3592
.pdf
скорость вращения, об/мин
органическая нагрузка , г БПК/м2.сут
Рис.2 Окислительная способность установок биоконтакторов с дополнительными элементами аэрации и без них.
Рис.3 Зависимость эффекта очистки от органической нагрузки (бытовые сточные воды)
Результаты исследований показали, что динамика роста биопленки на загрузке в ПВБК связана с нагрузкой по органическим загрязнениям и требуемой степенью очистки сточных вод. Толщина активного слоя биопленки определяется поверхностью загрузки и зависит от гидродинамических характеристик системы и условий ее работы.
Влияние температуры жидкости на окислительную мощность биоконтактора и рост биомассы выражается формулой Фeлпса; при статистическойобработкеданныхполученавеличинатемпературнойконстантыθ=1,022.
Эффективность очистки сточных вод зависит, в первую очередь, от органическойнагрузки(рис.3).
Необходимое количество ступеней биоконтактора зависит от режима егоработы. Принизкихвеличинахорганическойнагрузкиосновнойэффект очистки стоков достигается в первой ступени ПВБК. При высоких нагрузках, ввиду недостаточного обеспечения в начале процесса кислородом, производительностьпервойипоследующихступенейбиоконтакторавыравниваются.
Для проведения режима полной биологической очистки сточных вод. система ПВБК должна работать при низких величинах органических нагрузок (для бытовых сточных вод - не выше 10 г/м2.сут).
Содержание растворенного кислорода меняется по ступеням биоконтактора в зависимости от величины органической нагрузки. На первых ступенях концентрация кислорода резко снижается, затем, по мере очистки сточных вод, постепенно повышается, приближаясь к предельной в последни ступенях ПВБК. При значительных органических нагрузках на первых ступенях биоконтактора может наступить полный дефицит растворенного кислорода. На рис.4 показаны профили концентрации кислорода по ступеням ПВБК в зависимости от величины органической нагрузки. Сопоставление данных по окислительной мощности и кислородному режиму в ПВБК (по 1- ой ступени) с экспериментальными данными по окислительной способности этих сооружений, с использованием балансового (по кислороду) уравнения, позволило получить соотношение между этими показателями для бытовых сточных вод, в виде:
OM мах / ОС = 1,34
где: ОМмах - максимальная окислительная мощность ПВБК в г БПК/ м2сут, при которой сохраняются аэробные условия (концентрация растворенного кислорода не менее 1-2 мг/л), ОС - окислительная способность ПВБК в гО2 /м2 сут.
При высоких уровнях органической нагрузки увеличение скорости вращения приводит к значительному повышению эффективности работы биоконтактора, так как при этом повышаются скорости массообменных процессов и активизируется деятельность биомассы. При низких нагрузках скорость вращения реактора мало влияет на работу системы, поскольку потребность в кислороде невысока. В то же время, увеличение скорости вращения приводит к срыву части биопленки, переводу ее во взвешенную биомассу. Исходя из эффективности энергозатрат рекомендуется принимать линейную скорость вращения биореактора не более 30 м/мин, см. рис 5.
Увеличение времени пребывания сточных вод в сооружении приводит к некоторому повышению эффективности работы системы. Однако, степень повышения эффекта очистки незначительна в сравнении с затратами на необходимое для этого увеличение объема резервуара. При полной биологической очистке бытовых сточных вод оптимальное время обработки в биоконтакторе составляет 1.5-2 часа.
Нитрификация в ПВБК начинается, когда органическая нагрузка оказывается ниже 10 г/м2.сут. С увеличением органической нагрузки зффектив-
где: A1 - площадь поверхности резервуара; V1 - объем резервуара; D- диаметр барабана; L - длина барабана; Аm - площадь поверхности барабана; H- расстояние от вала до поверхности воды; ω - угловая скорость вращения контактной загрузки; μ - абсолютная вязкость воды; ρ - плотность жидкости; DL - коэффициент диффузии кислорода в жидкости; К - константа скорости массопереноса, м/час.
После ряда преобразований уравнения (3) и пользуясь π-теоремой Букингэма, получено уравнение:
Ap - площадь поверхности резервуара, занятая загрузкой; V1 - объем жидкости в резервуаре; Ai = h . L - площадь поперечного сечения погруженной части барабана; h - высота погруженной части барабана.
учитывает влияние молекулярной диффузии, а число Рейнольдса - влияние турбулентности на скорость массопереноса. В табл.1 приведены значения коэффициентов уравнения (4) для биоконтакторов с различными видами загрузок.
Зависимость между критериями Шервуда и Рейнольдса для дисковых и барабанных биоконтакторов с различными видами загрузки показана на рис.6, из которого следует, что барабанные биоконтакторы имеют более высокие массообменные характеристики (по переносу кислорода), чем дисковые. Наибольшая скорость переноса кислорода достигается в барабанных биоконтакторах , снабженных дополнительными элементами аэрации.
Для описания процесса биологической очистки сточных вод в биореакторах, наиболее точными являются модели, основанные на описании кинетики биохимических реакций. Для ПВБК в которых имеет место полное перемешивание жидкости (гидродинамическая модель полного смешения),
общее уравнение Михаэлиса -Ментен (Моно) будет иметь вид:
где; r - скорость реакции, отнесенная к единице объема резервуара, t - время, k - максимально возможная скорость реакции изъятия субстрата, которая зависит от условия проведения процесса, технологических и конструктивных параметров сооружений. So , Se - концентрация органического субстрата, соответственно, на входе и выходе; Кт- константа.
Таблица 1. Значения коэффициентов уравнения (4) для биоконтакторов с различными видами загрузок
Типа контактора |
Типа загрузки |
Значение |
|||
m |
k |
||||
|
|
|
|||
Сетчатый |
Трубчатая загрузка диаметром |
1,728 |
0,00263 |
||
барабан с |
7 мм |
|
|||
|
|
|
|||
аэрационными |
_ ., |
|
|
|
|
элементами |
Трубчатая загрузка диаметром |
1,703 |
0,0017 |
||
,« |
|
||||
|
10 мм |
|
|
I |
|
|
|
|
|
||
|
Трубчатая загрузка диаметром |
1,42 |
0,0090 |
||
|
7 мм |
|
|||
|
|
|
|
||
|
Трубчатая загрузка диаметром |
1,343 |
0,0095 |
||
Сетчатый |
1 0 мм |
|
|||
|
|
|
|||
барабан |
Сферическая загрузка |
1,307 |
0,0451 |
||
|
диаметром 20 - 25 мм |
||||
|
|
|
|||
|
Сферическая загрузка |
1,34 |
0,0287 |
||
|
диаметром 38 |
мм |
|||
|
|
|
|||
Дисковой |
_ |
|
0,56 |
6,753 |
|
^ |
Диски |
|
|||
I биоконтактор |
|
|
|
|
|
Принимая, что максимальная скорость реакции является функцией от продолжительности проведения процесса (времени пребывания в сооружении), скорости вращения барабана и концентрации органического субстрата на входе, получена зависимость константы k в виде:
где:t- время пребывания сточных вод в сооружении, час; го - линейная скорость вращения поверхности барабана, м/час.
In (число Рейнольда)
Рис. 6. Зависимость между числами Шервурда и Рейнольдса для биоконтакторов с различными видами загрузки
Для многоступенчатых систем в уравнение (6)дополнительно вводится коэффициент β который учитывает влияние количества ступеней на эффективность работы системы,
Зависимость коэффициента ( β ) от количества ступеней биоконтакто-
ра N, получена в виде: |
|
β = 0,98 -0,36 in ( N) |
...(7) |
Уравнение, описывающее скорость снижения органических загрязнений(по ХПК)в ПВБК, полученное в результатестатистическойобработки данных, с учетом уравнений (5-7), принимает окончательный вид:
Уравнение (8) дает хорошую сходимость с фактическими данными (фактор корреляции R2 = 93 %).
Скорость процесса нитрификации и остаточная концентрация аммонийного азота (на выходе из биореактора) зависят от величины органической нагрузки, начальной концентрации аммония на входе, времени обработ-
16
ки, температуры и концентрации растворенного кислорода (последний показатель, в свою очередь, является функцией от скорости вращения контактора). Эта зависимость может быть представлена в виде:
где: Sne : концентрация NH3-N на выходе, мг / л; Sn i: концентрация NH3,-
Nна входе, мг/л; Nx : органическая нагрузка по ХПК, г/м2.час.
Всоответствие с результатами статистического анализа уравнение (9) может быть представлено в виде:
Результаты регрессионного анализа показали что уравнение (10) имеет высокий фактор корреляции (R2 =95 %).
Введя в уравнение (10) параметр, учитывающий влияние температуры, и преобразуя его к виду, который позволяет определять необходимое время пребывания для получения заданной степени очистки, получим:
Рекомендуемые технологические схемы работы этих сооружений показаны в табл.2. Схемы 1-5 предназначены для полной и неполной биологической очистки сточных вод от органических загрязнений, схемы 6-8 - для полной очистки, нитрификации и денитрификации.
Разработаны рекомендации по расчету и проектированию барабанных биоконтакторов для полной и неполной биологической очистки сточных вод от органических загрязнений и проведения процессов нитрификации. На основании этих рекомендаций выполнен сравнительный технико-экономи- ческий расчет барабанных и дисковых биоконтакторов для населенного пункта при следующих исходных данных: расход сточных вод - 1000 м3 /сут, ХПК исходных сточных вод - 500 мг/л, ХПК очищенной жидкости - 40 мг/л. Результаты расчетов приведены в табл. 3.
ПриприменениибарабанныхбиоконтактороввместодисковыхПВБК (для станции указанной производительности) экономический эффект составляет по капитальным затратам 67 тыс. долларов, по эксплуатационным - 2,9 тыс. долларов в год.
Таблица 2. Рекомендуемые технологические схемы работы очистки сточных вод на ПВБК : Б - окислительная зона, H - нитрификация, Д - денитрификация, О - отстойник
Схемы
для полной и неполной биологической
очистки сточных
вол
от органических загрязнений
Схемы для полной очистки,
нитрификации и денитрификации
Таблица 3. Технико-экономические показатели ПВБК
№
π/π Показатели
Производительностьстанции, 1. тыс. м3/год
2. Числоступеней,шт.
3. Число секций в ступенях, шт.
4. Общий объем биореактора, M3
5. Времяпребывания,час
Скорость вращения ротора, 6. м/мин
Удельные энергозатраты, кВт-
7. час/ M3
8. Удельныекапвложения,$/M3 сут. производит.
9. Себестоимость очистки, $ / M3
Барабанный Дисковой биоконтактор биоконтактор
2 |
2 |
20 |
!2 |
20 |
12 |
0,12 0,20
124 191
0,17 0,23
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
Анализ современного состояния вопроса очистки сточных вод на вращающихся биоконтакторах выявил необходимость изучения закономерностей процесса биологической очистки в ПВБК, совершенствования технологических схем и конструкций этих сооружений. В большей степени изучена работа дисковых ПВБК, барабанные же биоконтакторы изучены пока недостаточно. Между тем, эти сооружения имеют ряд преимуществ перед дисковыми биоконтакторами. Применяемые методы расчетов вращающихся биоконтакторов имеют ограниченную область применения, определяемую диапазоном полученных экспериментальных данных.
Экспериментально установлено, что скорость переноса кислорода в жидкость в ПВБК зависит от скорости вращения, вида и параметров загрузки, размеров барабана, глубины его погружения в жидкость и других параметров. С увеличением скорости вращения биоконтактора его окислительная способность увеличивается; глубина погружения барабана значительно влияет на окислительную способность биоконтакюра л и ш ь при высоких скоростях его вращения, при низких
19
скоростях - влияние степени погружения менее значимо.
3.Перенос кислорода в ПВБК происходит, в основном, через пленку жидкости на поверхности загрузки при движении барабана в воздушной среде. Окислительная способность барабанных биоконтакторов, особенно с загрузкой из более мелких элементов, значительно выше, чем дисковых биоконтакторов.
4.Оборудование барабана дополнительными элементами аэрации позволяет увеличить окислительную способность ПВБК за счет вовлечения этими элементами воздуха в жидкость. Орошение загрузки захваченной указанными элементами водой также способствует аэрации и перемешиванию жидкости в резервуаре, препятствуют заиливанию загрузки.
5.Необходимое количество ступеней биоконтактора зависит от режима его работы. При низких величинах органической нагрузки основной эффект очистки стоков достигается в первой ступени ПВБК, при высоких нагрузках, ввиду недостаточного обеспечения процесса кислородом, производительность первой и последующих ступеней биоконтактора выравниваются.
6.На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований выявлены кинетические закономерности процесса очистки сточных вод на биоконтакторах, предложена математическая модель барабанных ПВБК, усовершенствованы технологические схемы их работы.
7.Экономический эффект при применении барабанных биоконтакторов вместо дисковых ПВБК (для станции производительностью 1000 мЗ/ сутки) составляет по капитальным затратам - 67 тыс. долларов, по эксплуатационным - 21,9 тыс.долларов в год.
Основные положения диссертации представлены в следующих опубликованных работах:
1. Коссай К. Давод. Очистка сточных вод в Ираке/Доклады 58-ой научной конференции СПбГАСУ, СПб, 2001 .
2.Феофанов Ю.А., Коссай К. Давод. "Закономерности очистки сточных вод во вращающихся биоконтакторах"/Тезисы докл.5-ой Межд. конф." AKBATEPPA". СПб, 2002.
3.Феофанов Ю.А., Коссай К. Давод. Очистка воды в биоконтакторах/
20