CC BY
167
УДК 628.543
ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ПО РЕЗУЛЬТАТАМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО И ОПЫТНО-ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
И.В. Павлова, И.Н. Постникова, И.В. Исаков, Д.А. Преснякова
Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, 606026, Россия, Нижегородская область, г. Дзержинск, ул. Гайдара, 49, 1924TNV@mail.ru
Объектом исследования является изучение процесса биологической очистки сточных вод с приоритетным удалением биогенных элементов с целью усовершенствования технологии очистки сточных вод. В статье приведены методы анализа, использованные в процессе исследования биологической очистки сточных вод на содержание в них растворенного кислорода, аммоний - ионов, нитрат - ионов, а также основные параметры и величины, используемые при проектировании. Произведен сравнительный анализ и выбор наиболее оптимальной схемы биологической очистки сточных вод. В ходе исследования определены показатели эффективности функционирования и допустимые нагрузки на очистные сооружения при проектировании аэротенков первой ступени биологической очистки стоков. Результаты исследований послужили основой для составления математической модели, с помощью которой возможно рассчитать параметры системы биологической очистки и оптимизировать процесс биологической очистки сточных вод на действующих очистных сооружениях. По результатам математических и аналитических расчетов предложена конструкция опытно-эксплуатационного комплекса. Проведенные исследования позволят
сократить затраты на проектирование и эксплуатацию очистных сооружений, гарантировать степень очистки в соответствии с требованиями и нормативами на сброс очищенных стоков в водоем рыбохозяйственного назначения. Ил. 6. Табл. 2. Библиогр. 6 назв.
Ключевые слова: биологическая очистка; эксплуатационный комплекс; математическое моделирование; аэротенк; сточная вода.
RESEARCH AND OPTIMIZATION OF PROCESS OF BIOLOGICAL SEWAGE TREATMENT BY RESULTS OF MATHEMATICAL AND SKILLED-OPERATIONAL MODELLING
I.V. Pavlova, I.N. Postnikova, I.V. Isakov,D.A. Presnyakova
Nizhny Novgorod State Technical University named after R.E. Alekseev,
49, Gaidar St., Nizhny Novgorod region, Dzerzhinsk, 606026, Russia, 1924TNV@mail.ru
Object of research is the process of biological sewage treatment with priority removal of biogenous elements for the purpose of sewage treatment technology improvement. The article discusses the content of dissolved oxygen, ammonium- and nitrate-ions determined in the course of research. Also the key parameters and values used at design are given in article. The comparative analysis and a choice of the most optimum scheme of biological sewage treatment were made. The efficiency indexes of functioning and a permissible load on treatment facilities at design of aerotank of the first step of biological cleaning of drains are defined during research. The results of research have formed a basis for drawing up the mathematical model which enables to calculate the parameters of system of biological cleaning and to optimize the process of biological sewage treatment on the operating treatment facilities. By results of mathematical and analytical calculations the design of a skilled and operational complex is offered. The conducted researches will allow reducing costs of design and operation of treatment facilities, guaranteeing the extent of cleaning according the requirements and standards of dumping of the cleared drains in a reservoir of fishery appointment. 6 figures. 2 tables. 6 sources.
Key words: biological cleaning, operational complex, mathematical modeling, aerotank, sewage.
ВВЕДЕНИЕ
Сточная жидкость представляет собой воду, использованную на бытовые, производственные или другие нужды и загрязненную различными примесями, изменившими её первоначальный химический состав и физические свойства. По доминирующим группам поллю-тантов сточные воды делят на пять типов:
> хозяйственно-бытовые;
> производственные;
> сельскохозяйственные;
> шахтные и рудничные;
> поверхностный сток.
Утилизация и обезвреживание сточных вод составляет одну из самых важных экологических проблем настоящего времени и в этом направлении разработано множество технологических решений, в основе которых лежат физико-химические или биохимические процессы ликвидации вредных компонентов из сточных вод. Наиболее интересным, с точки зрения экспериментально-исследовательского подхода, является биологический метод очистки сточных вод, который минимизирует содержание в стоках большого числа компонентов химического и
биологического происхождения. Технологические процессы биологической очистки сточных вод с применением в качестве основного компонента активного ила в зависимости от условий протекания можно разделить на аэробные, анаэробные и аноксидные [5].
Систему биологической очистки стоков с активным илом в аэробных условиях можно представить в виде следующей схемы (рис. 1).
Данная исследовательская работа направлена на изучение процессов, протекающих в действующем аэротенке. Аэротенк представляет собой емкость, предназначенную для проведения процесса биологической очистки, в нем происходит непосредственный контакт сточной жидкости с оптимальным количеством активного ила в присутствии соответствующего количества растворенного кислорода в течение необходимого периода времени. Из аэротенка выходит смесь воды и ила. Она направляется во вторичный отстойник, где происходит отделение активного ила от очищенной воды. В схеме предусмотрена рециркуляция активного ила. Возврат рециркуляционного ила зависит от его
Рис. 1. Принципиальная схема процесса биологической очистки
количества в самом аэротенке, поэтому ил может возвращаться в аппарат или в полном объеме, или частично [4].
Цель исследования: проектирование сооружения биологической очистки с приоритетным удалением биогенных элементов безреа-гентным путем, с применением предварительного математического и опытно-эксплуатационного моделирования.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Основными материалами исследования являются поступающая в аэротенк сточная жидкость, характеризуемая объемом и концентрациями загрязняющих веществ, и иловая смесь. Измерение содержания концентрации растворенного кислорода производилось переносным оксиметром оптического типа HACH-LANGEHQ-30D. Содержание аммоний-ионов и нитрат-ионов в иловой смеси определялось в
лабораторных условиях фотометрическим методом.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Произведены измерения изменения содержания аммоний-ионов, нитрат-ионов, растворенного кислорода в поперечном сечении аэротенка. В результате проведенных исследований были выявлены и проанализированы начальные концентрации загрязняющих веществ путем построения математических вероятностей на основе данных за полгода аналитического контроля поступающих сточных вод [3]. Представлены результаты проведенного исследования (табл.1).
В работе представлены результаты предварительных исследований содержания растворенного кислорода, нитратов и аммоний-ионов в иловой смеси в различных точках действующего аэротенка (рис. 2-4).
Таблица 1
Показатели технологического процесса очистки сточных вод_
Показатель Величина Единица измерения
БПК ХПК Концентрация аммония-иона Концентрация нитрат-иона Объем подаваемого воздуха Объем подаваемой сточной воды 63,58 323,86 32,62 0,43 6428,00 19131,00 мг/дм мг/дм3 мг/дм3 мг/дм3 м3/ч м3/сут
с«
9
AI А2 A3 Дк А3.2 A4 AS А6 А7 А8 А9 А10 All А12 A1J А14 AIS А16 А17 А
Рис. 2. Изменение концентрации растворенного кислорода по направлению движения сточной воды и активного ила, где Со - концентрация растворенного кислорода, мг/дм3; А - точки отбора проб сточной воды в аэротенке
Рис. 3. Изменение концентрации аммоний-ионов по направлению движения сточной воды и активного ила, где Он - концентрация ионов аммония, мг/ дм3;
А - точки отбора проб
Рис. 4. Изменение концентрации нитрат-ионов по направлению движения сточной воды и активного ила, где Сно - концентрация нитрат-ионов, мг/ дм3
А - точки отбора проб
Проведенные исследования показали профиль потребления растворенного кислорода активным илом. Данный профиль говорит о том, что наиболее активно растворенный кислород потребляется в начале секции и в середине, а менее активно в конце. Это указывает на наличие благоприятных условий для протекания процесса нитрификации в аэротенке. Исследования на содержание загрязняющих веществ, таких как аммоний-ион, нитраты показали, что в аэротенке в значительной степени протекают процессы нитрификации и аэробной гетеротрофной конверсии органических соединений.
В ходе проведенных исследований на содержание загрязняющих веществ в воде, таких как аммоний-ион, нитраты и ХПК, были выявлены зоны реакций.
В зоне регенерации активного ила (отбор проб проводился в точках от А1 до Ак), происходит процесс доокисления органических ве-
ществ, пришедших в аэротенк с возвратным илом, разложение сложных органических соединений, протекание процесса нитрификации и активного роста и размножения организмов активного ила. Об этом свидетельствует падение уровня азота аммонийного, рост содержания нитратов в жидкости.
В зоне начала окисления приходящих стоков (отбор проб проводился в точках А3.2- А5) происходит смешение сточных вод с иловой смесью, находящейся в этом коридоре. Данная зона характеризуется либо резким увеличением, либо уменьшением содержания различных веществ, так как происходит их смешение с входным потоком сточных вод. В данной зоне наблюдается рост ХПК, аммоний-ионов и падение нитрат-ионов и растворенного кислорода.
Зона активного окисления (отбор проб проводился в точках А5-А10) является зоной активного окисления загрязняющих веществ, поступающих в аэротенк. В пределах этой зоны
Рис. 5. Схема А2/О процесса: СВ - сточные воды; Анаэр - анаэробная зона; Аэр - аэробная зона; Анокс - аноксидная зона; ВО - вторичный отстойник; ВИ - возвратный активный ил; ИИ - избыточный активный ил; ОС - очищенные сточные воды; РИ - рецикл иловой смеси
находится точка минимального содержания растворенного кислорода. В этой точке происходит частичное смешение двух потоков. Одной из характеристик пика реакций, протекающих в этой зоне, является небольшое увеличение температуры в рамках общих колебаний по всей длине аэротенка. Характеристиками этой зоны является рост содержания азота аммонийного и относительно небольшое увеличение уровня ХПК, это можно объяснить протеканием в данной зоне большого количества химических и биологических процессовокисления загрязняющих веществ, кроме того в незначительной степени наблюдаются процессы размножения активного ила.
Зона активного доокисления загрязняющих веществ в сточных водах (отбор проб проводился в точках А11-А12) является продолжением зоны активного окисления, она характеризуется уменьшением количества химических и биологических процессов и, как следствие, ростом содержания растворенного кислорода. Несмотря на падение уровня нитратов в каждой из этих двух зон, процесс денитрификации не протекает.
Зона пассивного окисления загрязняющих веществ (отбор проб проводился в точках А13-А17) характеризуется протеканием процесса нитрификации, характеристикой которого явля-
ется падение уровня аммонийного азота. Однако в этой зоне достаточно плохо протекают процессы разложения трудноокисляемых веществ, и практически полностью останавливаются процессы размножения организмов активного ила.
На основе полученных данных и результатов исследований были определены наиболее оптимальные параметры для проведения расчетов системы биологической очистки. В качестве системы биологической очистки заключающейся в определенном расположении зон, рециклов, подачи сточных вод была выбрана схема А2/О (рис. 5) [1].
Представленная схема была введена в математическую модель [2]. Геометрия зон, объемы рециклов, возвратного ила, сточных вод были рассчитаны с учетом принятых коэффициентов. Затем по известным размерам зон было рассчитано и подобрано необходимое количество мешалок и аэраторов. Также было рассчитано необходимое количество воздуха для аэрации аэробных зон и зон запаса мощности, выполняющих функцию резерва и предохраняющих систему от колебаний. В результате полученных данных была составлена схема конфигурации аэротенка с указанием зон, расположения оборудования и точек ввода веществ (рис. 6). Предлагаемая модель аэротен-
Диффуэоры Верхний канал Зона окисления и
нитрификации (аэробная)
•••••••••••ам• а • а ¡55555555555555 •••••••••••вм••••••••••З^в *•••••«••••• фЯф •••••••••• Л
••■••••••••■•«••••••■••••а •••• • тт»т»»ттфт» » т т * ш • ••••••••••в V-«- • * • в а ЩгЩ • ••••••••••в ■ 1 ■ • ••••••••••в тшт •• • • ■ •••
• ■■■«•■••••ам>•» ■ м••••••••••авва ■ м••••• ¡2555 55- • ••а « аааааааааааа а>а аааааааааааа
тшщ с # ч 1 к ( Ч Ч ^
Погружной насос нитратного рецикла
Зона постаэрации
Илояая смесь, очищенная вода и циркуляционный ил
Воздух Нижний канал
Воздух
Подача неочищенных Рецикл иловой смеси сточных »од Мешалка
Сточные воды Зона дсфосфотации (анаэробная) Зона денитрификации (аноксидная)
Рис. 6. Схема аэротенка после ретехнологизации
Таблица 2
Результаты расчетов опытно-эксплуатационного комплекса
Параметр Величина
Аммоний-ион в неочищенной сточной жидкости, мг/дм3 32,62
БПК в неочищенной сточной жидкости, мгО2/дм3 63,58
ХПК общее в неочищенной сточной жидкости, мгО2/дм3 323,86
Фосфаты по Р в неочищенной сточной жидкости, мг/дм3 3,80
Температура поступающей сточной жидкости, град С 20,00
Количество коридоров 4,00
Ширина аэротенка, м 1,80
Длина аэротенка, м 5,39
Рабочая глубина аэротенка, м 0,25
Объем секции аэротенка, м3 2,43
Расчетныепараметры
Нагрузка на ил по БПК, кгБПК/кгВВ-сут 0,0098
Объем внутреннего рецикла, м3/сут 4,50
Объем возвратного ила, м3/сут 1,05
Максимально допустимый объем сточных вод, м3/сут 1,50
Объем стоков на секцию, м3/сут 1,50
Время гидравлическогоудерживания (HRT), ч
Нитрификация 6,0
Денитрификация 1,0
Дефосфотация 2,0
Постаэрация 1,5
Общее 10,5
ка является одним из вариантов решения вопроса интенсификации процесса биоочистки стоков, однако, принятые при проектировании-константные параметры необходимо подтвердить на пилотной установке.
На основе математического анализа и по результатам проведенных исследований был осуществлен расчет опытно-эксплуатационного комплекса [6], который представляет собой модель аэротенка в масштабе 1 : 20 с полным соответствием всех коридоров, перегородок зон и прочего оборудования. Представлены резуль-
таты расчетов математической модели (табл. 2).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведенные исследования позволяют смоделировать процесс биологической очистки стоков, оценить возможность его оптимизации, определить наиболее оптимальные параметры работы аэротенков первой ступени, скорректировать зоны, точки ввода исходной сточной жидкости, иловой смеси, возвратного ила, количества подаваемого воздуха, мешалок и т.д.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Мешенгиссер Ю.М. Ретехнологизация сооружений очистки сточных вод. М. : Вокруг цвета, 2012. - 211 с.
2. Павлова И.В. Проектирование системы биологической очистки сточных вод с удалением биогенных элементов по результатам математического и опытно-эксплуатационного моделирования / И.В. Павлова, И.Н. Постникова, И.В. Исаков // Фундаментальные исследования. 2014. № 9 (часть 3). С. 542-546.
3. Павлова И.В. Ретехнологизация процессов биологической очистки сточных вод с предварительным математическим и опытным мо-
делированием / И.В. Павлова, И.Н. Постникова, И.В. Исаков // Фундаментальные исследования. 2013. № 11 (часть 8). С. 1607-1611.
4. Технический справочник по обработке воды: Дегремон. В 2. т. / пер. с французского. 2-е изд.; под ред. М.И. Алексеева, В.Г. Иванова, А.М. Курганова [и др/]. СПб.: Новый журнал, 2007. 1696 с.
5. Хенце М. Очистка сточных вод / М. Хен-це [и др.]; пер. с англ. М.: Мир, 2004. 480 с.
6. Vesilind P.A. (Editorby.) Wastewater Treatment Plant Design. Padstow.: WEF, IWAPublishing, 2003. P. 516.
REFERENCES
1. Meshengisser Yu.M. Retekhnologizatsiya zation of constructions of sewage treatment]. Mos-sooruzhenii ochistki stochnykh vod [Retekhnologi- cow, Vokrug sveta Publ., 2012, 211 p.
2. Pavlova I.V., Postnikova I.N., Isakov I.V. Proektirovanie sistemy biologicheskoi ochistki stochnykh vod s udaleniem biogennykh elementov po rezul'tatam matematicheskogo i opytno-ehkspluatatsionnogo modelirovaniya [Design of system of biological sewage treatment with removal of biogenous elements by results of mathematical and skilled and operational modeling]. Fundamental'nye issledovaniya - Fundamental research, 2014, no. 9 (part 3), pp. 542-546.
3. Pavlova I.V., Postnikova I.N., Isakov I.V. Retekhnologizatsiya protsessov biologicheskoi ochistki stochnykh vod s predvaritel'nym matematicheskim i opytnym modelirovaniem [Retecnologization of processes of biological sewage treatment with preliminary mathematical and
skilled modeling]. Fundamental'nye issledovaniya - Fundamental research, 2013, no. 11 (part 8), pp. 1607-1611.
4. Tekhnicheskii spravochnik po obrabotke vody: Degremon [Technical reference book on water processing: Degremon]. Under the editorship of Alekseev M.I., Ivanov V.G., Kurganov A.M. [et al.] Saint-Petersburg, Novyi zhurnal Publ., 2007, 1696 p.
5. Hence M., Armoehs P., Lya-Kur-YAnsen J., Arman EH. Ochistka stochnyh vod [Sewage treatment]. Moscow, Mir Publ., 2004, 480 p.
6. Wastewater Treatment Plant Design. Under the editorship of Vesilind P.A. Padstow, WEF, IWA Publ., 2003, 516 p.
Поступила в редакцию 3 января 2015 г. После переработки 5 февраля 2015 г.
