CC BY
72
УДК 66
В. В. Кирсанов
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА БИООЧИСТКИ ИЛАМИ РАЗНЫХ ВОЗРАСТОВ
ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ БИОДЕСТРУКЦИИ
С УЧЕТОМ КОЭФФИЦИЕНТА НАГРУЗОК ПО ХПК
Ключевые слова: возраст активного ила, аэротенк, прирост активного ила, физиологическая активность, коэффициент неравномерности по ХПК, коэффициент нагрузки, биохимическое окисление, химсток, биологические очистные сооружения.
Показана зависимость эффективности биоочистки сточных вод химического предприятия от возраста активного ила в различных вариантах поступающего химзагрязненного стока по коэффициенту нагрузок, который, в свою очередь, определяется как произведение двух параметров: коэффициента неравномерности по ХПК и показателя превышения ХПК.
Keywords: age of activated sludgeaeration tank, the activated sludgegrowth, physiological activity, irregularity factorCOD, load factor, biochemical oxidation, himstok, biological treatmentfacilities.
The dependence ofthe effectiveness ofbioremediationof waste waterfroma chemical plantageof activated sludge in different versions coming chemically polluted Photocoefficientloads, which, in turn, is defined as theproduct of twoparameters: the coefficient ofnon-uniformity ofCODandCODof the excess.
Введение
В производственных условиях эксплуатации биологических очистных сооружений (БОС) задачу определения оптимальных параметров ведения технологического процесса биоочистки, обеспечивающих максимальную физиологическую активность микроорганизмов и поддержание этих параметров, приходится решать в зависимости от состава стоков, соотношения ингредиентов и постоянства показателей во времени. Для обеспечения эффективной очистки производственных сточных вод (СВ), особенно СВ химического предприятия, отличающихся многообразием состава синтезированных и трудно-окисляемых веществ, необходимо определять оптимальное значение возраста активного ила (АИ), от которого в решающей степени зависит физиологическая активность и биоокислительная его способность. К сожалению, в силу разнообразных объективных и субъективных причин, понятие «возраст АИ» не только не применяется в практике водоочистки, но и отсутствует в соответствующей регламентирующей нормативно-технической документации.
Кроме того, эффективность биодеструкции загрязняющих веществ (ЗВ) в аэротенках обусловливается двумя входными параметрами, характеризующими степень влияния на адаптированность ферментативной системы микроорганизмов:
1) разность концентраций ЗВ во времени (равномерность или усредненность нагрузок; оценивается в данной работе по комплексному показателю, характеризующему присутствие всех, в том числе, - трудноокисляемых поллютантов, - ХПК);
2) максимальная разовая концентрация ЗВ в поступающих сточных водах, -обычно сравнивается с нормой, установленной технологическим регламентом.
В практике эксплуатации очистных сооружений считается достаточной степень усреднения сточных вод в сооружениях механической очистки (песколовки, усреднители, первичные отстойники,
смесители) и неравномерность концентраций перед аэротенками не учитывается. В результате неполноценности входного и текущего мониторинга регулирование параметров технологического процесса биоочистки маловероятно и неэффективно.
В данной статье предложена зависимость, учитывающая указанные параметры.
Экспериментальная часть
Модельные исследования, проведенныеавто-ром совместно со специалистами лаборатории цеха биологических очистных сооружений ОАО «Ка-заньоргсинтез», осуществлялись на модельных аэ-ротенкахс активным илом (АИ)из промышленных аэротенков и химзагрязненными сточными водами разной во времени концентрации загрязняющих веществ (ЗВ), поступающих в цех на очистку.
Использовали модельные аэротенки объемом 1 дм3; нагрузка по стоку - 0,7 дм3; доза ила в аэрационной системе - 4 дм3; в отводимом иле - 6 дм3; концентрация взвеси в очищенной воде - 0,014 мг/дм3; концентрацию ЗВ в поступающей и очищенной воде определяли по ХПК (химическому потреблению кислорода)бихроматным методом.
В практике очистки сточных вод для определения возраста ила применяется наиболее распространенная формула:
В = (аСр-Щ /[(О - Р) Свв + Р Сиз6], (1)
где В - возраст ила, сут; аср - средняя концентрация ила в аэротенке, г/дм3; W - объем аэрируемых сооружений, м3; Q - расход сточных вод, м3/сут; ; Р -прирост (расход) избыточного ила, г/дм3;Свв - концентрация взвешенных веществ в очищенной воде, г/дм3; Сизб- концентрация избыточного ила, г/дм3 [1
Анализ уравнения (1) показывает, что реально изменяемой величиной в правой части уравнения является биотический параметр Р-прирост ила, а все другие составляющие (абиотические параметры) предопределены проектом, технологическим регла-
ментном и можно их считатьпостоянными величинами.
Поэтому, все расчеты проведены при варьировании расходов (количества) отводимого избыточного илаР. Максимальное и минимальное значе-нияРзадавалось исходя из реальных количеств избыточного количества, которое должно отводиться в соответствии с технологическим режимомэкс-плуатации БОС- 1800 м3/сут и 10 м 3/сут. В соответствии с формулой (1) находили разные значенияВ, например:
где 4 - средняя концентрация ила, г/ дм3; (2520*3 + 2520^2 + 120 + 125) - объем аэрируемых сооружений (аэротенки, регенераторы, смесители), м3; 9433 - расход сточных вод на одной из очередей БОС, м3/сут; 1800 - расход избыточного ила (максимальный), м3/сут; 0,014 - содержание (регламентированное) взвешенных веществ в очищенной воде, г/ дм3; 6 - концентрация отводимого избыточного ила, г/
дм3.
Подставляя в формулу (1) различные расходы избыточного активного илаРв интервале от максимального до минимального (10 м3/сут) значений-900, 500, 300, 100, 10 м3/сут получили следующие значения возрастов ила:
В2 = 9,3 сут; В3 = 16,4 сут; В4 = 26,6 сут; В5 = 70,3 сут; В6 = 267 сут.
Для проведения дальнейших исследований на модельных установках использован ил возрастов, соответствующих расчетным.
Для наращивания илов определенного возраста определили расход ила, исходя из уравнения (1): Р = [(асрЩ - (В О- Ст)]1 [В■ (Си3б-СВ], (3)
Расчетные данные по расходу ила представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Расход избыточного АИ для получения разновозрастных илов
Расход ила, дм3 0,14 0,072 0,039 0,023 0,008 0,00087
Возраст ила, сут 4,7 9,3 16,4 26,6 70,3 267
Для оценки эффективности работы илов разных возрастов использовали поступающие на БОС-стоки с различной концентрацией загрязнений (с разными значениями ХПК), меняющимися неоднократно в течение суток (нестабильность сточных вод по концентрации и составу является типичной для предприятий химического и нефтехимического комплекса). В качестве диапазона времени, учитывающего изменение ХПК, выбрали время усреднения стоков в усреднителях цеха - 2 часа. Оценку нагрузок с учетом залповых аномальных сбросов и неравномерности поступлений по ХПК производили по предложенной эмпирической зависимости:
^пК=Кн■ Кпр, (4)
где Ыхпк- нагрузка на АИ, оценивается по комплексному показателю ХПК; Кн - коэффициент не-
равномерности нагрузок на АИ, определяется по уравнению:
Кн = (ХПКтах- ХПКП1П) 1 ^Крегл^ (5)
где ХПКтахи ХПКтт - максимальное и минимальное разовое значение ХПК химзагрязненных сточных вод на входе в аэротенки (мгО2/л); временной интервал между двумя повторными анализами соответствует минимальному времени нахождения сточных вод в сооружениях механической очистки,-в данном случае - 2 часа; ХПКрегл- максимальное нормированное ХПК, установленное технологическим регламентом (или опытным путем),- в описываемом исследовании - 1000 мгО2/л.
Максимальное значение Кн является мерой нестабильности поступающего стока по концентрации загрязняющих веществ и характеризует значительные различия по ХПК - залповые аномальные сбросы. В проведенных опытах усредненные нагрузки - величины одного порядка, в то время как коэффициент неравномерности Кн позволяет зафиксировать изменение нагрузки.
Кпр - коэффициент превышения максимального фактического значения ХПКф над нормированным ХПКрегл; определяется как отношение ХПКф к ХПКрегл (в случае поступления ХПК больше регламентного Кпр> 1; при ХПКф<ХПКрегл., Кпр< 1).
Результаты исследования и выводы
В таблице 2 представлены вариант нагрузок на ил Ыхпк, рассчитанные в зависимости от Кн и Кпр по формулам 4, 5 на основании различных значений ХПК перед аэротенками фактических производственных сточных вод предприятия.
Таблица 2 - Варианты N ных экспериментах
и) Кпр в проведен-
ХПК, мгО2/л Кн К N 1 у хпк
Мах Мш
920 350 0,57 0,92 0,524
1400 610 0,79 1,40 1,106
920 480 0,44 0,92 0,404
1500 900 0,60 1,50 0,90
1430 894 0,536 1,43 0,766
1360 876 0,484 1,36 0,658
1450 1009 0,441 1,45 0,639
1500 1095 0,405 1,50 0,607
1400 1023 0,377 1,40 0,527
1316 967 0,349 1,316 0,459
1100 790 0,31 1,10 0,341
1315 1032 0,283 1,315 0,372
1481 1223 0,258 1,481 0,382
760 600 0,160 0,760 0,121
Данные расчетов, представленные в табл.2, показывают, что нагрузка на АИ в большей степени зависит от коэффициента неравномерности (Кн) поступающих стоков, чем от максимально разового значения ХПК (Кпр). Это объяснимо с точки зрения физиологической активности микроорганизмов - ферментативная система бактерий не успевает перестраиваться (адаптироваться) к резким изменениям
концентраций ЗВ. В данном конкретном случае времени усреднения химзагрязненных сточных вод в существующих регламентных усреднителях не достаточно и для уменьшения Кн необходимо или увеличить время пребывания в усреднителе за счет увеличения его объема или для выравнивания концентраций использовать другое сооружение.
В таблице 3 представлены данные исследований зависимости эффективности биодеструкции ЗВ от возраста активного ила
Таблица 3 - Соотношение эффективности биоокисления и возраста активного ила
Нагрузка на АИ,
NxnK. (из табл.2)
0,524
1,106
0,404
0,90
0,766
0,658
0,639
0,607
0,527
0,459
0,341
0,372
0,382
0,121
Возраст АИ, сутки (из.табл. 1)
4,7 9,3
16,4 26,6 70,3 267
ХПК, мгО2/л очищенного стока/эффективность очистки, %(по данным лабораторных анализов)
ISO
135
зГ
120 зГ
IB
3S
14-1
W
121
125
зГ
ш
134
аГ
<52 92
105 89
—
И.
за
94
<52 86
120 _S1_
162 аГ
105
аГ
14-1
за
132
ж.
121
125
39~
112
120 «Г
32 32
105 S9
К
Ж
as
94
32 36
US
_S2_
110
зГ
86
13Z 39
132
Ж.
us "за"
125
зГ
92
us
3?
110 ж
ж.
9S SS
та
85
97
93 86
US
"go"
us
3?
125
Ж
132
"до"
но зГ
£S
Ж.
—
97
132
зГ
11Z 97
112 Ж
?Т
но ТС
ш
но ТГ
122 39~
1ZS 3S
125
Ж
132
ж
110 зГ
as ж.
—
97
146
Ш
39
122 То"
112
110 ~91~
125
Ж
132
Ж
136
"зо~
Эффективность очистки (знаменатель в табл. 3) определялась как отношение среднеарифметиче-
ского значения между максимальным и минимальным ХПК на входе в аэротенки (табл.2) к ХПК очищенной жидкости на выходе из аэротенка (числитель в табл.3).
Из таблицы видно, что эффективность биоокисления ЗВ химстока функционально зависит от возраста ила и от нагрузок на активный ил по ХПК
(Кпк).
Максимальная эффективность очистки наблюдается в опытах с илом, возраст которого в интервале 26,6-267 сут. При уменьшении Мхпк диапазон оптимального возраста ила, обеспечивающего максимальную очистку, сдвигается в сторону уменьшения и составляет 4,7-26,6 сут. При минимальном Ыхпк, т.е. при минимальных и стабильных нагрузках, эффективно применение ила возраста 4,7-9,3сут.
Полученные результаты объяснимы с точки зрения физиологии микроорганизмов. В старом иле присутствуют микроорганизмы разных физиологических групп, обуславливающих окисление легкодоступных и трудно окисляемых субстратов, что обеспечивает более полную биодеструкцию ЗВ. Поэтому при залповых аномальных сбросах целесообразно применение ила возраста 26,6 и более суток.
В молодом иле формируется сообщество быстрорастущих микроорганизмов с определенным типом метаболизма, адаптированное к стабильным нагрузкам.
Как следует из полученных результатов, интервал возраста ила 9,3-26,6 суток, является наиболее приемлемым в технологии, так как оптимумы эффективности очистки находятся в указанном диапазоне. При поступлении аномальных сбросов хим-стоков технологический режим отвода ила может оперативно регулироваться в сторону увеличения его возраста.
Регулирование возраста ила в условиях эксплуатации очистных сооружений возможно методом изменения объема (количества) отводимого ила из аэротенков. Технологически более удобно и менее затратно отводить меньшие объемы ила, поэтому из полученных оптимумов диапазона возрастов ила для последующего регулирования технологии предпочтительно выбирать варианты биоочистки с илом максимального возраста.
Литература
1. Михайлова Е.О., Ахмадиева С.В., Хабибуллина Л.И., Шулаев М.В. Вестник Казанского технологического университета, Т. 15, №7, с.184-188 (2011).
2. Кирсанов В.В. Теоретические и практические аспекты биологической очистки сточных вод в аэротенках: Монография/ Под ред. проф. А.Н. Глебова. Казань: Изд-во Казан. гос. техн.ун-та, 2010, 264 с.
3. Кирсанов В.В. Современные технико-технологические методы защиты окружающей среды. Т.1. Процессы и аппараты защиты гидросферы/ В.В. Кирсанов.- Казань: Изд-во Казан.гос. техн. ун-та, 2013, 496 с.
© В. В. Кирсанов - д-р техн. наук., проф. каф. общей химии и экологии КНИТУ-КАИ им. А.Н. Туполева, [email protected].
© V. V. Kirsanov - Dr. Sci. Sciences, prof. Department. general chemistry andecologyKNITU-KAI the. A.N. Tupolev, [email protected].
