A.O.);
8-985-784-90-12(Викулин П.Д.). e-mail автора: shusia08@rambler.ru (Фролова А.О.);
vikulinp@yandex.ru (Викулин П.Д.).
Рецензент: председатель отделения РАЕН, д.т.н., с.н.с., член Президиума РАЕН Л.С. Скворцова
