- •Х38 Очистка сточных вод: Пер. с англ./ Хенце М., Армоэс П., Ля-Кур-Янсен Й., Арван Э. — М.: Мир, 2006. — 480 с., ил.
- •ISBN 5-03-003771-3
- •Очистка сточных вод
- •Предисловие научного редактора
- •Предисловие
- •Предисловие к третьему изданию
- •Список используемых обозначений
- •Сточные воды, их объем и состав
- •1.1. Объемы сточных вод
- •1.1.1. Измерения
- •1.1.2. Статистическая обработка
- •1.1.3. Оценочные данные
- •1.1.4. Популяционный эквивалент и нагрузка, создаваемая условным жителем
- •1.1.5. Прогнозирование
- •1.2. Компоненты сточных вод
- •1.2.1. Коммунальные и городские стоки
- •1.2.2. Разброс данных
- •Характеристика сточных вод и биомассы
- •2.1.1. Осаждаемые вещества
- •2.3. Азот
- •Основные биологические процессы
- •3.1.1. Организмы
- •3.2.1. Биологический рост
- •3.2.3. Распад биомассы
- •3.2.4. Накопление запасных веществ
- •3.3.2. Коэффициент прироста ила при аэробной гетеротрофной конверсии
- •3.3.3. Макроэлементы для аэробной гетеротрофной конверсии
- •3.3.4. Кинетические аспекты аэробной гетеротрофной конверсии
- •3.4. Нитрификация
- •3.4.1. Реакции нитрификации
- •3.4.3. Кинетические аспекты нитрификации
- •3.4.4. Влияние окружающей среды на нитрификацию
- •3.5. Денитрификация
- •3.5.1. Реакции денитрификации
- •$.5.2. Коэффициент прироста ила при денитрификации
- •3.5.3. Макроэлементы, необходимые для денитрификации
- •3.5.5. Кинетика денитрификации
- •3.5.6. Влияние окружающей среды на денитрификацию
- •3.6.1. Микроорганизмы
- •3.6.3. Коэффициент прироста биомассы в процессе биологического удаления фосфора
- •3.6.4. Щелочность
- •3.6.5. Кинетика биологического удаления фосфора
- •3.6.6. Влияние окружающей среды на биологическое удаление фосфора
- •3.7.1. Реакции при анаэробном брожении2
- •3.7.2. Рост биомассы и коэффициенты ее прироста при анаэробном брожении
- •3.7.3. Макроэлементы, необходимые для анаэробного брожения
- •3.7.5. Кинетика анаэробного брожения
- •3.7.6. Образование газообразных продуктов
- •3.7.7. Влияние окружающей среды на анаэробное брожение
- •4.3.1. Системы с рециркуляцией активного ила
- •4.3.2. Системы с совмещенным аэротенком и отстойником
- •4.3.3. Системы с контактной стабилизацией ила
- •4.3.6. Проектирование на основе объемной нагрузки
- •4.3.7. Проектирование на основе нагрузки на ил или возраста ила
- •Биофильтры
- •5.4. Двухкомпонентная диффузия
- •5.6.1. Биофильтры без рециркуляции
- •5.6.2. Биофильтры с рециркуляцией
- •5.8.1. Капельные фильтры
- •5.8.2. Погружные фильтры
- •5.9.1. Проектирование капельных фильтров
- •5.9.2. Проектирование реакторов с вращающимися дисками
- •5.9.3. Проектирования фильтров других типов
- •5.9.4. Проектирование биофильтров, предназначенных для удаления растворенных органических веществ
- •5.10. Технические условия работы биофильтров
- •5.10.1. Аэрация в биофильтрах
- •5.10.2. Рост и удаление биомассы
- •5.11. Удаление взвешенных органических веществ
- •Системы очистки с нитрификацией
- •6.1.1. Обособленные системы нитрификации
- •6.1.2. Совместное удаление органического вещества и аммония
- •6.2.4. Фильтры, содержащие только нитрифицирующий ил
- •6.2.5. Двухстадийные системы нитрификации на фильтрах
- •6.3.1. Системы нитрификации с активным илом
- •6.3.2. Оптимизация работы систем нитрификации
- •6.3.3. Проектирование биофильтров для нитрификации
- •Литература
- •Системы денитрификации
- •7.1.1. Обособленные системы денитрификации
- •7.2.3. Биофильтры для денитрификации
- •7.3.2. Кислород/перемешивание
- •7.3.3. Одновременная нитрификация/денитрификация
- •7.3.4. Газообразный азот в отстойниках и на биофильтрах
- •7.3.5. Потребление кислорода
- •7.3.7. Проектирование систем денитрификации с активным илом
- •7.3.8. Проектирование на основе моделирования
- •7.3.9. Проектирование биофильтров для денитрификации
- •7.4. Редокс-зоны в биомассе
- •Литература
- •Системы биологического удаления фосфора
- •8.1. Уравнения массового баланса при биологическом удалении фосфора в системах с активным илом
- •8.2. Типы систем для биологического удаления фосфора
- •8.3.2. Проектирование реакторов для биологического удаления фосфора
- •8.3.3. Оптимизация процесса биологического удаления фосфора
- •Литература
- •Гидролиз/ферментация и анаэробная очистка сточных вод
- •9.1. Гидролиз/ферментация
- •9.2. Анаэробная обработка сточных вод
- •9.2.1. Введение
- •9.2.2. Уравнения массового баланса при анаэробной обработке
- •9.3.3. Анаэробная очистка на фильтрах
- •9.4.1. Проектирование систем со взвешенной биомассой
- •9.4.2. Проектирование анаэробных фильтров
- •9.4.3. Образование газообразных соединений в анаэробном процессе
- •9.4.4. Оптимизация анаэробной очистки
- •9.4.5. Запуск анаэробных реакторов
- •9.4.6. Нарушения в работе анаэробных реакторов
- •Литература
- •Небиологические системы для удаления фосфора из сточных вод
- •10.1. Уравнения массового баланса для процессов удаления фосфора
- •10.2.1. Осаждение
- •10.2.2. Коагуляция
- •10.2.3. Флокуляция
- •10.2.4. Связывание фосфора в почве
- •10.3. Небиологические системы удаления фосфора
- •10.3.1. Осаждающие вещества
- •10.4. Проектирование установок для удаления фосфора
- •10.4.1. Химическое осаждение
- •10.4.2. Связывание фосфора в почве
- •10.5. Работа установок для удаления фосфора
- •Литература
- •Особенности моделей, их калибровка и применение
- •11.1. Прагматизм и теоретические модели
- •11.1.1. Инженерное мастерство
- •11.1.2. Научно обоснованный детерминистский подход
- •11.1.3. Структура моделей, переменные, параметры и движущие силы
- •11.2. Применение моделей
- •11.2.1. Инструмент планирования
- •11.2.2. Анализ процессов на действующих станциях
- •11.2.3. Проектирование новых станций
- •11.2.4. Контроль работы станций в реальном времени
- •11.2.5. Модели как инструменты исследования
- •11.2.6. Уровень агрегации
- •11.3. Калибровка модели и оценка параметров
- •11.3.1. Структура модели
- •11.3.2. Калибровка, верификация и оценка параметров
- •11.4. Проектирование станций очистки воды
- •11.4.1. Идентификация проблемы
- •11.5. Моделирование систем с биопленкой
- •11.6.3. Интерпретация результатов
- •11.7. Контроль в реальном времени
- •Предметный указатель
- •Оглавление
Если весь прирост ила покидает реактор вместе с обработанной водой, то ХПК взвешенного вещества, т. е. Ххпк.з 5равно:
Ххпк.з = FS P /Q I = (480 кг ХПК/сут)/(1200 м3/сут) = 0,4 кг ХПК/м3
Общая концентрация ХПК в обработанном стоке Схпк.з равна:
Схпк.з = SxnK,3 + Ххпк.з = 0,3 + 0,4 = 0,7 кг ХПК/м3.
9.4.2.Проектирование анаэробных фильтров
Воснове проектирования анаэробных фильтров может лежать:
- |
объемная нагрузка (выражение (9.8)), |
- |
нагрузка на ил (выражение (9.9)), |
-удельная скорость удаления вещества гх,м-
Проектирование необходимой площади поверхности анаэробного фильтра
Из уравнения массового баланса (9.6) можно найти площадь поверхности анаэробного фильтра.
Необходимая площадь подложки Аг* равна:
А2. = (QiCi - Q3C3)/(r x ,M •Х2. •La) |
(9.11) |
Зная удельную скорость удаления вещества гХ|м, концентрацию ила в биопленке Х2* и толщину биопленки L2 , можно легко найти необходимую площадь поверхности фильтра 2А*. Проблема только в том, что обычно мы не знаем ни 2Х*, ни 1 »2 .
Используем соотношение:
Х2* * L2 * — Х2 — У Х2* * L2 = X2/CJ
Тогда выражение (9.11) можно преобразовать:
А 2. =w . (Q1C1 - Q3C3)/(rx ,M •х2) |
(9.12) |
||
Для А2* = V2 |
•и получаем объем анаэробного фильтра: |
|
|
V 2 •и = и •(Q1C1 - Q3C3)/(rx ,M * Х 2) |
|
||
|
V 2 = (QiCx - |
Q3C3)/(rx>M •X 2) |
(9.13) |
Удельная поверхность фильтраи и концентрация ила Х2 |
могут |
||
быть найдены |
из табл. 9.4. |
Удельную скорость реакции можно |
|
оценить из табл. 9.7. В результате могут быть оценены и площадь поверхности, и объем фильтра.
Таблица 9.6. Удельная скорость удаления вещества в анаэробном ре акторе гх,м
|
Доминирующее |
|
Скорость удаления гх м. |
||||||||
|
|
кг ХПК(8 )/(кг ХПК(Б) •сут) |
|||||||||
|
в сточной воде |
|
|||||||||
органическое вещество |
|
15-25 °С |
30-35° С |
50-60° С |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Уксусная кислота |
|
|
|
0,7-1,5 |
2,5-5 |
3,5-7,5 |
|||||
Растворенные |
легко |
разлагаемые |
ве |
0,3-0,7 |
1,2-2,5 |
|
1,5-3 |
||||
щества |
|
|
|
|
|
0,05-0,15 |
0,25-0,5 |
0,5-1,0 |
|||
Взвешенные |
медленно |
разлагаемые |
|||||||||
вещества |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Количество |
органического |
вещества, удаляемого |
на |
фильтре, |
|||||||
(Q 1 C 1 -Q 3 C 3 ), можно аппроксимировать выражением Q i(C iSs,3),— |
|||||||||||
где Ss,3 ~ растворенное биологически |
разлагаемое |
органическое |
|||||||||
вещество на выходе, |
Ci — биологически |
разлагаемое органическое |
|||||||||
вещество |
на |
входе. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таким образом, взвешенное органическое вещество в обрабо |
|||||||||||
танном |
стоке |
Х2 |
понимается |
как |
прирост |
ила, |
что |
близко к |
|||
истине, особенно для таких реакторов, в которых не предусмотрено отдельное удаление избыточного ила.
Следовательно, выражение (9.13) можно переписать так: |
|
V 2 = Q i(C i - Ss,3 )/(rx,M *Х2 ) |
(9-14) |
Из рассмотренного примера видно, что площадь анаэробного фильтра не так уж и важна. Загрузка фильтра служит подложкой, на которой происходит рост ила (биомассы), и диффузионные огра ничения в биопленке вряд ли могут возникать. Что действительно является важным для функционирования анаэробного фильтра, так это общая концентрация ила на фильтре.
Пример 9.4. Спроектируйте анаэробный фильтр с неподвижной за грузкой для обработки сточной воды из примеров 9.2 и 9.3. Концен трация обработанного стока такая же, как в примере 9.3.
Объем фильтра определим по уравнению (9.14):
У 2 = Q i ( C i - S s t3 ) / ( r x ,M X 2 ) |
(9 -1 4 ) |
Из примера 9.3 имеем:
Qi = 1200 м3/сут,
Ci = 2,7 кг ХПК/м3,
Ss,3 = 0,2 кг ХПК/м3
Основываясь на данных табл. 9.7 и табл. 9.4 соответ
ственно примем удельную |
скорость удаления веществ равной |
||
0,5 кг ХПК/(кг ХПК сут), |
а концентрацию ила Х2 |
равной 10 кг |
|
ХПК/м3. |
|
|
|
Подстановкой в выражение (9.14) получаем: |
|
||
_ |
1200 м3/сут •(2,7 - 0,2) кг ХПК/м3 |
_ |
|
20,5 кг ХПК/(кг ХПК •сут) •10 кг ХПК/м3
=600 м3
Всоответствии с табл. 9.4 удельную поверхность фильтра считаем равной 100 м2/м 3. Следовательно, общая площадь фильтра:
А2* = V2 •ш = 600м3 100м2/м 3 = 60 000 м2
Этот параметр, как мы отметили выше, не имеет никакого практического значения, но поскольку данная книга написана для научно ориентированного читателя, то для него эта цифра может быть интересной.
9.4.3. Образование газообразных соединений в анаэробном процессе
В процессе анаэробной очистки возможно образование следующих газообразных соединений:
-метана,
-диоксида углерода,
-водорода,
-сероводорода,
-азота.
Доминируют, безусловно, метан и диоксид углерода.
Количество образующегося метана можно рассчитать по уравне нию баланса Х П К , поскольку метан содержит известное количество Х П К :
|
|
СН4 + 2 02 -> С 02 + 2Н20 |
|
т. е. 1 моль СН4 |
~ 2 моль 02 или 16 г СН4 ~ 64 г 02 |
= 64 г ХП К . |
|
Следовательно, фактор пересчета между ХП К |
и метаном: |
||
|
|
^ п к . с ^ = 0,25 кг СН4/к г ХП К . |
|
При |
25 ° С |
это соответствует объему газообразного метана |
|
0,38 м3 |
СН4/к г ХП К . |
|
|
Таблица 9.7. Коэффициенты пересчета (стехиометрические коэффици енты) выхода газообразных продуктов и других параметров анаэробного процесса
J'BBB.xnK = 1,3-1,7 кгХПК/кгБВБ ^СН4 .нефть = 0,84 КГ нефти/м3СН4 нефть = 1,0 л нефти/м3СН4 ^сн^жиры = 0,75 м3СН4/кг жиров
^СН4 .углеводы = 0,42 М3СН4/КГ уГЛвВОДОВ
^сн4 .белки = 0,47 м3 СН4 /к г белка |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
^хпк,сн4 |
= 0,25 кг СН4 /КГ ХПК |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
ь'хпк.сщ |
= 0,38 м3 СН4/к г ХПК |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
1 м3 СН4 (стандартные условия, 25 °С, 1 атм) весит 0,667 кг |
|
|
|
||||||||||
1 м3 нефти (стандартные условия, 25° С, 1 атм) весит 850 кг |
|
|
|
||||||||||
1 м3 СН4 = 35 000 кДж |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
1 м3 СН4 = 9,7 кВт •ч |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Перевод в электричество 1 м3 С Н 4 дает |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
2,9 кВт •ч электричества (30%) |
|
|
|
|
|
|
||||||
{ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4,9 кВт •ч тепла (50%) |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
1,9 кВт •ч потери (20%) |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Содержание метана |
|
|
% |
|
50 |
|
60 |
70 |
80 |
100 |
|||
в газовой смеси |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Теплотворная |
|
кДж/м3 17500 |
21000 |
24500 28000 |
35000 |
||||||||
способность |
|
газа |
|
|
|
|
|
|
|
||||
При производстве |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
электричества: |
|
кВт •ч/м3 |
1,5 |
|
1,7 |
2,0 |
2,3 |
2,9 |
|||||
( электричество |
|
||||||||||||
< тепло |
|
|
— |
|
2,5 |
|
2,9 |
3,4 |
3,9 |
4,9 |
|||
^потери |
|
|
— |
|
1,0 |
|
1.1 |
1,3 |
1,5 |
|
1,9 |
||
Из |
уравнения |
баланса |
Х П К |
(9.1) |
можно найти |
выход |
метана |
||||||
rv,CH4 |
V 2: |
Q1 C1 - |
гу,х |
•V2 |
= |
Q3 C3 |
|
|
|
(9.1) |
|||
|
|
|
|
|
|
||||||||
и, принимая, что |
Qi |
~ |
3Q, получаем: |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
гу,сн4 |
V2 |
= |
Q i(C i - |
3C) •^хпк,сн4 |
|
|
(9.15) |
||||
В |
большинстве |
анаэробных |
процессов |
90-95% |
Х П К |
можно |
|||||||
перевести в метан, а остальная часть переходит в ил. Образую щийся метан может быть использован для производства тепла или электрической энергии. В табл. 9.8 представлен ряд коэффициентов пересчета концентрации метана в другие единицы.
Содержание диоксида углерода в объеме газовой смеси, образу ющейся в процессе анаэробного превращения, зависит от состава