Стохастична модель оптимізації технологічних режимів розділення муло-водяної суміші коагулянтами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Стаття з теми:

Стохастична модель оптимізації технологічних режимів розділення муло-водяної суміші коагулянтами

Кравченко О. В., науковий співробітник (Науково-дослідний та конструкторсько-технологічний інститут міського господарства, м. Київ)

Залевський В. С., зав. відділом мікробіології очистки води (Інститут колоїдної хімії та хімії води ім. А.В. Думанського НАН України, м. Київ)

Проведено порівняння різних марок коагулянтів для розділення муло-водяної суміші і встановлена висока ефективність дії оксихлориду алюмінію «Полвак-68». Складена стохастична математична модель оптимізації режимів розділення муло-водяної суміші коагулянтами.

The different coagulants were compared and the high effectiveness of “Polvak-68” oxychloride for active-sludge separation was established. Also the stochastic math model of process was created.

Постійне зростання об'ємів утворення стічних вод, а також підвищення рівня екологічних вимог до якості їх очищення, зумовлює необхідність створення нових та удосконалення існуючих технологій обробки стоків. Особливої гостроти питанню надають економічні чинники, пов'язані з необхідністю значних фінансових витрат на будівництво нових очисних споруд або їх розширення за існуючими технологічними схемами.

На поточний момент на понад 70% станцій очищення господарсько-побутових вод України з продуктивністю більше 10 тис.м3 /добу застосовані схеми, в основі яких лежить біологічний метод з рециркуляцією активного мулу [1]. Вагомим фактором, який лімітує можливості збільшення продуктивності споруд згаданих станцій та підвищення якості очищення, є процес відділення активного мулу від очищеної води у вторинних відстійниках. Недостатня ефективність розділення муло-водяної суміші спричиняє зменшення дози активного мулу в аеротенках, винос завислих речовин з вторинних відстійників, погіршення якості очищеної води та ін. Таким чином, пошук шляхів удосконалення технології біологічного очищення води на етапі відділення активного мулу є актуальним.

Вирішення згаданої вище задачі здійснюється на поточний момент у кількох науково-технічних напрямках. Це удосконалення конструкцій вторинних відстійників з застосуванням пристроїв механічного утримання біомаси, а саме, насипним завантаженням, використанням тонкошарових модулів та інших технічних рішень, які сприяють покращенню умов відстоювання і затримання завислих речовин [2]. Зазначені системи порівняно дешеві та технічно доступні у впровадженні, але, як правило, помітно ускладнюють умови експлуатації відстійників оскільки потребують періодичної промивки завантаження, що призводить до додаткових витрат води, електроенергії, а в окремих випадках і спеціальних реагентів.

Альтернативою класичному методу гравітаційного відділення активного мулу у вторинних відстійниках є мембранні технології, перспектива застосування яких полягає у можливості підвищувати окислювальну здатність споруд за рахунок забезпечення підтримання високих доз активного мулу в аеротенках, роботі при підвищених мулових індексах, глибокому очищенні води від завислих речовин і покращенні мікробіологічних показників води [3]. Поширення зазначених технологій на сучасному етапі стримується необхідність значних затрат на придбання обладнання та витратних матеріалів, високими питомими витратами електроенергії та технічними складностями в експлуатації мембран через їх забивання, обмежені ресурсні характеристики та ін. Таким чином, існуюча практика застосування біомембранних технологій поки обмежена певними випадками необхідності глибокого очищення стічних вод [4]. Наприклад, у США за такою технологією працюють 10 очисних станцій продуктивністю до 30 тис.м3/добу [5].

Перспективним напрямком підвищення показників роботи існуючих очисних споруд, на нашу думку, може бути застосування коагулянтів у технологічному процесі біологічного очищення. Коагуляція широко і успішно застосовується у системах фізико-хімічного очищення питних і стічних вод різних категорій [6]. Найбільше поширення серед коагулянтів при очищенні води отримали солі 3-х валентних металів - алюмінію і заліза, які здатні не тільки порушувати агрегативну стійкість забруднень, але й гідролізувати з утворенням малорозчинних продуктів, які характеризуються значною поверхнею, здатною до адсорбції. Існує певний досвід застосування коагулянтів для підвищення ефективності процесів біологічного очищення води введенням реагентів в первинні відстійники та аеротенки для покращення пластівцеутворювання та осідання активного мулу [7]. Але практика застосування таких технологій, особливо на спорудах великої потужності, зазвичай обмежується підвищенням собівартості очищення, пригніченням мікрофлори активного мулу значними дозами реагентів, а також накопиченням останніх у біомасі надлишкового активного мулу, завдяки чому погіршувались умови знешкодження або утилізації осадів [8]. Дані щодо інтенсифікації процесу сепарації активного мулу у вторинних відстійниках споруд біологічного очищення методом коагуляції у науково-технічній літературі нами не виявлені.

Передумовою перегляду питання оцінки перспективності застосування коагулянтів у процесах біологічного очищення стічних вод, у тому числі на етапі розділення муло-водяної суміші, є створення і швидкий розвиток в Україні виробництва нового покоління коагулянтів на основі оксихлориду алюмінію. Їх перспективність полягає у потенційній можливості прискорення процесів седиментації активного мулу при застосуванні малих доз реагентів, що дозволить запобігти негативному впливу на мікрофлору активного мулу, розглянутому вище. Додатковою важливою перевагою використання коагулянтів є їх здатність до видалення сполук фосфору з води, які не видаляються при застосуванні поширених технологій біологічного очищення [9-11]. Щодо технічного аспекту проблеми, що розглядається, то впровадження процесу розділення муло-водяної суміші з коагуляцією не спричинить принципових конструктивних і технічних труднощів при переобладнанні вторинних відстійників. Таким чином, проведення досліджень, спрямованих на використання коагулянтів при створенні нових удосконалених технологій роботи вторинних відстійників має наукову і практичну цінність.

Метою проведених досліджень було визначення умов ефективного застосування коагулянтів нового покоління у процесі біологічного очищення води на етапі розділення муло-водяної суміші у вторинних відстійниках, створення моделі оптимізації параметрів технологічних режимів.

В дослідженнях були використані такі поширені у практиці водопідготовки і очищення стічних вод реагенти: сульфат алюмінію, поліакриламід, оксихлориди алюмінію марок «Полвак-68» та «Аква-Аурат-18», комплексні реагенти «Мур-флок-300» і «Мур-флок-300-1». Діапазони доз встановлювали виходячи з досвіду використання реагентів на вітчизняних і зарубіжних очисних станціях та керуючись рекомендаціями розробників реагентів [12]. Для оксихлоридів алюмінію та реагентів «Мур-флок» діапазони доз, які досліджувались, становили 10-70мг/л, для сульфату алюмінію - 10-180мг/л, крім того в дослідженнях використовувалась суміш сульфату алюмінію в кількості 10-140 мг/л з додаванням 5 мг/л поліакриламіду.

В дослідах використовували нативний активний мул з аеротенків Бортницької станції аерації, відібраний безпосередньо перед постановкою експериментів.

Реагентне розділення муло-водяної суміші проводили на лабораторному коагуляторі, який являє собою набір з 8 ємностей робочим об'ємом 1 л кожна з мішалками, швидкість обертання яких регулюється реостатом з похибкою ±5 хвил-1.

В експериментах використовували методику пробної коагуляції [12], згідно якої до 1 л муло-водяної суміші додавали розраховані об'єми реагентів, після чого коагулятор працював 1 хвилину у режимі 90±5 хвил-1 та 7 хвилин - у режимі 40±5 хвил-1. Розчини переносили у мірні циліндри і визначали об'єм, який займав осад активного мулу через встановлені проміжку часу. Дослідження проводили при температурі 25°С та 10°С, що відповідає середнім значенням цього показника для стічної води у літній та зимовий періоди відповідно. В другому випадку проби муло-водяної суміші охолоджували в термостаті до температури 10±1єС. Показники якості очищених стоків визначали за загальноприйнятими методиками аналізу [13].

При пошуку оптимальних доз реагентів ефективність дії коагулянтів оцінювали за швидкістю седиментації, яку у свою чергу, визначали виходячи з відношення об'єму, який займає мул у циліндрі через певні проміжки часу, до дози мулу. За результатами проведених експериментів були отримані седиментаційні криві. Їх аналіз дозволив побудувати графічні залежності (рис. 1, 2) мулового індексу та відношення об'єму осаду мулу до його дози через 90 хв. - нормативний показник, який відповідає часу відстоювання суміші у вторинних відстійниках згідно СНіП [14].

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Узагальнення даних рис. 1, 2 дозволяє умовно поділити досліджені реагенти на дві групи відповідно до ефективності впливу на розділення муло-водяної суміші. Реагенти першої групи, до якої увійшли сульфат алюмінію та його суміш з поліакриламідом, забезпечували значення мулового індексу 80-85 см3/г, необхідне для ефективної роботи відстійників, лише при концентраціях: для сульфату алюмінію - 100 мг/л, суміші - 80 мг/л сульфату алюмінію та 5 мг/л поліакриламіду. Реагенти другої групи різко прискорювали осідання у дозах 20-40 мг/л, при яких забезпечувалось значення мулового індексу 40-65 см3/г.

Виходячи з регламентних умов забезпечення роботи відстійників, відношення об'єму мулу до його дози через 90 хвилин відстоювання не повинно перевищувати 20 см3/г. Керуючись цією величиною ми встановили необхідну дозу реагентів згідно залежностей, відображених кривими на рис.2. Сульфат алюмінію забезпечував необхідний ефект лише при концентрації 160 мг/л, а суміш - при концентрації сульфату алюмінію 100 мг/л та поліакриламіду - 5 мг/л. В той же час, оксихлориди алюмінію («Полвак», «Аква-аурат») та комплексні реагенти («Мур-флок») забезпечували виконання наведеної вимоги вже при дозах 10-20 мг/л. Узагальнені оптимальні дози реагентів для розділення муло-водяної суміші приведені в табл. 1.

Таблиця 1 - Діапазони оптимальних доз реагентів для інтенсифікації розділення муло-водяної суміші

коагулянт оксидхлорид алюміній суміш

Для уточнення оптимальних доз було проведено порівняння якості надмулової рідини після 90 хвилин відстоювання. Дослідження проводились при 10 та 25°С, усереднені результати приведені у табл. 2 та на рис. 3.

Таким чином, отримані результати засвідчили, що використання коагулянтів прискорювало розділення муло-водяної суміші і покращувало якість очищеної стічної води у всіх випадках, що досліджувались. Найбільша ефективність зниження концентрації завислих речовин, БСК5 та ХСК виявлена у оксихлоридів алюмінію. Так, якщо за показником зменшення концентрації завислих речовин в освітленій воді ефективність їх застосування була на рівні 60-75%, то для реагентів «Мурфлок», сульфату алюмінію та поліакриламіду вона не перевищувала 35%. Органічні речовини ефективно видалялись оксихлоридними коагулянтами («Полвак», «Аква-аурат») та комплексними реагентами («Мурфлок»), які забезпечували зниження показника БСК на 50-60%, а ХСК на 20-22% в той час, як для сульфату алюмінію та його суміші з поліакриламідом ефективність їх зниження не перевищувала відповідно 15-30% та 9-13%.

При цьому спостерігалась залежність ефективності очищення від дози коагулянту. Так, збільшення дози «Полвак» з 10 до 20 мг/л давало можливість покращити видалення органічних речовин по показнику БСК5 з 28 до 65%, а по ХСК - 11 до 22%. Всі досліджені реагенти забезпечували видалення фосфатів з води. Найвищу ефективність видалення останніх (87%) проявили реагенти «Мур-флок-300» та «Полвак-68».

Таблиця 2 - Показники якості надмулової рідини після 90-хвилинного відстоювання

А

Б

Рис. 3 - Збільшення ефективності очищення стічних вод при використанні реагентів: А - температура 25єС, Б - 10єС

На вміст розчинених солей амонію використані реагенти практично не впливали. Наведені вище результати були отримані в температурних умовах дослідження - 25°С. Зниження температури процесу розділення муло-водяної суміші до 10єС практично не вплинуло на активність реагентів «Полвак», «Аква-Аурат» та «Мур-флок» на відміну від сульфату алюмінію та поліакриламіду, ефективність дії яких помітно знизилась по всіх показниках (див. рис. 3). Наприклад, для сульфату алюмінію ефективність видалення завислих речовин знизилась з 25 до 8%, БСК5 з 15 до 10%, ХСК з 10 до 3%.

Виходячи з високих показників ефективності дії оксихлориду алюмінію «Полвак-68», одержаних в експерименті, а також враховуючи його нижчу у порівнянні з «Мурфлок» та «Аква-аурат» вартість [9], подальші дослідження проводились з використанням цього реагенту.

Для складання математичної моделі було проведено експеримент з відсіювання серед найбільш значимих параметрів, які впливають на ефективність розділення муло-водяної суміші, за такими параметрами:: дози коагулянту, часу і швидкості перемішування, часу відстоювання, рН середовища, присутності штучних замутнювачів (каоліну). Основним критерієм ефективності розділення муло-водяної суміші вважали відношення об'єму мулу до дози 90 хвилин відстоювання. Крім того, здійснювали контроль якості очищеної води, визначаючи у над муловій рідині такі показники: вміст завислих речовин, БСК5, ХСК, фосфати, амонійний азот. Ефективність дії реагенту за кожним з наведених показників розраховували за формулою:

E = (1-Ai/A0)*100%,

де Аі - значення показника, А0 - значення показника в пробі без коагулянту.

В таблиці 3 наведені експериментально встановлені діапазони варіювання показників при зміні основних режимів. Оцінка отриманих даних згідно [15] показує, що з досліджуваних параметрів суттєвий вплив на розділення суміші мають доза коагулянту, час перемішування та час відстоювання. В той же час зміна рН, температури (в досліджуваних діапазонах), а також наявність замутнювача відносяться до малозначущих параметрів, а тому можуть бути виключені з математичної моделі для її спрощення.

Рівняння розроблюваної моделі другого порядку може бути записане у вигляді:

Таблиця 3 - Діапазони варіювання показників якості очищення при зміні технологічних параметрів

Таблиця 4 - Ортогональний план експерименту та результати досліджень для складання стохастичної моделі опису впливу технологічних параметрів на ефективність розділення муло-водяної суміші

Таблиця 5 - Коефіцієнти отриманої стохастичної математичної моделі

EA = a0 + adD + atzTz + atvTv + ad,tzDTz + ad,tvDTv + atvtz TvTz + ad2D2 + atz2Tz2 + atv2Tz2 ,

де D - доза коагулянту, мг/л;

Tz - час перемішування мішалкою в режимі 40±5 хвил-1; хв.;

Tv - час відстоювання, хв.

a - невідомі коефіцієнти;

Еа - збільшення показника ефективності очищення у порівнянні з контролем, %.

Для знаходження коефіцієнтів моделі другого порядку, було розроблено ортогональний план експерименту (див. табл. 4) з загальною кількістю досліджень - 15. Обробка його результатів (табл. 4) відповідно до [15] дозволила розрахувати коефіцієнти моделі (табл. 5).

Для проведення багатокритеріальної оптимізації отриманих моделей використовувався програмний пакет Mathsoft MathCad 13. Було встановлено 3 локальних максимуми (табл. 6).

Таблиця 6 - Результати багатокритеріальної оптимізації математичної моделі

Перший максимум характеризується найглибшим очищенням при оптимальній дозі коагулянту; другий - відповідає оптимальному значенню коагулянту, при якому розділення муло-водяної суміші протікає найбільш ефективно; третій характеризує можливості зменшення часу відстоювання з 90 до 55 хвилин (тобто збільшення питомого навантаження на споруди).

З метою оцінки адекватності отриманої математичної моделі було проведено ряд контрольних досліджень у точках, близьких до оптимальних. Результати цих експериментів, а також значення дисперсії моделі і експерименту приведені у табл. 7. Очевидно, що розходження математичної моделі з експериментальними даними не перевищує 20%, а для переважної більшості точок - менше 15%. Оцінка дисперсії моделі відповідно до [15] також свідчить про її адекватність.

Таблиця 7 - Оцінка адекватності математичної моделі

Висновки

Використання коагулянтів при біологічному очищенні на етапі відстоювання у вторинних відстійниках дозволяє прискорити розділення муло-водяної суміші, а також досягти покращення якості надмулової рідини по завислих речовинах, БСК, ХСК та фосфатах.

Серед реагентів, що були досліджені, найбільшу ефективність відділення активного мулу проявляли коагулянти на основі оксихлориду алюмінію («Полвак-68», «Аква-Аурат-18») та комплексні реагенти («Мурфлок») у дозах 10-20 мг/л. Сульфат алюмінію та його суміш з поліакриламідом виявляли ефективність лише при значно більших дозах (180, 100+5 мг/л відповідно).

За результатами проведених досліджень складено математичну модель для визначення оптимальних умов інтенсифікації розділення муло-водяної суміші за допомогою реагенту «Полвак-68». Адекватність моделі підтверджена експериментально, а отримані дані можуть бути екстрапольовані з використанням критеріїв подібності на промислові технологічні процеси.

Аналіз моделі показав, що використання реагенту «Полвак-68» у дозі 42 мг/л дозволяє зменшити необхідний час відстоювання муло-водяної суміші у вторинних відстійниках при біологічному очищенні міських стічних вод з 90 до 55 хвилин і збільшити питоме навантаження на вторинні відстійники.

Література

1. Національна доповідь щодо якості питної води та стану питного водопостачання в Україні у 2003 році. Київ, 2004. - 142с.

2. Monroy Oscar et al. Sediments tank based upon TUBEDek™ PVC tube modules. // Water Res. 2000. 34, N6, p.30-33.

3. Huanjing kexue, перев. Chin. J. Environ. Сравнение методов биоочистки с использованием мембранного реактора, а также с применением традиционной технологии Sci. 2001. 22, N 3, с. 22-24.

4. Швецов В.Н., Морозова К.М., Киристаев А.В. Преимущества биомембранных технологий для биологической очистки стоков. // Экология производства, 2005, вып. 11 - с.25-28.

5. Швецов В.Н., Морозова К.М., Киристаев А.В. Биомембранные технологии для очистки сточных вод. // Экология производства, 2006, вып. 5 - с.47-54.

6. Бабенков Е.Д. Очистка воды коагулянтами. М.: «Наука», 1977. - 356с.

7. Мочалов И.П., Родзиллер И.Д., Жук Е.Г. Очистка и обеззараживание сточных вод малих населеннях мест в условиях Крайнего Севера., Л., „Стройиздат”,1991, 160с.

8. Гандурина Л.В. и др. Очистка поверхностных сточных вод органическими коагулянтами и флокулянтами. // Вода и санитарная техника, 2005, №1. - с.31-37.

9. Лессік М.Д., Авраменко Л.П., Березовська Т.В. Прийоми ефективного використання гідроксихлоридів алюмінію в умовах діючих очисних споруд. // Збірка доповідей Міжнародного Конгресу ЕТЕВК-2007, м. Ялта, 22-26 травня. К.: ВПЦ «Три крапки», 2007. - с. 34-37.

10. Гетманцев С.В. и др. Применение коагулянта `Аква-аурат' для очистки сточных вод // Экология производства, 2006, вып. 5. с. 46-51.

11. Гетманцев С.В. и др. Очистка сточных вод от соединений фосфора коагулянтами `Аква-аурат'. // Вода и санитарная техника, 2006, №8. - с. 39-44.

12. Методичні рекомендації по застосуванню гідроксихлориду алюмінію на водопровідних станціях (на прикладі коагулянту ПолвакТМ). К.: Держбуд України, 2001. - 22 с.

13. Лурье Ю.Ю. Аналитическая химия промышленных сточных вод. - М.: Химия, 1984.- 448с.

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

15. Кафаров В.В., Винарев А.Ю., Гордеев Л.С. Моделирование биохимических реакторов. - М.: Лесная пром-ость, 1979. - 344 с.

Размещено на Allbest.ru