Комплексная рециркуляционная модель биохимических процессов аэробной биологической очистки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Комплексная рециркуляционная модель биохимических процессов аэробной биологической очистки

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

В настоящее время важную научно-техническую проблему представляет экологическая защита природной среды от загрязнения ее отходами промышленных производств и бытовыми стоками населенных пунктов. Попадание органических и минеральных загрязнений в водные и почвенные бассейны происходит при сбросе коммунальных и промышленных сточных вод, образующихся при реализации технологических процессов производства и переработки продукции и в процессе жизнедеятельности людей. Особенность сточных вод, сбрасываемых на очистные сооружения, состоит в том, что они в значительной степени загрязнены веществами органического и минерального происхождения, находящихся в дисперсной, коллоидной и растворенной формах. Сточные воды содержат в своем составе широкий спектр органических углерод-, азот- и фосфорсодержащих загрязнений, требующих применения различных физико-химических и микробиологических способов изъятия их из сточных вод.

Эффективность очистки сточных вод от загрязнений в значительной степени зависит от организации гидравлических и массообменных процессов в аэрационном сооружении (аэротенке), являющемся основным функциональным звеном технологической схемы аэробной биологической очистки. Основными факторами, влияющими на выбор оптимальных режимов работы аэротенков, является гидродинамическая схема течения потоков и эффективность процесса насыщения жидкой среды кислородом воздуха, подаваемого системами аэрации.

На начальной стадии биологическую обработку сточной воды целесообразно производить путем ее интенсивной аэрации в емкостях смесительного типа. При этом имеет место высокая гомогенизация стоков и интенсивное насыщение кислородом микроорганизмов активного ила. В этих условиях одновременно протекают два процесса - биологическое окисление органических примесей и синтез новых бактериальных клеток.

На конечной стадии биологической очистки обработку сточной воды целесообразно производить в вытеснительном режиме, который обеспечивает возможность реализации процессов избирательного лизиса микроорганизмов и снижения за счет этого прироста избыточной биомассы активного ила. Поэтому эффективный процесс биохимического окисления загрязнений должен предусматривать соответствующую организацию гидравлических и аэрационных режимов по всей длине коридоров аэротенка.

Немаловажное значение для работы аэротенка-вытеснителя имеет поддержание оптимальной концентрации работающей в аэротенке биомассы активного ила за счет его рециркуляции в составе водно-иловой смеси из выхода на вход аэротенка. Поэтому одним из перспективных путей совершенствования систем очистки является разработка технологии управления режимами работы аэротенков на основе использования аэрируемого продольного рецикла иловой смеси. Внутренняя рециркуляция водно-иловой смеси в аэротенке-вытеснителе обеспечивает возможность парирования колебаний поступающей технологической нагрузки и оптимального управления режимами работы за счет перераспределения кислорода по длине аэротенка.

Правильный выбор эффективных технологических схем карусельных аэротенков с продольным рециклом водно-иловой смеси и управляемым кислородным режимом очистки является одним из путей достижения высоких показателей аэробной биологической очистки и снижения избыточных биомасс активного ила.

Создание эффективной управляемой аэрационной системы очистки требует проведения большого объема научно-исследовательских и доводочных работ для получения оптимальных конструктивно-технологических решений и внедрения их в промышленных масштабах в системах очистки производственных и хозяйственно-бытовых стоков.

До настоящего времени недостаточно изучен механизм совместного растворения и потребления кислорода и его оптимальное распределение по длине аэротенка путем выбора режимов рециркуляции иловой смеси, конструктивных параметров аэротенка, технических характеристик и места расположения аэрационных узлов. Отсутствуют также подтвержденные модельными и промышленными испытаниями научно-обоснованные практические рекомендации по внедрению в промышленных масштабах аэротенков-вытеснителей с управляемым продольным рециклом иловой смеси.

Существенный вклад в развитие технологии аэробной биологической очистки сточных вод внесли: М.Ф. Нагиев, А.Н. Плановский, В.В. Кафаров, С.И. Строганов, М.Н. Брагинский, М.И.Лапшин, И.С. Постников, С.В. Яковлев, Ю.В. Воронов, И.В. Скирдов, В.Н. Швецов В.Н., М.А. Евилевич, Б.Н. Репин, Р.Ш. Непаридзе, С.М. Шифрин, Е.В. Венецианов, Д.Г. Звягинцев, Ю.А. Феофанов, Т.А. Карюхина, И.Н.Чурбанова, А.А. Денисов и другие.

Диссертационная работа выполнялась на полупромышленных установках и промышленных объектах, а также в отделе производственной санитарии и охраны окружающей среды ВНИТИБП РАСХН и кафедре Коммунального и промышленного водопользования МИКХиС.

Цель и задачи исследования.

Целью настоящей работы являлась разработка модели комплексного управления технологическими процессами очистки сточных вод в аэротенках карусельного типа с рециркуляцией иловой смеси.

При выполнении работы были поставлены следующие задачи.

- Анализ характера неравномерности поступления исходной технологической нагрузки на сооружения аэробной биологической очистки;

- Классификация технологических схем биохимических процессов аэробной биологической очистки по рециркуляционному принципу;

- Экспериментальные исследования процессов массопередачи кислорода и окислительной способности аэротенков с продольной рециркуляцией иловой смеси в стандартных условиях и на реальной сточной жидкости;

- Определение критерия оптимизации двухфазной физической модели аэротенка с продольной рециркуляцией иловой смеси по «карусельному» типу (для повышенных коэффициентов рециркуляции);

- Определение критерия оптимизации рециркуляционных моделей биохимических процессов аэробной биологической очистки для пониженных коэффициентов рециркуляции;

- Разработка математической модели биохимической очистки на базе уравнения продольной диффузии для оценки распределения концентраций по длине аэротенков в нестационарных условиях поступления исходной технологической нагрузки;

- Разработка инженерно-технических мероприятий по вопросам проектирования аэротенков с продольной рециркуляцией иловой смеси, инженерное оформление типовых конструктивных решений;

- Изучение особенностей процессов биохимической очистки для сточных вод свинокомплексов, поиск нетрадиционной и высокоэффективной системы аэрации для тяжелых условий эксплуатации;

- Исследования симультанных процессов нитрификации и денитрификации в аэротенках с продольной рециркуляцией иловой смеси;

- Экспериментальные исследования влияния горизонтального потока на процессы аэрации, а также производственные испытания аэротенков с управляемым кислородным режимом;

- Моделирование и разработка математической модели флокуляции активного ила на основе массовых балансов, изучение влияния перемешивания на процесс флокуляции активного ила, поиск критерия оценки для подбора перемешивающих устройств;

- Технико-экономическая оценка сравнительной эффективности аэротенков с рециркуляцией иловой смеси и его реализация для Российских условий.

Научная новизна

Определен критерий оптимизации технологической модели аэротенка с продольной рециркуляцией иловой смеси по «карусельному» принципу, характеризующий баланс энергий горизонтально ориентированных потоков и вертикально- восходящих двухфазных газо-жидкостных потоков от систем аэрации, а также рекомендована его величина.

С учетом анализа неравномерности поступления исходной технологической нагрузки разработана, численно решена и экспериментально проверена математическая модель биохимической очистки на базе уравнения продольной диффузии в производных второго порядка для нестационарных условий, которая позволяет производить оценку распределения концентраций по длине сооружений аэробной биологической очистки;

Разработана концепция флокуляции активного ила при его перемешивании, позволяющая оптимально производить подбор устройств перемешивания;

Предложены и защищены патентами варианты инженерного оформления устройств для биологической очистки сточных вод,

Для российских условий использования предложен метод технико-экономической оценки на базе показателя - затраты жизненного цикла, позволяющий определять сравнительную эффективность технических решений с использованием многофакторного экономического анализа;

Полученные результаты позволяют научно обосновывать конструктивно-технологические решения, принимаемые при проектировании новых и реконструкции действующих сооружений биологической очистки.

На защиту выносится рециркуляционная модель биохимических процессов, обеспечивающая высокую степень корреляции аналитических зависимостей с данными экспериментальных исследований и надежность применения при проектировании промышленных очистных сооружений.

Практическая ценность.

Полученные результаты и выводы базируются на материалах теоретических, модельных и экспериментальных исследований и позволяют с высокой степенью достоверности рекомендовать их к практическому использованию в промышленных масштабах при создании новых и реконструкции действующих сооружений аэробной биологической очистки сточных вод коммунального и промышленного происхождения.

Разработанные рекомендации и предложения подтверждены материалами теоретических и экспериментальных работ, показавших высокую степень сходимости, что обеспечивает возможность их надежного использования в производственных условиях с учетом особенностей конструктивно-технологических характеристик комплексов аэробной биологической очистки сточных вод.

Апробация работы.

На основании проведенных исследований разработаны методические рекомендации по оптимизации рециркуляционной модели биохимических процессов аэробной биологической очистки и методические рекомендации по инженерным вопросам проектирования сооружений аэробной биологической очистки сточных вод предприятий агропромышленного комплекса.

Результаты и материалы выполненной работы использованы ОАО «Союзводоканалпроект» г. Москва, ГУП «МосводоканалНИИпроект» г. Москва, ГУП «ЛЕНГИПРОИНЖПРОЕКТ» г. Санкт-Петербург, УЛМ "Мосводоканал", Люберецкая станция аэрации, г. Москва, ООО «Межрегиональная Группа Компаний «Регион-Агро-Продукт» г. Москва, ФГУП «Северо-Кавказский Гипрокоммунводоканал» г. Ростов-на-Дону, МУП «Горводоканал» г. Саров, Нижегородская обл. РФ, ООО «Инженерно-архитектурным центром» ДХО ЗАО ТАФ «Архпроект» СА РБ г. Уфа Республика Башкортостан, Гуп «Водоканал» г. Якутска, СХПК АПК «Надеево» г. Москва, ОАО «Амурские коммунальные системы» г. Благовещенск, ОАО «Водоканал» г. Ишим, ОАО «Северский Водоканал» г. Северск Томской обл. РФ, ОАО «Сибгипрокоммунводоканал» г. Новосибирск, ГУП «Мосводоканал-НИИпроект» при проектировании очистных сооружений Московской городской онкологической больницы № 62, ООО Интститут «Гражданпроект» г. Кирова при проектно-конструкторской разработках очистных сооружений г. Кунгур Пермского края, ОАО «Водоканал» г. Ишим, Тюменской обл.

Материалы диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на регулярных Международных конгрессах "Вода: экология и технология" ЭКВАТЭК (2002, 2004, 2006, 2008) и конгрессе по управлению отходами и продоохранным технологиям ВэйстТэк- 2007; на Международной конференции, посвященной 110-й годовщине Московской канализации 2008 г. «Перспектива развития канализации в ХХI веке» ; на Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии для снижения воздействия ЦБП на окружающую среду» в г. Санкт- Петербурге 2008 г.; на 3-й Международной научно-практической конференции «Ресурсосбережение, экологически чистые технологии и сооружения городов, промышленных предприятий и рекреационных зон» в г. Иркутске 2008 г.

Публикация результатов исследований.

По теме диссертации опубликовано 103 научных работ.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, обзора литературы, материалов собственных исследований, обсуждения результатов, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена в 8 главах на 189 страницах машинописного текста, содержит 83 рисунков, 28 таблиц и 8 приложений. Библиография включает 332 наименования, из которых 108 на иностранных языках.

Автор выражает глубокую признательность коллективам лабораторий ВНИТИБП и Московского института коммунального хозяйства и строительства за большую помощь в организации экспериментальной части работы и оформлении результатов научных исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Обзор литературы, посвященный анализу современного состояния проблемы по теме работы, приведен в главе 1.

В настоящее время проблемы обеспечения эффективной и надежной работы систем аэробной биологической очистки сточных вод населенных пунктов и предприятий промышленности и сельского хозяйства по-прежнему остаются в центре внимания научно-исследовательских и проектно-конструкторских организаций всех стран.

Научно-обоснованную технологическую оценку и подбор способов очистки сточных вод для конкретных условий водохозяйственных объектов следует производить на базе знаний о кинетике процессов очистки и гидродинамике сооружений. Инженерное оформление современных процессов очистки сточных вод в аэротенках - это комплексное техническое решение, включающее как кинетику, так и гидродинамику процессов биологической очистки.

Одними из самых распространенных и трудно извлекаемых загрязнений городских и производственных стоков являются мелкодисперсные (коллоидные) и растворенные органические загрязнения. Физико-химические методы их извлечения и деструкции такие, как адсорбция, реагентная обработка, использование окислителей, экстракция и др., пока еще слишком дороги и малоприменимы для больших расходов сточных вод. Поэтому самым результативным является биологический метод, т. к. биологическая очистка обеспечивает деструкцию сложных органических загрязнений, осуществляемую безpeaгентным путем в обычных физико-химических условиях и при минимальных затратах энергии. Биологический метод экологически чист, т.к. углерод органических соединений в результате деструкции окисляется до углекислоты и воды, азот - до нитритов и нитратов, а живые клетки аэробных бактерий не только безвредны, но часто полезны окружающей среде. Биологическая очистка сточных вод осуществляется в сооружениях с прикрепленной микрофлорой (биофильтры), со свободноплавающей микрофлорой (аэротенки) или со смешанной микрофлорой (аэротенки с насадкой, биотенки). Наибольшее распространение получили аэрационные сооружения типа аэротенков благодаря своей универсальности и эффективности в работе.

Однако в последние годы специалисты приходят к выводу, что классические модификации процесса очистки в аэротенках (аэротенки-смесители, аэротенки-вытеснители, аэротенки с отдельной регенерацией активного ила, двухступенчатые аэротенки) хотя и позволяют в ряде случаев решать практические задачи, но технические возможности их уже исчерпаны и необходимо их дальнейшее развитие по пути радикальных преобразований.

Традиционные коридорные аэротенки при всех их положительных качествах обладают рядом существенных недостатков: неравномерной по длине сооружения нагрузкой на активный ил, ухудшающей его технологические свойства; дефицитом растворенного кислорода в начальных наиболее нагруженных зонах сооружения, тормозящим процессы окисления загрязнений; избытком растворенного кислорода в конечных зонах, неоправданно увеличивающим его безвозвратные потери со сбрасываемой из очистных сооружений сточной водой. При проектировании аэротенков в настоящее время не учитываются количественные и качественные колебания притока, а в расчет принимаются лишь максимальные параметры исходной сточной воды. В то же время, например, максимальная БПК поступающих городских сточных вод больше минимальной в 1,5-3,0 раза, максимальный расход больше минимального в 1,6-2,2 раза, причем экстремальные значения концентраций загрязнений и расхода практически совпадают по времени. Жесткие условия эксплуатации при несовершенстве технологического режима приводят к систематическим нарушениям условий работы аэротенков. Попытки улучшить работу существующих сооружений путем изменения системы впуска сточных вод, увеличения расхода подаваемого воздуха, дополнительной установки аэраторов часто оказываются технически трудно выполнимыми и приводят к незначительным результатам.

Создание управляемого сооружения биологической очистки всегда предусматривает решение двух основных задач: создание собственно объекта управления и разработку системы управления, которая может быть частично или полностью автоматизированной. В данном случае объектом управления является аэротенк, т.е. его основные технологические элементы. Разработка аэротенка, конструкция и принципы действия которого позволяют оперативно и в достаточно широких пределах изменять гидродинамическую структуру потока, скорость растворения кислорода, рабочую концентрацию активного ила и другие параметры процесса очистки, является главной задачей специалистов научно-исследовательских и проектных организаций.

Управление технологическим процессом очистки в аэротенках должныо преследовать как экологические, так и экономические цели: во-первых, обеспечивать заданную глубину или степень биохимической очистки сточных вод по концентрации или количеству снимаемых загрязнений; во-вторых, свести к минимуму отклонения в качестве очищенной сточной воды, вызванные колебаниями технологической нагрузки на входе в сооружения.

Совершенно очевидно, что актуальность проблемы технологического управления процессом в аэротенках возрастает по мере повышения интенсивности их работы. Несмотря на необходимость оперативной информации о ключевых параметрах процесса, таких как расход сточных вод, состав и концентрация загрязнений, реологические свойства среды, интенсивность аэрации, концентрация растворенного кислорода и др., доминантной остается проблема выбора режима очистки и управления им.

В этой части высокие требования предъявляются к управлению режимами массопередачи кислорода в водно-иловую среду. Процессы аэрации сопровождаются перемешиванием жидкости, которое является обязательным условием повышения скорости процесса биохимического окисления загрязняющих веществ. Эти процесс (аэрация и перемешивание) обеспечивают: адсорбцию кислорода из воздуха и десорбцию газообразных продуктов метаболизма из жидкости, равномерное распределение активного ила в аэротенке, градиент концентрации кислорода между зоной, соприкасающейся с поверхностью микрофлоры и общей концентрацией в аэротенке, механическое турбулентное воздействие жидкой среды на клетки и хлопок активного ила, разрушающее конгломераты.

Важность выбора систем аэрации состоит еще и в том, что энергозатраты на аэрацию составляют 30-50% себестоимости биологической очистки. Управление процессом аэрации позволяет стабилизировать технологический режим очистки и добиться снижения затрат энергии на 10-30%.

Основными направлениями развития управляемых процессов биохимической очистки сточных вод, получившими распространение в настоящее время, являются:

- управление качеством поступающей среды - усреднение расхода сточных вод, усреднение концентрации загрязнений, разбавление очищенной водой;

- управление системой подачи поступающей среды - рассредоточенный впуск сточной воды в аэротенк, рассредоточенный впуск активного ила в аэротенк, циклические (контактные) аэротенки;

- управление технологическим процессом очистки - управление гидродинамической структурой потока в аэротенке, управление кислородным режимом в аэротенке, управление концентрацией активного ила в аэротенке.

Анализ передового отечественного и зарубежного опыта показывает, что из всех возможных путей создания технологически управляемых процессов биохимической очистки реализована лишь меньшая их часть, известные же попытки управления работой аэротенков связаны с регулированием отдельных элементов технологического процесса и, как правило, отличаются неудовлетворительным инженерным оформлением. Поэтому представляется важным рассмотреть технологические и конструктивные вопросы разработки оптимальной схемы и стратегии технологического управления аэротенка управляемого профиля с внутренней рециркуляциейиловой смеси.

В настоящее время некоторые положения теории рециркуляционных процессов уже используются в биологических процессах для повышения эффективности работы аэротенков, с помощью которых реализуется биохимический метод очистки сточных вод. Способ управления аэротенком посредством рециркуляции иловой смеси способен оперативно изменять гидродинамическую структуру потока и достигать высокой степени смешения-вытеснения. Сооружения подобного типа совмещают достоинства аэротенка-смесителя (его высокую производительность) и аэротенка-вытеснителя (способность обеспечивать высокую глубину очистки). Практическое применение теории рециркуляции позволяет решать весьма важные задачи для улучшения работы не только действующих, но и вновь строящихся очистных сооружений на основе новых технологических принципов.

В настоящее время в качестве перспективных рассматриваются:

- аэротенки с постоянным продольным рециклом иловой смеси;

- аэротенки с регулируемым продольным рециклом иловой смеси и управляемым кислородным режимом;

- аэротенки с регулируемым продольным рециклом иловой смеси, управляемым кислородным режимом и концентрацией активного ила.

Современные принципы и схемы допускают поочередное пребывание очищаемых сточных вод не только в аэробных зонах, где осуществляются массоперенос кислорода из искусственно вводимого в аэротенки воздуха, но и в зонах аноксидных и анаэробных. Аноксидные и анаэробные зоны оборудуются без устройства в них аэраторов различного типа, т.е. воздух в иловую смесь не вводится, кислород не растворяется. Различие между этими зонами в том, что условия анаэробных зон - жесткие бескислородные, а в аноксидных - кислород присутствует в виде нитритов и нитратов (NO₂, NO₃).

Технологические схемы аэротенков с продольной рециркуляцией иловой смеси предусматривают наличие технологических связей, обеспечивающих симультанное протекание процессов биоочистки от органических и биогенных загрязнений и других элементов. Такими технологическими связями являются мощные гидравлические рециркуляционные потоки иловой смеси или возвратного ила на различных стадиях процесса.

Таким образом, наиболее актуальным в современных условиях представляет разработка технологических моделей продольной рециркуляции иловых смесей, обеспечивающих максимальную эффективность аэробной биологической очистки сточных вод.

В главе 2 приведено описание объектов исследования, применяемых материалов, методов исследований и способов обработки их результатов.

При проведении работы испытаниям подвергались следующие технологические схемы аэротенков с продольным рециклом иловой среды:

- схемы рециркуляционных узлов аэротенков с постоянным продольным рециклом иловой среды;

- схема гибкого регулирования кислородного режима в аэротенках с регулируемым продольным рециклом иловой среды;

- схемы аэротенков управляемого профиля с различными системами аэрации периодического действия.

При испытаниях производился контроль физико-химических и биохимических параметров исходной сточной воды, иловой суспензии и осветленной сточной воды, а также микробиологические исследования составов биоценозов активного ила и сопутствующей ему микрофлоры и процессов формирования флоккул из нитчатых и зооглейных бактерий на электронном и оптическом микроскопах. Результаты испытаний представлялись в виде эмпирических зависимостей между основными параметрами, характеризующими процессы очистки дисперсных систем. На основе анализа уравнений баланса материальных потоков были получены аналитические зависимости, позволяющие прогнозировать основные характеристики и закономерности протекания исследуемых процессов.

Результаты проведенных расчетно-экспериментальных исследований использовались для достижения поставленной цели - разработки модели комплексной оптимизации технологических процессов аэробной биологической очистки сточных вод.

Идентификация культур бактерий, выделяемых из проб сточных вод и активного ила проводили с использованием Краткого определителя бактерий Берги (под ред. Дж. Хоулта, М., Мир, 1980); «Инструкции по лабораторному контролю очистных сооружений на животноводческих комплексах» М., Колос, 1982.

Анализ проб воды осуществлялся по методикам, описанным в изданиях: Лурье Ю.Ю. «Аналитическая химия промышленных сточных вод», М., Химия, 1984; «Методика проведения технологического контроля работы очистных сооружений городской канализации» под ред. О.Т. Болотина, 1971; «Правил охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами», Москва, 1974; «Методические рекомендации по определению общего органического углерода в очищенных сточных водах с помощью газовой хроматографии», М., АКХ, 1977.

Использование современной компьютерной программы CFD и методов научных исследований позволило определить влияние на технологические процессы различного рода внутренних и внешних воздействий и оценить эффективность предлагаемых технологических и конструктивных решений.

Глава 3 посвящена исследованию процессов биологической очистки в аэротенках с продольной рециркуляцией иловой смеси.

Натурным исследованиям аэротенков управляемого профиля предшествовали теоретические исследования аэротенков-вытеснителей, а также аэротенков с управляемым рециклом биомассы.

Результаты натурных испытаний аэротенков управляемого профиля на реальных сточных водах приведены на рис. 1.

Испытания проводились в три стадии при различных количествах действующих секций аэротенков, что позволяло изменять время аэрации от 6 до 2 ч. В течение каждой стадии эксперимент разделялся на три этапа, отличающихся количеством работающих рециркуляционных колонн и расходом продольного рецикла иловой среды. Перед началом каждой стадии эксперимента проводились испытания аэротенков с отключеннымм рециркуляционными колоннами, т.е. имел место контрольный режим работы. Помимо регулярно проводимого полного анализа исходной и очищенной сточной воды изучались кислородный режим, динамика дегидрогеназной активности ила и аминокислотного обмена в аэротенках.

На первой стадии эксперимента сточная вода подавалась во все три секции аэротенка равномерно, что соответствовало среднему времени аэрации 6-12ч. И на контрольном, и на опытном аэротенках происходила полная биологическая очистка, наблюдалось снижение аммонийного азота, процессы нитрификации развивались интенсивно. При увеличении K_R от 1,5 до 7,5 за счет продольного рецикла иловой среды эффект очистки по ХПК возрастал с 83 до 89 %, а по БПК_полн - с 89 до 92%. Наиболее заметно было увеличение окислительного эффекта при возрастании K_R от 1,5 до 3,5.

На второй стадии эксперимента сточная вода подавалась в две секции аэротенка равномерно, что соответствовало среднему времени аэрации 3,9 ч. И на контрольном, и на опытном аэротенкaх процессы биологической очистки протекали стабильно. В данных условиях влияние продольного рецикла иловой среды было выражено более заметно: при увеличении K_R до 6,5 эффект очистки по ХПК возрастал с 76 до 87%, а по БПК_полн - с 81 до 89%. Интервал наибольшего влияния продольного рецикла иловой среды, как и на первой стадии, соответствовал 1,5? K_R ? 3,5.

Третья стадия эксперимента, когда сточная вода всей станции подавалась в одну секцию, соответствовала среднему времени аэрации 2,1 ч. Экстремальные нагрузки на активный ил, позволявшие проводить эксперимент в жестких условиях, представляли особый интерес для изучения. Работа аэротенка в контрольном режиме была нестабильной: снижался эффект очистки по ХПК и БПК, ухудшилась его способность к осаждению, периодически возникал массовый вынос ила из вторичных отстойников. Опытный аэротенк работал стабильно, заметно превосходя контрольный по всем показателям в течение длительных испытаний. Показатели эффективности работы аэротенка управляемого профиля, полученные при проведении испытаний приведены в табл. 1.

При увеличении K_R от 1 до 5,5 эффект очистки по ХПК и БПК_nолн возрастал с 68-70 до 86%, причем оптимум значений K_R лежал примерно в тех же пределах. Удельный расход воздуха и в контрольном, и в опытном аэротенках составил 9,2 м³/м³_. Распределение воздуха в опытных сериях между аэрацией и рециклом изменялось в пределах 8,1-6,1 и 1,1-3,1 м³/м³ соответственно. Таким образом, значительный прирост скорости окислении загрязнений в аэротенке в продольном рецикле иловой среды был достигнут при более эффективном распределении воздуха, но без увеличения его общего количества.

Испытания аэротенков в условиях регулируемого продольного рецикла иловой среды проводились с целью определения продолжительности переходных состояний гидродинамической структуры потока, кислородного режима, концентрации активного ила. Установлено, что время перехода аэротенка из одного рабочего состояния в другое находится в пределах 0,5-1 ч в зависимости от расхода продольного рецикла иловой среды.

Таблица 1 Показатели эффективности работы аэротенка управляемого профиля

Наименование показателя	Расход продольного рецикла иловой среды, м3/ч
	0	330	660	990
	Исходная вода	Очищенная вода	Исходная вода	Очищенная вода	Исходная вода	Очищенная вода	Исходная вода	Очищенная вода
Бихроматная окисляемость (ХПК), мг/л	264	164 /74	243	128/46	298	92/49	281	59/40
БПКполн., мг/л	17	107 /48	144	60/27	140	4/21	157	31/22
Взвешенные вещества, мг/л	118	42	143	27	115	22	136	21
Азот аммонийный, мг/л	32	18	45	13	33	8	39	10
Нитриты, мг/л	0	0	0,6	0,8	0	1,2	0,5	0,85
Нитраты, мг/л	0	0	0	0	0	0	0	0,2
Концентрация активного ила, г/л	1,3	1,5	1,5	1,5
Иловый индекс, см3/г	220	180	140	120
Период аэрации, ч	1,9	2,3	2,1	2
Удельная скорость окисления, мг/(г.ч)	Режим очистки нестабилен	Стабильная работа

Установлено, что гидравлические и массообменные характеристики рециркуляционной колонны имеют важное значение для энергетической оценки аэротенков данного типа. Эксперименты показали, что эффективность аэрации 1,5 кгО₂/(кВт.ч), достигнутая на иловой среде при использовании среднепузырчатых диспергаторов, близка к лучшим показателям аэраторов эрлифтного типа. При использовании в колонне мелкопузырчатых диспергаторов значение эффективности аэрации по сравнению со среднепузырчатыми диспергаторами возрастает в 1,3 - 1,5 раза. Это дает возможность использовать рециркуляционную колонну дли создания продольного режима иловой среды в аэротенке без снижения эффекта работы системы аэрации в цепом. В результате проведенных исследований разработаны различные конструктивные варианты колонн прямоточного и прямоточно-противоточного типов, которыми целесообразно оснащать аэротенки с продольным рециклом иловой среды ряда технологических модификаций.

Экспериментальные исследования окислительной способности гидравлической модели аэротенка управляемого профиля в стандартных условиях обеспечили получение зависимостей основных технологических характеристик рециркуляционного узла (окислительной и гидравлической) от его конструктивных параметров (размеров узлов с мелко- и кpynнопузырчатыми диспергаторами) и способа подачи кислородосодержащей смеси переменного состава, а также определение эффективности совместной работы базисной и управляемой систем аэрации. Установлено, что совместное использование рециркуляционного узла (управляемой аэрации) и базисной (постоянно действующей) повышает окислительную способность системы в среднем на 10%. При этом степень совместного влияния растет с ростом рециркуляционных расходов за счет улучшения условий газожидкостного контакта.

Использование «карусельного» принципа в практике проектирования и строительства требует рассмотрения процессов кинетического характера (аэрации, удаления растворенной органики, нитрификации, денитрификации) непременно в условиях влияния гидродинамических характеристик сооружений. Мощность аэрационных систем и условия их использования являются серьезным препятствием силе продольной рециркуляции, поскольку формируют вертикально ориентированные потоки энергии. В этих условиях оптимальные скорости горизонтальных потоков следует выбирать с учетом критерия Фруда (0,2-0,3), отражающего зависимость между энергией горизонтального потока и энергией водо-воздушной аэрационной смеси. Энергия горизонтальных потоков «карусельных» аэротенков должна быть достаточно мощна, чтобы превысить энергию локальной аэрационной преграды на плети действующей системы аэрации. А с другой стороны, эту энергию следует ограничить в рамках оптимума, поскольку неоправданное увеличении энергии горизонтального потока приводит к излишним энергозатратам и количеству установленного оборудования.

Совместное использование горизонтальных продольных рециркуляторов (мешалок погружного типа, генерирующих горизонтальные циркуляционные потоки) и аэрационных систем увеличивает массоперенос кислорода. Горизонтальные потоки отклоняют восходящие воздушные пузырьки от вертикальной направляющей, заставляют их колебаться по длине аэротенка при любой конфигурации процесса, что требует оптимизации раскладки системы аэрации. В расчет закладываются распределение воздуха по длине аэротенка, коэффициент качества воды, глубина сооружения и другие параметры. При этом моделируется концентрация кислорода по длине сооружения, соответствующая принятой раскладке аэраторов и характеристикам объекта.

Технологический подбор оборудования для продольной рециркуляции производится по требуемой силе давления F на поперечное сечение коридора «карусельного» аэротенка.

Изучение механизма двухфазного потока аэротенка с продольной рециркуляцией иловой смеси по «карусельному» типу показало, что увеличение скоростей горизонтального потока U (рис. 2) происходит при одновременном росте сил сопротивления стационарных препятствий (F~k₀, график 1), что соответствует законам гидравлики (параболическое возрастание функции.

Рис. 2. Составляющие сил сопротивления потоку F (Ньютон) в аэротенках с продленной рециркуляцией иловой смеси «карусельного» типа от скорости горизонтального потока U (м/с):

1 - F~k₀ все стационарные сопротивления;

2 - F~k_air от аэрационных преград;

3 - F~k общая результирующая сил сопротивления потоку.

Зоны «П» и «Г» - параболическое возрастание и гиперболическое убывание функций.

В присутствии водо-воздушных препятствий силы сопротивления ведут себя несколько иначе ( F~k_air , график 2). В начальный момент времени каждое незначительное увеличение скорости горизонтального потока U влечет за собой резкое увеличение сопротивления (по крутой параболе - начальная зона «П»). По достижении некоторой предельно-максимальной величины сопротивления F_max (критической скорости) энергии разнонаправленных сил: горизонтальной (от мешалки) и вертикальной (от системы аэрации) сравниваются. Дальнейший рост горизонтальных скоростей U сопровождается существенным снижением сил сопротивления аэрационной преграды, причем, чем выше скорость, тем ниже сопротивление F~k_air. График 3 представляет собой F~k , результирующую составляющую, полученную путем сложения графиков 1 и 2. Физический смысл F~k очевиден - это математическая сумма всех сопротивлений аэротенка с продольной рециркуляцией иловой смеси по «карусельному» типу. Подбор мешалок для работоспособных систем продольного перемешивания предполагает подбор по принципу F ? F_max. Для снижения величины F_max целесообразно изменять плотность раскладки аэраторов, понижая интенсивность аэрации плетей и увеличивая ее зону.

Физический механизм двухфазного потока современного аэротенка с продольной рециркуляцией иловой смеси по «карусельному» типу выражает зависимость между двумя потоками энергии, что есть число Фруда Fr. Первая энергия вызвана скоростью горизонтального потока, создаваемой мешалками в «карусельной» зоне, вторая - создана вертикальной скоростью:

(1)

где:

V_ar =Q Е1_,3/(S--+1_,3)/A--=--IЕ1_,3/(S + 10,3)

U - средняя скорость объемного потока (м/с),

g - ускорение силы тяжести = 9,81 м/сІ,

S - погружение аэраторов (м),

V_air - приведенная скорость расхода воздуха в зоне аэрационной плети (м/с),

Q - расход воздуха (мі/с),

А - площадь раскладки плети аэраторов, но не площадь их поверхности (мІ) ,

I - интенсивность аэрации, м³/м²/час.

Полученный критерий (число Фруда) характеризует условия формирования горизонтальных потоков мешалками при наличии вертикально восходящих водо-воздушных потоков систем аэрации с зонной раскладкой плетей (рис. 3).

Глава 4 посвящена рассмотрению инженерных вопросов проектирования аэротенков с продольной аэрацией иловой смеси.

Структурный анализ и сравнительная оценка существующих технологических схем показывает, что все они содержат внутренние рециркуляционные контуры. При этом диапазон реализуемых коэффициентов рециркуляции K_R=(Q+Q_R)/Q определяет разницу между разрабатываемыми рециркуляционными схемами (K_R= 1, 5-5).

При проведении исследований разработаны принципы размещения мешалок и аэраторов, а также организации гидродинамики в аэротенках, базирующихся на коридорной компоновке (рис. 4, 5).

Рис. 4. Зона действия мешалки (схема в плане), размещенной в сжатых условиях коридорного резервуара.

Рис. 5. Примеры расстановки погружных мешалок (А, В - редукторного типа; С - безредукторного типа) в зонах денитрификации, сконструированных в соответствии с принципами: А - продольной рециркуляции иловой смеси по «карусельному» типу; В, С - коридорной раскладки резервуара.

Дальность «боя» мешалки, ограниченной размерами коридора, лимитируется величиной L ~ 2,5 (B - D), где B - либо ширина коридора, либо его глубина (большая из них величина), D - диаметр пропеллера мешалки. При этом направление оси мешалки по отношению к стенке резервуара должно позиционироваться с образованием некоторого угла б, не препятствуя раскрытию основного потока. При достижении дальности «боя», равной величине L, угол раскрытия основного потока ограничивается размерами коридорного резервуара (B или H). Перемешивание для длин участков более, чем L, невозможно, поскольку возвратные потоки самоориентируются в обратную сторону к области низкого давления - всаса пропеллера. Таким образом интенсивным перемешиванием охватываются все зоны резервуара. Увеличить зону действия мешалки, повысив ее мощность в 2, 3, 4, … и т.д. раз, с сохранением угла б невозможно. Увеличение ее мощности приведет к необоснованной интенсификации перемешивания в границах той же зоны L. Застойная зона останется на своем месте, требуя размещения в ней следующей единицы оборудования.

Подбор перемешивающего оборудования для сравнения эффективности систем карусельного и коридорного типов приведен в табл. 2.

Таблица 2 Подбор перемешивающего оборудования для сравнения эффективности систем карусельного и коридорного типов

Характеристики		Системы
	А	В	С
Количество мешалок, шт	1	20	16
Тип мешалки: Р- редукторная, Б- безредукторная	Р	Р	Б
Скорость вращения, об/мин	35	27	705
Диаметр пропеллера, м	2,5	1,4	0,37
Производимая тяга, Н	2 728	455	744
Потребляемая мощность, кВт	3,11	0,79	2,61
Общая тяга, Н	2 728	9 100	11 904
Общая мощность, кВт	3,11	15,8	41,76
Приведенное к 1 м3 энергопотребление, Вт/м3	0,38	1,92	5,09
Энергозатратность систем по отношению к системе А,	---	405	1239

Данные, приведенные в табл. 2 , показывают неоспоримые преимущества устройства денитрификатора по варианту А «карусельного» типа:

с точки зрения энергозатрат выигрыш составляет 405% по отношению к варианту В и 1239% по отношению к варианту С;

инженерный расчёт требуемой тяги по варианту А минимизирован в 3,1 раза (по отношению к В) и в 3,9 раза (по отношению к С);

общее количество установленного оборудования снижено в 20 и 16 раз (по отношению к вариантам В и С).

Рассмотренный пример свидетельствует о том, что при проектировании задача не ограничивается областью расчетов кинетики процессов очистки. Учёт гидродинамической составляющей структуры потока является чрезвычайно важным аспектом технологической разработки проекта строительства и реконструкции очистных сооружений.

Гидродинамическая структура потока аэротенка, спроектированного по принципу продольной рециркуляции иловой смеси с зонной пневматической аэрацией сочетает разделение функциональных обязанностей оборудования: ввод кислорода осуществляется аэраторами, перемешивание - мешалками. Данное техническое решение экономит энергозатраты на аэрацию иловой смеси, которые являются самой затратной статьей расходов на городских очистных сооружениях.

Экономия энергозатрат обеспечивается за счет:

- зонной раскладки аэрационной системы во всю ширину коридора аэротенка,

- увеличения эффекта массопереноса при воздействии энергии горизонтального потока на зонную раскладку плети аэраторов.

Современная инженерная раскладка аэраторов вызвана требованием повышения эффективности растворения кислорода воздуха и КПД аэрации, причем рекомендуемая раскладка выполняется позонно в виде плетей и равномерно по ширине коридора. В аэротенках с расположением аэраторов вдоль одной из стен коридора пузырьки вводятся в струю воды, скорость, которой в 2- 3 раза выше скорости их движения. Вследствие этого, время воздушного контакта уменьшается до 1/3 - 1/4 ожидаемой величины и в аэротенке глубиной 3 м составляет только 3-4 с вместо 10-12 с при соответственном снижении эффекта массопередачи (рис. 6).

Рис. 6. Элементы компьютерного анализа (CFD) аэротенка с продольной рециркуляцией иловой смеси «карусельного» типа:

а) Работа системы аэрации при остановленной мешалке;

б) Совместная работа системы аэрации и мешалки с величиной тяги 300 Ньютонов;

в) то же самое с величиной тяги 600 Ньютонов.

За счет увеличения времени контакта с газовой фазой и уменьшения доли массового продольного перемешивания воздухом удельный расход воздуха в случае 100%-ной раскладки аэраторов по днищу снижается на 72%.

Таким образом, раскладка современных систем аэрации в условиях продольной рециркуляции иловой смеси являются важным энергосберегающим технологическим решением.

В главе 5 приведены результаты исследования процессов перемешивания и аэрации водно-иловой смеси в аэротенке с продольной аэрацией.

Разработан метод определения производительности перемешивающего устройства (с учетом потерь в придонных областях). Гидравлические потоки должны обеспечить поддержания активного ила во взвешенном состоянии за счет придонного сдвига иловых масс и смыва придонных отложений. В настоящее время отсутствуют методики определения уровня сдвига, требуемого для поддержания и восстановления взвешенного состояния иловых масс. Для большинства процессов используются эмпирические данные с целью установления потребного уровня сдвига. Фактически же уровень сдвига не устанавливается вовсе, а вместо него задается требуемая скорость потока у днища сооружения, обычно принимаемая равной 0,3 м/с. Указанное значение скорости потока соответствует определенному значению сдвига в придонной части. Однако, это соотношение изменяется с учетом реальных размеров и конфигурации. В результате проведенных расчетов установлено, что в условиях турбулентного потока сдвиг пропорционален квадрату скорости, умноженному на квадрат комплекса

S_h = (1/[2log(k/4R)+1,14]),

где k -шероховатость дна, R - гидравлический радиус (критерий размера) сооружения.

Форма емкостного сооружения также является важным фактором, поскольку она влияет на формирование и интенсивность турбулентности в системе. Турбулентные потоки в замкнутом контуре формируются мешалками, поворотами и другими препятствиями, создающими гидравлические потери на пути циркулирующего потока. Более высокая степень турбулентности означает большую вязкость, а значит и больший потребный сдвиг при той же скорости.

Другим важным фактором является расположение выходного слива из сооружения. Если оно расположено слишком высоко, то тяжелые частицы, которые с трудом удерживаются во взвешенном состоянии, останутся в аэротенке. Их концентрация будет расти, и это со временем приведет к уменьшению активной массы ила и, возможно, к отложению осадка. С этой точки зрения приоритетным является низкое расположение выпускного отверстия, в противном случае потребуется создание более высоких скоростей или сдвиговых напряжений.

Однако сама по себе скорость не является гарантией отсутствия осаждения. Проблема сводится к вычислению мощности мешалки для поддержания средней требуемой скорости в системе.

Выбор конструктивных критериев и расчет требуемой мощности смесителя в аэротенке является сложной задачей. Суммарные гидравлические потери на преодоление местных сопротивлений в системе с придонным расположением аэраторов и мешалок существенно отличаются от их значений для потоков в свободных для прохода сооружениях. Поэтому для достижения высокой эффективности процессов в аэротенке необходим корректный расчет производительности перемешивающих устройств с учетом реальных гидравлических сопротивлений тракта движения водно-иловой смеси по аэротенку. Расчеты показывают, что выбор научно-обоснованного конструктивного решения может сэкономить до 50% капиталовложений и текущих издержек на эксплуатацию сооружений аэробной биологической очистки.

Основными задачами перемешивания водно-иловой смеси являются: обеспечение максимального контакта между активным илом и жидкостью в максимально возможном объеме аэротенка в течение времени, необходимого для биохимического окисления загрязнений и исключение процессов осаждения иловой массы на днище аэротенка.

Высокие скорости потоков предотвращают заиливание аэротенков и являются показателем хороших условий перемешивания. Для станций очистки, включающих этап предварительной механической обработки (отстойник, осветлитель), рекомендуемая средняя скорость составляет 0,25 м/с, в то время как для очистных станций, имеющих лишь песколовку перед этапом биологической очистки, это значение составляет 0,3 м/с.

Интенсивность перемешивания с точки зрения биологической очистки не требует ограничения, но надо иметь в виду, что более высокая мощность перемешивающих устройств обычно означает более высокие издержки на электроэнергию.

В настоящее время способы способов биологического удаления азотсодержащих загрязнений включают, как правило, процессы нитрификации и денитрификации (NH₃ > NO₂ > N₂). Поэтому важным моментом является исследование влияния перемешивания на процессы денитрификации.

Качество денитрификации зависит от целого ряда факторов:

-присутствия в активном иле денитрифицирующих бактерий (в основном это те же бактерии, что и бактерии, отвечающие за нитрификацию);

-продолжительности очистки, достаточной для потребления кислорода, содержащегося в нитратах;

-условий, необходимых для жизнедеятельности денитрифицирующих бактерий (отсутствие свободного кислорода, надлежащая температура, доступный углерод и нетоксичные условия);

-хороший контакт между бактериями и сточной водой и предотвращение наслоения и образования осадка.

Гидравлические и механические условия, создаваемые перемешивающим оборудованием, физически воздействуют на состояние денитрифициующих бактерий. Эксперименты показывают, что степень механического воздействия на микроколоннии бактерий зависят от их размеров. Установлено, что нитчатые бактерии подергаются гораздо большему воздействию, чем более мелкие микроорганизмы. Высокие напряжения сдвига оказывают разрушающее воздействие на бактерии этого вида, что является в какой-то степени положительным, поскольку нитчатые в большом количестве препятствуют осаждению ила в отстойниках.

Полученные материалы свидетельствуют о влиянии перемешивания на характеристики денитрификационных процессов. С одной стороны, перемешивание улучшает контактирование микроорганизмов с азотсодержащими стоками и стимулирует потребление свободного кислорода. С другой стороны, чрезмерное перемешивание может увеличить поглощение кислорода с поверхности, а значит - ухудшить качество анаэробного процесса. Если первоначальное перемешивание окажется недостаточным, денитрификация начнется позже, и время на протекание этого процесса уменьшится. Перемешивания влияет на контакт между бактериями и культуральной средой - оно должно обеспечить максимально возможное увеличение скорости процесса и равномерное распределение ила по всему объему жидкости. Перемешивание должно предотвратить образование мертвых, стоячих областей, а иногда - и пенного слоя, возникающего в результате флотации придонного ила.

В настоящее время можно установить только два конструктивных критерия перемешивания в анаэробных зонах: достаточный смыв со дна для предотвращения образования осадка и время перемешивания, приближающееся к теоретическому времени очистки значению (V/Q). Испытания, проведенные на моделях, показали, что минимальная скорость должна составлять около 0,15 м/с для размывания осажденного ила. Но обычно в реальных аэротенках наиболее тяжелые компоненты скапливаются во время работы на дне, и требуется более высокая скорость для их размыва. Основным техническим требованием к времени перемешивания является требование обеспечения надлежащего использования объема анаэробной зоны. По результатам работы рекомендуется использовать следующие конструктивные критерии: время перемешивания в первой зоне для смешения различных входных потоков должно быть намного больше теоретического времени очистки (V/Q); перемешивание в последующих анаэробных зонах должно проходить немного дольше теоретического времени очистки. В случае одной анаэробной зоны потоки должны смешиваться как можно раньше, а время перемешивания должно приближаться к теоретическому значению.