CC BY
52Горносталь С. А., преп. Национальный университет гражданской защиты Украины
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА БИОЛОГИЧЕСКОМ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД В СИСТЕМЕ «АЭРОТЕНК - ВТОРИЧНЫЙ ОТСТОЙНИК»
gornostals@yandex.ru
Проведено сравнение показателей работы системы «аэротенк - вторичный отстойник», полученных в результате экспериментальных измерений и теоретических расчетов по предложенной математической модели. Показано, что полученные результаты качественно согласуются между собой. Предложенная автором математическая модель может быть использована для исследования процесса биологической очистки сточных вод.
Ключевые слова: биологическая очистка, сточные воды, математическое моделирование, аэротенк, вторичный отстойник
В настоящее время важной научно-технической проблемой является защита водоемов от загрязнения отходами промышленных производств и бытовыми стоками населенных пунктов. Попадание органических и минеральных загрязнений в водные объекты происходит при сбросе коммунальных и промышленных сточных вод, образующихся в результате технологических процессов производства, переработки продукции и в процессе жизнедеятельности людей [1-3]. Низкое качество очистки сточных вод от органических и взвешенных веществ приводит к ухудшению экологической ситуации в водоемах, в которые поступают недостаточно очищенные стоки. Поэтому изучение особенностей процесса биологической очистки сточных вод в аэротенке, влияние различных факторов на качество очистки сточных вод, научное обоснование и разработка методов повышения эффективности биологической очистки сточных вод
является задачей актуальной и своевременной.
Для описания процессов, происходящих в процессе биологической очистки сточных вод используется математическое моделирование. При этом все процессы взаимопревращения от входа в аэротенк активного ила и сточных вод и до выхода из вторичного отстойника очищенной воды и осевшего ила обычно описывают одной системой уравнений для различных физических величин. Процесс очистки осуществляется в аэротенках различного типа: идеального вытеснения, идеального смешивания и промежуточного типа. Работа аэротенков основана на способности микроорганизмов извлекать органические загрязнения из сточных вод в процессе своей жизнедеятельности. На комплексе биологической очистки «Диканевский» (КБОД, г. Харьков) очистка сточных вод осуществляется в аэротенках промежуточного типа (рис. 1).
Рис. 1. Схема системы «аэротенк - вторичный отстойник»: 1 - первый коридор (регенератор), 2 - второй коридор, 3 - третий коридор, 4 - четвертый коридор аэротенка, 5 - вторичный отстойник
С учетом конструктивных особенностей рассматриваемого аэротенка и различия явлений, происходящих в разных его коридорах, нами для описания процессов очистки для сооружений КБОД предложена физическая модель [4]. Согласно модели [4] весь процесс биологической очистки можно разделить на четыре фазы. Первая фаза соответствует первому коридору аэротенка - регенератору. Вторая фаза соответствует второму коридору аэротенка (происходит смешение активного ила и рассредоточенный впуск сточных вод). Объем подаваемых
ЛХ- = (-а. + ЬхЬ) X-
сточных вод больше объема активного ила, поэтому происходит изменение концентрации хлопьев и дисперсных бактерий активного ила и сточных вод в местах их ввода за счет взаимного разбавления. Третья фаза соответствует третьему и четвертому коридорам аэротенка. Четвертая фаза соответствует вторичному отстойнику. Исходя из предложенного описания, нами разработана модель процесса биологической очистки сточных вод в виде системы обыкновенных дифференциальных уравнений:
Л ЛЪ ,
Л =
к2ОХ2 - к ОтХ-
+ Ь2Щ - к2ОХ£ + кОтХ -ЛЬ
к4 БХ
к4 Б2
сИ
= -( Х + gг Т)Ь
= (кз - кА б )(х+г),
л
(1) (2)
(3)
(4)
где X, % , Б , Ь - концентрации, соответственно, хлопьев, дисперсных бактерий, продуктов автолиза и загрязнений; к1 - скорость эрозии хлопьев, к2 - константа скорости агрегации; к3
и к4 - соответственно константы скорости образования и окисления продуктов автолиза, G -градиент скорости в турбулентном потоке; ах , а2 - скорости отмирания хлопьев и дисперсных бактерий; Ьх, Ь2 - константы, характеризующие скорости образования хлопьев и дисперсных бактерий за счет размножения, , gz - скорости потребления загрязнений хлопьями и дисперсными бактериями.
Для проверки адекватности предложенной модели проведены исследования и измерения соответствующих показателей работы аэротенка промежуточного типа. Эксперимент проводился в соответствии с теорией планирования эксперимента [5]. Для определения концентрации загрязнений в очищенной воде на выходе из сооружений биологической очистки, необходимо
знать значения концентрации загрязнений в сточных водах, поступающих на очистку в аэро-тенк, по взвешенным и органическим веществам, расход сточных вод, а также концентрацию составляющих активного ила - хлопьев и дисперсных бактерий. Нами предлагается совместное исследование процессов, протекающих в фазах 2, 3 и 4, так как управлять параметрами, влияющими на протекание процесса биологической очистки в третьем-четвертом коридорах аэротенка, можно только в начале второго коридора, а концентрация загрязнений на выходе из сооружений биологической очистки напрямую зависит от протекания процесса в аэротенке.
Из анализа данных лабораторных исследований по указанным параметрам определены пределы варьирования факторов, оказывающих влияние на изменения концентрации загрязнений в очищенных водах на выходе из сооружений биологической очистки после смешения активного ила и поступающих на очистку сточных вод, их значения приведены в табл. 1.
Таблица 1
Уровни варьирования факторов
Интервал варьирования и уровень факторов Расход сточных вод, м3/мин Концентрация загрязнений в сточных водах, г/л Доза ила, г/л
Нулевой уровень х;=0 40 0.120 4.5
Интервал варьирования 8; 5 0.030 1.5
Нижний уровень х;=-1 35 0.09 3.0
Верхний уровень х;=+1 45 0.150 6.0
Звездные точки: х;=+2 46.07 0.15 6.32
х;=-2 33.9 0.08 2.67
Кодовое обозначение Хз Х4 Х5
При проведении эксперимента использовалась стандартная план-матрица, соответствующая центральному композиционному ротата-бельному плану второго порядка. Определение коэффициентов модели, проверка их значимости проводилась по стандартной методике [5]. В результате математической обработки экспери-
ментальных данных установлена эмпирическая зависимость концентрации загрязнений в очищенной воде на выходе из сооружений биологической очистки от дозы ила, от концентрации загрязнений в поступающих на очистку сточных водах и от их расхода в виде:
у2 =0.01657 + 0.00237 ■ х3 -0.00279 х4 -0.00025 -х5 -- 0.00031-х| —0.00044 -х^ -0.00048 -х^ -
-0.00028 -х3 х4
0.00037 -х3х5
0.00052 -х.х-;
4 5
(5)
Проверка адекватности полученной модели (5) осуществлялась по критерию Фишера. Дисперсия адекватности составляет 82ад = 1.6836 -10~6, значение критерия Фишера (К = 5.00), его критическое значение (= 5.05) [5]. Очевидно, что
условие
К < К.
выполняется, следовательно,
модель является адекватной реальным процессам.
Влияние параметров на изменение концентрации загрязнений на выходе из сооружений биологической очистки показано на рис. 2-3. Анализ результатов расчета (рис. 2, а) показал, что при увеличении расхода сточных вод (х3), поступающих на очистку, увеличивается концентрация загрязнений (у2) на выходе из сооружений.
72
О.Ю
(ШВ
(ШБ
№4
0012
72
б
Рис. 2. Изменение концентрации загрязнений в очищенной воде ( у2 ) в зависимости от: а) расхода сточных вод ( х3 ) и концентрации загрязнений в сточных водах, поступающих на очистку ( х4 ); б) расхода сточных вод
( х3 ) и дозы ила по массе ( х5 )
При увеличении концентрации загрязнений в сточных водах ( х4 ) концентрация загрязнений на выходе уменьшается, что можно объяснить тем, что недостаточное количество загрязнений в сточных водах не обеспечивает прироста активного ила, который и является потребителем загрязнений.
Из рис. 2, б видно, что большее влияние на результат оказывает расход сточных вод (х3), при этом влияние дозы ила ( х5 ) по сравнению с влиянием расхода сточных вод незначительно.
Нами были также проведены расчеты по предложенной модели (1)-(4) для тех же преде-
лов изменения параметров. Полученные результаты приведены на рис. 3.
Анализируя результаты, приведенные на рис. 3, а видим, что аналогично результатам на рис. 2, а, при увеличении расхода сточных вод происходит увеличение концентрации загрязнений на выходе из сооружений очистки. Аналогично сравнение результатов (рис. 3, б), полученных при расчете по уравнению (5), и результатов (рис. 2, б), полученных при использовании модели (1)-(4) показало, что расхождение в описании изменения соответствующих параметров этими моделями не превышает 10 %.
(X + Z),
ivi/мин
б
Рис. 3. Изменение концентрации загрязнений Ьвых в очищенных сточных водах в зависимости от: а) концентрации загрязнений в поступающих стоках Ьвх и расхода сточных вод 0; б) дозы ила (X + Ъи расхода
сточных вод 0
а
Таким образом, анализ полученных результатов показывает, что они качественно совпадают между собой. Следовательно, предложенная математическая модель является адекватной реальным процессам в рамках принятых условий и допущений. Использование модели (1)-(4) для определения влияния отдельных факторов на протекание процесса очистки позволит разработать метод выбора технологического режима работы аэротенка для получения на выходе из сооружения концентрации загрязнений по органическим веществам не выше предельно допустимых и, таким образом, существенно повысить экологическую безопасность очистных сооружений и улучшить экологическое состояние водоемов, в которые сбрасываются сточные воды после очистки.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Нестеренко Е.В., Шеренков И. А. Развитие стратегии очистки сточных вод // Научный вестник строительства. 2009. Вып. 54. С.319-323.
2. Лаврик В.И. Математическое моделирование оптимизации параметров биореактора при очистке сточных вод // Химия и технология воды. 2000. Т.22, №1. С. 104-110.
3. Жмур Н.С. Технологические и биохимические процессы очистки сточных вод на сооружениях с аэротенками. М.: Акварос, 2003. 512 с.
4. Горносталь С.А., Созник А.П. Описание процессов, происходящих в системе аэротенк -вторичный отстойник, и их физическое моделирование // Коммунальное хозяйство городов. Серия: Технические науки и архитектура. 2008. Вып.81. С. 133-139.
5. Винарский М.С., Лурье М.В. Планирование эксперимента в технологических исследованиях. К.: Техника, 1975. 168 с.
