КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

ПОЛІЩУК ОЛЕКСАНДР ВАЛЕРІЙОВИЧ

УДК 628.356.3

ДЕНІТРИФІКАЦІЯ МІСЬКИХ СТІЧНИХ ВОД В КОРИДОРНИХ АЕРОТЕНКАХ

Спеціальність 05.23.04. – Водопостачання, каналізація

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2007

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий керівник: ВАСИЛЕНКО ОЛЕКСІЙ АНАТОЛІЙОВИЧ

кандидат технічних наук, професор кафедри гідравліки та водовідведення 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).

СТОРЧАК ВАЛЕНТИНА АНДРІЇВНА

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник, доцент кафедри водогосподарських систем Державного інституту управління та економіки водних ресурсів Держводгоспу України.

Захист відбудеться 24.10. 2007р. 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.

Автореферат розісланий 22.09. 2007р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, д.т.н., професор Кравчук А.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Охорона водних ресурсів від забруднень є одним з першочергових завдань з екологічної безпеки не тільки в Україні, але й в багатьох інших країнах світу. Міські очисні споруди, в яких біологічне очищення стічних вод здійснюється за традиційною схемою аеротенк-вторинний відстійник, що має місце на переважній більшості очисних споруд України, не забезпечують доведення якості очистки стічних вод до вимог їх скиду у водойми рибогосподарського призначення за концентраціями різних форм азоту.

Підвищені концентрації біогенних елементів у очищених стічних водах, потрапляючи у водне джерело, призводять до евтрофікації останнього. Бурхливий розвиток водоростей у водоймі стає причиною вторинного забруднення води, підвищення кольоровості, зниження концентрації розчиненого кисню та погіршення органолептичних показників, що надзвичайно ускладнює її використання для водопостачання населених місць та промислових підприємств.

На діючих міських очисних спорудах вирішення вказаної проблеми можливе за рахунок застосування технології біологічної нітри-денітрифікації в процесі очистки міських стічних вод в коридорних аеротенках.

Одним із стримуючих факторів запровадження цієї технології в діючі коридорні аеротенки на вітчизняних очисних спорудах є відсутність науково обґрунтованих методів визначення параметрів такої технології регламентованих нормативними документами. Це перш за все стосується технології денітрифікації. Тому розробка та наукове обґрунтування методу денітрифікації міських стічних вод в коридорних аеротенках, а також створення технологічної схеми роботи коридорного аеротенка, яка б забезпечила комплексність очищення стічних вод від біогенних елементів та органічних речовин, була б надійною в експлуатації, простою в обслуговуванні та мала б мінімальні експлуатаційні витрати є актуальним.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконувалась в рамках державної програми „Про концепцію розвитку водного господарства України” і тісно пов’язана з планами держбюджетної тематики Київського національного університету будівництва і архітектури на замовлення Міністерства освіти і науки України (№ держреєстрації 0196U016057).

Мета і задачі досліджень.

Мета дисертаційної роботи полягає в науковому обґрунтуванні і розробці методу розрахунку технологічних параметрів денітрифікації при очищенні міських стічних вод від сполук азоту в коридорних аеротенках.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

– провести аналіз літературних джерел щодо існуючих методів і технологічних схем видалення сполук азоту зі стічних вод з визначенням впливових факторів на процес денітрифікації;

– на підставі аналізу механізму процесу денітрифікації побудувати більш досконалу математичну модель вказаного процесу з урахуванням лімітуючих та інгібуючих процес факторів та речовин і реалізувати її чисельними і аналітичними методами;

– запропонувати технологічну схему біологічного видалення зі стічних вод біогенних елементів в коридорних аеротенках з врахуванням результатів досліджень;

– розробити та науково обґрунтувати гідравлічний спосіб перемішування мулової суміші в аноксидних та анаеробних зонах коридорного аеротенку, працюючого в режимі біологічного очищення стічних вод від біогенних елементів;

– провести апробацію результатів теоретичних досліджень процесу денітрифікації із використанням експериментальних даних різних авторів;

– на основі наукового аналізу, теоретичних та експериментальних досліджень розробити інженерну методику розрахунку технологічних та конструктивних параметрів денітрифікатору і запропонованої технологічної схеми в цілому.

Об’єкт досліджень – очищення міських стічних вод, які забруднені сполуками азоту.

Предмет досліджень – процес біологічної денітрифікації.

Методи досліджень – математичне моделювання процесу денітрифікації; використання чисельних і аналітичних методів вирішення окремих задач; проведення експериментальних досліджень в промислових умовах з метою перевірки працездатності запропонованої технологічної схеми.

Наукова новизна одержаних результатів:

? досліджено та науково обґрунтовано фізичну модель процесу денітрифікації в умовах комплексної біологічної очистки стічних вод від біогенних елементів в коридорних аеротенках;

? розроблена більш загальна математична модель процесу денітрифікації з урахуванням впливу на нього різних чинників, зокрема БСК5, N-NO-3, О2, P-PO-3;

? на основі реалізації запропонованої математичної моделі чисельними та аналітичними методами отримані залежності для визначення технологічних параметрів процесу денітрифікації міських стічних вод в коридорних аеротенках та розроблено метод біологічного видалення з міських стічних вод сполук азоту.

Практичне значення одержаних результатів.

Розроблено інженерну методику розрахунку технологічних та конструктивних параметрів очистки стічних вод в денітрифікаторі та у запропонованій технологічній схемі в цілому, наведені основні положення та рекомендації, в тому числі по вибору вихідних констант та коефіцієнтів для міських стічних вод, проведена апробація одержаних результатів у виробничих і лабораторних умовах.

Розроблену методику інженерного розрахунку можна використовувати як при проектуванні нових коридорних аеротенків, так і при реконструкції діючих аеротенків під вказану технологію. Запропоновані розрахункові рекомендації дозволяють без проведення додаткових експериментів визначити необхідні технологічні та конструктивні характеристики надійної роботи споруди.

Результати дисертації впроваджені на очисних спорудах Одеського припортового заводу. Використання технології біологічного видалення зі стічних вод біогенних елементів дозволило довести якість очистки на вказаних очисних спорудах до вимог скиду стічних вод у рибогосподарські водойми (за амонійним азотом до ~0,42 мг/л; за нітратним азотом до ~9,0мг/л; за фосфором фосфатів до ~1,2мг/л).

Особистий внесок здобувача.

Наукові результати, що викладені в дисертаційній роботі отримані особисто здобувачем на основі аналізу основ процесу денітрифікації та існуючих моделей і методів розрахунку цього процесу, а також аналізу технологічних схем біологічного очищення міських стічних вод від біогенних елементів. Автору належить обґрунтування математичної моделі процесу денітрифікації в умовах комплексного очищення міських стічних вод від сполук азоту в коридорних аеротенках, на основі реалізації якої отримані залежності для визначення параметрів очищення стічних вод у денітрифікаторі. Створена нова більш ефективна технологічна схема видалення зі стічних вод біогенних елементів в коридорних аеротенках. Здійснене порівняння запропонованого в даній роботі гідравлічного способу перемішування мулової суміші в безкисневих зонах біологічної очистки стічних вод в аеротенках з традиційним способом перемішування механічними мішалками. Розроблені наукові рекомендації щодо впровадження запропонованої технологічної схеми на очисних спорудах Одеського припортового заводу.

Апробація роботи.

Основні результати і окремі розділи дисертації доповідалися на науково-практичних конференціях Київського національного університету будівництва та архітектури (м. Київ, 2004–2007рр.), на науково-практичних конференціях Полтавського національного технічного університету ім. Ю. Кондратюка (м. Полтава, 2004-2006рр), на міжнародній науково-практичній конференції “Вода-2005. Современные проблемы водоснабжения и водоотведения” (м. Одеса, 2005р.), на науково-практичних конференціях Харківського державного технічного університету будівництва і архітектури (м. Харків, 2004, 2006, 2007 роки), на міжнародному конгресі „ЕТЕВК-2007” (м. Ялта, 2007 рік).

Публікації.

За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 10 друкованих робіт, в тому числі 7 у фахових виданнях ВАК, в тому числі 3 без співавторів.

Обсяг роботи.

Дисертація складається зі вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку використаної літератури зі 149 найменувань і 1 додатку. Робота викладена на 168 сторінках, рисунків – 61, таблиць – 14.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі наводиться обґрунтування актуальності даної роботи, сформульовано мету та задачі досліджень, викладена їх наукова та практична цінність.

У першому розділі виконано аналітичний огляд різних методів видалення зі стічних вод сполук азоту. Показано, що найефективнішим методом очищення стічних вод від сполук азоту є біологічна нітри-денітрифікація. Цей метод набув досить широкого розповсюдження за кордоном. В Україні на технологію нітри-денітрифікації почали звертати належну увагу лише в останні роки, зокрема, вже відомі запровадження вказаної технології на ряді міських очисних споруд України.

Аналіз робіт Олійника О.Я., Таварткіладзе І.М., Кулікова М.І., Епояна С.М., Гіроля М.М., Василенка О.А., Сорокіної Н.В., Бондарева А.О., Яковлева С.В., Карюхіної Т.А., Мішукова Б.Г., Соловйової О.О., Henze M., Harremoёs P., Guijer W., Grady C. P. L. та ін. дозволив виявити основні властивості процесу денітрифікації та особливості протікання цього процесу при очищенні стічних вод на міських очисних спорудах.

Здійснений аналіз існуючих технологічних схем комплексного очищення стічних вод від сполук азоту в коридорних аеротенках, висвітлені їх переваги та недоліки та виявлена необхідність у створенні більш досконалої технологічної схеми, яка б забезпечувала високий ступінь комплексної біологічної очистки та мала б порівняно низькі капітальні та експлуатаційні витрати.

Проведений аналітичний огляд існуючих моделей та методів визначення параметрів процесу денітрифікації.

Аналіз робіт різних авторів (Яковлев С.В., Карюхина Т.А., Олійник О.Я., Хенце (Henze), Армоес (Harremoёs), Г’юер (Guijer), Греді (Grady) та інших) дозволяє стверджувати, що кінетика денітрифікації (відновлення нітритів і нітратів до газоподібного стану за рахунок дії денітрифікуючих мікроорганізмів) в загальному випадку підкоряється законам ферментативних реакцій (рівняння Міхаеліса-Ментен). Однак існуючі методи визначення параметрів денітрифікації в багатьох випадках спираються на емпіричні залежності, через що вони є не досить надійними для широкого використання. Відомі також методи визначення параметрів денітрифікаторів, які стосуються лише наступної денітрифікації, тобто можуть використовуватись тільки для розрахунку денітрифікатору, який розташований після нітрифікатору, що є неефективним та неекономічним (оскільки для досягнення необхідного ефекту очищення необхідно додавати додаткове джерело вуглецю (наприклад, метанол)). Тобто на теперішній час відсутні надійні методи визначення параметрів денітрифікаторів міських стічних вод (при розташуванні денітрифікатору перед нітрифікатором).

На основі аналізу літературних джерел сформульовані задачі та напрямки досліджень.

У другому розділі наведена математична модель процесу денітрифікації та здійснена її реалізація.

Процес очищення стічних вод в аноксидних умовах (мають місце, коли у муловій суміші присутні нітрати та нітрити, а концентрація розчиненого кисню менше 0,5 мг/л) у реакторі, що працює у режимі змішування, описується математичною моделлю, яка в стаціонарних умовах складається з наступної системи рівнянь матеріального балансу маси речовини в реакторі:

(1)

(2)

(3)

де,

(4)

(5)

(6)

(7)

де, - відповідно концентрації нітратного азоту на вході в денітрифікатор та на його виході, мг/л; - відповідно концентрації БСК5 на вході в денітрифікатор та на його виході; - концентрація денітрифікуючих мікроорганізмів на вході в денітрифікатор та на його виході, мг/л (концентрація денітрифікуючих мікроорганізмов становить ~30% від концентрації гетеротрофної біомаси ()); , - відповідно швидкість реакції денітрифікації та швидкість реакції окислення органічних речовин зв’язаним киснем нітратів, ; , - відповідно швидкість росту та відмирання денітрифікуючих мікроорганізмів, год-1; – необхідний час перебування стічних вод в реакторі, год; – економічний коефіцієнт виходу гетеротрофної біомаси; – максимальна швидкість росту денітрифікуючих мікроорганізмів, год-1; , , та – константи насичення відповідно за азотом нітратів, готовим біорозкладаємим субстратом (БСК5), киснем та фосфором фосфатів, мг/л; – концентрація розчиненого кисню, мг/л; – концентрація фосфору фосфатів на виході з денітрифікатору, мг/л.

Рівняння (1), (2) та (3) являють собою відповідно матеріальні баланси в реакторі нітратного азоту, БСК5 та денітрифікуючих мікроорганізмів.

Аналіз коефіцієнтів та констант, які входять в рівняння (6), показав, що для спрощення розв’язку наведеної системи рівнянь вплив кисню та фосфору фосфатів можна врахувати загальним коефіцієнтом К0. Числове значення цього коефіцієнту для розрахунку технології біологічного видалення сполук азоту при її впровадженні на міських очисних спорудах, згідно проведеного аналізу рекомендується приймати в межах 0,4–0,6.

Отримані розв’язки математичної моделі денітрифікації при різних початкових концентраціях нітратного азоту та забруднень за БСК5. При цьому розглянуті чотири найбільш характерні випадки.

1. В першому випадку вважається, що в муловій суміші міститься достатня кількість органічної речовини та нітратного азоту. Тоді процес росту денітрифікуючих мікроорганізмів протікає із максимально можливою швидкістю, тобто ;

2. Другий випадок характерний при достатньо високій концентрації нітратного азоту, тобто при N>>KN та обмеженій концентрації органіки. В цьому випадку рівняння швидкості росту денітрифікуючих мікроорганізмів (6) прийме вигляд рівняння Моно відносно органічних речовин - ;

3. Третій випадок має місце при достатньо високій концентрації органічних речовин, тобто при L>>KLN, та обмеженій концентрації нітратного азоту. В цьому випадку рівняння швидкості росту денітрифікуючих мікроорганізмів (6) прийме також вигляд рівняння Моно, але відносно нітратного азоту - ;

4. Четвертий випадок має місце при обмежених концентраціях і органічних речовин і нітратного азоту. В цьому випадку рівняння швидкості росту денітрифікуючих мікроорганізмів (6) прийме такий вигляд:

(8)

Четвертий випадок є загальним і найбільш характерним в процесі очищення стічних вод на міських очисних спорудах України.

В рамках математичної моделі з рівнянь (1), (2), (3), (4), (5), (8) при граничній умові можна отримати такі вирази для визначення , та :

(9)

(10)

(11)

де, ; ;

; ; ; ; , , , , , , , , , .

Результати розрахунків концентрацій нітратного азоту на виході з денітрифікатора для загального випадку (формула (9)) при різних вихідних даних, характерних при очищенні міських стічних вод ( = 1 г/л (=3г/л)), приведені на рис. 1 та 2. Коефіцієнти та константи були прийняті відповідно до літературних джерел для побутових стічних вод: = 1,5 діб-1; = 0,62 діб-1; = 0,67; = 20 мг/л, = 0,5 мг/л, =0,4.

Аналіз графіків приведених на рис.1 показує, що для ефективного протікання денітрифікації співвідношення органічного субстрату (БСК5) до нітратного азоту на вході у денітрифікатор повинно складати не менше 5. При співвідношенні L0/N20 більше десь 10 процес нітрат-редукції для всіх значень практично не лімітується органічними речовинами.

З графіків (рис. 2) видно, що концентрація нітратного азоту на вході у денітрифікатор суттєво не впливає на процес денітрифікації. Це пояснюється невеликою величиною константи напівнасичення за нітратним азотом (=0,5 мг/л) у порівнянні з концентраціями нітратного азоту на вході в денітрифікатор та на його виході . Для інженерних розрахунків, при значеннях більше 15мг/л, впливом нітратного азоту на необхідний час очищення стічних вод у денітрифікаторі можна знехтувати.

У третьому розділі здійснена розробка технологічної схеми комплексного видалення зі стічних вод біогенних елементів в коридорних аеротенках.

На підставі аналізу існуючих схем біологічного видалення зі стічних вод біогенних елементів була розроблена більш досконала схема (рис.3), яка включила в себе переваги існуючих схем.

Процес очистки за цією схемою полягає у послідовному проходженні мулової суміші першої аноксидної, анаеробної, другої аноксидної та аеробної зон. Так, в першій аноксидній зоні, куди надходить зворотній активний мул та 100% вихідних стічних вод, в умовах відсутності розчиненого кисню переважно відбувається процес денітрифікації нітратів та нітритів, що містяться у циркулюючому активному мулі.

Рис. 3. Технологічна схема комплексного видалення зі стічних вод біогенних елементів: 1 – перша аноксидна зона; 2 – анаеробна зона; 3 – друга аноксидна зона; 4 – аеробна зона; 5 – вторинний відстійник

В наступній, анаеробній зоні, відбувається вивільнення фосфору у водне середовище з мулу без інгібуючого впливу нітратів і нітритів, оскільки останні були відновлені у попередній зоні. Перша аноксидна та анаеробна зони об’єднані в аноксидно-анаеробний реактор. В другій аноксидній зоні (сюди ж направлений рецикл нітрифікованої суміші з кінця аеробної зони) протікає денітрифікація та надлишкове поглинання фосфору з водного середовища активним мулом (тобто, поглинання мікроорганізмами більшої кількості фосфору, ніж вони виділили в попередній анаеробній зоні). В завершуючій процес очищення, аеробній зоні відбувається більш інтенсивне поглинання фосфору активним мулом, видалення органічних речовин, а також протікає процес нітрифікації.

Крім забезпечення високого ефекту очистки від сполук азоту та фосфору в процесі біологічної очистки стічних вод в коридорних аеротенках, працюючих за запропонованою технологічною схемою, відбувається зменшення приросту активного мулу, яке пояснюється тим, що при переході денітрифікуючих мікроорганізмів на менш вигідний, у порівнянні з киснем, акцептор електронів – нітрат, відбувається скорочення енергії, що направляється на приріст.

Забезпечення киснем аеробних зон здійснюється за допомогою пневматичної, механічної, струминної аерації або їх поєднанні. При запровадженні технології в діючих аеротенках проблема забезпечення киснем відповідних зон суттєво спрощується, оскільки для цього використовують існуючу систему аерації.

Внутрішню рециркуляцію мулової суміші доцільно здійснювати за допомогою рециркуляційних насосів. Використання ерліфтів для рециркуляції мулової суміші у аноксидні або анаеробні зони неприпустиме, оскільки в процесі перекачування мулова суміш насичується киснем, і при потраплянні такої суміші у вказані зони відбувається підвищення концентрації розчиненого кисню і, як наслідок, порушується технологічний процес.

Перемішування мулової суміші у безкисневих умовах (аноксидна та анаеробна зона) доцільно здійснювати механічною системою перемішування за допомогою мішалок або гідравлічною системою перемішування затопленими ізотермічними струменями.

У четвертому розділі виконується перевірка працездатності запропонованої технологічної схеми у натурних умовах. Крім того, в цьому розділі виконана апробація побудованої моделі та отриманих при її розв’язку теоретичних залежностей по визначенню динаміки денітрифікації із залученням даних досліджень різних авторів.

Проведення натурних досліджень здійснювалось на очисних спорудах Одеського припортового заводу (ОПЗ), на якому була впроваджена запропонована технологічна схема біологічного очищення стічних вод від біогенних елементів (рис. 3).

Натурні дослідження проводились на одній лінії комплексу біологічної очистки, яка складалась з одного аноксидно-анаеробного реактора (цей реактор був реалізований у ємкості первинного радіального відстійника діаметром 24м), переобладнаного трикоридорного аеротенку та вторинного відстійника.

Об’єм анаксидно-анаеробного реактора складає 1400 м3. Об’єм вторинного радіального відстійника діаметром 24 м також складає 1400 м3. Ширина коридорів „за осями перегородок” переобладнаного аеротенку – 6,0 м, робоча глибина – 4,4 м, довжина – 48,0 м. Об’єм одного коридору переобладнаного трикоридорного аеротенку 1267,2 м3, однієї секції – 3801,6 м3. Добова витрата стічних вод, що надходить на одну лінію комплексу біологічної очистки складає 6000 м3/доба, розрахункова годинна – 400 м3/год. Витрати циркулюючого активного мулу та внутрішньої рециркуляції складають відповідно 75% та 187,5% від кількості стічних вод, що надходять на очищення, тобто відповідно 300 м3/год та 750 м3/год.

За технологічною схемою однієї лінії комплексу біологічної очистки циркулюючий активний мул направляється в розподільчу чашу, де він змішується з вихідною стічною водою (яка пройшла механічне очищення на мілкочарункових решітках грабельного типу та пісковловлювачах). Муловодяна суміш надходить в аноксидно-анаеробний реактор. Останній функціонує на базі первинного радіального відстійника діаметром 24м. Первинне відстоювання було запропоновано виключити з технологічної схеми очищення стічних вод.

Виведення первинного відстоювання із системи механічної очистки сприяло збільшенню концентрації колоїдних і завислих речовин в стічних водах і відповідно, органіки, необхідної для утворення ЛЖК в аноксидно-анаеробному реакторі. З аноксидно-анаеробного реактора мулова суміш потрапляє в перший коридор аеротенку. Сюди ж направлена внутрішня рециркуляція нітратвміщуючої мулової суміші з кінця третього коридору. Перший коридор представляє собою другу аноксидну зону (система аерації відсутня). В умовах відсутності розчиненого кисню в першому коридорі аеротенку протікає процес денітрифікації.

Далі мулова суміш проходить послідовно другий та третій коридори аеротенку, які є аеробною зоною (нітрифікатором). В цих коридорах, в аеробних умовах, протікає процес нітрифікації, окислення залишкових вуглецьвміщуючих речовин. В цих же коридорах відбувається процес видалення фосфатів за рахунок накопичення їх в клітинах бактеріальної маси активного мулу при переході неорганічних фосфатів у енергетичні поліфосфати. В умовах запропонованої схеми і комплексу споруд біологічного видалення зі стічних вод азоту та фосфору, надлишкова біомаса активного мулу видаляється з вторинних радіальних відстійників та направляється на аеробну стабілізацію.

Для запобігання осадження мулової суміші в аноксидних та анаеробних зонах запропонованої технологічної схеми були встановлені мішалки фірми Flygt. Аеробні умови в другому та третьому коридорах створювались за рахунок дрібнобульбашкових аераторів фірми Екополімер (другий коридор) та струминних аераторів типу Celpox (фірми Celpateknik) (третій коридор).

Результати натурних досліджень представлені на рис. 4.

Середні концентрації основних забруднень на виході з вторинного відстійника, як видно з рис. 4, були нижчими за відповідними значеннями ГДК при скиді очищених стічних вод у рибогосподарські водоймища (ГДК для та становлять відповідно 9,1 мг/л та 0,4 мг/л). Отже, можна стверджувати, що запропонована технологічна схема гарантує стабільну якість очищеної стічної рідини на рівні вимог скидання її у водойми рибогосподарського призначення.

Результати співставлення даних лабораторних досліджень, що були проведені іспанськими вченими A. De Lucas, L. Rodrigez, J. Villasenor, F.J. Fernandez та отриманих на основі розв’язку рівняння (9) представлені на рис. 5.

Отже, отримані аналітичні залежності є досить достовірними та надійними і їх можна брати за основу для створення інженерної методики розрахунку денітрифікатора.

У п’ятому розділі на основі реалізації запропонованої математичної моделі розроблена інженерна методика розрахунку основних технологічних параметрів денітрифікатору, алгоритм якої наведений на рис. 6.

Також була розроблена інженерна методика розрахунку конструктивних та технологічних параметрів споруд, які працюють за запропонованою технологічною схемою біологічного видалення зі стічних вод сполук азоту.

Рис. 6. Алгоритм інженерного розрахунку технологічних параметрів процесу денітрифікації

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. На підставі аналізу літературних джерел встановлено, що найефективнішим при очищенні міських стічних вод від сполук азоту є метод біологічної нітри-денітрифікації. Переважна більшість міських очисних споруд України працює за традиційною схемою біологічного очищення (аеротенк-вторинний відстійник) і не забезпечує якість очищення стічних вод за біогенними елементами до вимог скиду їх у водоймища рибогосподарського призначення.

2. Встановлено, що в даний час відсутні науково обґрунтовані методи визначення параметрів денітрифікаторів (аноксидних зон) технологій нітри-денітрифікації, що є однією зі стримуючих причин запровадження вказаних технологій на очисних спорудах України;

3. Побудована математична модель процесу денітрифікації для коридорних аеротенків, працюючих в режимі змішування. На основі реалізації зазначеної моделі за допомогою аналітичних та чисельних методів для різних випадків з врахуванням обмежень по нітратному азоту та органічним речовинам, які можуть мати місце на міських очисних спорудах, отримані залежності для визначення концентрацій нітратного азоту, забруднень за БСК на виході з денітрифікатору, а також залежності для визначення часу перебування стічних вод у вказаному реакторі.

4. Встановлено, що для ефективного протікання денітрифікації в аноксидних зонах коридорних аеротенків співвідношення L0/N20 повинно складати не менше 5. При співвідношенні L0/N20 > 10 процес денітрифікації практично не лімітується органічними речовинами. При значеннях > 15мг/л, впливом нітратного азоту на необхідний час очищення стічних вод у денітрифікаторі можна знехтувати.

5. Розроблено та науково обґрунтовано технологічну схему біологічного видалення зі стічних вод біогенних елементів. На підставі проведених теоретичних та натурних досліджень встановлено, що очищення стічних вод в коридорних аеротенках за запропонованою технологічною схемою у порівнянні з традиційним варіантом очищення, при однакових експлуатаційних затратах, характеризується доведенням якості очистки до рівня вимог скидання у водойми рибогосподарського призначення та меншим приростом мулу.

6. Проведена апробація отриманих аналітичних залежностей із використанням експериментальних даних різних дослідників, яка показала хороший збіг теоретичних та експериментальних результатів.

7. Отримані залежності для визначення величини внутрішньої рециркуляції з кінця нітрифікатора на початок денітрифікатора. Встановлено, що величина вказаної рециркуляції залежить від L0, , , .

8. При наявності внутрішньої рециркуляції в безкисневу зону, запропоновано гідравлічний спосіб перемішування за допомогою затоплених ізотермічних струменів. Встановлено, що даний спосіб є більш надійним та характеризується меншими капітальними затратами.

9. На підставі виконаних аналітичних і експериментальних досліджень розроблені рекомендації для інженерного розрахунку основних технологічних параметрів, які дозволяють більш надійно обґрунтувати технологічні і конструктивні параметри коридорних аеротенків, у яких реалізована розроблена технологічна схема.

10. Розроблена технологічна схема біологічного видалення зі стічних вод біогенних елементів впроваджена на очисних спорудах Одеського припортового заводу. В процесі експлуатації встановлено, що очисні споруди працюють надійно та забезпечують зниження концентрацій БСК5, N-NH+4, N-NO-3, P-PO-3 в середньому до, відповідно, 9,6мг/л, 0,42мг/л, 9,0мг/л, 1,2мг/л, що відповідає нормативам, встановленим при скиданні стічних вод у водойми рибогосподарського призначення.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Василенко О.А., Бондар В.О., Поліщук О.В. Обґрунтування переобладнання аеротенків Супрунівських очисних споруд м. Полтави для роботи у режимі нітри-денітрифікації // Галузеве машинобудування, будівництво. – Полтава: Полтавський національний технічний університет імені Ю. Кондратюка. – 2003. – Вип. 13. – С. 100-106.

Особистий внесок Поліщука О.В. полягає у розробці двох варіантів переобладнання аеротенків Супрунівських очисних споруд м. Полтави для роботи у режимі нітри-денітрифікації, а також у техніко-економічному порівнянні розроблених варіантів.

2. Василенко О.А., Поліщук О.В. Аналіз схем біологічної очистки стічних вод від сполук азоту та фосфору в аеротенках // Проблеми водопостачання, водовідведення та гідравліки. – К.:КНУБА. – 2005. – Вип.4. – С. 74-83.

Особистий внесок Поліщука О.В. полягає у проведенні аналізу існуючих схем біологічного видалення зі стічних вод сполук азоту та фосфору.

3. Василенко О.А., Поліщук О.В. Теоретичні передумови до створення математичної моделі технології денітрифікації // Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури. – 2005. – Вип.19. – С. 170-175.

Особистий внесок Поліщука О.В. полягає у розробці математичної моделі процесу денітрифікації в умовах комплексного очищення міських стічних вод від сполук азоту та у визначенні шляхів її вирішення.

4. Василенко О.А., Поліщук О.В. Гідравлічний спосіб перемішування мулової суміші в безкисневих зонах технології біологічного видалення азоту і фосфору із стічних вод // Науковий вісник будівництва. – Харків: ХДТУБА. ХОТВ АБУ. – 2006. – Вип.36. – С. 138-143.

Особистий внесок Поліщука О.В. полягає у порівнянні гідравлічного способу перемішування мулової суміші в безкисневих зонах біологічної очистки з традиційним способом перемішування механічними мішалками.

5. Поліщук О.В. Теоретичні передумови запровадження в діючих аеротенках процесу денітрифікації // Галузеве машинобудування, будівництво. – Полтава: Полтавський національний технічний університет імені Ю. Кондратюка. – 2006. – Вип. 18 – С. 197-201.

6. Олійник О.Я., Поліщук О.В., Калугін Ю.І. Математичне моделювання процесу денітрифікації у спорудах по типу коридорних аеротенків // Проблеми водопостачання, водовідведення та гідравліки. – К.:КНУБА. – 2007. – Вип.8. – С. 67-78.

Особистий внесок Поліщука О.В. полягає у вирішенні математичної моделі процесу денітрифікації для ряду випадків, а також у проведенні аналізу результатів чисельних розрахунків концентрацій нітратного азоту, органічних речовин та денітрифікуючих мікроорганізмів із використанням отриманих залежностей.

7. Поліщук О.В. Апробація розрахункових залежностей процесу денітрифікації у промислових умовах // Науковий вісник будівництва. – Харків: ХДТУБА. ХОТВ АБУ. – 2007. – Вип.41. – С. 230-233.

8. Василенко О.А., Поліщук О.В. Аналіз існуючих біохімічних технологій видалення азоту і фосфору із стічних вод // Збірка доповідей 65-ї науково-практичної конференції. – К.: КНУБА – 2004. – С. 56.

Особистий внесок Поліщука О.В. полягає у проведенні аналізу існуючих технологій біохімічного видалення зі стічних вод біогенних елементів.

9. Поліщук О.В. До вирішення математичної моделі технології денітрифікації // Тези доповідей наукової конференції молодих вчених, аспірантів і студентів КНУБА. – К.: КНУБА. – 2006. – С. 88-89.

10. Давиденко О.І., Василенко О.А., Поліщук О.В., Петрова І. Ю. Впровадження технології біологічної очистки стічних вод від з’єднань азоту та фосфору на очисних спорудах одеського припортового заводу // Збірка доповідей VІ міжнародного конгресу “ЕТЕВК-2007”. – Ялта. – 2007. – С. 182-185.

Особистий внесок Поліщука О.В. полягає у розробці наукових рекомендацій щодо впровадження технології нітри-денітрифікації на очисних спорудах Одеського припортового заводу.

АНОТАЦІЯ

Поліщук О.В. Денітрифікація міських стічних вод в коридорних аеротенках. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.04 – Водопостачання, каналізація. – Київський національний університет будівництва і архітектури. Київ, 2007.

Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної проблеми очищення міських стічних вод від сполук азоту в коридорних аеротенках.

Приведені результати теоретичних та експериментальних досліджень процесу денітрифікації міських стічних вод у коридорних аеротенках в процесі комплексного видалення зі стічних вод сполук азоту.

На базі отриманих результатів запропоновано більш досконалу технологічну схему комплексного очищення міських стічних вод від біогенних елементів у коридорних аеротенках. Побудовано та реалізовано математичну модель процесу денітрифікації. Отримано залежності для розрахунку коефіцієнту внутрішньої рециркуляції мулової суміші з кінця нітрифікатору на початок денітрифікатору. Проведено дослідження впливу різних чинників на процес денітрифікації.

Виконана апробація реалізованої моделі із використанням дослідних даних, що викладені в спеціальній науковій літературі. Здійснена апробація у промислових умовах запропонованої технологічної схеми біологічного видалення зі стічних вод біогенних елементів. Розроблена методика інженерного розрахунку технологічних параметрів процесу денітрифікації, а також коридорних аеротенків, які працюють за запропонованою технологічною схемою.

Ключові слова: біологічна очистка, стічна вода, коридорний аеротенк, активний мул, аноксидні умови, денітрифікація, математична модель.

АННОТАЦИЯ

Полищук А.В. Денитрификация городских сточных вод в коридорных аэротенках. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.04 – Водоснабжение, канализация. – Киевский национальный университет строительства и архитектуры. Киев, 2007.

В диссертации изучается процесс биологической денитрификации в условиях комплексной очистки сточных вод от биогенных элементов в коридорных аэротенках. Анализируются теоретические основы процесса денитрификации. Проводится критический анализ существующих математических моделей процесса денитрификации, а также инженерных методик расчета денитрификаторов. Осуществляется анализ существующих технологических схем комплексного удаления из сточных вод соединений азота.

На основании рассмотрения имеющихся инженерных методик расчета денитрификаторов установлено отсутствие надежных методов расчета указанных сооружений.

Из литературных источников установлено, что рост денитрифицирующих микроорганизмов подчиняется законам ферментативных реакций. В то же время существующие методики инженерного расчета денитрификаторов построены на зависимостях, полученных в основном эмпирическим путем. Было установлено, что процесс денитрификации в большей степени лимитируется нитратами и органическими соединениями и в меньшей степени – фосфором, а также ингибируется кислородом. На базе проведения анализа констант полунасыщения, которыми в уравнении кинетики Моно учитывается влияние указанных компонентов на процесс денитрификации было определено, что лимитирующее влияние на процесс фосфора и ингибирующее влияние кислорода можно учесть общим коэффициентом. На основании учета вышеприведенных факторов была сформулирована и реализована более совершенная математическая модель процесса денитрификации.

Проведены теоретические исследования влияния на процесс денитрификации концентраций нитратного азота и органических веществ. Показано, что на указанный процесс большое влияние оказывает соотношение концентрации органических веществ к нитратному азоту. Показано, что для эффективной денитрификации это соотношение на входе в денитрификатор должно быть не меньше 5 и при величине этого соотношения больше, чем 10 последнее вообще не оказывает влияния на процесс денитрификации.

Предложена более совершенная технологическая схема комплексного удаления из сточных вод биогенных элементов в коридорных аэротенках. Высокий уровень очистки сточных вод от биогенных элементов обеспечивается вследствие такой последовательности зон очистки и направленности рециркуляционных потоков, при которых создаются оптимальные условия для совместной жизнедеятельности нитрифицирующих, денитрифицирующих и фосфорудаляющих микроорганизмов. Кроме этого, в процессе биологической очистки сточных вод в работающих по предложенной технологической схеме коридорных аэротенках наблюдается некоторая, в сравнении с традиционной биологической очисткой в аэротенках, экономия электроэнергии на очистку (1%) и уменьшение прироста активного ила.

Проведена апробация реализованной математической модели с использованием изложенных в специальной литературе опытных данных. Также осуществлена апробация в промышленных условиях предложенной технологической схемы комплексного удаления из сточных вод биогенных элементов.

Получены зависимости для определения коэффициента внутренней рециркуляции нитратсодержащей иловой смеси из конца нитрификатора (аэробной зоны коридорного аэротенка) в начало денитрификатора.

Разработана методика инженерного расчета технологических параметров процесса денитрификации, а также коридорных аэротенков, которые работают по предложенной технологической схеме.

Сведения, приведенные в диссертационной работе, отражены в печатных работах автора.

Ключевые слова: биологическая очистка, коридорный аэротенк, активный ил, аноксидные условия, денитрификация, математическая модель.

RESUME

Polishchyk O.V. Denitrification of city wastewater in corridor aeration tank. - the Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of technical science on a specialty 05.23.04 - Water supply, sewerage. The Kiev national university of construction and architectures. Kiev, 2007.

Dissertational work is devoted to the decision of an actual problem of wastewater treatment from biogenic elements in corridor aeration tank.

In dissertational work are given the results of theoretical and experimental researches of denitrification during complex removal process of nitrogen connections in aeration tank.

On the basis of the received results is offered more perfect technological scheme of complex treatment of city wastewater from biogenic elements in corridor aeration tank. Constructed and realized mathematical model of denitrification process. The expressions for calculation of internal recirculation coefficient for mix water-sludge effluent from the end of nitrification volume to the beginning of denitrification zone are obtained. Research of influence of different factors on process denitrification is carried out.

The approbation of mathematical model with attraction of the experimental data which are stated in the special scientific literature is realized. Approbation of the offered technological scheme for complex wastewater treatment from biogenic elements was done in industrial conditions. The procedure of engineering calculation of technological parameters for denitrification process, and also for aeration tank, which work under the offered technological scheme, is developed.

Key words: biological treatment, corridor aeration tank, active sludge, anoxic conditions, denitrification, mathematical model.