КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

ТЕТЕРЯ АЛЕКСАНДР

УДК 628.35

КОМПЛЕКСНА БІОЛОГІЧНА ОЧИСТКА

МАЛИХ ОБ’ЄМІВ СТІЧНИХ ВОД

05.23.04 – Водопостачання, каналізація

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Київському національному університеті будівництва і архітектури Міністерства освіти та науки України.

Науковий керівник: | Олійник Олександр Якович,

доктор технічних наук, професор, член-кореспондент НАН України, Київський національний університет будівництва і архітектури, завідувач кафедри гідравліки та водовідведення.

Офіційні опоненти: | Хоружий Петро Данилович,

доктор технічних наук, професор, завідувач відділу Інституту гідротехніки і меліорації УААН.

Давиденко Олександр Іванович,

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник, завідувач відділу науково-дослідного і конструкторсько-технологічного інституту міського господарства Держбуду України.

Провідна установа: | Харківська державна академія міського господарства.

Захист дисертації відбудеться “25” лютого 2004 р. о 1300 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.466.

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

Автореферат розісланий “22” січня 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, к.т.н., професор Василенко О.А.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одним із пріоритетів розвитку України є охорона навколишнього середовища, в якому ведуче місце займає рішення проблеми збереження природних водойм і підземних вододжерел від забруднення стічними водами. Тому в останні роки в нашій країні прийнято ряд Урядових постанов і нормативних актів, спрямованих на поліпшення стану водних об’єктів і подальший розвиток водопостачання і каналізації.

Побутові стічні води поряд з мінеральними органічними забрудненнями містять різні патогенні організми і є епідеміологічно небезпечними для людини і довкілля.

Біологічний метод займає провідне місце в очищенні господарсько-побутових стічних вод. У процесі біологічної очистки частина органічних речовин, що окисляються мікроорганізмами активного мулу, використовується в процесі біосинтезу, а частина перетворюється в нешкідливі продукти окислення – воду, вуглекислий газ, оксид азоту і т.п.

Інтенсивне будівництво в неканалізованих районах, висока вартість великих очисних споруд і каналізаційних мереж створюють умови для вирішення задач, пов’язаних з обробкою стічних вод і наступним їх відведенням шляхом будівництва малих локальних очисних споруд.

Тому досить актуальним є удосконалення існуючих, розробка більш ефективних і надійних в експлуатації науково обґрунтованих установок малої продуктивності (УМП), які дозволяють проводити комплексну біологічну очистку стічних вод від різних забруднень.

Запропонована УМП BIOTAL продуктивністю від 1 до 20 м/добу цілком відповідає зазначеним високим вимогам.

При створенні технології BIOTAL була закладена концепція, відмінна від класичної, котра дозволяє не тільки очистити стічні води, але і утилізувати продукти очищення до стану продуктів споживання – технічної води і мінеральних добрив, тобто не вимагає додаткового доочищення, що є також важливим і актуальним при вирішенні проблем захисту навколишнього середовища від забруднень.

З огляду на особливу специфіку очистки малих об’ємів стічних вод в умовах високої нерівномірності гідравлічних і органічних навантажень, зміни властивостей і складу стічних вод, що надходять, інженерні рішення при розробці даної технології були спрямовані на забезпечення високої якості очистки стічних вод, усталеної роботи і простоти конструкції УМП при незначних капітальних і експлуатаційних витратах. Особлива увага була приділена автоматизації процесів очистки стічних вод для роботи УМП в оптимальних режимах і виключення впливу на процес очистки людського фактора.

Актуальною задачею, спрямованою на підвищення ефективності і надійності очистки стічних вод на УМП типу BIOTAL, є розробка теоретично обґрунтованих методів розрахунку технологічних і конструктивних параметрів очистки, що базуються на сучасних фізичних і математичних моделях для опису процесів комплексної біологічної очистки стічних вод стосовно до УМП. Такий підхід із залученням для аналізу й узагальнення їх роботи даних експлуатації у виробничих умовах дозволяє створити надійну розрахункову базу для їхнього проектування.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до Постанови Кабінету Міністрів України від 17.11.1997р. №1269 “Про програму розвитку водопровідно-каналізаційного господарства”, Постановою Верховної Ради України від 14.01.2000 р. №1390 – XIV “Про концепцію розвитку водного господарства України”, Національною програмою екологічного оздоровлення басейну Дніпра і поліпшення якості питної води, планами науково-дослідних робіт НАН України і Київського національного університету будівництва і архітектури , договорів з різними організаціями, в яких автор приймав участь як виконавець.

Метою даної роботи є наукове обґрунтування більш досконалої і надійної конструкції і технології комплексної біологічної очистки стічних вод на УМП типу BIOTAL, що працюють у різних режимах очищення.

Для виконання поставленої мети необхідно було вирішити наступні задачі:

- на основі аналізу існуючих УМП розробити на базі принципово нових підходів і технологічних рішень малогабаритну установку з показниками комплексної біологічної очистки, яка відрізняється більшою надійністю, довговічністю і зручностями в експлуатації;

- вивчити механізми й особливості комплексної біологічної очистки малих об’ємів стічних вод;

- сформулювати фізичну (концептуальну) модель і на її основі побудувати математичну модель комплексної біологічної очистки стічних вод на УМП типу BIOTAL;

- на основі реалізації математичної моделі розробити інженерну методику розрахунку конструктивних і технологічних параметрів очистки стічних вод від органічних речовин і сполук азоту на УМП типу BIOTAL;

- оцінити вплив окремих факторів і вихідних характеристик на технологічний режим роботи установки і розробити рекомендації для визначення констант і коефіцієнтів для виконання інженерних розрахунків;

- виконати апробацію запропонованої методики розрахунку і техніко-економічну оцінку пропонованої технології.

Об’єкт досліджень – очистка малих об’ємів стічних вод.

Предмет досліджень – процес комплексної біологічної очистки стічних вод на УМП типу BIOTAL.

Методи досліджень. Фізичне і математичне моделювання процесів біологічної очистки стічних вод на УМП типу BIOTAL, використання чисельних і аналітичних методів рішення окремих задач, використання спеціальних методик для обробки отриманих даних при визначенні констант і коефіцієнтів, а також при апробації запропонованих методів розрахунку.

Наукова новизна отриманих результатів:

- виконано наукове обґрунтування комплексної біологічної очистки стічних вод малих об’ємів на установках BIOTAL, показана їх технологічна надійність, ефективність і зручність експлуатації при різних режимах роботи;

- вивчені процеси і механізми їх взаємодії в складних умовах комплексної очистки стічних вод від різних забруднень, що дозволили обґрунтувати і побудувати математичні моделі їх видалення з урахуванням впливу різних факторів, гідравліки перетікання і рециркуляції потоків між окремими реакторами, процесів аерації і перемішування;

- на основі запропонованих моделей розроблена методика розрахунку технологічних і конструктивних параметрів очистки, приведені основні положення і рекомендації, у тому числі для вибору вихідних констант і коефіцієнтів, для реалізації цієї методики в різних умовах і стадіях комплексної біологічної очистки стічних вод, проведена їх експериментальна оцінка;

- оцінено вплив різних інгібіруючих та лімітуючих факторів на процеси нітріфікації і біоокислення органічних речовин, у тому числі температури і кисневого режиму.

Практичне значення отриманих результатів. Проведені дослідження дозволяють застосувати їх результати для розрахунку і проектування УМП типу BIOTAL для комплексної біологічної очистки стічних вод автономно розміщених об’єктів комунально-побутового призначення. Запропоновані розрахункові рекомендації дозволяють без проведення додаткових експериментів визначити необхідні технологічні і конструктивні характеристики надійної роботи установок. Новизна розробок підтверджується трьома патентами України. Складено допоміжні інструкції з впровадження установок в інженерну практику. Для цього отримано позитивний висновок державної санітарно-гігієнічної експертизи Мінздраву України. На початок 2003 року в Україні та інших країнах впроваджено більш ніж 600 установок BIOTAL продуктивністю від 1 до 20 м3/добу. Зокрема, матеріали дисертації використовувалися при виконанні розрахунків у проектах станцій біологічної очистки стічних вод для АЗС “Лукойл” (Житомир), аеропорту “Бориспіль”, школи-гімназії (Слобода Романівська, Житомирська обл.), автоскладального заводу “Volkswagen” (Соломонове, Закарпатська обл.), виробничої бази магістральних електромереж (Житомир), ПЗОВ “Пласт-карта” (м. Вишгород).

Особистий внесок здобувача полягає у науковому обґрунтуванні комплексної біологічної очистки малих об’ємів стічних вод на установках BIOTAL, фізичних і математичних моделей видалення амонійного азоту та нормованих органічних забруднень, розробці методів розрахунку технологічних параметрів установки BIOTAL, проведенні лабораторних досліджень і апробації одержаних наукових результатів. В роботах [ 2, 3, 10] науковому керівникові члену-кор. НАНУ Олійнику О.Я. належить вибір теми і постановка розглянутих задач.

Апробація результатів дисертації. Основні результати й окремі розділи дисертації були наведені в доповіді на конференції “Екологія і здоров’я людини, охорона водного і повітряного басейнів, утилізація відходів” (7-11 липня 1999 р., м.Щелкіно, АР Крим); міжнародному конгресі “ЕТЕВК-99. Екологія, технологія, економіка водопроводу і каналізації” (Ялта, Крим, 1999 р.,); міжнародній науково-практичній конференції “Актуальні проблеми водопостачання і водовідведення” (м.Одеса, 1999 р.);міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми і перспективи очищення і повторного використання води” (м.Харків, 2000 р.), на VII міжнародному форумі природних ресурсів країн СНД “АКВАТЕРРА” (Санкт-Петербург, 1999 р.), на 61-ій, 62-ій і 63-ій науково-практичних конференціях КНУБА (м.Київ, 2000-2002 р.).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 11 робіт, у тому числі 6 у фахових виданнях (4 з них без співавторів), а також отримано 3 патенти України.

Структура і об’єм дисертації. Дисертація складається з вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку літератури з 153 найменувань і 7 додатків. Загальний об’єм дисертації 198 сторінки, у тому числі 145 сторінок основного тексту, 11 таблиць, 48 рисунків.

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 загальні принципи і існуючі підходи біологічної очистки господарсько-побутових стічних вод на установках малої продуктивності (УМП). Приводиться класифікація таких установок і особливості їх роботи та розрахунку. Акцентується увага на перспективності подальших досліджень і розробки установок для очистки стічних вод біологічним методом в штучно створених умовах. Зазначається, що біологічна очистка малих об’ємів стічних вод з високою концентрацією забруднень базується, в основному, на використанні реакторів-аеротенків продовженої аерації.

Приведено оціночний аналіз існуючих моделей та методів розрахунку процесів біологічної очистки стічних вод активним мулом (Яковлев С.В., Гончарук В.В., Скирдов І.М., Шведов В.М., Бондарев А.О., Вавилін В.О. Воронов Ю.В., Розумовський Е.С., Карелін В.Я., Корюхіна Т.А., Мішуков Б.Г., Кафаров В.В., Олійник О.Я., Василенко О.І., Пааль Л.Л., Гвоздяк П.І., Глоба Л.І., Шеренков І.А., Нетюхайло А.П., Гіроль М.М., Душкін С.С., Ставська С.С., Хоружий П.Д., Епоян С.М., Куликов М.І., Пантелят Г.С., Таверткіладзе І.М., Василенко О.А., Horan N.Y., Weiers S.R., Henze M., Daigger G.T., Nolasko D., Parker D.S. та інші.) На даний час можна виділити три напрямки розробки математичних моделей для описання кінетики процесу біохімічної очистки стічних вод. В більш простих моделях першого порядку для описання дослідних даних по утилізації субстрату та культивування мікроорганізмів використовуються кінетики нульового, проміжного (), першого та n-го порядків. Проведений аналіз показав, що моделі нульового та n<1 порядків можуть бути використані для грубого очищення, коли ріст мікроорганізмів не залежить від концентрації субстату, так як його величина перевищує лімітуючи значення. Моделі першого та вищих порядків можуть бути використані для очищення багатокомпонентного субстрату та коли ріст клітин активного мулу знижується по мірі зменшення концентрації субстрату, тобто при проведенні більш глибокої очистки. Другий напрямок моделювання кінетики процесу, заснований на використанні рівнянь ферментативних реакцій (рівняння Моно, Ієрусалимського, Халдейна, Герберта та інш.). Останнім часом в рамках цього напрямку розвиваються більш складні моделі кінетики біоокислення, а саме: так звані Моделі активного мулу NN 1, 2, 2Д, 3 та інші (Henze M.,Gujer W., Mino T., Van Loosdrecht C.M., Wentzelf M.C., Marais G.V.R., Щетинін А.І., Большаков Н.Ю., Миколаєв А.Н.). В цих моделях більш детально розглядаються динаміка зміни мулового середовища мікроорганізмів і процеси комплексного вилучення органічних сполук, азоту і фосфору. До третього напрямку моделювання росту та трансформації активного мулу віднесені моделі, в яких розглядаються процеси сорбції розчинених та колоїдних речовин частинками активного мулу з наступним окисленням та трансформацією цих речовин, а також моделі, в яких враховані трофічні рівні і взаємодія складових біоценозу активного мулу. Сорбційно-біоокислювальна модель взята за основу при аналізі роботи та розрахунках параметрів установки BIOTAL.

Розглянуті і проаналізовані також найбільш відомі моделі розрахунку процесів нітрифікації (Бондарев А.О., Коган В.А.-Л., Мішуков Б.Г., Шведов В.М., Захватаєва І.В., Alleman I.E., Horan N.J., Beck M.B., Henze M., Conens E., Weijers S.R., Fand H.Y., Drtil M., Wentzel M.C., Winkler M., Ekama G.A., Vanso D. та інші), в яких в основному не враховується вплив інгибіруючих та інших факторів, що неминуче в умовах комплексної очистки, а також при їх реалізації прийнято ряд обмежень.

На основі виконаного аналізу існуючих УМП, даних теоретичних і експериментальних досліджень робиться висновок про необхідність розробки більш компактної, ефективної і надійної в роботі малогабаритної установки для комплексної очистки стічних вод в умовах високої нерівномірності гідравлічних і органічних навантажень і стосовно до неї з врахуванням особливостей і складних механізмів протікання процесів очистки розробити моделі і на їх основі надійні методи інженерного розрахунку технологічних параметрів очистки, що дозволило для вирішення цих питань сформулювати мету і задачі досліджень за темою дисертації.

У другому розділі на основі сучасних даних про фізичну та біологічну сутності процесу очистки стічних вод на малих очисних спорудах визначені особливості видалення забруднень із таких вод. На основі викладених вимог до очисних установок малих об’ємів стічних вод обґрунтовано, розроблено та описано конструкцію установок малої продуктивності типу BIOTAL продуктивністю 1,0…20 м3/добу. Установки BIOTAL являють собою три послідовно з’єднані між собою реактори послідовно-періодичної дії. Стічні води послідовно перетікають від першого до третього реактора, в кожному з яких проходить певний цикл біологічної очистки з багатократним повторюванням процесів аерації та перемішування. Останній реактор періодично переходить в режим відстоювання з наступним відкачуванням очищених стічних вод в третинний відстійник. Установка BIOTAL (рис. 1) включає п’ять зон обробки стічних вод: грубого очищення – затримання грубих покидьок та біологічного передочищення – реактор першої ступені I, біологічної очистки –реактор другої ступені II, біологічної очистки – реактор третьої ступені III та зони третинного відстоювання IV.

Стічні води надходять в спеціальну камеру, де відбувається затримання грубих покидьок. Далі вода стікає в зону I, в котру подаються ерліфтом (14) частина зворотного

Рис. 1 Технологічна схема очистки стічних вод на установці BIOTAL.

(пояснення до рисунка приведені в тексті)

активного мулу із зони III, осад із зони IV ерліфтом (17) та самопливом піна, яка віддувається при відкачуванні очищених стічних вод ерліфтом (15). В зоні I води частково біологічно очищуються за рахунок багатократного повторення циклів аерації та перемішування, а також сорбції, при дефіциті кисню повітря. Завдяки цьому тут відбувається також процес денітрифікації при наявності нітритів та нітратів, які надходять зі зворотнім активним мулом та легкоокислюваної органіки, яка надходить із “свіжими” стічними водами. Суміш, яка пройшла обробку в зоні I, перетікає самопливом в зону II, куди ерліфтом (14) подається друга частина зворотного активного мулу, що дозволяє захистити цю частину мулу від негативного впливу токсичних речовин, що надходять в установку. В зону II при перекачуванні мулової суміші в зону III ерліфтом (13) також віддувається піна. В зоні II, аналогічно із зоною I, мулова суміш багатократно періодично аерується та перемішується, але тут переважно відбувається окислення сорбованих речовин. Оскільки в зоні I видаляється до 50% органіки, в зоні II починається процес нітрифікації. По мірі окислення органіки процес нітрифікації починає домінувати. Частково очищена суміш із зони II перекачується ерліфтами (13) в зону III, при цьому відбувається віддувка газів (вуглекислий газ і т.д.), які утворилися в процесі очистки стічних вод в зонах I, II, а також часткове насичення мулової суміші киснем повітря. Внаслідок низького вмісту органічних речовин в зоні III відбувається, в основному, доочистка стічних вод від органіки і нітрифікація. Процес очистки проводиться так, щоб окислення амонійного азоту відбувалося переважно до нітритів (редокс потенціал – до 100), що дозволяє провести більш швидше і ефективніше денітрифікацію (ланцюжок редукції нітритів до газоподібного азоту в даному випадку коротший, ніж від нітратів).

В зоні ІІІ мулова суміш аерується, перемішується і відстоюється з наступним відкачуванням очищених стічних вод ерліфтом (15) в третинний відстійник 1V. Ерліфт (15) віддуває також піну в зоні ІІІ. Одночасно із відкачкою ерліфтом (15) очищених стічних вод в третинний відстійник, ерліфт (17) відкачує муловий осад в зону 1. Остаточно очищені стічні води самопливом відводяться з установки. В установці здійснюється п’ять фаз обробки стічних вод: перемішування з дефіцитом кисню повітря, аерація мулової суміші, відстоювання, відкачка очищених стічних вод і відкачка надлишкового активного мулу.

Для забезпечення автоматичного керування та підтримання робочих параметрів в установках малої продуктивності типу BIOTAL застосовано гідроавтоматичне та електронне управління. Система автоматики установок BIOTAL продуктивністю від 1 до 10 м3/добу має чотири прямі і три зворотні зв’язки. Режими роботи установок BIOTAL програмуються на основі даних хармонограм, які розробляються в залежності від продуктивності установки.

У третьому розділі розглянуто теоретичні і фізичні передумови до розробки моделі. Виходячи з умов роботи установки BIOTAL її можна віднести до систем проміжного типу. Причому в першому реакторі, куди подається в значній кількості нітрифікований старий за віком зворотній активний мул, в умовах аноксидного режиму переважно відбувається процес денітрифікації. Тут видалення органічних речовин здійснюється в основному, за рахунок використання їх легкоокислювальних форм в процесах денітрифікації та за рахунок їх сорбції на адаптованих мікроорганізмах з можливим при цьому їх частковим окисленням. Встановлено, що в 1-му реакторі відбувається до 50 % повного видалення органічних забруднень для звичайних побутових стічних вод. У 2-му реакторі в умовах регулюємого аеробно-аноксидного режиму денітрифікація практично закінчується, продовжується процес сорбції та відбувається активне окислення сорбованих на пластівцях активного мулу забруднень в умовах рециркуляції більш молодого за віком активного мулу. Тут також відбувається інтенсивне накопичення фосфору колі-Р бактеріями та зі зменшенням концентрації органічних речовин розпочинається процес нітрифікації. Встановлено, що в цілому загальне очищення від органічних забруднень (сорбованих та несорбованих) тут відбувається до концентрації . В 3-му реакторі разом з активним проходженням процесу нітрифікації, відбувається доочищення стічних вод до концентрації менше . Тому процес видалення органічних речовин в 1-му та 2-му реакторах відбувається по сорбційній моделі, що дозволяє об’єднати їх роботу, а в 3-му реакторі – по моделі глибокої очистки. Крім викладеного вище при побудові моделей приймалися до уваги також ряд необхідних положень та передумов, які наведені в дисертації.

Для реакторів, які працюють по схемі змішувача процеси нітрифікації – денітрифікації в загальному випадку описуються системою рівнянь:

1. Нестаціонарне рівняння матеріального балансу маси речовини в реакторі

. (1)

2. Нестаціонарне рівняння матеріального балансу для мікробної маси

(2)

де - швидкість зниження концентрації речовини; - швидкість росту мікроорганізмів; V - робочий об’єм реактора; Q - об’ємна витрата стічних вод; - економічний (питомий) коефіцієнт виходу біомаси; i - відповідно, концентрація речовини у вихідний і очищеній воді; i - відповідно, концентрація біомаси мікроорганізмів у вихідній і очищеній воді; - питома швидкість лізису біомаси (смертності чи відмирання мікроорганізмів); - питома швидкість реакції процесу.

Зокрема для процесу нітрифікації, який більш детально розглядається в дисертації, в загальному випадку в умовах врахування різних інгибіруючих факторів рівняння для , приймається у вигляді

(3)

де - максимальна швидкість росту нітрифікаторів; - концентрація біомаси нітрифікаторів; - концентрація амонійного азоту; - концентрація розчиненого кисню; - концентрація речовини інгібітора; , , - константи півнасичення по амонійному азоту, розчиненому кисню і інгібіруючої речовини, - коефіцієнт, який враховує залежність питомої швидкості процесу від концентрації біомаси (інгібірування продуктами метаболізму).

Розглядаючи стаціонарні умови протікання процесу після деяких перетворень, наведених в дисертації, одержимо

(4)

де - вік активного мулу (середній час перебування мулу в системі), - середній час перебування стічної рідини на стадії аеробної очистки, X - концентрація активного мулу, - приріст активного мулу за час .

В спорудах біологічної очистки разом з процесами біоокислення відбуваються процеси сорбції, які на початкових етапах можуть набагато перевищувати швидкість процесів біоокислення. З часом швидкість сорбції та окислення вирівнюються, досягаючи максимальних величин, і швидкість біоокислення починає переважати швидкість сорбції; на цій стадії, як правило, відбувається регенерація активного мулу. Як відомо, сорбційні властивості активного мулу використовуються в очисних спорудах з реактором-аеротенком та рециркуляцією активного мулу та мають свої особливості при відсутності або наявності регенератора, в якому поданий зі зворотнім потоком не окислений адсорбований мул може бути доокислений, що передбачається в технології біологічної очистки на установках BIOTAL.

В загальному випадку математичну модель сорбційно - біоокислювального процесу з активним мулом можна представити в наступному вигляді

(5)

(6)

. (7)

Якщо обмежитися розглядом дещо спрощеної моделі, вважаючи, що , то в умовах стаціонарного процесу, аналізуючи рівняння (5) – (7) разом з рівняннями матеріального балансу, приведеними в дисертації, для схеми аеротенка-змішувача з рециркуляцією, одержимо для подальшого розгляду систему рівнянь

(8)

(9)

(10)

де - сумарна концентрація ущільненого активного мулу, яка поступає в аеротенк із вторинного відстійника; r - коефіцієнт рециркуляції; - питома швидкість росту мікроорганізмів; i - відповідно, концентрація органічних забруднень на вході в систему і рівнозважена концентрація сорбованих забруднень, , i - відповідні концентрації на виході із аеротенка.

Одним із важливих моментів при моделюванні процесів біологічної очистки є визначення кисневого режиму, при якому швидкість процесу біологічної очистки, як правило, не повинна обмежуватися киснем, який є в реакторах. Для аеротенків-змішувачів взагалі кисневий режим описується наступним рівнянням

(11)

де C - концентрація розчиненого кисню в реакторі в момент часу t, мг/л, C* - концентрація розчиненого кисню в стані насичення у воді, мг/л, - відносний коефіцієнт, який враховує зниження розчиненого кисню при насиченні в стічних водах (муловій суміші), C0 - концентрація розчиненого кисню в вихідній рідині, мг/л, Kca - сумарний коефіцієнт біохімічного переносу (масопередачі) у стічній рідині, год–1, Rc - швидкість реакції загального споживання кисню на одиницю об’єму рідини в реакторі .

В дисертації приведені і проаналізовані різні залежності для визначення реакції окремо для процесів біоокислення органічних забруднень і нітрифікації.

У четвертому розділі на основі аналізу приведених вище моделей нітрифікації для подальшої реалізації окислення амонійного азоту до нітритів прийнята стаціонарна модель, яка складається з наступної системи рівнянь

(12)

(13)

(14)

(15)

В результаті розв’язку приведеної вище системи рівнянь отримано наступні рівності

(16)

(17)

(18)

(19)

де K0 – узагальнений коефіцієнт, який враховує інгібіруючі процеси різними факторами.

На основі рекомендованих розрахункових залежностей на рис.2 для різних значень показана динаміка зміни концентрації N1 у стічних водах, що очищаються, в залежності від концентрації кисню при доба-1, мг/л, мг/л, .

Аналізуючи графіки приведені на рис.2 можна зробити висновок, що при забезпеченні киснем мг/л протягом усієї стадії нітрифікації, цей процес не лімітується киснем і формулу (16) можна спростити до вигляду

(20)

(21)

Згідно формули (20), про що також свідчать результати експериментальних досліджень, при мг/л концентрація амонійного азоту в очищеній воді при стаціонарному режимі залежить від віку мулу і не залежить, при інших постійних умовах, від початкової концентрації азоту в стічних водах.

При виході системи по різним причинам із стаціонарного стану або у випадку, коли режим роботи ще не досяг цього стану, розрахунки необхідно проводити по нестаціонарній моделі. Інженерні моделі розрахунку видалення органічних речовин на установці BIOTAL реалізуються на фоні одночасного видалення азоту і інших сполук в цих працюючих реакторах. В 1-му і в 2-му реакторах методи розрахунку отримані на основі реалізації стаціонарної сорбційної моделі, що становить найбільший інтерес для практики. Рішення системи рівнянь (8)–(10) отримано при різних питомих швидкостях росту мікроорганізмів і .

Рис. 2 Графік залежності 1 - доби, 2 - діб, 3 - діб,

4 - діб, 5 - діб, 6 - діб

1.

2.

3.

В якості прикладу приведемо залежності для значень концентрації , і у першому випадку

(22)

(23)

. (24)

Аналогічні залежності одержані для другого і третього випадків.

Прийнявши відповідно до літературних джерел для побутових стічних вод наступні значення вихідних констант і коефіцієнтів:

год-1, г/л, г/л, год-1, л/, , г/л, г/л, і г/л, для нульової кінетики окислення при швидкості реакції одержимо результати розрахунків концентрацій , і , що приведені на рис.3 (криві 1).

При тих же даних, але г/л, , результати розрахунків представлені кривими 2.

Для порівняння на рис.4 приведені результати розрахунків концентрацій і по лінійній кінетиці окислення зі швидкістю з коефіцієнтом л/, а на рис.5 – кінетика окислення прийнята зі швидкістю реакції відповідно до відомого рівняння Моно при г/л.

Як і передбачалося, в умовах нульової (максимальної) реакції видалення органічних речовин відбувається значно інтенсивніше, при цьому значна кількість речовин окисляється, що не можна сказати про інші порядки реакцій окислення. При цьому, як і очікувалося, дуже повільно в цих умовах протікає процес окислення при лінійній реакції.

Рис. 5 Графіки залежності і

при швидкості реакції окислювання

Аналіз цих графіків також показує, що якщо прийняти згідно рекомендацій багатьох дослідників кінетику окислення по рівнянню Моно, то при початковій концентрації органічних речовин г/л в умовах без і при наявності процесів нітри-денітрифікації процес окислення органічних речовин у значній мірі залежить від параметра рециркуляції для цього процесу . Таким чином, 1-й і 2-й реактори при можуть забезпечити окислення органічних речовин до концентрацій мг/л при часі перебування стічних вод в обох реакторах менше, ніж 10-12 годин, що узгоджується з результатами дослідів.

Як вже зазначалось, в 3-му реакторі відбувається доочистка органічних забруднень, які поступають із 2-го реактора, в аеробних умовах з режимом аерації рідини повітрям, який забезпечує процес киснем в достатній кількості. Відомо, що для аналізу процесів, які проходять в умовах більш глибокої очистки, використовують моделі кінетики окислення з реакціями першого і навіть більш високих порядків . З використанням цих моделей в дисертації сформульована математична модель для доочистки стічних вод в аеротенку-змішувачі в умовах рециркуляції і на її основі одержані залежності для визначення концентрацій і для реакції першого порядку , які використовується при подальшому аналізі. При виконанні цих розрахунків приймається, що загальна концентрація неочищених забруднень на вході в 3-й реактор складає , а на виході із нього . Для зручності використання цих залежностей для різних вихідних даних побудовані розрахункові графіки, два з яких, в якості прикладу, наведені на рис.6.

Аналіз цих графіків показує, що при мг/л і у 3-му реакторі можна досягти окислення відносно легкоокислюваних органічних забруднень до концентрації на виході мг/л при часі перебування стічних вод у реакторі годин. При наявності в стічній воді важкоокислюваних речовин, для видалення яких, як відомо, доцільно використувати інші технології очищення, концентрація органічних речовин на виході з 3-го реактора буде трохи більше, про що свідчать одержані дослідні значення вихідних концентрацій .

Рис. 6 Залежність ефективності очищення від вихідної концентрації при , год-1 і 1- л/, ,г/л; 2- , ,; 3- , ,; 4- , ,;

9- , ,; 10- , ,;

11- , ,; 12- , ,

В даному розділі також проведена оцінка впливу різних факторів на процес очищення стічних вод, зокрема температури і pH, які в моделях і методах розрахунку враховуються при обґрунтуванні і вибору поправочних коефіцієнтів, приводяться основні положення і рекомендації з реалізації запропонованої методики розрахунку технологічних і конструктивних характеристик окремих реакторів установки з урахуванням гідравліки рециркуляційних потоків і динаміки протікання в них процесів, що чергуються. Відзначені фактори і критерії, якими необхідно керуватись при виконанні цих розрахунків з врахуванням особливостей комплексної очистки на установці BIOTAL.

Зокрема треба мати на увазі, що технологія аерації потоку в реакторах при кисневих режимах як правило забезпечує процеси біоокислення необхідною кількістю кисню (більш 3 мг/л). Технологія очистки на установці BIOTAL, крім відомих двох стадій нітрифікації, допускає обмежитися проведенням тільки 1-ої стадії нітрифікації, тобто з переважним надходженням на денітрифікацію нітритів . При визначенні загальної кількості вилученої органічної речовини по БПКповн повинно бути враховане їх часткове видалення за рахунок використання легкоокислювальних форм на протікання процесів денітрифікації з урахуванням її проведення на вихідних нітратній, чи нітритній основах. У першому наближенні необхідна кількість органічних речовин, що визначається концентрацією , яка необхідна для проведення денітрифікації, з нітратами можна прийняти , де - вихідна концентрація амонійного азоту . При проведенні денітрифікації з нітритами кількість органічної речовини може бути зменшена в 1,5 рази.

Методика розрахунку параметрів біологічної очистки стічних вод від органічних забруднень у 1-му і 2-му реакторах відбувається по сорбційній моделі і полягає, в залежності від розв’язуваної задачі, в реалізації двох можливих її варіантів. У першому варіанті, при відомому (заданому) часі, очищення стічних вод від органічних забруднень , що визначається витратою Q, сумарним робочим об’ємом і параметром рециркуляції r, визначаються концентрації , і на виході з 2-го реактора. В другому варіанті при заданих на виході з 2-го реактора концентрацій у розчині і сорбованої на пластівцях мулу, але неокисленої органіки , тобто при , знаходимо необхідний час очищення . Для встановлення загального часу перебування стічних вод у 1-му і 2-му реакторах необхідно до раніше знайденого часу додати час, необхідний для проведення процесу денітрифікації. З огляду на те, що робочі об’єми обох реакторів установки приймаються як правило однаковими , час перебування в них стічних вод буде приблизно рівним. Знаючи час, необхідний для проходження кожної стадії очистки, з урахуванням технологічних особливостей і виробничого досвіду, призначається час кожного циклу і їх чергування в умовах комплексної очистки.

Час перебування стічних вод у 3-му реакторі лімітується часом, необхідним для проведення нітрифікації. Тому при розрахунках доочищення стічних вод, що надійшли з 2-го в 3-й реактор, як розрахунковий час приймається час нітрифікації, і розрахунок у цьому випадку буде полягати у визначенні вихідної концентрації очищеної за цей час стічної води. Розрахунок виконується по приведеним рекомендаціям з використанням лінійної моделі кінетики окислення. Як було зазначено вище, стічні води містять у собі також деяку кількість важко окислюваних речовин концентрацією , тобто загальна концентрація на виході з 3-го реактора буде . У цьому випадку, при необхідності проведення більш глибокого очищення, передбачається додаткова обробка стічних вод.

На підставі проведеного аналізу літературних джерел і проведених досліджень на установах BIOTAL рекомендовані значення вихідних параметрів і коефіцієнтів, які пропонуються приймати при розрахунках параметрів очистки господарсько-побутових стічних вод від амонійного азоту і забруднень органічного походження.

У п’ятому розділі приведено опис експериментальної установки для очистки стічних вод на установці BIOTAL, методики проведення й обробки результатів дослідів очистки господарсько-побутових стічних вод. На основі отриманих експериментальних даних проведена апробація розрахункових рекомендацій. Приведені порівняльні результати і їх аналіз свідчить про те, що в умовах достатності забезпечення процесу очистки киснем рекомендованої моделі, розрахункові залежності, з достатньою для практичних цілей адекватністю, описують процеси біологічної очистки стічних вод у реакторах установки ВІОТАL. Зокрема виконаний порівняний аналіз показав, що для рекомендованих значень вихідних параметрів розбіжність між розрахунковими і дослідними значеннями концентрацій і на виході із 3-го реактора не перевищує 10%. Установки малої продуктивності типу ВІОТАL почали широко впроваджуватись із середини 1999 р. На кінець 2003р. успішно працюють близько 600 установок переважно на Україні, в Російській Федерації, Республіці Бєларусь і Чеській Республіці. В даному розділі приведені приклади впровадження установок ВІОТАL на конкретних об’єктах очистки (АЗС „Лукойл”, м. Житомир; школи-гімназії с. Слобода - Романівскька Житомирської області, готелю ЗАТ „Коктебель” АР Крим; виробничної бази магістральних електромереж м. Житомир).

На основі техніко-економічного обґрунтування доведена доцільність використання установок ВІОТАL у локальних системах очистки стічних вод. При цьому в дисертації показані особливості технології і переваги в експлуатації при впровадженні установок ВІОТАL в порівнянні з існуючими УМП.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. В результаті виконаного аналізу роботи установок очистки малих об’ємів стічних вод встановлено, що існуючі технології й установки не досить ефективні, не завжди забезпечують необхідну ступінь і надійність роботи.

2. Виконано наукове обґрунтування комплексної біологічної очистки малих об’ємів стічних вод на установках BIOTAL, показана їх надійність, ефективність і зручність експлуатації при різних режимах роботи при умові забезпечення високої якості очищення.

3. При розробці технології BIOTAL враховані переваги двох способів обробки стічних вод: континуального і дисконтинуального. Установка, що складається з трьох послідовно з’єднаних між собою реакторів і відстійника, працює в умовах активної аерації, перетікання і рециркуляції багатокомпонентного субстрату й активного мулу. Продуктивність установки від 1 до 20 м3/добу і призначена для очистки господарсько-побутових стічних вод, а також стічних вод автозаправних станцій.

4. Вивчені процеси і механізми їх взаємодій в умовах одночасного в одних і тих самих реакторах, а також в одномуловій системі, проведення різних видів і стадій біологічної очистки від органічних забруднень, сполук азоту і фосфору, що дозволили сформулювати основні положення і фізичні передумові, необхідні для обґрунтування математичних моделей, стосовно очистки малих об’ємів стічних вод.

5. Побудовані математичні моделі видалення органічних речовин і сполук азоту біологічними методами в реакторах малих об’ємів (аеротенках-змішувачах). Стосовно УМП BIOTAL видалення органічних речовин розглянуто для грубої очистки, яка проходить за сорбційною моделлю, і глибокої очистки, яка проходять на основі кінетичної реакції окислювання першого і більш високих порядків. При розробці кінетичної моделі нітрифікації враховані кисневий режим, вік активного мулу і інгібірующий вплив різних факторів, а в кінетичній моделі денітрифікації враховане споживання органічних речовин, які використовуються як джерело органічного кисню, і інгібірування процесу розчиненим киснем і продуктами метаболізму. Забезпечення процесів нітрифікації і видалення органічних забруднень необхідною кількістю кисню здійснюється на основі реалізації математичної моделі, що описує матеріальний баланс кисню системі.

6. Розроблено інженерну методику розрахунку технологічних і конструктивних параметрів очистки, приведені основні положення і рекомендації з реалізації цієї методики для різних умов і стадій комплексної очистки стічних вод від органічних речовин і азоту, зокрема, циклічної роботи реакторів у різних режимах і активній гідравліці перетоку між ними. Оцінено вплив різних інгибіруючих і лімітуючих факторів на процеси нітрифікації і біоокислення органічних речовин, а також вплив температури на протікання цих процесів.

7. З використанням результатів проведених лабораторних і виробничих досліджень, обґрунтованих пропозицій для вибору вихідних констант і коефіцієнтів виконана апробація запропонованих методів розрахунку, що дозволяє зробити висновок про їх достатню надійність і достовірність.

8. Здійснене широке впровадження малогабаритних установок BIOTAL продуктивністю від 1 до 20 м3/добу в різних країнах, переважно на Україні та у Російській Федерації; організовано їх серійне виробництво. Приводяться приклади цих установок з описом особливості конструкції виконання будівельних робіт і експлуатації при різних режимах роботи. Наведені техніко-екологічне обґрунтування пропонованій технології очистки стічних вод в умовах автономно розміщених об’єктів комунального призначення.

9. Таким чином, розроблена малогабаритна установка BIOTAL і запропоноване обґрунтування технологічних і конструктивних параметрів моделі і методи розрахунку, дозволяють забезпечити надійну й ефективну її роботу в умовах