Определение средней нагрузки на активный ил в биотехнологиях для очистки производственных сточных вод, характеризующихся нестабильной концентрацией загрязнений

Кирсанов В.В.

УДК 66

В. В. Кирсанов

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНЕЙ НАГРУЗКИ НА АКТИВНЫЙ ИЛ В БИОТЕХНОЛОГИЯХ

ДЛЯ ОЧИСТКИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД,

ХАРАКТЕРИЗУЮЩИХСЯ НЕСТАБИЛЬНОЙ КОНЦЕНТРАЦИЕЙ ЗАГРЯЗНЕНИЙ

Ключевые слова: активный ил, беззольная часть, окисление, нагрузка на ил, биореактор, аэротенк, вторичный отстойник, биосистема, сточные воды, активный ил, зольность ила, биодеструкция, концентрация, возраст ила.

В статье дана формула для расчета средней нагрузки на активный ил в биотехнологиях для очистки производственных сточных вод, в которых концентрация загрязняющих веществ изменяется во времени. Кроме того, в данную формулу предлагается ввести ХПК.

Keywords: activated sludge, and ash portion oxidation loadyl bioreactor, aeration, secondary settling tank, the biosystem, waste water, activated sludge, sludge ash, biodegradability, concentration, sludge age.

The article provides a formula to calculate the average load on the activated sludge in biotechnology for industrial wastewater treatment, in which the concentration ofpollutants changes over time. In addition, this formula is prompted to enter the COD.

Нагрузка на активный ил - количество поступающих со сточной водой загрязнений, приходящееся на единицу массы ила в единицу времени.

Выражается эта величина в мг или г загрязнений (БПК, ХПК или какого-то конкретного поллютанта) на 1 г сухого вещества активного ила (АИ) в 1 час или в 1 сутки [2]. Но известно, что в окислении загрязняющих веществ (ЗВ) принимает участие только органическая часть активного ила, поэтому необходимо рассматривать нагрузку на органическую (беззольную часть) составляющую ила.

Нагрузка на ил имеет физический смысл и свидетельствует только о том, что определенное количество загрязнений приходится на ил, но совершенно не означает, что это количество загрязнений будет снято в процессе очистки.

Нагрузка на ил зависит от концентрации ЗВ в исходном стоке, дозы (концентрации) ила, времени окисления (времени аэрации) и качества ила (качество ила обусловливается многими факторами - возрастом ила, концентрацией ила (рабочей дозой ила), соотношением органической и неорганической части или зольностью ила и пр.). Но следует обратить внимание, что относительная величина, характеризующая содержание органической составляющей части ила (зольность ила) еще не говорит о том, что вся данная органическая часть ила (беззольная часть) будет участвовать в биодеструкции ЗВ, так как в нее может входить инертная или даже отмершая биомасса.

Концентрация ила (доза ила) в биореакторе обратно пропорциональна нагрузке на ил, то есть уменьшить нагрузку на ил (соответственно, увеличить эффективность биотехнологии, при условии отсутствия в исходном субстрате ксенобиотиков) можно за счет увеличения рабочей дозы в биореакторе. Но увеличение рабочей дозы в биореакторе сверх определенной и оптимальной величины, невозможно с точки зрения ведения

биотехнологии и, прежде всего, - риска ухудшения процесса разделения иловой смеси после биореактора во вторичных отстойниках или илоотделителях другой конструкции. Для определения параметров, связанных с ограничением рабочей дозы АИ в биореакторе и возможностью его последующего разделения во вторичных отстойниках, введен показатель - иловый индекс (объем ила, мл, занимаемый илом после 30-минутного отстаивания, соотнесенного к 1 г сухого вещества ила) [2].

Рабочая доза АИ в биореакторе варьируется в зависимости от оптимальной нагрузки на ил, обеспечивающей необходимую степень

биодеструкции ЗВ и, с другой стороны, от способности ила к седиментации,

идентифицируемой величиной илового индекса.

Наиболее распространенным в

биотехнологиях интервалом рабочей дозы АИ является величина 3 - 5 г/л. При технологической необходимости поддержания более высокой дозы АИ применяют биотехнологии с регенерацией активного ила, целью которой является восстановление сорбирующей способности ила и доокисление трудноокисляемых веществ, которые не полностью деструктуировали в биореакторе. И тот и другой технологический фактор способствует формированию более компактного и хорошо седиментирующего ила во вторичных отстойниках.

Нагрузка на АИ находится в обратно пропорциональной зависимости от времени аэрации (времени окисления), поэтому, окислительную способность биореактора, ограниченную максимально возможной рабочей дозой ила, можно повысить увеличением времени аэрации. Но увеличение времени аэрации также ограничено рядом технологических параметров, одним из важнейших является уменьшение

производительности и увеличение возраста АИ сверх оптимального (обеспечивающего

эффективность очистки при разных нагрузках) [3].

Средняя нагрузка на ил - количество поступающих в биореактор ЗВ в единицу времени, приходящееся на единицу массы ила. Количество поступающих ЗВ выражается в мг или г загрязнений (ХПК или БПКп в случае нескольких приоритетных загрязнений, или концентрации какого-либо одного приоритетного поллютанта), на единицу массы ила в граммах сухого вещества АИ или в граммах сухого беззольного вещества ила. Последнее выражение предпочтительнее, так как в биоокислении участвует только беззольная (органическая составляющая массы ила).

Среднюю нагрузку на активный ил Вх можно определить в соответствии с методикой СНиП 2.04.03-85 (Строительные нормы и правила. Канализация. Наружные сети и сооружения), основываясь на снижении БПК5 и (или) снижении ХПК, используя следующие зависимости:

Вх=(БПК5вх-БПК5вых)/Хв(1-8аи)1а4,

(1)

где БПК5вх и БПК5вых - БПК5 поступающей в биореактор и выходящей СВ, мгО2/л или г/м3; Хв -концентрация активного ила (биомассы), мг/дм3 или г/м3; 8Ш - зольность ила, в долях единицы; ^ -время нахождения субстрата в биореакторе (время аэрации), час [1].

Следует обратить внимание, что зависимость (1) может быть использована для бытовых (коммунальных) СВ, которые отличаются постоянством состава и концентраций ЗВ, а для большинства производственных СВ характерной особенностью является присутствие

трудноокисляемых поллютантов, определяемых по ХПК.

Кроме того, остаточная концентрация ЗВ, определяемая по форм. (1) (в данном случае по БПК5вых), непосредственно не связана с нагрузкой на ил. Нагрузка на ил зависит от концентрации ЗВ на входе в биореактор и, опосредованно, через концентрацию АИ и время биодеструкции, связана с конечной концентрацией (БПК5вых).

Следует обратить внимание на то, что от конечной концентрации ЗВ (разности между начальной и конечной концентрацией) зависит удельная скорость окисления и окислительная мощность биореактора.

Поэтому, необходимо зависимость для определения нагрузки на ил изменить с учетом следующих поправок:

1) не учитывать величину остаточной концентрации ЗВ;

2) концентрацию ЗВ оценивать не по величине БПК, а по величине ХПК, как показателю, учитывающему концентрацию не только средне- и легкоокисляемых соединений, но и трудноокисляемых.

В данном случае формулу по определению Вх можно записать в следующем виде:

Вх=(ХПКвхср)/Хв(1-8аи)1а4, (2)

где ХПКвхср- ХПК сточной воды на входе в биореактор, среднеарифметическое между максимальным и минимальным значением в

разовых пробах за время нахождения СВ в сооружениях, где осуществляется предварительная перед биореактором очистка (зависит от компоновки технологической схемы и реально может быть в интервале 1-6 час) (ХПКвхср. = (ХПКвхтах + ХПКвхтт)/2) [3].

Примечание.

1. ХПК определяется бихроматным, но не перманганатным методом.

2. Рекомендуется ХПК на входе в биореактор определять для биосистем с регенерацией АИ усредненное за время предварительной очистки СВ в сооружениях, предшествующих биоочистке. В каждом конкретном случае это время зависит от способов предварительной очистки и времени нахождения СВ в них.

Для биосистем без регенерации АИ рекомендуется ХПК определять в разовой пробе.

Кроме того, что в СВ многих производств присутствуют трудноокисляемые вещества, концентрация и состав поступающих в биореактор сточных вод может резко меняться во времени. Изменение нагрузок на АИ угнетает физиологический обмен в бактериальной клетке (аномальный сброс СВ с высокой концентрацией токсикантов может вызвать даже лизирование микроорганизмов) и для адаптирования микроорганизмов АИ к новым условиям требуется значительное время.

Зависимость (2) может применяться для определения нагрузок на АИ в условиях эксплуатации биотехнологий для очистки бытовых СВ или некоторых производственных СВ, отличающихся стабильной нагрузкой, не превышающей регламентные значения.

Для остальных производственных СВ с меняющейся и резко превышающей регламентные значения нагрузкой (СВ химических, нефтехимических, нефте- газоперерабатыващих, ресурсодобывающих, перерабатывающих,

металлургических, оборонных и многих других производств) для более объективного определения Вх предлагается ввести коэффициент неравномерности нагрузок по ХПК кнхпк. кнхпк определяются по следующей зависимости:

кнхпк=(ХПКв ХПКтахвх ,

ХПКт

п)/ХПКвхрегл, (3)

и ХПКвх -

где Х

соответственно ХПК в разовой пробе перед биореактором максимальное, минимальное и регламентное. Коэффициент кнхпк может иметь различные значения, величина которого пропорциональна нагрузке на биоценоз АИ (кнхпк < 1,0 - нагрузка равномерная; кнхпк > 1,0 - нагрузка неравномерная).

Формула (2) с учетом кнхпк примет следующий вид:

Вх=(ХПКвхср.)/Хв (1-8аи^]+ехр(кнхпк), (4)

Результаты расчета средней нагрузки на АИ биостанции ОАО «Казаньоргсинтез», выполненные по формуле (4), показали, что в случае нестабильных и аномальных нагрузок значения Вх

вх

выше на 15 - 28% значений, полученных при расчете по формуле (1).

Литература

1. Строительные нормы и правила. Канализация. Наружные сети и сооружения. СНиП 2.04.03-85.

2. Ю.В. Воронов, С.В. Яковлев, Водоотведение и очистка сточных вод: учебник для вузов, Издательство Ассоциации строительных вузов, Москва, 2006. 704 с.

3. В.В. Кирсанов, Современные технико-технологические методы защиты окружающей среды. Т.1. Процессы и

аппараты защиты гидросферы, Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, Казань, 2013. 496 с.

4. С.В. Свергузова, А.А. Внуков, А.А. Юрчеко, И.Г. Шайхиев, Исследование физико-химических свойств шлама водоочистки белгородской ТЭЦ, Вестник Казанского технологического университета, 17, 18, 164-166 (2014).

5. О.И. Колотова, Н.В. Владимцева, И.В. Герман, И.В. Соколова, Использование природных неорганических веществ для интенсификации биотехнологических процессов, Вестник Казанского технологического университета, 16, 23, 132-135 (2013).

Все статьи номера поступили в редакцию журнала в период с 01.05.15. по 10.06.15.

Аннотация научной статьи по математике, автор научной работы — Кирсанов В. В.

Похожие темы научных работ по математике , автор научной работы — Кирсанов В. В.