Организация процесса аэробной биологической очистки путем регулирования амплитудно-частотных характеристик параметров загрязнений сточных вод Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

Организация процесса аэробной биологической очистки путем регулирования амплитудно-частотных характеристик параметров загрязнений сточных вод

И.И.Павлинова, П.В.Юдин

Для поддержания чистоты вод в России Правительством РФ разработана программа «Чистая вода», которая включает все аспекты поддержания отрасли водоснабжения и водоотведения на современном уровне. В этой связи важное значение приобретает проблема комплексного решения экологической защиты природной среды от загрязнения ее отходами промышленных производств и хозяйственно-бытовыми стоками населенных пунктов.

Чтобы определить функциональные зависимости между отдельными взаимосвязанными элементами очистных сооружений и найти оптимальные конструктивно-технологические решения при их проектировании, строительстве и регулировании, необходимо провести теоретические исследования балансовых соотношений между веществами, участвующими в процессах очистки, и разработать математические модели реализуемых технологических процессов.

Однако теоретические зависимости требуют их уточнения и конкретизации, поэтому необходимо предварительное установление опытным путем эмпирических коэффициентов, определяющих реальные связи между параметрами и характеристиками процессов, используемых при проектировании, строительстве, наладке и эксплуатации очистных сооружений.

Очистные сооружения предназначены для очистки вы-соконагруженных органическими примесями сточных вод и включают следующие основные участки:

- участок механической очистки, обеспечивающий отстаивание из сточных вод дисперсных органических и минеральных примесей (первичный отстойник);

-участокбиологической очистки,реализующий процессы бактериального окисления органических загрязнений и отделение от очищенной воды биомассы активного ила (аэротенк и вторичный отстойник);

- линию рециркуляции части биомассы из вторичного отстойника в аэротенк, включающую аэробный стабилизатор активного ила.

Кроме указанных выше элементов технологическая схема очистки может включать участок биосорбции загрязнений исходной сточной воды на флоккулах активного ила (контактный резервуар), участок биологической доочистки сточных вод после их очистки в аэротенке (биофильтр) и участок обеззараживания (контактную емкость). Очищенные воды либо сбрасываются непосредственно в природные водоемы или на рельеф, либо перед сбросом подвергаются дополнительной очистке в биофильтрах или фитопланктоном в биологических прудах.

Особенность аэробной биологической очистки высо-козагрязненных органическими загрязнениями сточных вод состоит в том, что основными базовыми элементами технологической схемы очистных сооружений являются аэрационные сооружения - аэротенки. Процесс усвоения микроорганизмами органического субстрата из поступающей в аэротенк сточной воды протекает наиболее интенсивно, когда органические вещества находятся исключительно в растворенном состоянии. В этом случае облегчается подвод питательных веществ к клеткам микроорганизмов, повышается глубина ферментативного гидролиза, а значит улучшаются условия и полнота поглощения субстрата клетками бактерий активного ила. В результате растет коэффициент полезного действия биохимического процесса, в аэротенке формируется сфлоккулированный активный ил, хорошо осаждающийся во вторичном отстойнике,т.е. в целом повышается качество очистки, надежность и устойчивость работы очистных сооружений.

Отсюда вытекает важная практическая задача подготовки исходной сточной воды на участке ее механической обработки перед аэротенком с тем, чтобы в максимальной степени освободить исходную сточную воду от содержащихся в ней дисперсных и коллоидных частиц.

Однако исследования последних лет показывают, что не только степень дисперсности исходных сточных вод играет главную роль в процессах биологической очистки активным илом. Немаловажное значение имеют и временные изменения нагрузок по загрязнениям на активный ил в сточных водах, поступающих на очистку. Демпфирующий эффект аэротенка как емкостного сооружения имеет свои довольно узкие пределы, и в результате такого колебания параметров загрязнения «проходят» через аэротенк. Водно-иловая смесь поступает на вход во вторичный отстойник, достаточно чувствительный к амплитудно-частотным изменениям нагрузок по взвешенным веществам. В результате возможно развитие процессов вспухания активного ила, приводящих к срыву работы вторичных отстойников и выходу из строя системы очистки вообще.

Необходимо также отметить, что структурные элементы технологической схемы очистных сооружений неразрывно связаны между собой в единый комплекс, от согласованной работы элементов которого зависит конечный результат -качество очистки сточных вод и количество выводимых на утилизацию твердых отходов биотехнологической обработки (осадков первичных и избыточной биомассы вторичных от-

стойников). Поэтому выход основного звена биологической очистки на нерасчетные режимы неизбежно влечетза собой рассогласование в работе всей системы. Уровень загрязненности обрабатываемой в аэротенках среды оказывает негативное влияние не только на последующие звенья технологической цепи, но и на предшествующие структурные элементы, так как биомасса активного ила частично возвращается в голову очистных сооружений для поддержания необходимой дозы активного ила и окислительной мощности аэротенков.

Отсюда становится ясно, что проблема снижения амплитуд но-частотных колебаний параметров водно-иловых смесей, выводимых из аэрационных сооружений, является весьма важной и актуальной, особенно применительно к таким высокозагрязненным органическими веществами сточным водам, какими являются стоки производственных и перерабатывающих предприятий.

Математическое описание колебательных процессов по загрязнениям сточных вод на входе и выходе из очистных сооружений

Нагрузки по загрязнениям, приходящим со сточными водами на очистные сооружения, в значительной степени подвержены колебаниям, связанным с различного рода внешними факторами в реальных условиях эксплуатации. В связи с этим при проектировании очистных сооружений необходимо закладывать определенные «запасы прочности», которые обеспечивали бы надежную и устойчивую работу при всех возможных отклонениях нагрузок от номинальных в процессе эксплуатации. В качестве таких запасов прочности на практике используется увеличение объемов сооружений в 1,3-2,5 раза по сравнению с их расчетными значениями. Однако эти мероприятия не гарантируют стабильность работы систем очистки в эксплуатации, так как принимаемые конструктивные решения являются по большей части чисто волевыми и не подкреплены серьезными экспериментально-расчетными материалами. Очевидно, что закладка такого рода «запасов прочности» не является научно обоснованной и необходимо принятие комплекса мер, охватывающих все стороны данной проблемы.

При проведении настоящей работы анализу были подвергнуты три типа аэрационных бассейнов:

- с поршневым потоком;

- с диспергированным потоком (промежуточный тип);

- с потоком полного смешения.

Дифференциальные уравнения, описывающие указанные типы бассейнов, имеют вид:

- для бассейна с поршневым потоком

0, (1)

Ы 81

- для бассейна с диспергированным потоком дУ _ д2Г „дУ .

-----Д.—- + С/.— + кь = о

Ы 81} дЬ

(2)

- для бассейна с потоком полного смешения

^У-0У+КЬ = <2Х, (3)

где

У - концентрация загрязнений на выходе; X - концентрация загрязнений на входе; и - скорость потока сточной воды; О- коэффициент дисперсии; А - длина бассейна; К -коэффициент разложения питательных веществ; 0- расход сточной воды; V-объем сооружения; Ь- время.

Решение этих уравнений является сложным для большинства систем, а иногда решения вообще невозможны без различного рода приближений и упрощений.

Зависимость коэффициента прироста амплитуды от частоты колебаний параметров по загрязнениям сточных вод для трех указанных видов бассейнов показана на рисунке 1.

На диаграмме видны два диапазона частот: низкочастотный, где уменьшение амплитуды объясняется только дисперсией, и высокочастотный, где частота колебаний уменьшается главным образом из-за объемного смешивания.

Поскольку системы, описанные уравнениями (1), (2) и (3), являются линейными, то можно применить принцип суперпозиций, т.е. компоненты сигнала сточных вод на входе разделить на основные характеристики и рассматривать их отдельно, а общий выход считать как сумму отдельных сигналов.

Характеристический анализ показал, что изменения нагрузок на входе в систему очистки сточных вод носят:

- кратковременный (случайный) характер;

- периодический (длительный характер - сезонный, еженедельный, ежесуточный).

Поток идеа/ъного вытеснения Поток ид еагъ ного СГЛ5Ш єни я

- Дисгерсмснньм поток

Рис. 1. Диаграммы систем обработки сточных вод

Вероятностно-статистические параметры колебаний нагрузок по загрязнениям сточных вод на входе в очистные сооружения

Для характеристики колебаний нагрузок на входе могут быть использованы вероятностно-статистические параметры:

- средние значения параметров;

- среднеквадратичные отклонения параметров (дисперсии);

- энергетические спектры, которые показывают, как дисперсии изменяются с частотой колебаний нагрузок.

Энергетический спектр по определению представляет собой преобразование Фурье автоковарианционной функции и обладает рядом важных свойств.

Энергетический спектр показывает, как дисперсия зависит от частоты,т.е.

Видно, что большая часть колебаний (почти 85% всех колебаний воды на входе) происходите частотой 1/24 ч. Остальные колебания носят случайный характер.

Энергетические спектры колебаний нагрузок

по загрязнениям сточных вод на выходе из очистных

сооружений

Зависимость между энергетическими спектрами входа и выхода может быть выражена уравнением

су(/) _Гу(/) -Ыуур

сМ-Гг(/Г1 •

(б)

где

(4)

$2 - дисперсия сигнала;

Г - энергетический спектр.

На практике взятие образцов проб - всегда дискретный процесс в определенных интервалах отбора. В этом случае энергетический спектр ограничивается максимальной частотой, которую можно определить из записей дневника испытаний. Эта частота равна fc = !/2 (Д1), где (Д1:) - интервал отбора проб.

Тогда Iс

52 = |С(/)#, (5)

о

где С(^ - оценка энергетического спектра.

На рисунке 2 - типичное изменение концентрации сточных вод, поступающих на городские очистные сооружения.

Объединяя уравнения (5) и (б), получим дисперсию воды на выходе в виде

^=]М/)] с* (/)<*/• <7>

Числовое и графическое решение этого уравнения возможно для любой системы и любых колебаний воды на входе в том случае, когда известен энергетический спектр воды на входе в систему.

Упрощенные формулы для чисто случайных отклонений на входе («белый шум»), когда для всех частот колебаний энергетический спектр является величиной постоянной, имеют вид:

- один резервуар полного смешения

5* 1 Ы

(8)

\ + & 2Л

- два последовательных резервуара полного смешения

____________ы___________

5^ К2(1+й2)[<1(1+й2)+;2]: (9)

«=;

£

сц

=г

&

I

Ф

=г

о

Время

Рис. 2. Концентрация загрязнений в зависимости от времени суток

112 4 2011

- резервуар с дисперсионным потоком

Щ- = 0,26.Ю'Ч1,8г*-Ре0’45.— ; (“)

- резервуар с поршневым потоком (амплитуда не зависит от частоты)

г<2

^- = е~2к

4 . (И)

Используя полученные математические зависимости, можно произвести следующие вычисления:

- определить необходимое (заданное) время пребывания по средней нагрузке по БПК и умножить его на «запас прочности», равный 2;

- определить необходимое (заданное) время пребывания по максимальной нагрузке и проверить его для средних условий.

Расчетный процесс завершается в два этапа:

- определение размеров аэрационных сооружений, используя средние нагрузки на входе и выходе;

- определение дополнительного объема аэрационных сооружений для буферизации колебаний нагрузки на входе (снятия колебаний исходных сточных вод по нагрузке).

Для более сложных спектров колебаний сточных вод на входе существуют несколько способов определения необходимого времени пребывания для буферизации изменчивости воды на входе:

- расчетный, когда колебания подразделяются на отдельные компоненты и случайный остаток; расчет ведется с помощью упрощенных формул для чисто гармонического и случайного входов,тогда дисперсия воды на выходе будет суммой всех дисперсий воды на входе;

- графический, путем интегрирования уравнения (7).

Графический метод определения необходимого времени пребывания сточных вод для буферизации их изменчивости по концентрации загрязнений на входе в очистные сооружения

Графическое решение задачи состоит в следующем:

- построить зависимость энергетического спектра воды на входе от частоты колебаний (площадь под кривой - это дисперсия воды на входе);

- определить примерные размеры сооружений и коэффициенты прироста амплитуд отдельно для каждого сооружения;

- перемножить ординаты коэффициентов прироста амплитуды и получить общий коэффициент прироста системы;

- умножить спектр воды на входе на общий коэффициент прироста в системе и построить график энергетического спектра воды на выходе (площадь под кривой - это дисперсия воды на выходе);

- сравнить дисперсию воды на выходе с заданной и если есть разница, то повторить расчет несколько раз, используя метод последовательных приближений, пока не будет получен удовлетворительный результат.

Вывод

При проведении работы получены математические методы расчета времени пребывания (размеров) аэрационных сооружений, необходимые для буферизации (сглаживания) колебаний входных нагрузок по загрязнениям сточных вод и обеспечения необходимых (заданных) вероятностно-ста-тистических характеристик (максимально допустимых дисперсий - среднеквадратичных отклонений) воды на выходе из аэрационных сооружений.

С этой целью колебания (отклонения) нагрузок сточных вод на входе разлагаются на отдельные гармоники и случайные отклонения, которые рассчитываются по упрощенным формулам и затем складываются для определения дисперсий воды на выходе.

В том случае, когда объем аэрационного сооружения оказывается недостаточен для буферизации изменения параметров воды на входе, необходимо:

- увеличить емкость сооружения;

-увеличить окислительную мощность сооружения за счет увеличения возврата биомассы активного ила;

- включить в технологическую схему дополнительный стабилизирующий (выравнивающий) бассейн.

Organization of Aerobic Biological Treatment Process

by Regulating Gain-Frequency Characteristics of Waste

Water Pollution Parameters. By I.I.Pavlinova, P.V.Yudin.

The article Looks at the technological decision aimed at improving the ways of aerobic biological sewage treatment, which are diverse by concentration and productivity of the treatment facilities. The research is backed by actual practical examples.

Ключевые слова: строительство, реконструкция, амплитуд но-частотная характеристика, загрязнения сточных вод, очистка сточных вод, активный ил, аэротенк, вероятностностатистические параметры колебаний нагрузок по загрязнениям сточных вод, энергетические спектры колебаний нагрузок по загрязнениям сточных вод.

Key words: construction, reconstruction, gain-frequency characteristics, sewage pollution, sewage treatment, active silt, bioreactor, probabilistic parameters of fluctuations of sewage pollution loadings, energy spectra of sewage pollution loadings