автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Биологическая очистка высококонцентрированных сточных вод спиртовых заводов

На правах рукописи

Ароиова Татьяна Александровна

БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННЫХ СТОЧНЫХ ВОД СПИРТОВЫХ ЗАВОДОВ

05.23.04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

Автореферат Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2010

004619545

Работа выполнена в открытом акционерном обществе Ордена Трудового Красного Знамени комплексном научно-исследовательском и конструкторско-технологнческом институте водоснабжения, канализации, гидротехнических сооружений и инженерной гидрогеологии «НИИ ВОДГЕО» (ОАО «НИИ ВОДГЕО»)

Научный руководитель: кандидат технических наук

Морозова Ксения Михайловна

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Стрелков Александр Кузьмич, СГАСУ, г. Самара

кандидат технических наук Соколова Елена Васильевна ОАО «НИИ ВОДГЕО», г. Москва

Ведущая организация:

ООО «Астраханьиромпроект» г. Астрахань

Защита состоится «26» января 2011 г. в 10 °, на заседании диссертационного совета ДЗОЗ.004.01 при ОАО «НИИ ВОДГЕО» по адресу: Комсомольский проспект, 42, стр. 2, г. Москва, Г-48, ГСП-2, 119048.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: Комсомольский проспект, 42, стр. 2, г. Москва, Г-48, ГСП-2, 119048, Диссертационный совет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «НИИ ВОДГЕО», тел. (499) 245-97-87, (499) 245-95-56, факс (499) 245-96-27.

Автореферат разослан декабря 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, канд. „ /

техн. наук // Ю.В.Кедров

Основные условные обозначения Цтах - максимальная удельная скорость роста микроорганизмов

- максимальная удельная скорость окисления субстрата К|л - константа Михаэлиса

8 - концентрация субстрата Е - концентрация фермента

ц - удельная скорость роста микроорганизмов р - удельная скорость окисления субстрата У - экономический коэффициент

9 - константа ингибирования активным илом

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Преобладающая часть современных технологий производства этилового спирта до сегодняшнего дня являются незамкнутыми и основным технологическим отходом спиртового производства, образующимся после перегонки спирта, является жидкая послеспиртовая барда. Основная трудность заключается в переработке жидкой фазы барды - фугата, где содержится целый комплекс загрязняющих веществ. При сбросе неочищенных сточных вод спиртзавода на городские очистные сооружения нагрузка на них по ВПК возрастает ог 1 до 3 тонн в сутки в зависимости от производительности завода.

Существующие технологии очистки сточных вод спиртовых заводов, перерабатывающих крахмалсодержащсс сырье, предполагают либо предварительное разбавление высококонцентрированных стоков, либо использование сложного оборудования, например, выпарных установок, что приводит к повышению энергозатрат и капиталовложений.

Вследствие ряда технологических и экономических преимуществ, биологические методы могут рассматриваться как перспективные для очистки высококонцентрированных сточных вод пищевой промышленности.

В условиях ужесточения законодательства о государственном регулировании производства и оборота этилового спирта и алкогольной продукции, и постоянно возрастающих требований к локальной очистке производственных сточных вод, разработка эффективной и экономичной технологии с применением биологических методов является актуальной задачей.

Цели и задачи работы.

Цель настоящей работы состояла в создании эффективной технологии биологической очистки концентрированных сточных вод спиртзаводов в двухступенчатых аэротепках. Достижение этой цели потребовало решения следующих задач:

- изучить особенности состава сточных вод спиртовых заводов, перерабатывающих зерновое сырье на примере ОАО «Астраханский спиртзавод»;

- определить основные закономерности и особенности процесса очистки сточных вод спиртовых производств, перерабатывающих крахмалсодержащсс сырье;

- изучить зависимости удаления органических загрязнений в двухступенчатых аэ-ротенках для определения кинетических констант и коэффициентов, необходимых для расчета и оптимизации сооружений;

- определить оптимальные технологические параметры процесса биологической очистки сточных вод спиртовых заводов на каждой ступени очистки при использовании многоступенчатых схем;

выполнить технико - экономическую оценку разработанной схемы многоступен-ной очистки сточных иод спиртовых производств, перерабатывающих крахмалсодержащее сырье.

Научная новизна работы заключается в том, что:

- научно обоснована и экспериментально подтверждена целесообразность использования для очистки сточных вод спиртовых производств двухступенчатых аэротенков с илоотделителем на каждой ступени, способствующих формированию на каждой ступени специфического биоценоза, приводящего к повышению эффективности очистки от трудноокисляемых органических загрязнений по ХПК, улучшению кинетических характеристик процесса и седимснтационных свойств активного ила.

- экспериментально показано, что деление процесса по ступеням обеспечивает поддержание высоких концентраций субстрата на I ступени и высокие значения окислительной мощности, а на II ступени - проведение процесса на полное окисление органических загрязнений. Окислительная мощность по БПК на 1 ступени аэротенка достигает 5600г/м3.сут и на II ступени - 2500 г/м3»сут.

- экспериментально подтверждено, что процессы биологического окисления органических соединений адекватно описываются уравнениями ферментативной кинетики; впервые экспериментально получены кинетические характеристики для первой и второй ступени биологической очистки сточных вод спиртозаводов перерабатывающих зерно-картофельное сырье.

- для сточных вод спиртового производства найдены кинетические константы уравнений ферментативных реакций, необходимые для расчёта и определения оптимальных технологических параметров на каждой ступени аэротенка и оптимизации процесса в целом. Показано, что при работе двухступенчатого аэротенка в режиме полной биологической очистки (по БПК 15 мг/л), оптимальная концентрация органических загрязнений по БПК в аэротснкс I ступени составляет 300-600 мг/л. В режиме предварительной очистки (после аэротенка II ступени -250 мг/л) оптимальная степень очистки в аэротснкс I ступени составляет 800-1000 мг/л.

Прак тическая значимость результатов работы:

- разработана технологическая схема биологической очистки сточных вод предприятий по производству спирта, перерабатывающих зерновое сырье в двухступенчатых аэро-тенках;

- определены и технологически аргументированы оптимальные параметры работы двухступенчатого аэротенка до показателей полной биологической очистки и до нормативов сброса сточных вод в городскую канализационную сеть;

- выданы рекомендации, по которым запроектированы очистные сооружения для спиртового завода ОАО «Астраханский спиртзавод»;

- разработанные рекомендации для проектирования очистных сооружений сточных вод спиртовых заводов, могут быть использованы при строительстве новых и реконструкции действующих предприятий по производству спирта из зерно-картофельного сырья.

Достоверность и обоснованность выводов и результатов работы подтверждается большим объемом и длительностью исследований, проведенных на экспериментальной установке с реальными сточными водами спиртового завода, согласованностью между экспериментальными и расчетными данными, применением стандартизированных методов измерений и анализа.

При выполнении исследований использовались современные методы расчета параметров схем и сооружений с применением компьютерной техники. Полученные данные достоверны, результаты экспериментов грамотно интерпретированы, выводы достаточно обоснованы.

Апробация работы и публикации:

Основные результаты данной работы докладывались на международных научно-практических конференциях «Роль мелиорации и водного хозяйства в реализации национальных проектов» в 2008 и 2009 гг.

По теме выполненных исследований опубликовано 7 работ, в том числе 3 в журналах, входящих в перечень ВАК. Патент на изобретение «Способ очистки сточных вод» RU 2320547, 27.03.200В г.

Реализация результатов исследований:

По разработанным рекомендациям составлено техническое задание на проектирование очистных сооружений и выполнен проект очистных сооружений ОАО «Астраханский спиртзавод» производительностью 162 м3/сут.

На защиту выносятся:

Результаты теоретических и экспериментальных исследований по:

определению основных закономерностей и зависимостей окисления органических загрязнений концентрированных сточных вод спиртового завода в двухступенчатых аэротенках; определению оптимальных технологических параметров работы двухступенчатых аэро-тенков;

- определению кинетических констант и коэффициентов уравнений ферментативных реакций, использующихся для расчета и оптимизации двухступенчатых аэротенков при очистке концентрированных сточных вод спиртового завода.

Структура и объём работы.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка литературы. Библиография включает 108 источников. Общий объем диссертации 108 страниц, 37 рисунков и 19 таблиц.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, научная новизна и практическая значимость результатов работы, а также основные положения диссертации, вынесенные на защиту.

Глава 1 «Современное состояние вопроса очистки сточных вод спиртовых заводов».

На ряде предприятий спиртовой отрасли производственные аочные воды сбрасываются в водные объекты или в сети городской канализации, проходя лишь механическую очистку и разбавление. Это приводит к большому расходу свежей воды, загрязнению природных источников и к сбоям в работе сооружений станций очистки городских сточных вод. Создавшееся положение вызывает необходимость проведения мероприятий по внедрению и совершенствованию систем водоотведения на предприятиях спиртовой промышленности.

В разделе 1.1 представлен анализ литературных данных, приведены состав и источники образования сточных вод в спиртовом производстве. Показано, что сточные воды спиртовых заводов, перерабатывающих крахмалсодержащее сырье, относятся к категории высококонцен-трироваштых по органическим загрязнениям. Их состав и количество зависят от технологии производства спирта, а необходимая эффективность очистки обусловлена условиями сброса.

В разделе 1.2 приведены существующие методы очистки сточных вод спиртовых заводов. Имеющиеся на сегодняшний день технологии очистки сточных вод этих заводов предполагают либо совместную биологическую очистку с хозяйственно-бытовыми стоками, либо использование методов с применением сложного и энергоемкого оборудования (выпарные установки, установки образною осмоса и др.) Совершенствование технологий биологической очистки концентрированных сточных вод, а также положительный опыт, полученный с наиболее близкими по составу сточными водами ряда производств пищевой отрасли промышленности, создают основу для дальнейшего исследования и развития биологических методов в направлении использования многоступенчатых схем. Наиболее перспективен и рентабелен способ биологической очистки сточных вод спиртовых производств в двухступенчатых аэротенках, технологические параметры работы которых могут быть установлены только экспериментально с учетом конкретных условий основного производства.

Глава 2. «Теоретические основы процесса биологической очистки концентрированных сточных вод».

В разделе 2.1 изложены общие представления о биологической очистке концентрированных сточных вод. 11оказапо, что процессы окисления сопровождаются выделением большого количества свободной энергии, которая может использоваться в реакциях клеточного синтеза и для энергетических нужд клетки. При аэробном окислении получение энергии более экономично, чем при анаэробном и одинаковое количество субстрата способно поддерживать значи-

тельно больше биомассы аэробного активного ила, чем анаэробного. В связи с этим, протекание процесса окисления одних и тех же загрязнений в аэробных и анаэробных условиях существенно отличаются друг от друга.

Процесс окисления загрязнений в аэробных условиях протекает с образованием ССЬ и Н2О, тогда как в анаэробных условиях образуются низкомолекулярные органические соединения - метан, органические кислоты и т.д. Процесс очистки в аэробных условиях протекает более глубоко, чем в анаэробных.

В разделе 2.2 представлены теоретические основы кинетики процесса биохимической очистки сточных вод. Математическое описание кинетики ферментативных реакций основано на предположении о существовании комплекса фермента с субстратом и зависимости скорости реакции от скорости распада этого комплекса с образованием продукта реакции и свободного фермента. Согласно этой гипотезе для ферментативных реакций, протекающих по схеме:

E+S ES <=> Е+Р (1)

Михаэлисом и Ментен выведено известное уравнение:

V S

У _ max

5 + «>

Согласно этому уравнению зависимость скорости реакции от концентрации органического вещества выражается гиперболической функцией.

Для изучения кинетических закономерностей процесса биологической очистки и исследования функционирования системы в целом, кроме уравнения кинетики распада органического вещества в аэрогенках следует использовать уравнения материальною баланса органических веществ. Скорость прироста аэробных микроорганизмов, осуществляющих процесс окисления, является важной характеристикой процесса биохимической очистки. Работами Моно и Иерусалимского показано, что скорость роста биомассы (ц) описывается уравнением аналогичным уравнению Михаэлиса-Ментен:

Известно, что скорость процесса биохимического окисления возрастает с увеличением концентрации субстрата и активного ила. В связи с этим при очистке концентрированных сточных вод для повышения производительности процесс целесообразно делить на ряд стадий. На первой стадии осуществляется очистка сточных вод с поддержанием достаточно высоких концентраций субстрата, обеспечивающих высокую скорость биохимического окисления. На второй стадии возможно более глубокое окисление оставшейся части органических веществ при меньших скоростях.

При применении многоступенчатых схем на каждой ступени аэротенка при наличии илоо1 делителя происходит формирование специфической микрофлоры. В популяции микроорганизмов активного ила имеется большое количество исходных медленнорастущих видов, помимо которых могут появиться виды, растущие в данных условиях быстрее исходных; замещение ими исходных форм приводит к перестройке популяции. Один вид (2) вытесняет другой (1) при условии ць Давление отбора (а) характеризуется как разница в удельных скоростях роста рассмат риваемых видов:

о=ц2-ц,, (4)

На 1 ступени (при концентрациях субстрата, не лимитирующих скорости роста) скорости роста и окисления близки к максимальным, и отбор происходит в пользу микроорганизмов, растущих С максимальной скоростью Цтах-

При высоких концентрациях субстрата имеются виды микроорганизмов, растущих со скоростью и ц>, причем >

Согласно уравнению / можно записать:

М/ = М1пш>3/(К1п,+$),

А2 = М2,Па^/(К2т+3), (5)

На 1 ступени (при не лимитирующих концентрациях субстрата) скорости роста микроорганизмов и окисления близки к максимальным и отбор видов осуществляется в пользу развития микроорганизмов, растущих и окисляющих загрязнения с максимальной скоростью, на II ступени отбор видов направлен на уменьшение константы Михаэлиса, то есть па увеличение глубины окисления.

Таким образом, общие теоретические концепции закономерностей кинетики ферментативных реакций приводят к выводу, что для очистки высококонцентрированных сточных вод спиртзавода весьма перспективно применение биологической очистки в двухступенчатых аэ-ротенках с илоотделителями на каждой ступени.

Глава 3 «Экспериментальные исследования».

В разделе 3.1 изложены поставленные задачи проводимых исследований.

В разделе 3.2 приведена методика экспериментальных исследований, описана модель экспериментальной установки по очистке сточных вод спиртзавода и изложены качественные характеристики поступающей на очистку воды.

Исследования проводились на натуральной производственной сточной воде спиртзавода на экспериментальной установке аэробной биологической очистки в режиме непрерывно-проточного культивирования.

Экспериментальная установка по очистке сточных вод представляла собой модель двухступенчатого аэротенка - смесителя с промежуточными отстойниками на каждой ступени (рис.

1). Эффективность процесса биологической очистки контролировалась но изменению в исходной и очищенной воде следующих показателей: БПК,10.т, ХГ1К, азот нитратов, азот нитритов, аммонийный азот, органический азот, фосфаты, рН, взвешенные вещества, доза активного ила, иловый индекс.

Сточные воды - фугат спиртового завода ОАО «Астраханский спиртзавод» поступали в модельную установку двухступенчатой биологической очистки после предварительной механической очистки. Подача воды и циркуляция активного ила в системе осуществлялась при помощи многоканального насоса - дозатора. В аэротенки через мелкопузырчатыс аэраторы подавался воздух.

Рис.1. Экспериментальная установка двухступенчатой биологической очистки сточных вод 1 - емкость для исходной воды, 2 - аэрогенк I ступени, 3, 5 - вторичные отстойники, 4 - азро-тенк 11 ступени, 6 - емкость для очищенной воды, 7 - многоканальный насос - дозатор, 8 - выпуски избыточного активного ила, 9 - компрессорная установка для подачи воздуха

В процессе исследований проводился микроскопический контроль состояния биоценоза активного ила. Очищенная вода сбрасывалась через выпуск. В ходе исследований период аэрации в аэротенках 1 и II ступеней изменялся от 17,3 до 27,4 часов, при изменении объемов аэро-тенков от 8,6 до 13,6 л, соответственно. Расход сточных вод оставался неизменным - 12 л/сут.

В сточной воде спиртзавода из соединений азота содержится только азот органических соединений. Аммонийный азот и фосфор отсутствуют. С целью создания необходимых условий для процессов ассимиляции, прироста биомассы, в сточную воду в течение эксперимента добавлялись биогенные элементы в виде минеральных солей: аммоний хлористый в концентрации (по азоту) до 148 мг/л и натрий фосфорнокислый однозамещенный в концентрации (по фосфору) до 30 мг/л.

Качественные характеристики поступающей на очистку воды но среднемесячным данным за период исследований приведены в таблице 1.

Таблица 1

Качественные характеристики поступающей на установку воды

Месяц Показатели состава исходной воды, мг/л

ХПК ь! С Азот нитритов Азот нитратов Азот органический Азот аммонийный* Ж о. Взвешенные вещества Фосфор*

август 10803 4769 0,011 2,921 206 133,6 6,87 107 26

сентябрь 8505 4926 0,005 1,862 199 142,9 6,98 128 27

октябрь 10062 5047 0,002 1,433 192 122,5 7,01 167 22

ноябрь 9462 5012 0,001 1,437 205 147,9 6,51 152 30

декабрь 9846 5256 0,003 1,972 208 75,2 6,20 138 17

январь 10236 5087 0,002 2,554 211 129,0 7,37 147 15

февраль 8974 4625 0,003 2,144 204 101,0 6,84 158 21

март 9058 5182 0,017 2,432 209 112,7 6,87 146 17

апрель 10308 5051 0,018 1,968 214 124,2 6,98 152 26

май 8945 5367 0,010 2,373 208 117,6 7,01 164 22

июнь 10175 5391 0,020 2,960 216 114,4 6,51 214 30

июль 9439 4513 0,020 3,240 212 128,0 7,20 208 19

август 8111 5472 0,020 2,395 215 102,7 7,31 184 26

сентябрь 8859 538) 0,007 1,312 205 120,7 7,25 ПО 17

октябрь 9138 5260 0,019 0,879 207 115,8 6,74 127 21

ноябрь 9514 4952 0,014 1,192 201 125,0 7,00 101 15

(*) - после добавления в обрабатываемую воду

По данным таблицы построены графики динамики варьирования показателей качества сточных вод, поступающих на очистные сооружения за период проведения исследований (рис.2).

Рис. 2 показывает, что среднемесячная концентрация органического загрязнения по ХПК варьировала в пределах 8200 - 10800 мг/л, но БПК|ЮЛ„ - 4500 - 5400 мг/л. Соотношение БПК„„Л„ к ХПК изменялось от 44% до 68% и в среднем составляло 54%, что и позволило для очистки данного вида сточных вод применить биологический метод.

12000 т

10000 8000 -I-6000 • ■ 4000 • ■

2000

С-ЗХПК[—1БПК-*-БПК/ХПК

-г 100 ••90 -•80 ••70 ■ ■ 60 - • 50 ■■40 ■■30 ■•20 + 10 0

> оУ <5" ^

Рис. 2. Динамика изменения среднемесячных значений показателей БПКП1,ЛМ и ХПК В разделе 3.3 представлены обобщенные данные по результатам исследований процесса очистки производственных сточных вод, эффективности очистки, найдены кинетические константы и коэффициенты. Доза ила в аэротенке 1 ступени поддерживалась на уровне 4-5 г/л, на II ступени - 2-2,8 г/л. Результаты работы установки за весь период испытаний по динамике снижения органического загрязнения по ХПК и БПКпош представлены на рис. 3 и 4.

14000 '

12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 •V

Л а л л Г* \ г А

л г 1/ 1 N Г 1* А У к Г Ьс

V у Г ]

ч, ч

** & № к 1* 1»" А •=У *к

-л- им ** ни

-^-исходная сточная вода -^-поспе I ступени очистки -'--после 11 ступени очистки

Рис. 3. Снижение показателя ХПК за период испытаний

Оценка работы установки покатала высокую эффективность очистки от органических загрязнений но Х11К и БПК„|1Л,„ в условиях стабильной работы системы в целом. При очистке производственного стока спиртзавода до БПКМ„.„, 15 мг/л, эффективность удаления органических загрязнений составляла в аэротенке по ХПК - 69 и 93%, по Ы 1КГ10,,„ 88 и 96%, по ступеням соответственно. Суммарный эффект очистки по соединениям азота составил 92%.

7000 ■, -г

-о- исходные стоки -л-после I ступени очистки после II ступени очистки

Рис. 4. Снижение показателя БПКпо.ш за период испытаний По полученным экспериментальным данным графоаналитическим методом найдена взаимосвязь БПК110.„п и ХПК для очищенной воды каждой ступени аэротенка. (рис. 5, 6).

ХПК, мг/л

Рис. 5. Зависимость БПК„0ли от ХПК для I ступени по ступеням очистки

* 40-

а

С

Ш 30-

к. £

С

50-

60-

20

БПК = 0,26*ХГЖ - 30

Нг = 0,85

10

0 I I | | | I I I-1 I I

О 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

ХПК, МГ/П

Рис. 6. Зависимость БПКпол„ ог ХПК для II ступени по ступеням очистки

Остаточная предельная концентрация органических загрязнений на 1 ступени по ХПК составляет 1700 мг/л, на И ступени - 192 мг/л при БПК,,,,;,,, - до 20 мг/л. На второй ступени аэ-ротенка процесс очистки от органических загрязнений идет глубже, происходит окисление консервативных и трудноокисляемых веществ.

В результате процесса аммонификации, органический азот переходит в азот аммонийный, который в процессе нитрификации трансформируется в азот нитритов и нитратов и используется в процессах ассимиляции на прирост биомассы. Выполненный материальный баланс по азотсодержащим веществам показывает, что при очистке сточных вод в двухступенчатом аэротенке со сточной водой поступало азота 3,96 г/суг, с очищенной водой выходило 0,36 г/сут и тогда 3,3 г/суг использовалось в процессе ассимиляции, потреблялось на прирост активного ила. При этом в сутки удалялось органических загрязнений по БПК 61,2 г. Следовательно, на 100 мг снятого БПК требуется 5,4 мг азота, включая органической азот, присутствующий в исходной сточной воде.

Материальный баланс по соединениям фосфора показывает, что при очистке сточных вод в сутки поступало 336 мг фосфора, а 312 мг/сут использовалось на прирост активного ила, то есть на 100 мг снятого БПК потреблялось 0,5 мг фосфора.

В результате проведенных исследований для аэротенков I и II ступеней получены зависимости окислительной мощности и удельной скорости окисления от концентрации загрязнений в очищенной воде (рис.7-9). С увеличением концентрации органических загрязнений, окислительная мощность возрастает и на первой ступени по БГ1Кши„ достигает значений 5600 г/м3*сут, на второй ступени - 2500 г/м3«сут. Наличие промежуточного отстойника на первой

ступени позволяет повысить окислительную мощность аэротенка (его производительность) за счет увеличения дозы активною ила (на первой ступени до 5 г/л) и изменений условий селекции микроорганизмов. 10000 <

ь

о

9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0

^ = 0,45'

ОМ по ХПК

♦ ♦

♦ < ♦ ♦

А \ ♦

ОМ по БГ К д X ♦

д

= 0,43

1000

2000 3000 4000

ХПК, БПК выходящей воды, мг/л

5000

6000

Рис. 7. Зависимость окислительной мощности по ХПК и БПК1Ю11| от качества очистки па I ступени

3 о 2

С.

о *

О

6000 5000 4000 3000 2000 1000

А А А А А __-- ОМ по ХПК__

4 1 А Н2 = 0,47

у/' А А

о ЯУ^*^ с/^ О с ОМ по БПК

" Л о ^ = 0,41

0 100 200 300 400

ХПК, БПК выходящей воды, мг/л

Рис. 8. Зависимость окислительной мощности но ХПК и БПКЩ,.Ш от качества

очистки на II ступени

500

При высокой концентрации субстрата скорость реакции максимальна, становится постоянной и не зависящей от концентрации субстрата. В этом случае реакция целиком определяется концентрацией фермента (т.е. концентрацией активного ила).

Зависимость удельной скорости окисления от концентрации загрязнений в очищенной воде может быть описана уравнением кинетики ферментативных реакций (уравнение (2)). Значения кинетических констант определены графоаналитическим методом двойных обратных величин (рис. 10, И).

£ с ш

и 2

оГ

X 0}

5

X

V О

Л

6

о а о

70 60 50 40 30 20 10 0

* *

♦ ♦ ♦

♦ > ♦

^—. 1 ступень

Л-»_ {V ^ша»

ч

- II СТ упень

* / » / ; / Кт

V Кт /

0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 БПК очищенной воды, мг/л

Рис. 9. Зависимость удельной скорости окисления в аэротенках от концентрации органических веществ в очищенной воде

Получено, что скорость процесса возрастает с увеличением концентрации субстрата. В связи с этим при подпой биологической очистке, когда в сооружении поддерживается низкая концентрация субстрата, нельзя достичь высоких скоростей окисления. Деление процесса на ступени позволяет увеличить производительность процесса за счет перераспределения скоростей по ступеням.

Максимальная удельная скорость окисления (Г,„.„) по БПК,,,,.,,, в аэротенке I ступени составляет 59,5 мг/г*час, а в аэротенке II ступени, 32,3 мг/г*час. Тем самым на первой ступени аэротенка осуществляется неполная очистка с высокой концентрацией органических загрязнений по БПК, обеспечивающей максимальную скорость биохимической реакции, а на второй ступени - полное окисление оставшейся части органических веществ.

Наличие вторичного отстойника на первой ступени приводит к существенному снижению величины константы Кт. Константа К,„ для аэротенка I ступени составляет 280 мг/л, для аэро-

тенка II ступени - 15,5 мг/д. Поскольку константа К„, характеризует селективность фермента по отношению к субстрату, можно сделать вывод, что на первой ступени селективность фермента меньше, чем на второй, что и приводит к увеличению глубины очистки от грудноокисляемых органических вещест в по Х11К.

1/р *10"2, г *час/мг

Рис. Ю. График двойных обрат ных величин зависимости уд. скорости окисления (по БПК,„,,„) от качества очищенной воды в аэрогенке I ступени

1/р*10'2, г *час/мг

Рис. 11. График двойных обратных величин зависимости уд. скорости окисления (по БПКполн) от качества очищенной воды в аэротенкс II ступени

Найденные кинетические константы позволяют произвести расчет аэротенков для любой заданной степени очистки и тем самым оптимизировать двухступенчатую схему и обоснованно выявить рациональные соотношения ступеней с определенной степенью очистки на первой ступени и заданной - на второй.

Активный ил из обеих ступеней характеризуется хорошими седиментаиионными свойствами, так как иловый индекс в широком диапазоне нагрузок на превышал 140 см3/г. На II ступени очистки седиментационные свойства активного ила лучше, иловый индекс не превышал 100 см3/г, оптимальная нагрузка на II ступени составляла 350-400 мгБПК/(г*сут). Оптимальная нагрузка на ил на I ступени (при величине илового индекса до 110 см3/г) - 900-1050 мгБПК/(г*сут).

На рис. 12 представлена зависимость окислительной мощности и удельной скорости окисления от дозы активного ила в аэротенке.

При возрастании концентрации активного ила наблюдается увеличение окислительной мощности аэротенка. В то же время с увеличением концентрации активного ила снижается удельная скорость окисления.

Снижение активности ила объясняется Иерусалимским Н.Д. и Скирдовым И.В. выделением продуктов метаболизма, ингибирующих процесс биохимического окисления. Найденный графоаналитическим путем коэффициент ингибирования продуктами метаболизма активного ила ф по ступеням очистки составляет 0,41 и 1,42.

5,0

4,0

> 3,0

о ' «

"а

Ш 2,0

1.0

0,0

\ Я2 = 0,43

ОМ -1 с ту пень д А , 1 Р-1 ступень

\ Я2 =0,48

Л & Ч, А ---р-| 1Ч2 = 0 ступень Р 57

ОМ - II с тупень 2 = 0,58

80

- 70 60 50 •40 -30 •20 • 10 0

м т О <и

о 5

О. 5 О С

И

0,0

1,0

5,0

6,0 7,0

2,0 3,0 4,0 Доза ила, г/л

Рис. 12. Зависимость окислительной мощности и удельной скорости окисления от дозы активного ила

Таким образом, проведенные экспериментальные исследования подтвердили перспективность двухступенчатых аэрогенкоа для очистки высококонцентрированных сточных вод спиртовых производств. При этом реализуется очистка стоков как до нормативов сброса в горкол-лектор, так и до показателей полной биологической очистки, до Б11К,10Л„ 15 мг/л.

В разделе 3.4 приведены данные гидробиологических и микробиологических исследований активного ила в аэротенках I и II ступеней. Выявлено, что активный ил из аэротснка II ступени характеризуется большим видовым разнообразием микроорганизмов по сравнению с активным илом из 1 ступени. В первую очередь, это связано с концентрацией поступающих органических загрязнений и высокими нафузками на ил на I ступени очистки.

Глава 4 «Расчет очистных сооружении и техники - экономическая оценка технологии».

Раздел 4.1 посвящен выбору исходных данных для расчета и оптимизации схемы. Для этого по экспериментальным данным выполнен статистический анализ показателей сточной воды, поступающей на очистку. Полученные на основании статистического анализа качественные показатели состава сточной воды ОАО «Астраханский спиртзавод» по диктующим ингредиентам представлены в таблице 2.

Таблица 2

Показатели качества сточных вод ОАО «Астраханский спиртзавод»

Показатели Концентрация, мг/л

среднестатистическая при обеспеченности 90%

Х11К 9465 11000

БПК„а1„ 5100 6000

Органический азот 207 230

Взвешенные вещества 150 200

ЕПК110.Ш/ХПК 0,54 0.55

РН 6,9

В разделе 4.2 представлен расчет олтималыюго технологического режима двухступенчатой схемы биологической очистки производственных сточных вод спиртзавода.

Цель оптимизации процесса биологической очистки в аэротепке состоит в том, чтобы при известных характеристиках стоков и заданных ограничениях на качество очищенной воды определить значения технологических параметров, при которых сумма объемов (или время обработки) аэротенка и вторичного отстойника будет минимальной.

На нервом этане графоаналитическим путем определена оптимальная доза активного ила по ступеням аэротенка, при которой будет достигаться минимальное суммарное время обработки воды в аэротенке и отстойнике. При расчете концентрация органических загрязнений по БПКт);ш в исходном стоке принята 6000 мг/л (ЗД (табл.2), в очищенной воде после первой ступени - 500 мг/л, после второй ступени - 15 мг/л. Скорость окисления и окислительная мощ-

ность аэротенка в данном случае определялась для каждого значения дозы ила при их варьировании. Гидравлическая нагрузка на илоотделители при разных дозах активного ила и илового индекса определена через безразмерный параметр а,!, по таблице 45 СНиП 2.04.03-85.

Полученные данные представлены графически зависимостью величины суммарного объема аэротенка и вторичного отстойника от дозы активного ила (рис. 13, 14).

450 400

5

и 350 х

| 5 300 а

я 1?

1 « О V

а £

"8 5

■5 е

л о

ге 5

2 >»

О

250 200 150 100 50 0

0,0

/ " Оптимальная доза ила 4,5 г/л

/

8,0

2,0 4,0 6,0

Доза активного ила на I ступени, г/л

Рис. 13. Зависимость суммарного объема аэротенка и вторичного отстойника от дозы активного ила в аэротеике 1 ступени

10,0

о п

& 5. га го 2 £

а>

г г >. и

120

110

100

90

80

70

/- Оптимальная / доза ила 2,8 г/л

/

0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 Доза активного ила на II ступени, г/л

Рис. 14. Зависимость суммарного объема аэротенка и вторичного отстойника от дозы активного ила в аэротенке II ступени

4,5

Оптимальная концентрация активного ила в аэрогенке I ступени составляет 4,5 г/л (рис. 13), во II ступени - 2,8 г/л (рис. 14).

Согласно полученным данным, с увеличением дозы активного ила окислительная мощность возрастает. При этом объем аэротенка уменьшается, но увеличивается объем вторичного отстойника, что приводит к увеличению суммарного времени обработки сточных вод.

Полученные величины оптимальной дозы ила по ступеням очистки позволяют произвести оптимизацию азротенков. С этой целью произведен ряд последовательных расчетов сооружений первой и втором ступени, при которых качество исходной и очищенной воды остаются без изменений, а качество очистки после первой ступени последовательно изменяется с определенным шагом. При этом на второй ступени качество очистки регламентируется величиной установленных нормативов.

Технологические параметры работы сооружений при различном соотношении ступеней (при варьировании объемов аэрогеиков 1 и II ступеней) представлены в таблицах 3 и 4.

Таблица 3

Технологический расчет (схема 1 - предварительная очистка до сброса в горколлектор)

Вариант и, мгБПК/л I ступень II ступень ГГ,час

и, мгБПК/л Р, мгБПК г.ила»час Т, час и, мгБПК/л Р. мгБПК |-.ила«час Т, час

1 6000 500 38,14 37,26 250 30,41 3,67 40,93

2 6000 600 40,57 34,40 250 30,41 5,14 39,53

3 6000 650 41,59 33,24 250 30,41 5,87 39,11

4 6000 800 44,07 30,49 250 30,41 8,07 38,56

5 6000 900 45,38 29,04 250 30.41 9,54 38,58

6 6000 _2000| 46,48 27,79 250 30,41 11,01 38,80

7 6000 1250 48,61 25,25 250 30,41 14,68 39,93

8 6000 1500 50,14 23,19 250 30,41 18,35 41.54

Таблица 4

Технологический расчет (схема 2 - полная биологическая очистка до БГ1К" 15 мг/л)

1 ступень II ступень

Вариант и, мгБПК/л и. мгБПК/л р, мгБПК г.ила.час Т, час и, мгБПК/л Р. мгЬПК г.ила»час Т, час £Т,час

1 6000 200 24,79 60,45 15 15,89 5,20 65,65

2 6000 250 28,07 52,94 15 15,89 6.60 59,54

3 6000 500 38,14 37,26 15 15.89 13,63 50,89

4 6000 750 43,33 31,31 15 15,89 20,66 51,97

5 6000 1000 46,48 27,79 15 15.89 27,68 55,48

6 6000 1250 48,61 25,25 15 15,89 34,71 59,96

7 6000 1500 50,14 23,19 15 15,89 41,73 64,92

Вследствие того, что концентрация субстрата в аэрогенке И ступени принята как постоянная величина, окислительная мощность во всех вариантах для разных режимов очистки не изменяется. Полученные данные можно представить графически зависимостью величины времени аэрации в двухступенчатом аэротенке от качества очистки по Б11К после каждой ступени

Качество очистки на I ступени, мгБПК/л

Рис. 15. Зависимость суммарного времени пребывания сточных вод в системе очистки от качества очистки на 1 ступени

Из рис. 15 следует, что оптимальная степень очистки на I ступени при полной биологической очистке по БПК составляет 500 мг/л. При эксплуатации сооружений в режиме предварительной очистки, оптимальная степень очистки после аэротенка I ступени составляет 800 мг/л. Полученные результаты подтверждают, что в многоступенчатых аэротсиках происходит перераспределение скоростей окисления по ступеням. На первой ступени - очистка протекает с поддержанием высоких концентраций субстрата, обеспечивающих максимальную скорость биохимической реакции, на второй - вести процесс на глубокое окисление органических веществ с низкими скоростями окисления. Перераспределение скоростей позволяет снизить время пребывания воды в аэротенках, что отражается на снижении общего объема очистных сооружений.

Проведенные оптимизационные расчеты позволяют определить не только оптимальное соотношение ступеней и соответствующее качество очистки на первой ступени по всем нормируемым компонентам, но и произвести расчет технико-экономического обоснования схемы очистки.

В разделе 4.3 произведена технико - 'экономическая оценка двухступенчатой биологической очистки сточных вод спиртовых заводов, перерабатывающих зерно-картофелыюе сырье. Технико - экономический расчет представлен для схемы, приведенной на рис. 16.

34

1

А

®

I

-О"

ю

Х7

К.

14

Рис. I6. Схема очистки сточных вод

I -подающий насос, 2-циркуляционныс насосы, 3 - дозатор хлорист ого аммония, 4 - дозатор натрия фосфорнокислого, 5 - емкость исходной воды, 6 - аэротенк I ступени, 7,9 - вторичные отстойники, 8 - аэротенк II ступени, 10 емкость очищенной воды, 11 - компрессорная установка для подачи воздуха, 12 - выпуск очищенных стоков, 13 - выпуск избыточного активного ила, 14 - илоуилотнитель

Обобщенные технологические параметры для расчета очистных сооружений при полной биологической очистке приведены в таблице 5. Расчет экономических показателей произведен па основании технико-экономического сравнения двух вариантов.

Критерием сравнительной экономической эффективности является годовой экономический эффект, рассчитанный через показатель приведенных затрат. Расчёт-обоснование необходимого объема инвестиций для реализации схемы двухступенчатой биологической очистки произведен на основании смстно - финансового расчета (в уровне цен 4 квартала 201 Ог), составленного по территориальным единичным расценкам на строительные и монтажные работы в Астраханской области и представлен в таблице 6.

Расчет эксплуатационных затрат произведен укрупнено и по элементам представлен в таблице 7.

В качестве альтернативного варианта очистки производственных сточных вод рассмотрена установка упаривания фугата послеспиртовой барды, предложенная ООО «Фирма ПромСтрой» (г. Новочебокеарск). Технические характеристики установки в номинальном режиме работы приведены в таблице 8.

Данные технологического расчета сооружений

Показатель 1 ступень 11 ступень

ВПК,,,,.,„ очищенной воды, мг/л 500 15

Удельная скорость окисления, мгБПК/г.без.ч.ила .час 38,14 15,89

Окислительная мощность, г/м3»сут 3542 854

Концентрация ила, г/л 4,5 2,8

Иловый индекс, мл/г до 140 до 100

Зольность, доли ед. 0,14 0,2

Степень рециркуляции активного ила в аэротенках, доли ед. 0,82 0,39

Удельный расход воздуха, м3/м3 сточной воды 135,9 21,8

Гидравлическая нагрузка на вторичные отстойники после аэротенков, м /м2«час 0,8 1,2

Требуемое время обработки в аэротенке, час 37,3 13,6

Объем аэротенков, м3 252 92

Требуемая площадь отстойника, м2 8,4 5,6

Диаметр отстойников, м 3 3

Циркуляционный расход, м3/час 5,5 2,6

Таблица 6

Объем капиталовложений

№ п/п Наименование затрат Сумма, тыс.руб.

1 Оборудование и материалы, в том числе: • насосные агрегаты: - ОНЦ 6,3/10К-0,75/2 (2 рабочих, 1 резервный); - ОНЦ 3,5/10К-0,55/2(3 рабочих, 1 резервный); • компрессорные установки". - 5Р'А110В Винтовой компрессор (1 рабочий, 1 резервный); БН8.5В Винтовой компрессор (1 рабочий). 7708,74

2 Эксплуатация машин и механизмов 338,75

3 Накладные расходы 1235,3

4 Фонд оплаты труда 1291,89

5 6 Сметная прибыль Непредвиденные затраты (2%) __________ 832,6_________ 228,15

ИТОГО (с НДС 18%) 13501,73

Расчет с тоимости эксплуатационных затрат в ценах 2010 г

Наименование эксплуатационных затрат Стоимость ежегодных эксплуатационных затрат, тыс. руб.

Содержание обслуживающего персонала 299,1

Амортизационные отчисления на полное восстановление 270,04

Отчисления на текущий ремонт 54,01

Стоимость электроэнергии 4250,18

Стоимость реагентов 2305,65

Прочие расходы 93,47

ИТОГО: 7275,45

В таблице 9 приведены общие данные по капитальным, эксплуатационным, приведенным затратам для сравниваемых вариантов. Технико-экономическая оценка предлагаемой технологии очистки производственных сточных вод спиртзавода, по сравнению с технологией упаривания фугата послесииртовой барды показала, что размер капиталовложений но первому варианту в 2 раза ниже, чем по второму варианту.

Экономический эффект в размере 7541,35 тыс.руб достигается также за счет снижения ежегодных эксплуатационных затрат.

Таблица 8

Технические характеристики установки упаривания фугата

Параметр Номинальное значение

Фугат послеспнртовон барды: - производительность по исходному фугату 5 т/час

Дистиллят: - производительность - показатель БПК5 - температура на выходе 4,6 т/час не более 180,0 мг/л 40-45 °С

Греющая среда: - требуемое давление на входе - расход пар не менее 3 bar (абс.) -1,2 т/ч

Охлаждающая вода: - расход (температура на входе до 30 "С, А(=8 °С, сброс в канализацию) -100 м3/ч

Потребляемая электрическая мощность ~ 20 кВт

Режим работы постоянный

Необходимое количество установок 3 ед. ( 2 рабочие, 1 резервная)

Основные технико-экономические показатели но сравниваемым вариантам

Показатели Двухступенчатая биологическая очистка Установка упаривания фугата послеспиртовой барды

Капитальные затраты, тыс. руб 13501,73 27000

Капитальные вложения, приведенные к годовой размерности (Е„= 0,12), тыс.руб 1620,2 3240

Эксплуатационные затраты, тыс. руб 7275,45 13197

Приведенные затраты, тыс.руб 8895,65 16437

Экономический эффект 7541,35

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. lia основании проведенного аналитического обзора и данных экспериментальных исследований установлено, что сточные воды спиртовых заводов относятся к категории вы-сококонцентрированиых. Анализ тенденций развития способов биологической очистки сточных вод спиртовых заводов показал, что на современном этапе для данных сточных вод перспективно использование аэробных многоступенчатых схем очистки.

2. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили перспективность двухступенчатой схемы биологической очистки для очистки высококонцентрированных сточных вод спиртовых производств. При этом возможна очистка стоков как до нормативов сброса в горколлектор, гак и до показателей полной биологической очистки, до БПК 15 м г/л.

3. Показана высокая эффективность очистки от органических загрязнений по ХПК и БПК, при очистке производственного стока спиртзавода до БПК 15 мг/л, эффективность удаления органических загрязнений составляет в двухступенчатом аэротенке по ХПК - 69 и 93%, по БПК 88 и 96%, по ступеням соответственно.

4. Деление процесса по ступеням позволяет осуществлять очистку сточных вод с поддержанием высоких концентраций субстрата на I ступени, обеспечивающих высокие значения окислительной мощности, а на II ступени - вести процесс на полное окисление органических загрязнений. Окислительная мощность по БПК на 1 ступени аэротенка достигает 5600 г/м'»сут и на II ступени - 2500 г/м'«сут.

5. Теоретически и экспериментально установлено, что процесс окисления органических веществ сточных вод спиртовых заводов в аэробных условиях подчиняется закономерностям ферментативной кинетики. Максимальная удельная скорость окисления (VmM) но БПК в аэротенке 1 ступени составляет 59,5 мг/г*час, а в аэротенке II ступени, 32,3 мг/г*чае. Константа Кт для аэротенка 1 ступени и II ступени составляет, соответственно, 280 и 15,5 мг/л. Для сточных вод спиртового производства при их очистке в аэробных условиях полученные коэффициенты ингибировапия продуктами метаболизма активного ила (р по ступеням очистки составляют 0,41 и 1,42.

6. Найденные кинетические константы и коэффициенты, позволяют оптимизировать аэробную схему очистки, найти оптимальную степень очистки на каждой ступени и соответственно соотношение объемов ступеней. При рабо те двухступенчатого аэротенка до показателей йодной биологической очистки (по БПК 15 мг/л), оптимальная концентрация органических загрязнений по БПК в очищенной воде после аэротенка 1 ступени составляет 300-600 мг/л. При эксплуатации сооружений в режиме предварительной очистки (после аэ-

ротенка 11 ступени - 250 мг/л) оптимальная степень очистки после аэротенка 1 ступени составляет 800-1000 мг/л.

7. Установлены оптимальные технологические параметры работы двухступенчатого аэротенка: концентрация активного ила в аэротенке I ступени составляет 4,5 г/л в аэротенке II ступени - 2,8 г/л. Оптимальная нагрузка на ил 1 ступени аэротенка (при величине илового индекса до НО см3/г.) составляет 900-1050 мгБПК/(г*сут), на II ступени - 350-400 мгБПК/(г*сут).

8. Наличие вторичного отстойника на первой ступени приводит к существенному снижению величины константы К,„ и следовательно к увеличению глубины очистки от трудноокисляемых органических веществ по ХПК. При очистке сточной воды сииртзавода в одноступенчатом аэротенке предельная степень очистки по ХПК составляет 1600-1700 мг/л, а в двухступенчатом аэротенке - 150-170 мг/л. Активный ил из аэротенка II ступени характеризуется большим видовым разнообразием микроорганизмов по сравнению с активным илом из I ступени.

9. Выполнена технико-экономическая оценка двухступенчатой биологической очистки производственных сточных вод спиртзавода, по сравнению с технологией упаривания. Внедрение предлагаемого метода очистки позволит получить годовой экономический эффект 7541,35 тыс.руб.

10. На основании результатов проведенных исследований выданы рекомендации, но которым запроектированы очистные сооружения для спиртового завода ОАО «Астраханский спиртзавод». Разработанные рекомендации могут быть использованы при строительстве новых и реконструкции очистных сооружений действующих предприятий по производству спирта из зерно-картофельного сырья.

Публикации по теме диссертации:

1. Аронова Т.А. Скрппппг способа очистки сточных вод спиртовых заводов, перерабатывающих зернокартофельное смрье//Наука: поиск 2003: Сб.науч.ст. Вып.2: в 2 т. Т2/АГТУ. - Астрахань: Изд. АГТУ, 2004 г.

2. Саинова В.Н., Саинов Д.И., Аронова Т.А. Исследование многоступенчатой схемы биологической очистки сточных вод спиртовых заводов // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия «экология и безопасность жизнедеятельности». №2(12) 2005 г. -М.: Изд. РУДН, с. 100-102.

3. Саинова В.11. Саинов Д.И. Аронова Т.А. Скрининг оптимального способа очистки сточных вод спиртовых заводов // Вестник АГТУ. Специальное приложение к №5(28) 2005г сентябрь-октябрь. - Астрахань: Изд. АГТУ, с. 19-21.

4. Саинова В.Н., Аропова Т.А., Саинов Д.И. Оптимизация процесса биологической очистки сточных вод спиртового завода// Вестник АГТУ. №3(32) 2006г. - Астрахань: Изд. АГТУ, с.228-232.

5. Аронова Т.А., Костров А.Н. Исследование процесса изъятия загрязнений активным илом при биологической очистке сточных вод ОАО «Астраханский спир-тзавод»//51-я научно-практическая конференция профессорско-преподавательского состава Астраханского государственного технического университета: тез.докл. В 2 т./ АГТУ. - Астрахань: Изд. АГТУ, 2007 г.

6. Аронова Т.А. Биологическая очистка сточных вод спиртовых заво-дов//Водоснабжен11с и санитарная техника. №10, часть 2, 2010 г.

7. Саинова В.Н., Аронова Т.А. Способ очистки сточных вод. Патент на изобретение 2320547 Решение о выдаче патента на изобретение ог 27.03.2008 I". Заявка №2006126927 от 24.07.2006 г.

Автор выражает признательность за помощь в проведении исследований сотрудникам кафедры «Инженерная экология и природообустройство» ФГОУ ВПО «АГТУ» к.т.н., доценту Саиновой В.Н., к.б.н., доценту Саинову Д.И., Маркиной В.П.

БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННЫХ СТОЧНЫХ ВОД СПИРТОВЫХ ЗАВОДОВ

Аронова Татьяна Алскхандровна 05.23.04. Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

Подписано к печати 16.12.2010 г. Заказ №

Бумага офсетная. Тираж: 100 экз.

Печать офсетная.