Аеробна доочистка стічних вод на затоплених фільтрах

Размещено на http://www.allbest.ru/

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

УДК 628.35.

Спеціальність 05.23.04. - Водопостачання, каналізація

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

АЕРОБНА ДООЧИСТКА СТІЧНИХ ВОД НА ЗАТОПЛЕНИХ ФІЛЬТРАХ

Рибаченко Сергій Олександрович

Київ - 2011



Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Київському національному університеті будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України.

Науковий керівник: ТУГАЙ ЯРОСЛАВ АНАТОЛІЙОВИЧ кандидат технічних наук, доцент, завідувач кафедри водних і земельних ресурсів Інституту післядипломної освіти Київського національного університету будівництва і архітектури.

Офіційні опоненти: ГІРОЛЬ МИКОЛА МИКОЛАЙОВИЧ, доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри водовідведення, теплогазопостачання та вентиляції Національного університету водного господарства та природокористування (м. Рівне).

ЛУКАШЕНКО СЕРГІЙ ВІКТОРОВИЧ, кандидат технічних наук, доцент кафедри водопостачання, каналізації і гідравліки Харківського державного технічного університету будівництва і архітектури.

Захист відбудеться 08.06.2011 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.07 при Київському національному університеті будівництва і архітектури за адресою: 03680, м. Київ, Повітрофлотський просп. 31. ауд.319.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03680, м. Київ, Повітрофлотський просп., 31.

Відгуки на автореферат просимо надсилати у двох примірниках за підписом, завіреним печаткою організації, на адресу: 03680, м. Київ, Повітрофлотський просп., 31, КНУБА, Вчена рада Д 26.056.07.

Автореферат розісланий 26.04.2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук, професор Василенко О.А.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В сучасних умовах ступінь вилучення органічних та біогенних забруднень в спорудах механічної та біологічної очистки в багатьох випадках не задовольняє потрібним нормативним вимогам, які ставлять до стічних вод, що скидаються у водойми, особливо маловодні та рибогосподарського призначення, а також з метою їх використання для технічного водопостачання.

Провідна роль в процесах доочистки стічних вод до необхідних нормативних вимог, належить вилученню забруднених завислих речовин за рахунок різних процесів, які відбуваються при їх фільтруванні через зернисті, волокнисті та інші типи завантажень фільтрів. В процесах глибокої очистки фільтруванням господарсько-побутових стічних вод, що розглядаються в даній дисертації, які забруднені переважно легко окислювальними органічними речовинами, в основному відбуваються процеси біоокислення забруднень органічного походження. Ефективність їх вилучення пов'язана з утворенням високої концентрації біомаси в одиниці об'єму фільтру у вигляді біоплівки, яка утворюється на поверхні часток завантаження при достатньому забезпеченні аеробного процесу киснем.

Існуючі наукові дослідження носили в основному емпіричний характер і не враховують багатофакторний вплив різних процесів, і тому не дозволяють в цьому випадку надійно та в повному обсязі обґрунтувати конструктивні та технологічні параметри очисних фільтрів.

Тому, актуальною проблемою, яка направлена на підвищення ефективності та надійності доочистки стічних вод є розробка обґрунтованих методів розрахунку параметрів доочистки стічних вод на фільтрах. Ці методи повинні базуватися на більш досконалих фізичних та математичних моделях, які описують та враховують особливості різних процесів вилучення органічних забруднень фільтруванням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано згідно державної програми «Про концепцію розвитку водного господарства України» і безпосередньо пов'язана з планами держбюджетної тематики Київського національного університету будівництва і архітектури, які виконувались на замовлення Міністерства освіти і науки України (державні реєстраційні номери 0199u000598, 0199u000661).

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є розробка більш досконалих і надійних методів розрахунку параметрів доочистки стічних вод від органічних забруднень на затоплених фільтрах на основі сформульованих та реалізованих математичних моделей, які базуються на аналізі існуючих уявлень і більш повним врахуванням механізмів та особливостей доочистки з широким залученням для їх оцінки та апробації результатів експериментальних досліджень.

Для досягнення поставленої мети потрібно вирішити такі задачі:

дослідити механізми та особливості утворення біоплівок на поверхні завантаження та процеси надходження, трансформації і вилучення органічних забруднень мікроорганізмами біоплівки;

створити фізичну концептуальну модель доочистки стічної води фільтруванням в умовах достатнього кисневого режиму і на її основі побудувати математичну модель доочистки стічних вод фільтруванням, з урахуванням взаємного впливу основних гідродинамічних, фізико-хімічних та біологічних факторів і реакцій, які відбуваються в біоплівці та об'ємі фільтра при доочистці стічних вод;

на основі реалізації математичної моделі чисельними та аналітичними методами, розробити інженерні методи розрахунку конструктивних і технологічних параметрів доочистки стічних вод на фільтрах в умовах достатнього кисневого режиму;

провести порівняльний аналіз результатів розрахунку по запропонованим залежностям з дослідними даними, одержаними в лабораторних умовах на очисних фільтрах, а також з дослідними даними інших авторів. доочистка стічний вода фільтр

розробити рекомендації по визначенню основних вихідних параметрів і коефіцієнтів та виконати апробацію розрахункових залежностей.

Об'єкт дослідження - господарсько-побутові стічні води, які потребують доочищення.

Предмет дослідження - параметри доочистки стічних вод на затоплених фільтрах із використанням біоплівкових технологій.

Методи дослідження - фізичне та математичне моделювання процесів доочистки на фільтрах, використання чисельних та аналітичних методів розв'язку окремих задач, науковий аналіз і порівняння результатів аналітичних розробок з існуючими дослідними даними і проведеними лабораторними дослідженнями.

Наукова новизна отриманих результатів:

обґрунтована і побудована загальна математична модель вилучення органічних забруднень на очисних фільтрах, яка враховує взаємодію різних факторів: моделі кінетики масообміну та реакції біоокислення, гідравлічні властивості середовища, особливості утворення біоплівки на поверхні завантаження та нестаціонарність процесу;

розроблені чисельні та аналітичні методи розрахунку параметрів доочистки стічних вод на фільтрах, проведено оцінку впливу основних факторів, зокрема різних кінетик реакцій вилучення забруднень з закріпленим біоценозом, параметрів біоплівки та завантаження, вихідних характеристик технологічного процесу доочистки;

на основі реалізації запропонованої моделі чисельними та аналітичними методами отримані залежності по визначенню технологічних і конструктивних параметрів доочистки стічних вод на затоплених фільтрах в умовах достатнього кисневого режиму.

Практичне значення отриманих результатів. Реалізація запропонованих моделей чисельними та аналітичними методами із залученням дослідних даних фільтрування стічних вод на різних завантаженнях дозволить створити надійну розрахункову базу для використання в інженерній практиці і забезпечити ефективну роботу очисних фільтрів по глибокому вилученню органічних забруднень.

Запропоновані інженерні методики дозволяють прогнозувати необхідний ступінь доочистки стічних вод на фільтрах. Результати досліджень впроваджено в робочий проект компактної установки біологічної доочистки стічних вод при будівництві споруд очистки господарсько-побутових стічних вод в с.м.т. Вавілово АР Крим.

Особистий внесок здобувача. Наукові результати, які викладені в дисертації, отримані особисто автором на основі аналізу існуючих теоретичних розробок і результатів експериментальних досліджень біологічної доочистки стічних вод на фільтрах. Особисто виконано обґрунтування фізичних і математичних моделей процесу, розробки методів розрахунку основних параметрів доочистки, оцінка впливу різних факторів на роботу очисних фільтрів при вилученні органічних забруднень. Проведені дослідження по вибору і визначенню вихідних параметрів і коефіцієнтів, які необхідні для виконання розрахунків. Розроблені інженерні рекомендації для впровадження, проведена їх апробація з використанням одержаних результатів лабораторних досліджень, проведених особисто автором, та існуючих дослідних даних різних авторів.

Апробація результатів дисертації. Основні результати і окремі розділи дисертації доповідались на науково-практичних конференціях Київського національного університету будівництва і архітектури (м. Київ, 2007-2011 р.р.), науковій конференції молодих вчених Київського національного університету будівництва і архітектури (м. Київ, 2007-2009 р.р.), міжнародній науково-практичній конференції «Сучасні проблеми охорони та раціонального використання водних ресурсів та очистки природних і стічних вод» (м. Миргород, 2007, 2008 р.р.), науково-технічній конференції «Проблеми водного господарства» Національного університету водного господарства та природокористування» (м. Рівне, 2007 р.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 6 друкованих робіт, в тому числі 4 у фахових виданнях ВАК України, 3 без співавторів.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаної літератури з 148 найменувань, і 2 додатків. Робота викладена на 143 сторінках, містить 27 рисунків, 7 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність роботи, визначено мету та задачі досліджень, відмічено наукову новизну та практичне значення, особистий внесок автора роботи, відомості про апробацію досліджень та публікації.

У першому розділі виконано аналітичний огляд стану проблеми, викладені основні принципи і вимоги необхідності додаткової біологічної очистки господарсько-побутових стічних вод в аеробних умовах. При цьому зазначається суттєві переваги і ефективність використання для вилучення органічних забруднень процесів фільтрації, це пов'язано з утворенням високої концентрації біомаси в одиниці об'єму фільтра у вигляді біоплівки, яка утворюється на поверхні часток завантаження.

Детально розглянуті фізико-хімічні і біологічні процеси і можливі механізми вилучення органічних сполук в очисних фільтрах, особливості протікання реакцій біоокислення закріпленим біоценозом в умовах достатнього забезпечення процесу киснем. Проведено оціночний аналіз існуючих моделей та методів розрахунку процесів доочистки стічних вод на затоплених фільтрах (М.М. Гіроль, И.М. Таварткиладзе, А.М. Фоміних, П.Д. Хоружий, В.П. Хоружий, О.Я.Олійник, В.Л. Поляков, М.Г. Журба, В.І.Швецов, Р.С. Хабіров, В.А. Вавілін, П.І. Гвоздяк, П.О. Грабовський, С.С. Душкін, Хамад І.А., А.Г. Кириченко, М.Henze, O.Wanner, N.I. Ebert, B.E. Ritman, W.Rauch, I. Perez, Cr.Picioreany, M. VanLoosdrecht, M.W. Lee та інші). На даний час можна виділити три напрямки розробки математичних моделей для опису кінетики процесу доочистки стічних вод на затоплених фільтрах. Більшість моделей присвячена вивченню процесів, які відбуваються безпосередньо в біоплівці, визначенню параметрів біоплівки і її структури. В ранніх моделях враховувалась тільки мікробная переробка забруднень, нехтували ростом біомаси і товщиною біоплівки і розподіл забруднень приймався незмінним, тобто дифузійним перекосом в біоплівці нехтували. В ряді простих математичних моделей доочистки стічних вод на фільтрах окремо не розглядалась біоплівкова модель і приймалось спрощене рівняння утилізації субстрата. [Picioreany, Mann, Logan, Van Loosdrecht, Hilbert]. В наступних більш складних математичних моделях зроблена спроба математично врахувати процеси, які відбуваються безпосередньо в біоплівці, що полягає у визначенні зміни концентрацій субстрату по товщині біоплівки за рахунок дифузійного переносу. Проте в цих моделях, як правило, не враховуються особливості режиму фільтрування і процеси масопереносу між фільтраційним потоком в об'ємі фільтра і біоплівкою [Henze, Perez, Vioni, Kiso].

На підставі виконаного аналізу даних теоретичних і експериментальних досліджень робиться висновок про необхідність подальшого вдосконалення моделей з врахуванням багатофакторного впливу різних процесів і механізмів і на їх основі розробити надійні інженерні методи розрахунку технологічних і конструктивних параметрів доочистки стічних вод на затоплених фільтрах, що дозволило для вирішення цих питань сформулювати мету і задачі досліджень за темою дисертації.

В другому розділі на основі сучасних даних про фізичну суть процесів і механізмів вилучення органічних забруднень легкоокислювальної форми, що поступають на доочистку зі стічними водами і вилучаються закріпленим на завантаженні біоценозом у вигляді біоплівок, сформульовані основні передумови і концепції для обґрунтування фізичної і математичної моделей. При цьому важливим є аналіз явищ, пов'язаний з формуванням біоплівок з високою концентрацією біомаси складної гетерогенної структури та різної товщини, які відбуваються шляхом протікання декількох фізико-хімічних і біологічних процесів, дозволив сформулювати біоплівкову модель вилучення органічних забруднень, яки є основною частиною загальної моделі очистки стічних вод фільтруванням.

На підставі проведеного аналізу при очистці побутових (міських) вод біоплівку можна приймати гомогенною (однорідною), гетеротрофні мікроорганізми розподіляються в ній рівномірно. При цьому в біоплівкових моделях приймає участь не вся можлива товщина біоплівки, а тільки її активна частина, тобто глибина проникнення забруднень в біоплівку. В дисертації наведено ряд рекомендацій для визначення активної товщини біоплівки в залежності від прийнятих кінетик реакцій окислення.

Однією із важливих передумов аеробної біологічної доочистки стічних вод, яка відбувається в біоплівці, є забезпечення процесу біоокислення в достатній кількості киснем, тобто він не буде лімітуватись киснем. В зв'язку з цим в дисертації наведені рекомендації, які визначають необхідні умови і критерії.

Зокрема, показано, що в умовах доочистки на затоплених фільтрах при початковій концентрації забруднень мг/л лімітуючим буде органічний субстрат і прийнята концентрація кисню в межах мг/л буде достатньою для забезпечення процесу біоокислення.

Для опису процесів вилучення органічних забруднень на біоплівковій моделі необхідно встановити баланс зміни концентрацій забруднень в біоплівці рідинній плівці і об'ємі фільтра. В об'ємі фільтра забруднення переносяться фільтраційним потоком. Біля поверхні біоплівки утворюється тонкий ламінарний пограничний шар (рідинна плівка). В рідинній плівці за рахунок дифузії відбувається масопередача (масоперенос) розчинених забруднень із фільтраційного потоку до поверхні біоплівки. Товщина пограничного шару і коефіцієнт рідинної плівкової дифузії залежать від гідравлічних умов потоку, який протікає через фільтр. Транспорт (перенос) забруднень в біоплівці контролюється і визначається молекулярною дифузією. Коли на поверхні відсутнє накопичення, як розглядається в моделі, перенос забруднень буде таким, як і їх вилучення в біоплівці. Таким чином для опису зазначених процесів із врахуванням прийнятих передумов загальна математична модель вилучення забруднень на фільтрах буде складатись із наступної системи рівнянь

1. Нестаціонарне рівняння матеріального балансу маси забруднень для відносно необмеженої ділянки активного шару біоплівки в умовах завантаження із сферичних гранул

(1)

2. Рівняння для потоку забруднень до поверхні біоплівки із об'єму рідини (фільтра) через рідинну плівку (пограничний шар)

(2)

3. Нестаціонарне рівняння матеріального балансу для органічних забруднень в об'ємі фільтра

(3)

4. Найбільш розповсюджена модель для швидкості реакції при повній відсутності інгибіруючого процесу біоокислення і достатнього його забезпечення киснем описується класичним рівнянням Міхаеліса-Ментен відомим в спеціальній літературі по біологічній очистці стічних вод, як нелінійне рівняння Моно



(4)

яке при можна спростити до кінетики реакції першого порядку, яка описується лінійнім рівнянням

(5)

а при - до кінетики реакції нульового порядку, яка описується рівнянням

(6)

При необхідності врахування додаткових трансформацій, які виникають в біоплівці при утилізації забруднень, також розглянута модель кінетики реакції з врахуванням додаткового члена w, а саме:

(7)

В наведених рівняннях прийнято: - відповідно концентрації забруднень в біоплівці і у фільтрі гБПКповн/ м3 , - коефіцієнт молекулярної дифузії забруднень в біоплівці, м2/год; - коефіцієнт масопереносу забруднень в рідинній плівці,, м/год; - постійна швидкість фільтрування ( - витрата, - площа фільтра), м/год, - розрахункова (середня) пористість завантаження, - площа поверхні біоплівки на одиницю висоти фільтра, м; - відповідно товщини активної (аеробної) біоплівки і рідинної плівки, м; - питома максимальна швидкість росту мікроорганізмів, год-1; - константа півнасичення по забрудненням, гБПКповн/ м3; - коефіцієнт приросту біомаси гбіомаси/гзабруд; - концентрація (густина) гетеротрофної біомаси в біоплівці, г/м3, - радиус сферичної гранули, м.

Рішення наведеної системи рівнянь виконуються при наступних початкових і граничних умовах

при , , ; , (8)

при при при , (9)

Розглянуті моделі процесу в біоплівці (вихідні рівняння і граничні умови) дозволяють врахувати всю реакцію активної товщини біоплівки.. В результаті рішення рівняння (1) при одержані залежності для зміни концентрації по товщині біоплівки і, що важливо, для подальших розрахунків значення концентрації забруднень на зовнішній поверхні біоплівки. Так, в умовах реакції першого порядку (5) маємо

(10)

де значення параметра визначається по формулі

(11)



Для реакції нульового порядку (6) маємо

(12)

а для більш загальної реакції (7) одержимо

(13)

В приведених формулах:

.

У випадку врахування більш точної кінетики реакції біоокислення за відомим рівнянням Моно (4) розглянуто рішення рівняння (1), в якому приймається

(14)

де

В цьому випадку рішення рівняння (1) проводиться шляхом корегування коефіцієнта з використанням ітераційної схеми рішення, яка наведена в дисертації. Для одержання рішення з доброю точністю досить взяти 3-4 ітерацій. Зміст і послідовність використання запропонованої методики розрахунку розглянуто нижче.

В інженерній практиці, особливо останнім часом, влаштовується завантаження у вигляді стержнів, волокон і інших елементів циліндричної форми. Тому в дисертаційній роботі розглянуті і пропонуються результати рішення цієї задачі також у випадку завантаження із елементів циліндричної форми.

У третьому розділі на підставі реалізації запропонованих математичних моделей розроблені інженерні методи розрахунку вилучення органічних забруднень в очисних фільтрах за рахунок закріпленої на поверхні завантаження біомаси (біоплівки). Наводиться послідовність використання і реалізація на конкретних прикладах ітераційної схеми розрахунку по більш точній реакції окислення за рівнянням Моно. Показано, що ітераційний процес складається із 3-4 наближень, а в якості початкового наближення приймається результат, одержаний в умовах реакції першого порядку. З використанням зазначеної методики для ряда значень і побудовані розрахункові графіки , які показують характер зміни концентрації в залежності від параметрів і . Один із таких графіків при , наведений на рис.1

Рис.1 Графік залежності , при , 

Аналіз одержаних результатів та їх оцінка показали, що при відношенні з достатнього для практики точністю можна приймати в розрахунках кінетику першого порядку, а при - кінетику нульового порядку. Таким чином, в межах при розрахунках кінетики реакцій окислення необхідно використовувати рівняння Моно. Для ілюстрації запропонованої методики і проведення порівняльного аналізу в роботі також розглянуті приклади розрахунку різних кінетик реакцій біоокислення.

Для визначення зміни концентрації по висоті фільтра використовуємо рівняння (3) і (10), які після деяких перетворень приводимо до вигляду

(15)

де (16)

В результаті рішення рівняння (15) при початковій і граничній умовах (8) і (9) одержимо загальну залежність для зміни концентрації по висоті фільтра

(17)

де

При , тобто для реакцій першого порядку і згідно з рівнянням Моно, після деяких спрощень для практичних розрахунків одержимо такі залежності.



При маємо

(18)

при маємо

(19)

на виході із фільтра (фільтраті) маємо

. (20)

Для визначення робочої висоти фільтра при відомих і маємо

. (21)

При реакції нульового порядку для визначення концентрації при маємо (22)

Для визначення параметра А по рівнянню (11) побудовані розрахункові графіки , один із яких в якості прикладу наведений на рис.2 Зазначимо, що графіки побудовані також для випадку завантаження із елементів циліндричної форми.



Рис.2. Графіки для визначення параметра для сферичного завантаження: а) верхня крива відповідає 0.01, середня -0.03, нижня - 0.06

Для визначення зміни концентрацій по висоті фільтра на основі формули (19) побудовані розрахункові графіки (рис. 3) і (рис. 4).

Рис.3. Графік залежності Рис.4. Графік залежності 

Проведено оцінку впливу різних фізичних, хімічних і біологічних факторів на біологічну доочистку стічних вод на фільтрах. Зокрема, крім проведеної оцінки впливу використаних реакцій очищення, які прийняті в біоплівкових моделях, розглянута також оцінка впливу таких параметрів, як площа поверхні зернистого завантаження (біоплівки), швидкості фільтрування, товщини активної біоплівки, коефіцієнтів масопереносу і дифузії в рідинній плівці і біоплівці тощо. Побудовані розрахункові графіки і таблиці, які за допомогою комплексних безрозмірних параметрів, в склад яких входять майже всі вихідні параметри і коефіцієнти, дозволяють проаналізувати і оцінити їх вплив при визначенні технологічних характеристик доочистки на фільтрах. Зокрема для визначення концентрації забруднень у фільтраті пропонуються розрахункові графіки, які побудовані для різних значень , де . Аналіз цих результатів свідчить про суттєвий вплив поверхні біоплівки на значення концентрації у фільтраті, тобто на процеси вилучення органічних забруднень фільтруванням.

На рис.5 наведено алгоритм (схему) інженерного розрахунку параметрів доочистки стічних вод, де показано послідовність і хід виконання, а також можливість розгляду різних варіантів рішення задачі, зокрема визначення робочої висоти фільтра, типу і розмірів зерен завантаження, параметрів кінетик реакцій біоокислення.



Рис.5. Алгоритм (схема) інженерного розрахунку параметрів доочистки стічних вод на затоплених фільтрах

В четвертому розділі для реалізації і використання запропонованих математичних моделей і методів розрахунку наведені результати значної роботи по визначенню вихідних параметрів і коефіцієнтів, які входять в ці моделі і розрахункові залежності. Значення останніх, а також рекомендації по їх визначенню одержано на основі критичного аналізу і оцінки наведених в літературі матеріалів і даних теоретичних і, в основному, експериментальних досліджень доочистки стічних вод від органічних сполук фільтруванням, їх обробки і аналізу. Пропонуються рекомендації по визначенню таких важливих параметрів і коефіцієнтів, як розрахункова площа поверхні часток і інших елементів завантаження , коефіцієнтів масопереносу в рідинній плівці , коефіцієнта молекулярної дифузії забруднень в біоплівці , а також параметрів, які входять в рівняння прийнятих кінетичних реакцій та інших.

В дисертаційній роботі також наведені рекомендації по визначенню основних параметрів біоплівки , зокрема, площ поверхні біоплівки в умовах сферичних гранул. Проведена оцінка їх впливу на кінцеві результати розрахунків. При цьому враховується той факт, що в моделях доочистки на затоплених фільтрах з коротким по технології фільтроциклом при невеликих концентраціях субстрата значне зростання біоплівки не відбувається.

Приводяться, також, рекомендації по визначенню розрахункової площі (діаметра) у випадку, коли частинки завантаження відрізняються від сферичної форми і визначення площі у випадку завантаження із елементів циліндричної форми.

В загальному випадку можливе зменшення біомаси в біоплівці за рахунок дезактивації, відділення (відриву) і ендогенного дихання і згідно літературних даних пропонується їх приймати При цьому зазначається, що в невеликих межах часу при формуванні відповідно малих по товщині біоплівок, відрив буде незначний и ним в розрахунках можна знехтувати.

Таким чином, на підставі виконаного аналізу при виконанні розрахунків можна скористатись наступними значеннями вихідних констант і коефіцієнтів, наведених в таблиці. 1.

Таблиця 1



При проведенні розрахунків необхідно звертати особливу увагу на додержання правильного вибору одиниць виміру прийнятих параметрів.

В дисертації пропонуються рекомендації, які дозволяють оцінити вплив на кінетику біоокислення та на процеси переносу таких важливих факторів, як температура, pH, інгибіруючий вплив токсичних та інших речовин. Переважно врахування впливу зазначених факторів відбувається шляхом корегування прийнятих в моделях і розрахунках констант та коефіцієнтів. Для оцінки ефективності доочистки стічних вод на фільтрах при їх проектуванні, рекомендується використовувати наведені в роботі такі відомі параметри як об'ємне навантаження по органічній речовині та поверхневе гідравлічне навантаження.

Наведені теоретичні розрахункові методики одержали широко апробацію шляхом співставлення результатів розрахунків з численними дослідними даними, одержаними в лабораторних і виробничих умовах різними авторами, зокрема проведеними автором на лабораторній установці очисного фільтра з пінолістирольним завантаженням на базі СБО “Северная” м.Одеса. Проведено опис експериментальної установки очисного фільтра, методики проведення і обробки результатів дослідів доочистки господарсько-побутових стічних вод. Визначались показники якості очищення води (концентрації) на вході у фільтр та на виході із фільтра, гідравлічні характеристики (витрата, швидкість фільтрування, втрати напору), тривалість фільтроциклу, інтенсивність і тривалість промивки, температура і інші показники. Показники визначались по стандартним методикам відомими приладами.

Зокрема в дослідах прийнято: розміри фільтру діаметр піностирольних гранул швидкість фільтрування концентрація на вході на виході концентрація кисню підтримувалась в межах температура стічної води температура зовнішнього повітря

Ефективність очистки в перші два дні складала , а потім, коли товщина біоплівки більш менш сформувалась і стабілізувалась, ефективність зросла . В результаті проведеного порівняльного аналізу розрахункова концентрація в середньому на 15-20% була меншою від концентрації, одержаної в дослідах. Одержану різницю між цими даними можна пояснити активним впливом різних факторів, зокрема наявністю в стічній воді інших речовин (СПАВ, амонійний азот, нафтопродукти, нітрати, фосфор), які при очисному вилученні разом з органічними забрудненнями можуть згідно з літературними даними інгибірувати процес біоокислення приблизно до 20%. При аналізі дослідних даних показано також, що при значенні параметра значно менше одиниці в розрахунках може бути використана більш проста реакція нульового порядку.

Лабораторні і виробничі дослідження різних авторів виконані переважно при умовах, коли процес вилучення органічних забруднень в достатній кількості забезпечений киснем, тобто кисневий режим при цьому не розглядався. Наведемо деякі порівняльні результати теоретичних розрахунків з існуючими дослідними даними. Так, згідно рис.6, 7 результати розрахунків, виконаних з використанням рівняння Моно, добре узгоджуються з дослідними даними, одержаними при широкому диапазоні зміни вихідних концентрацій від 20 до 280 мг/л ХПК на фільтрах із завантаженням у вигляді сферичних гранул (Lee K.M., Stensel H.D).



Рис. 6. Графіки відношення в дослідах. - розрахункові і дослідні концентрації забруднень. Точки - відповідають різним значенням вихідних концентрацій ХПК в кожному досліді кожному

Рис. 7 Зміни концентрацій ХПК по висоті фільтра:

- розрахункова крива,

? - дослідні точки

На рис.8 наведені деякі результати порівняльного аналізу, виконані при використанні рекомендованих для розрахунків вихідних концентрацій і коефіцієнтів при різних початкових концентраціях . Так як вони можуть змінюватись в деяких межах, то це було враховано шляхом побудови двох граничних можливих кривих. Дослідні дані розташувались між цими кривими, тобто результати розрахунків і в цьому випадку відносно добре узгоджуються з дослідними даними (Кириченко А.Г., Друшляк О.Г.).

Рис. 8. Графіки зміни концентрацій по висоті фільтра: 1, 2 - теоретичні криві відповідно при і , - дослідні дані.

Рис. 9. Графіки залежності для фільтра з пінополістирольним завантаженням: 1 - теоретична крива, 2 - по дослідним даним

Широкі лабораторні дослідження проведені на фільтрах з різним завантаженням (зважених і нерухомих часток) при різних значеннях вхідної концентрації побутових стічних вод (Mann A.T., Sterhenson).

Наведені в дисертаційній роботі для цього випадку результати порівняльного аналізу свідчать про відносно добре узгодження теоретичних розрахунків з дослідними даними.

Деякі оцінки результатів теоретичних досліджень і калібровка запропонованих математичних моделей були виконані також з використанням лабораторних досліджень доочистки стічних вод на волокнистих пінопоістірольних фільтрах (Хоружний В.П., Хамад Ихаб Ахмед). При проведенні цих досліджень було звернено особливу увагу на встановлення загальної площі поверхні і товщини біоплівки в умовах фільтрів з волокнистим завантаженням. На рис.9 наведено порівняльний графік, який свідчить про відповідно добру збіжність результатів розрахунків з дослідними даними.

Таким чином наведена апробація дозволяє зробити висновок, що запропоновані моделі і розроблені на їх основі методи розрахунку в цілому з достатньою адекватністю описують і відображають процеси доочистки побутових стічних вод фільтруванням.



ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. В результаті виконаного аналізу існуючих моделей і методів розрахунку доочистки стічних вод фільтруванням установлено, що вони в основному базуються на емпіричних розробках і спрощених теоретичних підходах (моделях), не враховують багатофакторний вплив різних факторів та процесів, тому не дозволяють надійно і в повному обсязі обґрунтувати параметри доочистки на фільтрах.

2. На підставі вивчення механізмів і особливостей утворення біоплівки на поверхні завантаження, процесів надходження, трансформації та вилучення органічних забруднень мікроорганізмами біоплівок, обґрунтована фізична (концептуальна) модель доочистки стічної води фільтруванням в умовах достатнього кисневого режиму.

3. На базі фізичної моделі обґрунтована і побудована загальна математична модель вилучення органічних забруднень на очисних фільтрах, яка враховує взаємодію різних факторів (різні моделі кінетики масопереносу і реакцій біоокислення, гідравлічні властивості середовища, особливості утворення біоплівки на поверхні завантаження, нестаціонарність процесу тощо).

4. Запропоновані математичні моделі, реалізовані чисельними та аналітичними методами, і на підставі одержаних результатів розроблена інженерна методика розрахунку параметрів доочистки на очисних фільтрах, зокрема, зміна концентрації забруднень по висоті фільтра при різних кінетиках реакцій доочистки, конструктивних та технологічних характеристик очисних фільтрів, і запропоновані рекомендації по реалізації цієї методики для різних стадій та умов очистки.

5. Проведено оцінку впливу основних факторів, зокрема, різних кінетик реакцій вилучення забруднень закріпленим біоценозом (біоплівкою), параметрів біоплівки, параметрів фільтрування і завантаження, коефіцієнтів масопереносу і дифузії на технологічний режим роботи очисних фільтрів.

6. На підставі критичного аналізу та оцінки існуючих дослідних даних, їх обробки стосовно запропонованих моделей і методів, наведені рекомендації по вибору параметрів і коефіцієнтів, що входять в рівняння і розрахункові залежності.

7. Виконана апробація запропонованих методів розрахунку із залученням результатів проведених лабораторних досліджень доочистки господарсько-побутових стічних вод на фільтрах з піно полістирольним завантаженням у вигляді сферичних гранул, а також дослідних даних різних авторів, одержаних в лабораторних і виробничих умовах на очисних фільтрах з різним завантаженням. Результати теоретичних розрахунків в цілому добре узгоджуються з дослідними даними. Здійснено практичне впровадження розробок на реальних об'єктах, що дозволило більш надійно обґрунтувати технологічні та конструктивні параметри фільтрів при доочистці стічних вод.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРИАЦІЇ

1. Олейник А.Я., Василенко Т.В., Рибаченко С.А., Хамад Ихаб Ахмад. Моделирование процессов доочистки хозяйственно-бытовых сточных вод на фильтрах. // Проблемы водопостачання, водовідведення та гідравліки. - 2006, вип.7, - 85-97 с.

Особистий внесок Рибаченко С.О.: аналіз одержаних результатів, побудова розрахункових залежностей і графіків.

2. Олійник О.Я., Рибаченко С.О. Моделювання і розрахунки параметрів глибокої очистки стічних вод на фільтрах в аеробних умовах.// Вісник Національного університету водного господарства та природокористування (НУВГП). Збірник наукових праць. - Рівне: 2007, вип.4 (40), частина 2, - 515-520 с.

Особистий внесок Рибаченко С.О.: обґрунтування вихідних даних, розрахунки параметрів доочистки на фільтрах.

3. Олейник А.Я., Рибаченко С.О. Теоретичний аналіз процесів доочистки стічних вод. // Доповіді НАНУ. - 2008, N 3, - 60-63 с.

Особистий внесок Рибаченко С.О.: обґрунтування фізичних і математичних моделей процесу з врахуванням особливостей утворення біоплівки на поверхні завантаження.

4. Рибаченко С.О. Оцінка впливу різних факторів на процеси доочистки стічних вод фільтруванням. // Проблеми водопостачання, водовідведення та гідравліки. - 2009, вип.12, - 94-102 с.

5. Рибаченко С.О. Інженерний метод розрахунку параметрів доочистки стічних вод на фільтрах. // Тези доповідей наукової конференції молодих вчених, аспірантів і студентів. - Київ: КНУБА, 2007, - 112 с.

6. Олейник А.Я., Рибаченко С.А. Процессы доочистки сточных вод фильтрованием. // Труди міжн. наук.прикл. конференції «Сучасні проблеми довкілля, раціональне використання ресурсів та очистки стічних вод (м. Миргород, 2007). - Київ.: Тов. «Знання», 2007, - 107-110 с. - 2008, вип.12, - 94-102 с.

Особистий внесок Рибаченко С.О.: оцінка впливу різних факторів на процеси доочистки на основі використання запропонованих залежностей.



АНОТАЦІЯ

Рибаченко С.О. Аеробна доочистка стічних вод на затоплених фільтрах. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.04 - Водопостачання, каналізація. Київський національний університет будівництва і архітектури. Київ, 2011.

Дисертація присвячена розробці більш досконалих і надійних методів розрахунку параметрів доочистки (глибокої очистки) стічних вод від органічних забруднень на затоплених фільтрах на основі сформульованих та реалізованих математичних моделях, які базуються на основі існуючих уявлень і більш повного врахування механізмів та особливостей доочистки. Загальна модель складається з системи взаємопов'язаних рівнянь, записаних відносно зміни концентрацій забруднень в рідині, що очищується, які описують процеси переноса (фільтрації) потоку забруднень у фільтрі (ємкості), дифузії в рідинній плівці (пограничному шарі), внутрішньої дифузії і реакцій в біоплівці. При цьому розглянуті різні кінетики масообміну та реакції біоокислення, гідравлічні властивості середовища, особливості утворення біоплівки на поверхні різних типів завантаження, нестаціонарність процесу і т.п. Проведена реалізація запропонованих математичних моделей чисельними та аналітичними методами, на основі яких розроблена інженерна методика розрахунку основних технологічних і конструктивних параметрів очисних фільтрів. Запропоновані рекомендації по вибору параметрів і коефіцієнтів, які входять в рівняння і розрахункові залежності. Зроблена оцінка впливу основних факторів і вихідних характеристик на параметри очистки. Проведено апробація запропонованих методів розрахунку з залученням результатів проведених лабораторних досліджень очистки побутових стічних вод на затоплених фільтрах, а також існуючих дослідних даних різних авторів. Здійснено рекомендації в інженерну практику.

Ключові слова: аеробна доочистка, стічна вода, затоплений фільтр, завантаження, модель, біоплівка, кінетична реакція, концентрація.

АНОТАЦИЯ

Рыбаченко С.А. Аэробная доочистка сточных вод на затопленных фильтрах. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.04 - Водоснабжение, канализация. Киевский национальный университет строительства и архитектуры. Киев, 2011.

На основе выполненного анализа обоснована эффективность удаления органических загрязнений на затопленных фильтрах, которая связана с образованием высокой концентрации биомассы (биопленки) на поверхности частиц загрузки в единице объема фильтра. Вместе с тем, существующие методы расчета доочистки на фильтрах несовершенны, не учитывают многие факторы процесса, поэтому не позволяют в полном объеме и надежно обосновать технологический режим их работы. Рассмотрение существующих представлений и изучение механизмов процесса, позволило обосновать и построить более общую математическую модель доочистки сточных вод фильтрованием. Общая модель состоит из системы взаимосвязанных уравнений, записанных относительно изменения концентраций в очищаемой жидкости, которые описывают процессы переноса (фильтрации) потока загрязнений в фильтре (емкости), диффузии в жидкой пленке (пограничном слое), внутренней диффузии и реакций в биопленке. При этом, рассмотрены разные кинетики массообмена и реакции биоокисления, гидравлические свойства пористой среды, особенности образования биопленки на поверхности различных типов загрузки, нестационарность процесса и т.п. Реализация биопленочных моделей выполнена при кинетических реакциях нулевого, первого порядков, а также, за известным нелинейным уравнением Моно, что позволило сформулировать критерии, которыми необходимо руководствоваться при выполнении инженерных расчетов.

Проведена реализация математических моделей численными и аналитическими методами, на основе которых разработана инженерная методика расчета основных технологических характеристик утилизации органических загрязнений и параметров очистных фильтров, которые позволяют определить изменения удаления загрязнений по высоте фильтра, концентрацию загрязнений в фильтрате, высоту фильтра при заданных параметрах очистки. Составлен алгоритм (схема) инженерного расчета, показывающий последовательность и ход выполнения расчетов, предусматривающий рассмотрение различных вариантов решения задачи. Для возможности реализации приведенных моделей и методов расчета была проведена большая работа по определению количественных значений исходных параметров и коэффициентов, которые входят в уравнения и расчетные зависимости.

Сделана оценка влияния основных факторов и входящих характеристик на параметры очистки, например, таких как площадь поверхности активной биопленки, скорости фильтрации, коэффициентов переноса, диффузии и т.д., а также температуры, pH и других факторов. Проведена широкая апробация предложенных методов расчета с привлечением результатов, проведенных лабораторных исследований доочистки бытовых сточных вод на затопленных фильтрах, а также существующих опытных данных разных авторов. Результаты теоретических расчетов, в целом, хорошо согласуются с опытными данными. Осуществлено внедрение предложенных рекомендаций в инженерную практику.

Ключевые слова: аэробная доочистка, сточная вода, затопленный фильтр, загрузка, модель, биопленка, кинетическая реакция, концентрация.



RESUME

Rybachenko S. O. Aerobic fine treatment of wastewaters on the submerged filters . - Manuscript.

The thesis on competition of scientific degree of a candidate of technical science on a speciality 05.23.04 - Water supply, sewerage. Kiyv national university of construction and architecture, Kiyv, 2011. The thesis deals with developing the more sophisticated and reliable methods of calculation of parameters of the wastewater post-treatment (fine treatment) from organic matters with submerged filters using developed and implemented mathematical models, which are based on the existing ideas and the more complete consideration of the mechanisms and features of the process of wastewaters fine treatment. General model consists of the system of coupled equations developed relatively concentration changes of contaminants in influents. These equations describe the processes of transport (filtration) of contaminants in the filter (reactor), diffusion into the liquid film (boundary layer), internal diffusion and reaction in the biofilm. There were reviewed different kinetics of mass transfer and biological oxidation reactions, hydraulic parameters of environment, feature of biofilm formation, unsteady process and so on. Mathematical model was realized by numerical and analytical methods, on the base of which engineering method of calculation of the main technological and construction parameters of filters was developed. Recommendations about parameters and coefficients, which are included in the equations and in the developed ratio, were proposed. Valuation of the main factors and initial parameters of treatment was made. Developed methods of calculations were approved by results of laboratory research of the process of domestic wastewater treatment on the submerged filters as well as data research of other scientists. Developed recommendations were realized in the engineering practice.

Key words: Aerobic fine treatment, wastewaters, submerged filter, filter bed, model, biofilm, kinetic reaction, concentration.

Размещено на Allbest.ru