автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Глубокая биологическая очистка сточных вод от соединений азота

МИНИСТЕРСТВО СТРОИТЕЛЬСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ И КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ водоснабжения, канализации, гидротехнических сооружений и инженерной гидрогеологии

_(НИИ ВОДГЕО)_

Р Г 5 ОД

на правах рукописи

! о !•■■!■(

СВЕРДЛИКОВ, Александр Анатольевич

ГЛУБОКАЯ БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД ОТ СОЕДИНЕНИЙ АЗОТА

(05.23.04 — водоснабжение, канализация, строительные системы охраны

водных ресурсов)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва— 1996

Работа выполнена в Государственном предприятии, комплексном научно-исследовательском и конструкторско-технологическом институте водоснабжения, канализации, гидротехнических сооружений и инженерной гидрогеологии (НИИ ВОДГЕО) Минстроя РФ , г. Москва

Научный руководитель -

Доктор технических наук БОНДАРЕВ А.А.

Официальные оппоненты —

Доктор технических наук, профессор СКИРДОВ И.В. Кандидат технических наук НЕПАРИДЗЕ Р.Ш.

Ведущая организация — ГПИ "СОЮЗВОДОКАНАЛПРОЕКТ", г. Москва

Защита состоится 29 мая 1996 г. в 11 часов на заседании специализированного совета К 033.05.02 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в НИИ ВОДГЕО Минстроя РФ, по адресу: 119826, г. Москва, Комсомольский проспект, 42.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИ ВОДГЕО (119826, г. Москва, Комсомольский проспект, 42).

Автореферат разослан 26 апреля 1996 г.

Учёный секретарь специализированного совета, к.т.н.

Чистякова Л.А.

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИИ

P'Pwiv — удельная скорость, максимальная удельная скорость окисления, мгБПКиоли/От.п'ч); мгХП1С/(гг„,-ч); р,,„л,р,/(,„ — удельная скорость нитрификации, дснптрпфикацни, мгЫ/(гбп"|);

Кт — константа насыщения Михаэлпса-Меитен, мг/л;

^-Mhot.v — удельная, максимальная удельная скорость роста микроорганизмов, мг/(игч); Ks — констан т полунасыщения d уравнение Mono, мг/л;

а-, — концентрация актнпного ила, г/л;

/\'г - коэффпциситтрапсформацпп субстрата и kjiciomiii>iíí мате-

риал, г/г;

К, — энергетический коэ(|)(|)пцнсит, г/(гч);

'/' — возраст активного ила, су г;

/ —время аэрации,ч;

Ф — коэффициент ипгнбироианпя продуктами метаболизма, л/г;

Q, ч — расход сточных иод, избыточного ила, м Vcy r;

<7, - вынос u3dcuichiiblx всщсств из вторичных отстойников, мг/л;

— концентрация азота "общего, органического, miN/ji;

Nnii-i — концентрация азота аммонийного, mtN/л;

/V,v„ — сумма концентраций азота нитрито» м нитратов. мгЫ/л;

S — копией грация органических веществ очищенной сточной

жидкости, мгБПКполп/л; мгХПК/л;

/«, ' — безразмерный критерий — произведение илового индекса па

концентрацию активного ила; С„ — концентрация растворённого кислорода, mi O2/j1;

А'„ — константа полунасыщения кислорода, мг/л;

Sc„,SZl„ — концентрации попов, соответственно, меди, цинка, никеля,

S,у,-, SCr хрома, мг/л;

I<¡ — константа ннгнбнрования, мг/л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы: Рост научно-технического прогресса, развит! промышленного и жплпщпо-бытового' строительства, требуют улучшеш качества подаваемой воды потребителям. Резервы воды истощаются из— всё нарастающего загрязнения водных источников. Возникает проблс» предупреждения поступления вредных веществ d природные водоёмы. Т как естественные биологические процессы, которые протекают в водоём; уже не обеспечивают самоочищения, происходит нарушение экологпческо равновесия.

Сточные воды, кроме различных загрязнении, содержат ещё и сое; пения азота и фосфора. Проблема удалении азот- и фосфорсодержащих с< дпненнн возникла п связи с ухудшением качества поды рек и водохранши питьевой воды, вызванного эвтрофнкациеи, которая обуславливается нал чием избыточного количества питательных элементов в поверхностных еле воды. Это в свою очередь вызывает усиленный рост водорослей и макрос' тов. Эта водная растительность мешает прохождению света вглубь водоё| потребляет растворённый кислород и приводит к разрушению фауны н гт ному исчезновению рыбы.

Таким образом, глубокая биологическая очистка сточных вод от с дппеппп азота является одной из глобальных проблем. Экологически чист и эффективные методы биологической очистки сточных вод от соедини азота требуют строительства новых, расширения уже существующих оч) пых сооружений. Глубокое к всестороннее изучение вопроса удаления из ды соединений азота ведётся уже много лет различными специалистам э той области наук многих стран мира.

Применяемые в пашен стране технические решения для бполс ческой очистки сточных вод, не обеспечивают эффективного удаления единений азота до требований предельно допустимых концентраций (П^ для сброса в водоём. За рубежом методы биологической нитрн-дешп фикацпи (НДФ) находят всё более широкое применение для очистки roj скнх и промышленных сточных вод. Известно много оригинальных тел чеекпх решений, как в области конструктивного оформления процесса, т< в технологии. Однако, потенциальные возможности совершенствования i цесса использованы ещё далеко не полностью.

Работа проводилась в соответс твии с фундаментальных и иопско работ ГНЦ РФ III Iii ВОДГЕО, а также по хоздоговорам с рядом пром ленных предприя тий.

В предлагаемой диссертационной работе научно обоснованы, обобщены, развиты и показаны оригинальные пути биологического удаления соединений азота из сточных вод.

Цель и задачи. Целью диссертационной работы является интенсификация процессов биологической очистки городских и промышленных сточных вод от соединений азота с достижением показателей качества очищенных сточных вод до уровня ПДК рыбохозяйственных водоёмов, разработка методики расчёта сооружений, рекомендаций на проектирование и области их применения.

В соответствии с целью настоящей работы предстояло решить следующие задачи:

• провести исследования и определить оптимальные технологические параметры проведения аэробного процесса с одновременной нитри-денит-рификацией производственных и городских сточных вод в аэрогенках-осветлптелях различных технологических модификаций;

• изучить кинетику процесса одновременной пптрн-денитрпфикации в зависимости от внешних факторов окружающей среды;

• получить кинетические и физиологические коэффициенты процесса одностадийной ннтри-денитрификации для уравнений ферментативной кинетики и популяцпонной динамики;

• составить математическую модель процесса одновременного окисления органических загрязнений, нитрификации и денитрификации;

• в производственных условиях подтвердить возможность проведения денитрификации в аэробных условиях в аэротенках коридорного типа;

• получить значения коэффициентов ингибирования нитрификации нонами металлов, при очистке смеси городских и промышленных сточных вод в производственных условиях;

• разработать методику инженерного расчёта технологических схем с одновременной нитрификацией и деннтрпфнкацней, без добавления дополнительного органического субстрата;

• оценить технико-экономические показатели разработанных методов нит-рп-денитрнфикации.

Научная новизна работы.

• Экспериментально подтверждена возможность проведения и интенсификации процесса глубокой одновременной биологической очистки сточных вод в аэробных условиях со взвешенным слоем ила от всех форм соединений азота, обеспечивающей достижение уровня ПДК для сброса в водоём рыбохозяйственного значения.

• Установлена зависимость удельной скорости удаления соединений азота при одновременном проведении процессов окисления органических веществ, нитрификации и денитрификации жидкости в аэробных условиях, от основных технологических параметров процесса (время аэрации, возраст активного ила, концентрация ила, нагрузка на ил, гН2), в соответствии с уравнениями ферментативных реакций, для которых получены значения кинетических и физиологических констант.

• Экспериментально определено влияние ионов металлов на эффективность процесса нитрификации и получены соответствующие константы ингиби-рования в производственных условиях.

На защиту выносятся:

• результаты исследований процессов окисления углеродсодержащнх загрязнений, нитрификации и денитрификации при биологической очистке производственных и городских сточных вод в аэротенках-осветлителях и колонных аэротенках со взвешенными слоями активного ила, что позволяет обеспечить оптимальные расчётные и технологические параметры работы сооружений для достижения ПДК соединений азота в очищенной воде при сбросе в водоём рыбохозяйственного значения;

• методика инженерного расчёта и рекомендации по применению разработанных типов аэротенков;

• результаты работ по внедрению аэротенков и технологических схем сооружений в практику очистки сточных вод и технико-экономической оценке.

Научно-практическая новизна результатов исследований и разработанных на их основе конструктивно-технических решений технологии подтверждены 3 авторскими свидетельствами на изобретения.

Практическая значимость работы.

Разработаны, всесторонне исследованы и внедрены технологии биологической очистки городских и производственных сточных вод от органических веществ и соединений азота.

Разработан метод расчета и рекомендации на проектирование по реконструкции и строительству новой технологии совместной аэробной нитри-денитрификации и ее аппаратурно-конструктивное оформление в сооружениях для очистки городских и производственных сточных вод химической промышленности, путем реконструкции и строительства новых сооружений, с обеспечением современных требований ПДК для выпуска в водоемы или повторного использования города и промранона в г. Стерлитамаке (в настоящее время осуществляется строительство).

Внедрение результатов

• Научные п практические рекомендации диссертационной работы используются различными проектными организациями: ГПИ Союзводокапал-ироект, ГПИ Укрводоканалнроект н др.

• Результаты выполненных исследований внедрены в практику эксплуатации очистных сооружений завода "Прогресс" в т. Степногорске, производительностью 8,5 тыс. м-'/сут, очистных сооружениях биологической очистки города и промрайона в г. Стерлитамаке, производительностью, соответственно, 40,0 тыс. м'/сут и 95,0 тыс. м3/сут, очистных сооружениях в г.г. Саки, Старый Крым, Буек, Чудпов, Узин, производительностью, соответственно, 22,0; 5,0; 3,5; 1,4 и 1,0 тыс. м'/сут.

Суммарный экономический эффект от внедрения результатов исследований составил — более I млн. в год (в цепах 1984 т.).

Апробации работы

Основные положения диссертации опубликованы в 9 работах в журнале "Водоснабжение и Санитарная Техника", в сборнике "Паука и техника в городском хозяйстве" и других изданиях. Результаты работы докладывались на 'научно-технических конференциях, семинарах, технических соне/ах ГПИ "Союзводокапалпроект", АО "Каустик" г. Стсрлптамак.

Диссертационная работа состоит из: введения, 5 глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложений. Диссертация изложена на 193 страницах, содержит 76 рисунков. 21 таблицу и приложения, библиография включает 129 источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

|{о введении выполнен анализ современною состяпии проблемы биологического удаления азота, обоснованы актуальное!!» и значпмоси. постановки научно-исследовательской рабош, сформулированы цели и задами и общая характеристика рабош.

В первой главе дан анализ существующих схем бполо! ического удаления азота, одно-, двух-, многоступенчатых, со взвешенной, прикреплённой и комбинированной микрофлорой. Рассмотрен!.! их преимущества и иедо-с I а тки.

Диализ рассмотренных схем сооружений для биологическою удаления азота из сточных вод, позволил выявить их основные недоспикп:

• Большинство существующих схем очно пых сооружении не обеспечиваю! выполнение норм ПДК, по сбросу очищенных сточных вод, для рыбохо-зяйствснпых водоёмов.

• При наличии нескольких ступеней сооружений существенно усложняется управление процессом.

• Необходимость эксплуатации большого числа сооружений различного технологического назначения (насосные станции рецнркулнрующего ила, циркуляции больших объемов сточной жидкости, тарификаторы, деиит-рпфнкагоры, вторичные, третичные п четвертичные отстойники), высокие капитальные затраты н земельные площади.

• Необходимость использования дополнительного субстрата в качестве источника органического углерода для дешггрифпкацпи.

• Наличие гидродинамического перемешивания или механических мешалок в дешггрпфнкаторе, которые часто выходят из строя и способствуют загрязнению очищаемых сточных вод нефтепродуктами.

Следовательно, возникает необходимость разработки технологии процесса биологической нитри-деннтрифнкацни н аппаратурного оформления этого процесса в сооружениях, позволяющих исключить перечисленные выше недостатки и более полно использовать потенциальные возможности микробиологических процессов.

При выборе тина такого реактора для осуществления процесса биологической очпегки сточных под с одновременной нптри-депптрнфикацпей, определяющими являлись следующие требования:

• обеспечение условий для оптимальной совместной жизнедеятельности гетеротрофных, нитрифицирующих и денитрифицирующих бактерий;

• уменьшение числа набора и ступеней очистных сооружении;

• обеспечение требуемого качества очищенной воды (в соответствии с ПДК для рыбохозяйственных водоёмов);

• сокращение удельной стоимости очистки и земельных территорий;

• простота эксплуатации сооружении.

Для выполнения этих требовании в аэротепке должны создаваться следующие условия:

• обеспечиваться поддержание высокой дозы активного ила — 4-^8 г/л;

• возможность создания зон с пониженным содержанием растворённого кислорода п с гидравлическим перемешиванием (без применения мешалок);

• проведение процесса нитрификации и денитрцфикацип должно осуществляться в псевдоожижениом слое активного ила, который обеспечивает значительное увеличение скорости процесса;

• разделение иловой смеси наиболее целесообразно осуществлять в псевдоожижениом слое активного ила, так как при этом обеспечивается более качественное осветление очищенной воды (по сравнению с обычными вторичными отстойниками).

Из известных типов аэротенков наиболее полно отвечает указанным условиям для обеспечения совместной нитри-денитрпфнкацип аэротенки-осветлители, исследованные и разработанные в НИКТИ ГХ.

Однако, до настоящего времени в рассмотренных сооружениях не ставилась задача проведения исследований по изучению закономерностей процесса глубокой биологической очистки с одновременной совместной ннт-рн-денптрифнкацией, для обеспечения выполнения возросших современных требований к качеству очищенной жидкости.

На основании выполненного литературного обзора и анализа известных методов и технологических схем, показаны преимущества одноступенчатой биологической очистки сточных вод с' одновременной нитри-депитрификацией, поставлены цели и задачи исследования и разработки технологии процесса аэробной одновременной биологической нитрп-дспн-грификации и аппаратурного оформления в аэротенках-осветлителях и коридорных аэрогенках различных конструктивно-технологических модификаций.

Во второй главе рассмотрены основы процессов аммонификации, нитрификации и денитрифнкации и изложены теоретические предпосылки возможности проведения процесса деинтрификации в аэробных условиях.

Наиболее существенно влияющими на скорость процессов нитрификации и денитрифнкации являются следующие факторы: рН, температура, концентрация растворенного кислорода, щелочность, характер органического углерода и его концентрация, концентрация азота аммонийного, азота нитритов и нитратов, свободного аммиака и свободной азотистой кислоn,i. окислительно-восстановительные свойства жидкости, характеризующиеся величиной рсдокс потенциала (гН2), возраст активного ила, ингибирующее действие токсических веществ и продуктов метаболизма.

Выполненный анализ теоретических основ процессов нитрификации и деинтрификации показал, что процесс глубокого биологического окисления органических веществ и соединений азота следует рассматривать с позиций популяцнониой динамики смешанных культур микроорганизмов, описываемых модифицированным уравнением ферментативных реакций Михаэ-лиса-Ментен, уравнением Моно, с учетом ингибирования субстратом, концентрацией растворенного кислорода, токсичными веществами, продуктами метаболизма.

Научный анализ информации показывает возможность и перспективность совершенствования технологии одновременного проведения биологической нитрификации и деинтрификации в аэробных условиях путем создания оптимального сообщества популяции нитрифицирующих и денп-

трифпцирующпх микроорганизмов, условий соблюдения постоянного возраста активного ила с целыо поддержания микроорганизмов в определенной фазе их развития, разработки и применения аппаратов со взвешенными и иммобилизованными культурами микроорганизмов активного ила.

В практике очистки сточных вод депптрнфикацпю, как правило, проводят в анаэробных условиях. Однако исследованиями, проведенными во ВНИИ ВОДГЕО A.A. Бондаревым, Н.В. Захвагаевой, Н.М. Ильинской, и др. была установлена, возможность проведения процесса дешприфнкации в аэробных условиях без дополнительного органического субстрата. Эффективность денитрификации увеличивается с уменьшением редокс потенциала и достигает максимума в диапазоне гЛ2от 13 до 17.

Способность активного ила к дешприфнкации в аэробных условиях, при определённых значениях гН2 среды, является основой для возможности проведения процесса нптри-денитрификацин одновременно в одноступенчатом аэрируемом сооружении.

Для выбранной конструкции очистного сооружения необходимо определить технологический режим, при котором процессы окисления угле-родсодержащих загрязнений, нитрификации и денитрификации шли одновременно в аэробных условиях. Скорости нитрификации и денитрификации при этом должны быть равны.

Необходимо проведение исследований для получения технологических параметров процесса одновременной биологической нитрификации и денитрификации для расчета аэротепков и экспериментального определения кинетических коэффициентов р„„,л, К,,,. К,,, ср, ц„„п, А'„ п физиологических коэффициентов К,, Кр, которые определяются для активного пла, адаптированного к заданному технологическому режиму.

В третьей главе обоснован выбор наиболее рационального конструктивного оформления процесса одновременной нитри-денитрификации городских сточных вод, сформулированы цели и задачи экспериментальных исследований, приведена характеристика опытных установок.

Анализ различных биологических систем и факторов, влияющих на эффективность процессов нитри-денитрификации, позволил определить тип установок, работающих по принципу непрерывно-проточных реакторов со взвешенными слоями микроорганизмов активного ила.

Данный тип реакторов наиболее полно отвечают условиям, благоприятным для одновременной жизнедеятельности различных групп микроорганизмов: гетеротрофных, нитрифицирующих (автотрофиых) и денитрифицирующих (факультативные анаэробы).

Дли проведения исследований п решения поскшлсннмх ¡адач разработаны и применены технологические схемы крупно-масшlaGm.ix опытных установок аэрогенков-осветлителсй пнтрп-денптрификаторов, максимально приближенных к условиям реальных сооружений и повышающих достоверность полученных данных схема. Схема экспериментальной установки аэро-тенка-освеглителя коридорного типа представлена на рис. 1. Техническая характеристика установки — общий объём — 16 м\ в том числе, объём зоны аэрации — 6 м\ объём зоны осветления — 8 м-\ объем защитной зоны очищенной воды — 2 м\ площадь поверхности взвешенного слоя — 4 м2.

Исследования также проводились на опытно-промышленной установке с аэротснком-осветлителем колонного типа комбинированной конструкции (рис. 2 а), диаметром 1,6 м, высотой 19,5 м . Объём отстойника — 5,1 м\ объём ила в аэротенке — 20 м1, суммарная площадь поверхности взвешенного слоя — 9,35 м2, количество ячеек фильтра — 2, площадь ячейки фильтра — 1 м2. объём резервуара промывной поды — 7.9 м3.

Для проведения экспериментальных исследовании также использовалась производственная установка аэротсика-осветлителя колонного типа блочпо-модульпоп конструкции со .струйной системой аэрации (рис. 2 б), состоящая из 6 резервуаров высотой по 6 м, диаметром по 1,8 м. Объём ила в аэротенке — 60 м1. суммарная площадь поверхности взвешенного слоя — 22 м2, площадь одного яруса — 2 м2.

Составлена методика проведения исследований, определяемая необходимостью решения поставленных целей п задач. Исследования проводились на реальных городских сточных водах г. Киева. Контроль за работой установок осуществлялся по общепринятым методикам. Обработка и оценка полученных экспериментальных данных, осуществлялась по модифицированной модели Михаэлиса-Ментен и Mono, па основе приемов математической статистики с применением компьютера.

В четвёртой главе приведены результаты экспериментальных исследовании основных закономерностей процесса удаления азота из городских сточных вод в аэротенках-осветлитслях.

Исследования на производственной установке аэротенка-осветлителя проводились при различных значениях времени аэрации от 2,5 до 8,8 часа, при этом расход сточных вод изменялся от 1 м3/ч до 2 м3/ч. Концентрация активного ила определялась текущим технологическим режимом, в зависимости от поддерживаемого значения возраста ила п изменялась в пределах от 2,5 до 8 г/л. Возраст активного ила изменялся от 4,4 до 48 сут.

Технологическая схема м общий ипд производственной установки аэротеика-оеветлптслн коридорного тина

1 - трубопровод подачи сточной воды; 2 - первичный отстойник; 3 - насос; 4 - аэро-тенк-осветлитель; 5 - бак для регулировки расхода; 6 - измерительный бак избыточного ила; 7 - переливной трубопровод для сброса в канализацию; 8 - лоток для сбора очищенной воды; 9 - переливные окна; 10 - рециркуляционная щель; 11 - аэраторы; 12 - зона аэрации; 13 - зона осветления; 14 - граница взвешенного слоя; 15 - защитный слой очищенной жидкости; 16 - шибер.

Рис. 1.

Общим вид производственных установок с аэротенком-осветлнтелем

колонного типа

а) аэротенк-осветлитель комбинированной конструкции; б) аэротенк-осветлитель блочно-модуль-ной конструкции со струйной аэрацией.

Рис. 2.

На 1 этапе исследований определялось влияние концентрации кислорода в зоне осветления на эффект денитрификации, с целыо определения необходимого режима рециркуляции. По известным представлениям считалось, что с уменьшением концентрации растворённого кислорода в иловой смеси эффект денитрификации должен увеличиваться. Для понижения концентрации растворённого кислорода в зоне осветления уменьшалась рециркуляция между зонами аэрации и осветления. Исследовались режимы обработки сточных вод с временем аэрации 5 часов и возрасте активного ила 18 и 32 су г, при / — 6,7 ч и Т— 18 н 26 сут, при / — 8,7 часа и Т— 32 и 48 суток.

При всех исследованных режимах достигалось глубокое удаление уг-леродсодержащих загрязнений — значения основных показателей находились в пределах: ХГ1К — 45-51,9 мгО/л, БПКз — 1,7-3,8 мгО/л, взвешенные вещества (ВВ) — 7,2-10,0 мг/л, Г^-МН4+ — 0,35-2,24 мгЫ/л, N-N02' — 0,039-0,23 мг^л, N-N03' — 0,25-6,9 мгЫ/л. Результаты исследований пока-

зывшот, что с увеличением возраста ила остаточное содержание аммонийного азота в очищенной жидкости стремится к уменьшению. Концентрация азота нитратов при всех значениях возраста ила соответствует ПДК, что свидетельствует об интенсивном протекании процесса денитрификации. Значения редокс потенциала иловой смеси 19,1-^23,6 находилось в диапазоне, неблагоприятном для процесса нитрификации 2 фазы, поэтому концентрация нитритов, хотя и имела низкие значения, но не достигала ПДК.

Таблица I.

Показатели Качество очищенной воды, при периоде аэрации, ч

и возрасте ила,сут

2,5 3 4 6

4,4 13 4,7 9,1 13,8 22 32 43

I. ХПК,мгО/л 80,6 58,4 65,0 34,0 58,2 52,7 46,5 49

2. Окисляемость, мгО/л 18,2 13,7 11,0 10,9 10,6 7,5 13,1 12,3

3. БПКз, мгО/л 7,2 5,5 6,5 3,96 3,5 3,8 6,2 4

4. ВВ, мг/л 12,1 11,2 10,5 10,1 9,5 9,7 9,0 8,1

5. М-ЫН.,+, мгЫ/л 2,42 2,58 0,61 0,43 0,4 0,78 0,2 0,08

6. N-N02", мгЫ/л 0,41 0,335 0,27 0,209 0,21 0,19 0,006 0,017

7. N-N03-, мгМл 0 0 0 0 0 0,35 0 0

8. рН 7,4 7,5 7,4 7,35 7,4 7,5 7,3 7,3

9. еН, мВ 157 120 135 123 125 110 92 80

\0.гН2 20,2 19,1 19,3 18,9 19,1 18,7 ¡7,7 17,3

11 .Растворён. С>2, мг/л 1,8 1,7 1,9 1,7 2,0 1,9 2,5 2,3

12.Доза ила, г/л 3,45 7,5 2,8 5,9 5,8 6,1 5,9 7,06

13.р0(ЗГ, мгБПКп/(г-ч) 21,2 8,2 22,7 13,4 8,4 8,7 5,4 4,3

14.р, мгХПК/(г-ч) 38,5 15,6 37,4 25,1 16,0 16,6 10,0 8,1

15.р„„, MГNNII4/(Г•Ч) 8,0 '3,0 5,0 2,5 1,71 2,21 1,3 1,2

16.рл.„, МгН<ц02+М03|/(Г-'|) 7,88 2,9 4,87 2,47 1,69 2,2 1,23 1,17

П.?,, мгХПК/(г-сут) 924, 372 897 602 384 398,4 240 196

18мrNNП4/(г•cyт) 192 72 120 60 41 53 31,2 28,8

' 9.<7,/с,,„МГК(Ы02+Ы031/(Г-Сут) 189 69,6 116,8 59,8 40,5 52,8 29,5 28,1

20.ОМь гХПК/(м3-сут) 2,39 2,1 1,9 2,7 1,67 1,8 1,06 1,04

21 .ОМш1п гЫм|4/(м!'Сут) 0,5 0,4 0,25 0,26 1,78 2,4 1,37 1,52

22.0А/Л,,,,Г^М>!.МО)>/(М>Сут) 0,49 0,39 0,24 0,26 1,76 2,4 1,3 1,48

23 .Э1ШГ, /о 93 90 98 99 97 97 99 99'

24 .ЭЛя,% 98 98 98 98 99 99 99 98

25.Рм, мг/мгБПКполн 0,31 0,32 0,39 0,38 0,37 0,22 0,26 0,21

26.Прирост ила, мг/л 68,1 70,1 85,9 86,5 81,9 49,1 56,9 44

На 2 этапе исследований для уменьшения значения редокс потенциала ыла увеличена степень рециркуляции между зонами аэрации и осветления. В езультате величина гЫ2 снизилась до 17,3+18,7. Для того, чтобы построить ривые кинетики по окислению органических веществ, нитрификации и де-¡итрификации, проводились исследования при более низких значениях воздетой ила и времени аэрации и повышенных нагрузках на ил по ХПК и азо-у. Режимы обработки сточной воды были следующие: при I — 2,5 часа и Т — 4,4 и 13 суток, при / — 3 часа и Г— 4,7 и 9,1 суток, при I — 4 часа и Г — 3,8 и 22 суток, при I — 6 часов и Т— 32 и 43 суток, (таблица 1).

Были определены минимально допустимые значения технологических 1араметров, время аэрации — б часов и возраст пла от 32 до 43 суток, при соторых достигалась наиболее глубокая очистка от соединений азота. Концентрация аммонийного азота и нитритов в очищенном стоке снизилась до минимальных значений и составляла, соответственно — 0,08+0,2 и ),00б+0,017 мг/л, при полном отсутствии нитратов. Также достигалась глубокая очистка от органических соединений: ХПК — 46,7+49,0 мг/л, БПК5 — 4,0+6,2 мг/л, концентрация активного ила составляла 5,9+7,06 г/л. Редокс потенциал оставался на уровне 17,7+17,3. Показатели очищенной жидкости были устойчивые в течение периода исследований в данном режиме.

Установлена зависимость эффективности нитрификации и денитри-фикации от еН и г112 жидкости. Значение еН изменялось в зависимости от концентрации растворённого кислорода в зоне аэрации и в зоне взвешенного слоя. Концентрация растворённого кислорода в зоне аэрации изменялась в зависимости от интенсивности аэрации от 1,5 до 3,5 мгОг/л, а в зоне взвешенного слоя — в зависимости от степени рециркуляции между зоной аэрации и зоной осветления — от 1,3 до 3,3 мгСЬ/л.

Таблица 2.

Значения кинетических и физиологических коэффициентов

Наименование Окисление ор-ганич. вещ. Нитрификация Денитрифика-ция

1) р„т., МгБПКполп/(Г-ч) 108 50,7 102

2) Кп„ мг/л 18 1,31 0,32

3) ф, л/г 0,175 0,102 0,105

4) Кп, мг/л 0,6 1,0 0,6

5) IV«. сут-' 0,48 0,69 0,57

6) К„ мг/л 22,5 9,7 0,148

7) К„, мг/л 0.25 0,5 0,25

8) /С,,мг/(г-ч) 0,94 0,013 0,06

9) /<",„ мг/г 105 27,17 26,37

В результате математической обработки, получен ряд графически? зависимостей, характеризующих напряжённость протекания процессов очистки сточных вод. Определена кинетика окисления органических веществ пс ХПК, нитрификации и денитрификации, зависимости удельной скорости нитрификации и денитрификации от возраста ила (рис. 2-8). В результате математической обработки определены значения кинетических и физиологических коэффициентов, которые приведены в таблице 2.

Кинетика окисления органических загрязнений О 5 10 15 20

8-ш

б 5 к

га с

.о о. ^

Ф о; Ч ^

>• г

5

ы

о

125 20 15}

I

10

5

0 0

БПК

30 25 20 15 10 5 0

5 10 15 20 25 30 очищенной жидкости, мг/л

Динамика роста гетеротрофных микроорганизмов

&0.300

§ 0.05

0 10 20 30 40 БПК очищенной жидкости, мг/л

Рис.3.

Кинетика нитрификации

0 0.5 1.0 1.5

2.0 15.0

Концентрация аммонийного азота в очищенной воде, мг(\1/л

Рис. 4.

Кинетика денитрификации

О 0.15 0.30 0.45 0.60 о.;

1 1 ьу' 1 X4 1 1

» /4 1 1 \

л/._____ 1 .... с_____

«М 1 1 1

12.5

10.0

7.5

5.0

2.5

0.15 0.30 0.45 0.60 0.75

Сумма нитритного и нитратного азота в очищенной воде, мгЫ/л

ш

Рис. 5.

Рис. 6.

Зависимость удельном скорости жпслсшш органических веществ от возраста активного ила

О 10 20 30 40 50 •у 30р ....................."30

10 ;Ё

1чз 20 -20

\ 5

с "~Ь)15 •-15

2 о?

3 к 1010

0 г:

1 х

Ч> сс

с; 5'5

о

О о' •■■■'• 1 ■ ' 1 1 ■ 1 '■■••'■■ '^0

0 10 20 30 40 50

Возраст активного ила, сут Рис. 7.

Зависимость концентрации активною ила от его возраста

Рис. 8.

Проводились исследования но изучению закономерностей процесса щетки сточных вод биохимической промышленности, с целью проверки в юизводствепных условиях возможност и проведения процесса одновремеи-)Н нитри-депнтрпфпкации азотсодержащих с точных вод в аэротенке, а 1кже экспериментального определения кинетических коэффициентов.

Установлена возможность эффективной очистки производственных очных вод биохимического завода от соединений азота в аэротенке смеси-:ле в одну ступень, при строгом поддержании на одном значении возраста пивного ила (не менее 50 сут).

Эффект депитрификацпи в аэробных условиях в аэротенке смесителе >ставляет 75-^90%.

Определены кинетические коэффициенты процесса очистки произ-)дственных сточных вод в аэротенке смесителе при 7-50 сут (рис. 9), „„,=24,9 мгХПК/(г-ч), К, =61,8 мг/л, =46,8 мг/л, которые использовались 1я составления методики расчёта и рекомендаций на проектирование.

Установлено прохождение нитрификации по вторичном отстойнике, редняя эффективность I фазы нитрификации — 30%, второй фазы нитрн-икации — 95% (рис 10).

В результате производственных условиях подтверждены теоретиче-;ое обоснование и результаты экспериментальных исследований, получение на пилотных установках о положительном влиянии стабилизации воз-

раста ила на эффективность процессов окисления углсродсодсржащпх з, грязиений, нитрификации и аэробной депитрифнкации, происходящих одн< временно в одном объеме сооружения.

Кнпстнка окисления органических веществ (ОС з-да "Прогресс")

Зависимость эффекта нитрификации во вторичном отстойнике от концентрации ила в иловой смеси поступаю щей в отстойник

О

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 „„

....................-юс

/ пО Г 3 о 2

а

О у 1

------ О / / о о

У Л

0 50 100 150 200 ХПК очищенной воды, мг/л

Рис. 9.

Кинетика ишибированпя нитрификации ионами хрома (ОС г. Ижевска)

750 1.5 3.0 4.5 6.0 7.

■о ^6.0

80 60 40 20 0

0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 Концентрация активного ила, г/л

1 - нитрификация 1 фазы; 2 - нитрифик ция 2 фазы.

Рис. 10.

Трёхмерный график зависимости

Концентрация аммонийного азота в очищенной воде, мгЫ/л

Рнс. 11.

Рис. 12.

Проводились исследования в производственных условиях на очист-х сооружений г. Ижевска, г. Киева, г. Череповца для определения зависнет! I эффекта удаления из сточных вод ионов металлов, от прироста и воз-ста активного ила и определения коэффициентов ннгибирования нитрифи-цни ионами тяжелых металлов.

Степень удаления ионов тяжёлых металлов в наибольшей степени за-сит от величины прироста активного ила — чем больше прирост ила, тем лыпе степень изъятия металлов. При уменьшении возраста активного ила фект удаления металлов возрастает, однако при этом уменьшается эффект трификации.

В условиях действующих очистных сооружений получены константы гпбирования нитрификации городских сточных вод для ионов тяжёлых галлов (рис. 11 и 12) — К? = 7,5 мг/л, К™ = 4,6 мг/л, К?" = 2,6 мг/л, мг/л. При увеличении возраста активного ила ингнбпрующее действие па трпфикацшо попов тяжёлых металлов снижается.

В пятой главе отражены результаты практического использования ссертационной работы, рекомендации на применение аэротенков осветли-гей и аэротенков колонного типа для очистки городских и производствен-х сточных вод.

Выполнена разработка методики расчета и рекомендаций по проек-эованню и осуществлено внедрение технологии одновременной глубокой ологическон пнтри-депитрифпкации для очистки городских и промьпн-шых сточных вод па ряде новых и реконструкции действующих очистных ищпй, рис. 13.

Метод расчёта одноступенчатых реакторов с окислением углеродсо-)жащнх загрязнений, нитрификацией и денитрификацией, основан на за-юмерностях ферментативной кинетики. Используются значения кинетиче-IX и физиологических коэффициентов, полученные на основании исследо-шй, таблица 1.

Расчет состоит в определении значения удельной скорости роста по рмулам (1-3).

(1)

М,„7г = 1-1.

шах , ..

пи г ^ А.., +/V ЛГ//4/

NN11,

-I

(2)

Технологическая схема комплекса очистных сооружений типа "Ромашка" блочно-модульной конструкции, производительностью 200-1000 м3/сут

ГШ

та

а) технологическая схема; 6) общий вид.

1 - подача сточной жидкости; 2 - решетки; 3 - сита; 4 - песколовки; 5 - приемная камера; 6 - осветленные сточные воды; 7 - блок аэротенков - осветлителей колонного типа; 8 - биологически очищенные сточные воды; 9 - блок биореакторов доочистки; 10 - контактные резервуары; 11 — сброс очищенной жидкости; 12 - хлоропровод; 13 - насосы; 14 - производственно - вспомогательное здание; 15 - смеситель; 16 - илопро-вод.

Рис. 13.

,, =/í í ^ыо

NÚ

\S +KSJ VCo + Ko.

Со

'Krih'Ki (3)

По удельной скорости роста определяется минимальный требуемый раст ила для каждого процесса по формуле (4)

Т = —, сут (4)

И

Процесс, для которого требуемый возраст имеет наибольшее значе-является лимитирующим и для пего производится дальнейший расчет, ельную скорость окисления для выбранного процесса (окисления органи-ннтрнфнкацип или деиитрификации) определяем по формуле:

Р = К, + у,м г/(г-ч)

(5)

После определения р, а также на основании р„Ш1, К,„, , можно рассчи-ь концентрацию активного ила по формуле (6).

5 -Со 1

Рог, = Р,

org ' ni ах

K„,-Co + K„-S +Co-S 1 +<р-а,

Ршг = Р,

f ■■ \ ( \ г , \

■v//.,

так mtr

N,

\Кт..... +N

N1/,

Со

Piten = Р тах den

N

NO

\ К „.,,,„ +N

NOJ

S

Ко

1

1 + cp-aj

K„, + S J \Ko + C¿

1 + (p-a.

a¡ -

Pmox'S 'Со

(6)

(7)

(8)

(9)

P -<p -[Km-Co + Ko-S +Cn-S ) q> При наличии в сточных водах солей тяжелых металлов, необходимо поднять расчет скорости нитрификации с учетом ингибирующего влияния юв металлов, но формуле (7).

jVW/4 _

Р)Шг = Р /пах

nitr

Со

(ks + Ns4,a)-

I +

S Си К?'

S/n

к

Sn¡ К

+

Ser К?

(10)

К„ + CJ v 1 + (p-a.j Расход воздуха определяется, исходя из необходимого количества ки->рода на окисление органических загрязнений и нитрификацию. Опре-

f

Г

деление остальных технологических параметров и объемов сооружений и

соответствующим формулам, в соответствии со СНнП 2.04.03-85.

Выполненное технико-экономическое расчеты показывают, что cyiv

марный годовой экономический эффект применения аэротенков-осва

лителей на пяти объектах составляет более 1 млн. руб (в ценах 1984г.).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ i

1. На основании анализа информации установлено, что в решении пробл< мы очистки городских и производственных сточных вод от соединсни азота наиболее перспективным методом является биологическая нитрн денитрификацня, осуществляемая в одном сооружении — аэрогепке.

2. Анализ теоретических основ процессов нитрификации и дснитрификацн показал, что процесс глубокого биологического окисления органичеекг веществ и соединений азота следует рассматривать с позиций понуляц) онной динамики смешанных культур микроорганизмов, оппсываемь модифицированным уравнением ферментативных реакций Мнхаэлиа Мептен, уравнением Моно, с учетом нпгибировапия субстратом, koi центрацией растворенного кислорода, токсичными веществами, нроду| тами метаболизма.

3. Новая технология процесса глубокой очистки городских сточных вод аэрационных сооружениях, обеспечивает достижение ПДК в очищение жидкости по всем формам соединений азота (N-N1U+ < 0,39 мгЫ/л, Ь NO2 ^ 0,02 мг!Ч/л, N-NO3" < 9,1 MrN/л).

4. Очистка сточпы(\ вод от соединений азота в процессе одиостаднйпс аэробной ннтрн-дснитрнфпкации подчиняется закономерностям ферме тативной кинетики и для городских сточных вод основные кинстнчсск1 константы и физиологические коэффициенты имеют' следующие зпачепп

. • окисления органических загрязнений p„„,v=108 мгБГ1Ки/(Г(ш-ч), ЛГ„,= 18 мг/ Ф=0,175 л/г,

• нитрификации р,ШЛ. =50,7 мгЩгеи-ч), /С„,= 1,31 мг/л, ф=0,102 л/г,

• деннтрифнкацин ришл =102 мгЩгбв-ч), К„,=0,32 мг/л, ф=0,105 л/г,

5. Разработанная математическая модель процесса совместного окислен органических соединений, нитрификации и депитрифпкацнн и мегодп расчёта аэротснков-освстлителей основаны па уравнениях фермет тнииых реакций и учитывают динамику роста микроорганизмов акшвп го ила, для котрых определены значения кинетических констант, с у том щи пбировапия и физиологических коэффициентов.

>. Нитрификация, при очистке городских сточных вод, тормозится ионами тяжелых металлов, что описывается уравнениями ферментативных реакций, при этом в условиях действующих очистных сооружений, для ионов хрома, никеля, цинка и меди константы ипгибировання имеют следующие значения — К,а= 7,5 мг/л, К™ = 4,6 мг/л, К,2" = 2,6 мг/л, Kf"- 1,1 мг/л. При постоянном периоде аэрации необходимо поддерживать максимально возможный возраст и концентрацию ила, которая лимитируется гидравлической нагрузкой па илоотделитель и зависит от критерия 1а,.

i. Технология одностадийной аэробной ннтри-денитрификации сточных вод в аэротенках-осветлителях и биореакторах позволяет сократить в 2-К2,5 раза время очистки, в 2-НО раз занимаемые земельные площади, исключить насосные станции рециркуляции пла, устройства для перемешивания в денитрификаторах, вторичные и третичные отстойники.

). Технология глубокой ннтри-денитрификации в аэротенках-осветлителях внедрена для расширения и реконструкции очистных сооружений городских и промышленных сточных вод г. Стерлитамака, с обеспечением качества очищенных сточных вод, соответствующего нормативам для сброса в водоём рыбохозяйственного значения.

10. Метод повышения эффективности работы очистных сооружений по биологическому удалению соединений азота, посредством регулирования возраста активного ила, внедрён в практику эксплуатации очистных сооружений завода "Прогресс" в г. Степногорске.

11. Очистные сооружения с аэротенками-осветлителями колонного типа, рассчитанными на глубокую очистку городских сточных вод от органических загрязнений и соединений азота, внедрены на очистных станциях в г.г. Саки, Старый Крым, Буек, Новая Водолага, Узин, Чуднов.

12. Разработанные технологические схемы и конструкции аэротенков, существенно превосходят известные отечественные и зарубежные аналоги, сокращают капитальные и эксплуатационные расходы. Научные и инженерные разработки технологии и конструкции сооружений отличаются научной новизной, обладают "ноу-хау", защищены 3 авторскими свидетельствами на изобретения. Суммарный экономический эффект от внедрения составил — более 1 млн. руб. (в ценах 1984г.).

Основные материалы диссертации изложены в следующих публикациях:

I. Таварткиладзе И.М., Свердликов A.A. Технология биологической очистки надиловой волы. Тезисы докл. 48 научн-тех. конфер. Киевского инж-стр. инстнт. 1987. опубл. в журн. Водосн. и сан. техника № 10 1987. с.28.

2. Земляк М.М., Свердликов А.И., Свердликов A.A. Аэротенк-осветлител колонного типа. Авт. св. СССР № 1530573, Заявл. 28.03.88. опубл. 23.12.8! Бюл. № 47, кл. С 02 F 3/00.

3. Земляк М.М., Свердликов А.И., Свердликов A.A. Исследования факторо) влияющих на эффективность аэрации. Наука и техника в городском хс зяйстве. Буд1вельник, Киев, вып. 74, 1990, с. 87 -94.

4. Свердликов A.A. и др. Аэротенк-осветлитель колонного типа. Авт. ci СССР N 1638122, Заявл. 04.01.89. опубл. 30.03.91. Бюл. № 12, кл. С 02 : 3/00.

5. Свердликов A.A. и др. Установка для очистки сточных и природных вод Авт. св. СССР № 1621028, Заявл. 26.01.89. опубл. 23.03.92. Бюл. № 11, кл. < 02 F 3/00.

6. Земляк М.М., Свердликов А.И., Свердликов A.A. Колонш аеротенкн дл глибокоУ бюлопчноТ очистки. М1ське господарство Украшы, -К.: изх "Комунекономн<а", № 4, 1994, с. 26-27.

7. Земляк М.М., Свердликов A.A., Бондарев A.A., Свердликов A.A. Капали зационные очистные сооружения колонного типа. Водоснабжение и сани тарная техника. 1994..вып 9, с 4-6.

8. Земляк М.М., Свердликов А.И., Свердликов A.A., Плачинта И.В., Голо мудько J1.C. Технолопя глибокого очищения в спорудах блочно-модульной конструкцн за допомогою активного мулу. MicbKe госнодар ство Украшы, -К.: изд. "Комунекономка", № 1, 1996.

9. Свердликов A.A. Компактные канализационные очистные сооружения ти па "Ромашка" на основе колонных бнореакторов блочно-модулыюй кон струкции. Всероссийский семинар "Комплексная переработка сточных во; и водоподготовка на предприятиях химии и топлива", -М: Сб. тезисов Всерос. инст. повыш. квалиф. специалистов, 1996.