автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Методы и приборы контроля содержания фосфора при воздействии ультразвука на активный ил

На правах рукописи

КАЗАКОВ Алексей Владимирович

МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ СОДЕРЖАНИЯ ФОСФОРА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИЙ УЛЬТРАЗВУКА НА АКТИВНЫЙ ИЛ

Специальность 05.11.13 -Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

\

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005551592

Санкт-Петербург - 2014

005551592

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

Научный руководитель -кандидат технических наук, доцент

Кацан Игорь Федорович

Официальные оппоненты:

Петушко Игорь Викторович доктор технических наук, профессор, ФГУП ВНИИ токов высокой частоты им. В.П. Вологдина, заместитель Генерального директора, начальник комплекса ультразвукового технологического оборудования

Князев Александр Сергеевич кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)", кафедра Инженерной защиты окружающей среды, доцент

Ведущая организация - ОАО «ИНФОРМАТИКА»

Защита состоится 30 июня 2014 г. в 14 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 в Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, г. Санкт-Петербург, В.О., 21-ая линия, д.2, ауд. 7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный» и на сайте www.spmi.ru.

Автореферат разослан 30 апреля 2014 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ Фокин

диссертационного совета Андрей Сергеевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Концентрация объектов и увеличение числа потребителей водных ресурсов вызывают непрерывное возрастание объема сточных вод и увеличение их степени загрязненности. Поэтому повышение требований к качеству очистки сточных вод и разработка способов интенсификации процесса очистки определяет рост потребности в управления процессом очистки, в методах и программно-аппаратных средствах и приборах контроля загрязняющих веществ.

На данный момент разработана и утверждена распоряжением Правительства Российской Федерации от 17 ноября 2008 г. N 1662-р «Водная стратегия» в целях водоресурсного обеспечения. Реализация Концепции долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации рассчитана на период до 2020 года. Настоящая Стратегия закрепляет базовые принципы государственной политики в области использования и охраны водных объектов, предусматривает принятие и реализацию управленческих решений по сохранению водных экосистем, обеспечивающих наибольший социальный и экономический эффект, и создание условий для эффективного взаимодействия участников водных отношений.

На современных очистных сооружениях процесс очистки сточных вод осуществляется последовательно методами: механическими, биохимическими, химическими, в результате чего удаляются загрязняющие вещества из сточных вод и обрабатывется образовавшийся осадок. В соответствии с международными обязательствами в рамках Хельсинской Конвенции, Россия должна выполнять рекомендации XEJIKOM. Поэтому для объектов отведения сточных вод в бассейн Балтийского моря необходимо соблюдение, как российских нормативов, так и требований XEJ1KOM. Постановлением Правительства РФ с 01 января 2014г. определено возможное содержание фосфора в очищенных сточных водах не более 0,26 мг/дм3, ранее разрешалось сбрасывать очищенные сточные воды с содержанием фосфора до 2,40 мг/дм3.

Наряду с существующими вышеперечисленными способами очистки сточных вод одним из перспективных является использование ультразвуковых колебаний для интенсификации процесса биологической очистки сточных вод. Особенность применения ультразвука обуславливается возможностью его использования в качестве физического средства воздействия на водные системы очистки стоков. Также привлекает простота самого аппаратурного оформления и гибкость ультразвукового метода, что является весомым аргументом для внедрения его в процесс очистки сточных вод. Данный способ улучшения качества очистки сточных вод сводится к повышению эффективности процесса биологической очистки сточных вод от фосфора экологически безопасным путем с применением интенсифицирующего воздействия ультразвуковых колебаний без значительной модернизации существующих очистных сооружений. Для удовлетворении все возрастающих требований со стороны государственных природоохранных структур к качеству очистки сточных вод, расширение областей применения ультразвуковых технологий в процессе очистки хозяйственно-бытовых сточных вод, повышении уровня внедрения современных методов и средств контроля качества очистки хозяйственно-бытовых сточных вод необходимо также проработать и решить вопрос методов и программно-аппаратных средств контроля фосфора в очищенных сточных водах при воздействии ультразвука на биологически активный ил.

Цель работы - разработка метода и программно-аппаратного средства технологического контроля процесса очистки хозяйственно-бытовых сточных вод для повышения эффективности и достоверности контроля фосфора в очищенных стоках при химико-биологической очистке сточных вод с использованием биологически активного ила, подвергающегося ультразвуковому воздействию.

Идея работы - построение алгоритма точного дозирования реагентов с достижением конечных требуемых параметров содержания фосфора в очищенных стоках с использованием измерительного преобразователя контроля содержания фосфора в очищенной сточной воде. Для достижения поставленной цели

необходимо интегрировать измерительный преобразователь в существующую распределенную систему управления, дополнительно обрабатывая ультразвуком рециркулирующий активный ила при биологической очистки сточных вод.

Достоверность результатов диссертационной работы базируется на строгих теоретических подходах, примененных при доработке математической модели измерительного преобразователя содержания фосфора в очищенных стоках. Сходимость результатов обеспечена репрезентативностью теоретических и

экспериментальных данных, полученных в результате выполненных исследований с привлечением аккредитованной лаборатории и использованием современных методов анализа и обработки опытных данных.

Достоверность результатов исследований очистки сточных вод при встраивании в технологию очистки обработку возвратного ила ультразвуком подтверждена актами, удостоверяющими прикладной эффект при реализации научных результатов работы.

Задачи исследования:

- анализ современных программно-аппаратных средств контроля биогенных соединений, применяемых при очистке хозяйственно-бытовых сточных вод;

- теоретическое обоснование применимости воздействия ультразвука на возвратный активный ил при биохимической очистке;

- разработка метода учета влияющих факторов на очистку хозяйственно-бытовых сточных вод с учетом воздействия на активный ил ультразвука в опытно-промышленных условиях;

проверка предложенной математической модели измерительного преобразователя содержания фосфора с учетом воздействия ультразвука на возвратный ил;

- разработка алгоритма точного дозирования реагентов на основе показаний измерительного преобразователя содержания фосфора в очищенных сточных водах.

Научная новизна работы:

определена функциональная зависимость снижения содержания фосфора в очищенных сточных водах от времени

воздействия ультразвука, отношения возвратного ила к поступающим сточным водам, содержания растворенного кислорода в возвратном активном иле, обработанным ультразвуком при прохождении в коридоре аэротенка, возраста иловой смеси;

- разработана математическая модель измерительного преобразователя содержания фосфора в очищенных сточных водах с учетом воздействия на активный ил ультразвука;

- разработан алгоритм управления дозирования реагентов на основе показаний измерительного преобразователя содержания фосфора в очищенных сточных водах.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Разработанная модель, принцип построения и оптимизация процессов химико-биологической очистки сточных вод от фосфора при дополнительной обработке ультразвуком активного ила учитывает влияние контролируемых параметров, а выявленные универсальные зависимости параметров и характеристик позволяют на их основе разработать измерительный преобразователь, обеспечивающий заданную чувствительность и погрешность измерений содержания фосфора в очищенной сточной воде.

2. Теоретически и экспериментально подтвержденная возможность при встраивании в систему биологической очистки сточных вод дополнительно обработки ультразвуком рециркулирующего активного ила производить измерение и контролировать содержания фосфора в очищенных стоках с использованием разработанного измерительного преобразователя.

3. Разработанный измерительный преобразователь обеспечивает возможность измерения и контроля содержания фосфора в очищенных стоках и построить алгоритм точного дозирования реагентов для достижения требуемых параметров по содержанию фосфора в очищенных сточных водах.

Практическая значимость результатов диссертационной работы заключается в разработке и апробации:

- способа и методе измерения содержания фосфора в очищенных сточных водах с использованием разработанной математической модели измерительного преобразователя при дополнительной обработке ультразвуком активного ила.

- математической модели биологической очистки сточных вод с учетом воздействия ультразвука, работающей в режиме реального времени;

методе измерения и контроля содержания фосфора в очищенных стоках с использованием измерительного преобразователя;

- схемы ультразвуковой интенсификации активного ила участвующего в процессе очистки сточных вод;

- алгоритма точного дозирования реагентов на основе показаний измерительного преобразователя содержания фосфора в очищенных сточных водах.

Реализация выводов и рекомендаций диссертационной работы.

Результаты работы будут использованы при модернизации системы очистных сооружений хозяйственно-бытовых сточных вод ООО «КИНЕФ» (г. Кириши Россия) и очистных сооружений санатория «Приозерный» и базы отдыха «Мечта» ООО «КИНЕФ» (п. Будогощь, Киришский район, Россия).

Получен патент РФ № 130140 на полезную модель устройства интенсификации процесса биологической очистки сточных вод, техническое решение экспериментально реализовано на очистных сооружениях ООО «КИНЕФ» (г. Кириши). В настоящее время в промышленных условиях на очистных сооружениях ООО «КИНЕФ» (г. Кириши) встраивается в существующую распределенную систему управления алгоритм точного и достаточного дозирования реагентов на основе показаний измерительного преобразователя фосфора и расхода очищенных стоков.

Личный вклад автора:

• на основе литературных источников, аналитических и экспериментальных исследований обоснована возможность применения ультразвука для повышения эффективности очистки сточных вод;

• разработана технология ультразвуковой обработки суспензии активного ила;

• выполнены опытно - промышленные испытания и внедрена технология приборного контроля воздействия ультразвука на интенсификацию процесса биологической очистки сточных вод;

• разработан и внедрен программно-аппаратный комплекс контроля содержания фосфора в очищенных сточных водах при дополнительном воздействии ультразвука на циркуляционный ил в процессе биологической очистки сточных вод.

• разработан и внедрен алгоритм дозирования реагентов на основе показаний измерительного преобразователя содержания фосфора в очищенных сточных водах.

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Всероссийской научной конференции, посвященной 80-летию кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и гидрогеоэкологии Томского политехнического университета (Томск, 2010 г.); Международной научно - практической конференции. «Устойчивое развитие. Рациональное природопользование. Технологии здоровья» (Тула, 2011 г.); II Международной научно-практической конференции «Механизмы формирования научного и кадрового сопровождения высокотехнологических производств на предприятиях регионов» (СПб, 2011 г.); II Международной конференция «Промышленные технологии очистки сточных вод XXI века: Проблема и решения», СПб, 2011; Международной научно-практическая конференция молодых ученых, студентов и аспирантов «Анализ и прогнозирование систем управления» (СПб, 2011, 2012 г.); Международной конференции Научные исследования теория и практика\В adania naukowe. Teoría i praktika, (Вроцлав\\Угос1а\у. Польша, 2012), Международной конференции Наука - от теории к практике \Science - od teorii do praktiki, (ConoT\Sopot. Польша, 2013); Международной практической конференции Актуальные вопросы образования и науки, (Тамбов, 2014).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работах, из них 3 в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, получен 1 патент на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из

введения, 5 глав и заключения, изложенных на 134 страницах. Содержит 55 рисунков, 13 таблиц и список литературы из 83 наименований.

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы, выбор способа воздействия для повышения эффективности биологической очистки и необходимость разработки программно-аппаратного комплекса контроля содержания фосфора в очищенных стоках с учетом воздействия ультразвука на процесс очистки.

В главе 1 оценено современное состояние проблемы очистки сточных вод.

В главе 2 в соответствии с основными задачами был выбран метод экспериментальных исследований, а также оборудование отвечающие современным требованиям и стандартам.

В главе 3 приведены результаты экспериментального исследования воздействия ультразвука на процесс биологической очистки сточных вод.

В главе 4 приведены результаты опытно-промышленных исследований ультразвукового воздействия в процессе биологической очистки сточных вод на действующем объекте. Представлена уточненная математическая модель технологической схемы блока биологической очистки удаления фосфора из сточных вод учетом встраивания в систему биологической очистки сточных вод дополнительно обработки ультразвуком рециркулирующего активного ила для процесса дефосфотации.

В главе 5 представлено аппаратурное оформление процесса очистки сточных вод путем ультразвуковой интенсификации. Разработан программно-аппаратный комплекс контроля содержания фосфора в очищенных сточных водах при дополнительном воздействии ультразвука на циркуляционный ил в процессе биологической очистки сточных вод. Представлен алгоритм точного и достаточного дозирования реагентов на основе показаний измерительного преобразователя фосфора и расхода очищенных стоков.

В заключении представлены основные выводы по результатам исследований в соответствии с целью и поставленными задачами

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ 1. Разработанная модель, принцип построения и оптимизация процессов химико-биологической очистки сточных вод от фосфора при дополнительной обработке ультразвуком активного ила учитывает влияние контролируемых и мешающих факторов, а выявленные универсальные зависимости параметров и характеристик позволяют на их основе разработать измерительный преобразователь, обеспечивающий заданную чувствительность и погрешность измерений содержания фосфатов в очищенной сточной воде при подавлении мешающих параметров в широких диапазонах их вариаций.

На основании анализа литературных данных и лабораторных испытаний обработки активного рециркулирующего ила существующих очистных сооружений доработана технологическая схема блока биологической очистки анаэробно-аноксидно-аэробной (АНА-АНО-АЭР) процессов удаления фосфора и азота из сточных вод (рисунок 1) с учетом встраивания в систему биологической очистки сточных вод дополнительно обработки ультразвуком рециркулирующего активного ила (рисунок 2).

1Ш

СВ

АНА э/

АНО ^

1..АЭР.

ВО

ОВ

Й

ИИ

Рисунок 1 - Технологическая схема удаления фосфора из сточных

вод.

На рисунке 1: СВ - подача сточных вод, ОВ - очищенная вода, Ш - рециркуляция активного ила, ЮЧ - рециркуляция нитра-тосодержащей иловой смеси.

1Ш

СВ АНА а/ АНО э/ АЗР

УЗ

во

ов

и

ИИ

Рисунок 2 - Технологическая схема удаления фосфора из сточных вод с воздействием ультразвука активный ил. На рисунке 2: СВ - подача сточных вод, ОВ — очищенная вода, Ш - рециркуляция активного ила, КЫ — рециркуляция нитратосодержащей иловой смеси, УЗ - ультразвуковой генератор с магнитострикционным преобразователем.

Для анализа зависимости изменения содержания фосфора в очищенных сточных водах при воздействии ультразвука на активный ил использовалась разработанная схема лабораторной установки для определения зависимости содержания фосфор фосфатов от воздействия ультразвука (рисунок 3).

Рисунок 3 - Схема постановки эксперимента в лабораторных условиях для определения зависимости содержания фосфор фосфатов от воздействия ультразвука. На рисунке 3: 1 - ультразвуковой генератор, 2 - магни-тострикционный преобразователь с волноводом, 3 - заземление, 4- емкость с обрабатываемой иловой смесью.

По результатам проведения лабораторных опытов получены

зависимости содержания фосфора от времени воздействия ультразвука, а также зависимости содержания фосфора от отношения возвратного ила к поступающим сточным водам, содержания растворенного кислорода в рециркулирующем иле и возраста иловой смеси.

1р"=/(Туз;дв/св;С0;Ви), (1)

где: - содержание фосфора, Туз - время воздействия

ультразвуком, О в/с в - отношение возвратного ила к поступающим сточным водам, Со - содержания растворенного кислорода в возвратном активном иле обработанным ультразвуком при прохождении в коридоре аэротенка, Ви - возраст иловой смеси.

Получен патент на полезную модель № 130140 «Устройство ультразвуковой интенсификации биологической очистки сточных вод», 2013г. (Рисунок 4).

Рисунок 4 - Устройство ультразвуковой интенсификации биологической очистки сточных вод.

На рисунке 4: 1 - ультразвуковой генератор, 2 - магни-тострикционный преобразователь с волноводом излучателем, 3 - направляющая труба с фланцем, 4 и 5 - трубы подвода и отвода обработанной суспензии активного ила.

При детальном анализе проведенных лабораторных опытов по определению зависимости удаления фосфора от времени воздействия ультразвука, отношения возвратного ила к поступающим сточным водам, содержания растворенного кислорода

в возвратном активном иле обработанным ультразвуком при прохождении в коридоре аэротенка, возрасте иловой смеси была выбрана самая оптимальная кривая зависимости от времени воздействия при условии: отношение расхода возвратного ила к расходу сточных вод постоянно и соответствует 0,5, содержание кислорода в возвратном активном иле обработанным ультразвуком при прохождении в коридоре аэротенка постоянно и составляет 3,0 мг/л, возраст ила составляет 6 суток.

Таблица 1 - Зависимость содержания фосфора от времени при ультразвуковом воздействии с соблюдением условий: расход И ¡/расход СВ=0,5, Со=Змг/л, Ви=6 суткам

з,

г, 3 $2 5 2 |2 4-2

У

Л2. ¡1,

1

V

\

\

1 V

10 15 20 25 30 Время воздействия, сек

35

40

Уточненная математическая модель технологической схема блока биологической очистки удаления фосфора из сточных вод с учетом встраивания в систему биологической очистки сточных вод дополнительно обработки ультразвуком рециркулирующего активного ила для процесса дефосфатации может быть описана уравнением в виде зависимости:

1р = 1р'-1р", (2) где: 1р содержание фосфор фосфатов в очищенных сточных водах, .Гр ' - содержание фосфор фосфатов при процессах дефосфати-рования, 1р" - содержание фосфор фосфатов при процессах дефосфатирования с ультразвуковой обработкой иловой смеси

Расчетное содержание фосфора в процессе дефосфатирования,

преобразовав, можно записать в виде уравнения:

JP' =

0,65| *сна is )°'31 -^уд )°'5 • 15 )

бО

0,01, (3)

где: His - нагрузка органическим субстратом, Ьуд - БПК5 taHa - продолжительность анаэробной обработки, Т - температура в ан.зоне

Для анализа зависимости изменения содержания фосфора в очищенных сточных водах при воздействии ультразвука на активный ил при проведении опытно-промышленных испытаниях использовалась разработанная схема постановки эксперимента в опытно-промышленных условиях для определения зависимости содержания фосфора в очищенных сточных водах от воздействия ультразвука (рисунок 6).

RN

СБ / : -в

-► AHA а/ АНО с/

УЗ

БО

ОВ

Si

ИИ

Рисунок 6 - Схема постановки эксперимента в опытно-промышленных условиях для определения зависимости содержания фосфора от воздействия ультразвука.

На рисунке 6: 1- ультразвуковой генератор, 2 - магни-тострикционный преобразователь с волноводом, 3 - заземление, 4 -трубопровод возвратного ила в анаэробную зону аэротенка, 5 - аэро-тенок, 6 - расходомер БША 2309, измеряющий расход возвратного ила, 7 - расходомер ПЛА 2310, измеряющий подачу сточных вод, 8 - датчик кислорода (^ША 01, измеряющий концентрацию растворенного кислорода в коридоре аэротенка.

Результатами проведения опытно-промышленных испытаний стали определенные зависимости удаления фосфора от времени воздействия ультразвука, отношения возвратного ила к поступающим сточным водам, содержания растворенного кислорода в возвратном активном иле обработанным ультразвуком при прохождении в коридоре аэротенка, возрасте иловой смеси.

В результате математической обработки данных, полученных при опытно-промышленных испытаниях, определена формула для оценки удаления фосфора при обработке ультразвуком рециркулирующего активного ила.

, ытузТуз-^° .ви пу , (4)

с Со)

где: 1р" - содержание фосфора при процессах дефосфатирования с ультразвуковой обработкой иловой смеси, Туз - время воздействия ультразвуком, (^в/св - отношение возвратного ила к поступающим сточным водам, Со - содержания растворенного кислорода в возвратном активном иле обработанным ультразвуком при прохождении в коридоре аэротенка, Ви - возраст иловой смеси.

В результате уточненную математическую модель блока биологической очистки сточных вод от фосфора с учетом встраивания в систему дополнительно ультразвуковой обработки рециркулирующего активного ила можно описать уравнением:

т 0,65 •)р=

,,„ ,0,31 , 0,5 ]П79Г-15, Туз-20 „

1анаШ-15) Х1уд) .1,072 ) \ёТуз - .В и ц/

+0,0!--трг-.1,252%^, (5)

60 (Со)0'5

2. Теоретически и экспериментально

подтвержденная возможность при встраивании в систему биологической очистки сточных вод дополнительно обработки ультразвуком рециркулирующего активного ила производить измерение и контроль содержания фосфора в очинённых стоках с использованием разработанной адекватной математической модели измерительного преобразователя.

При встраивании в систему биологической очистки сточных

вод дополнительной обработки ультразвуком рециркулирующего активного ила теоретически и экспериментально подтверждена возможность производить измерение и контроль содержания фосфора в очищенных стоках с использованием разработанной адекватной математической модели. Как показывает практика на изменение происходящих процессов нитрификации и денитрификации оказывают влияние такие факторы, как температура окружающего воздуха, температура сточных вод, возраст ила, колебания расхода сточных вод и, как следствие, изменение в процессах нитрификации и денитрификации приводит к незначительному, но все же изменению в процессах дефосфотирования. Для более объективного количественного определения и контроля содержания фосфора в очинённых стоках откорректирована математическая модель с использованием специализированного программного продукта Honeywell Profit Design Studio. Принцип действия измерительного преобразователя основан на непрерывном определении показателя качества по математической модели, описывающей его взаимосвязь с текущими значениями измеряемых технологических переменных.

Номинальные значения 10 технологических параметров (входных переменных) процесса дефосфотирования, используемых для создания измерительного преобразователя, приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Наименование технологических параметры ИП

Наименование технологических переменных процесса Ном.знач.

1 2 3 4

СВ (расход сточных вод), м3/ч FIRA2310 Х| 300

Тв (температура сточных вод), "С TIRA 1110 Xi 15

Т0 (температура окружающего воздуха), °С TIRA 1111 х3 10

Ш (расход возвратного ила), м3/ч FIRA 2309 х4 150

(расход нитратосодержащей смеси), м3/ч FIRA 2301 х5 50

Туз (время воздействия ультразвука), сек. Из системы Хб 20

Со (содержание кислорода), мг/л QIRA01 х7 3

(2в/св (соотношение объема) расчет х8 0,5

Ви (возраст ила), сут. расчет х9 6

1рвх (содержание фосфора на входе), мг/л Ввод Х|0 3,0

При построении измерительного преобразователя

проводились вычислительные эксперименты с промышленными

данными процесса и использовались традиционные регрессионные методы: метод наименьших квадратов (МНК), метод взвешенных наименьших квадратов (МНК) робастной регрессии (РР), гребневой регрессии (ГР), и алгоритме чередующегося условного математического ожидания (АСЕ). Этот алгоритм обеспечивает переход от классического уравнения регрессии, линейного по входным переменным, к уравнению вида:

(У) = а + ШХ1) + £, ¡=1

(6)

где: 0 - функция выходной переменной ф; - функции входов Хь ¡=1,...,р, и 8 — ошибка

Методом МНК была получена графическая модель содержания фосфора в очищенных сточных водах. В результате аппроксимации данных значения количества фосфора полученных с использованием измерительного преобразователя и данных значения количества фосфора полученных в лаборатории сделан вывод, что МНК дает более точную оценку на обобщающей выборке по сравнению с другими методами, и поэтому выбирается данная модель.

С ■<".> >--.«■> Г - 1 •• , <А, •<-.. -..»■: ! .,■„; .■..■■■,.„

¿¡а* а » * М ЪШ Ш ■ 51. ■

т

ГШ Г" НЛ Г

г № Г 1ШНахиаНЯ*

******;

9 МяпбаЛ^^гЛИп

Г ямавммуямнм

Г

Р<*** ЯАМЙ 9Ы урА V? -

Г 1«и» Г СйЬемМиП«»*

е.кМгНыКхъп ! ы 1

Рисунок 7 - Зависимость содержания фосфора в очищенных стоках с учетом воздействия ультразвука на рециркуляционный ил: -анализы содержания фосфора выполнены лабораторией (1); анализы содержания фосфора получены измерительным преобразователем (2).

По результатам определения содержания фосфора в очищенных стоках полученных с использованием измерительного преобразователя и содержания фосфора в очищенных стоках полученных лабораторным методом следует, что погрешность измерений составляет не более 5%, что позволяет использовать измерительный преобразователь в качестве прибора контроля содержания фосфатов в очищенной сточной воде.

3. Разработанная модель измерительного

преобразователя, учитывающая зависимость удаления фосфора от времени воздействия ультразвука, отношения возвратного ила к поступающим сточным водам, содержания растворенного кислорода в возвратном активном иле обработанным ультразвуком при прохождении в коридоре аэротенка, возрасте иловой смеси, обеспечивает возможность измерения и контроля содержания фосфора в очинённых стоках. Для достижения требуемых параметров содержания фосфора в очищенных стоках построить алгоритм точного и достаточного дозирования реагентов с использованием измерительного преобразователя.

С использованием измерительного преобразователя, учитывающего зависимость удаления фосфора от времени воздействия ультразвука, отношения возвратного ила к поступающим сточным водам, содержания растворенного кислорода в возвратном активном иле обработанным ультразвуком при прохождении в коридоре аэротенка, возраста иловой смеси, появляется возможность измерения и контроля содержания фосфора в очищенных стоках. С учетом расхода очищенных стоков построить алгоритм точного и достаточного дозирования реагентов для достижения требуемых параметров содержания фосфора в очищенных стоках (рисунок 8).

ч:

ПАК

УУВ ИП УДР

5ДР

св

У

АНА ^ АНО ✓

../"ов

1У

пи

Рисунок 8 - Схема контроля фосфора и дозирования реагентов блока биологической очистки удаления фосфора и азота из сточных вод учетом встраивания в систему биологической очистки сточных вод дополнительно обработки ультразвуком рециркулирующего

активного ила.

На рисунке 8: 1- ультразвуковой генератор, 2 -магнитострикционный преобразователь с волноводом, 3 -заземление, 4 - трубопровод возвратного ила в анаэробную зону аэротенка, 5 - аэротенок, 6 - расходомер БГОА 2309, измеряющий расход возвратного ила, 7 - расходомер БША 2310, измеряющий подачу сточных вод, 8 - датчик кислорода С)ША 01, измеряющий концентрацию растворенного кислорода в коридоре аэротенка, ПАК - программно аппаратный комплекс, ИП - измерительный преобразователь для контроля фосфора, УУВ - управление ультразвуковым воздействием, УДР - управление дозированием реагента, БДР - блок дозирования реагентов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, представляющей собой законченную научно-квалификационную работу, на основе анализа литературных источников и выполненных теоретических и экспериментальных исследований решена актуальная научно-практическая задача повышения эффективности и достоверности контроля фосфора в очищенных стоках при химико-биологической очистке сточных вод с использованием биологически активного ила, подвергающегося ультразвуковому воздействию.

На основании проведенной работы сделаны следующие

выводы:

1. Разработан измерительный преобразователь содержания фосфора в очищенной сточной воде, работающий в режиме реального времени.

2. Разработан метод и внедрен программно-аппаратное средство контроля содержания фосфора в процессе очистки хозяйственно-бытовых сточных вод.

3. Разработан алгоритм точного и достаточного дозирования реагентов для достижения требуемых параметров содержания фосфора в очищенных стоках.

4. Определена пороговая длительность ультразвукового воздействия на рециркулирующий активный ил.

Основные результаты диссертации представлены в следующих работах:

1. Казаков, A.B. Основные направления развития систем очистных сооружений хозяйственно-бытовых сточных вод [Текст] / A.B. Казаков, И.В. Жуков // Экологические системы и приборы, №4,- М„ 2012. С. 42-47.

2. Казаков, A.B. Мероприятия по снижению биогенной нагрузки на водные объекты [Текст] / A.B. Казаков, И.В. Жуков // Экологические системы и приборы, №5,- М., 2012. С. 27 - 28.

3. Казаков, A.B. Разработка технического обеспечения для повышения качества очистки сточных вод [Текст] / A.B. Казаков, И.В. Жуков // Экологические системы и приборы, №6,- М., 2012. С. 36 - 39.

Патент на полезную модель

4. Патент № 130140. Устройство ультразвуковой интенсификации биологической очистки сточных вод / Жуков И.В., Казаков A.B., Первухин Д.А.//- Опубликовано: 10.07.2013.

РИЦ Горного университета. 29.04.2014. 3.363. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ НАЦИАНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»

04201459973

На правах рукописи

КАЗАКОВ

Алексей Владимирович

МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ СОДЕРЖАНИЯ ФОСФОРА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ УЛЬТРАЗВУКА НА АКТИВНЫЙ ИЛ

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ

материалов и изделий

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент И.Ф. Кацан

Санкт-Петербург - 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................5

Глава 1 Современное состояние проблемы.............................................................13

1.1 Источники образования, состав и критерии оценки качества хозяйственно-бытовых сточных вод......................................................13

1.2 Существующие конструктивные и технологические решения, используемые для очистки сточных вод.....................................................................18

1.3 Характеристика и основные условия удаления биогенных элементов на очистных сооружениях традиционной биологической очистки.....................28

1.3.1 Удаление соединений азота..........................................................28

1.3.2 Удаление соединений фосфора......................................................32

1.4 Глубокое удаление биогенных элементов в процессе

биологической очистки.......................................................................33

1.5 Возможные методы снижения содержания фосфора в

хозяйственно-бытовых сточных водах....................................................36

1.6 Выводы по главе 1........................................................................43

Глава 2 Объекты и методики проведения исследования..............................44

2.1 Объекты исследования...................................................................44

2.2 Техническая характеристика сооружений...........................................49

2.2 Источник получения активированного активного ила............................56

2.3 Методы оценки эффективности воздействия ультразвука на качество очистки сточных вод.....................................................................................66

2.3.1 Методика выполнения измерений биохимического потребления кислорода в природных и сточных водах по изменению давления в газовой фазе

( манометрический метод) (МВИ 224.01.17.133/2009).................................67

2.3.2 Методика определения химического потребления кислорода

(ГОСТ Р 52708 - 2007)........................................................................69

2.3.3 Методика выполнения измерений массовой концентрации общего фосфора и фосфора фосфатов в пробах питьевых, природных и сточных вод фотометрическим методом (ЦВ 3.04.53. - 2004)......................................................70

2.3.4 Методика выполнения измерений массовой концентрации ионов аммония в природных и сточных водах фотометрическим методом с реактивом Несслера (ПНДФ 14.1:2.1 -95)....................................................................................................72

2.3.5 Методика выполнения измерений массовой концентрации общего азота в водах УФ - спектрофотометрическим методом после окисления персульфатом калия (РД 52.24.481 -2007)..........................................................................................73

2.3.6 Методика выполнения измерений массовой концентрации нитрат - ионов в питьевых, поверхностных и сточных водах фотометрическим методом с салициловой кислотой (ПНД Ф 14.1:2:4.4 - 95).........................................................74

2.3.7 Методика выполнения измерений массовой концентрации нитрит - ионов в питьевых, поверхностных и сточных водах фотометрическим методом с реактивом Грисса (ПНД Ф 14.1:2:4.3 - 95).................................................................74

2.3.8 Методика обработки экспериментальных данных...........................................75

2.4 Методика контроля качества сбрасываемых сточных вод.................................76

2.5 Выводы по главе 2...................................................................................................78

Глава 3 Экспериментальные исследования воздействия ультразвука на процессе биологической очистки сточных вод..........................................................79

3.1 Результаты исследования биологического потребления кислорода..................80

3.2 Результаты исследования концентрации растворенного кислорода..................81

3.3 Результаты исследования концентрации фосфат ионов......................................82

3.4 Результаты исследования концентрации различных форм азота......................83

3.5 Результаты исследования деструкции активного ила после

ультразвукового воздействия......................................................................................85

3.6 Выводы по главе 3...................................................................................................86

Глава 4 Опытно-промышленные исследования ультразвукового воздействия в

процессе биологической очистки сточных вод на действующем объекте..........87

4.1 Результаты опытно-промышленного исследования по удалению фосфорафосфатов......................................................................................................91

4.2 Результаты опытно-промышленного исследования по удалению различных форм азота...................................................................................................................94

4.3 Выводы по главе 4................................................................................................97

Глава 5 Практическое применение обработанного активного ила.......................98

5.1 Аппаратурное оформление процесса очистки сточных вод............................98

5.2 Математическое моделирование удаления фосфора фосфатов в процессе очистки сточных вод................................................................................................103

5.2.1 Разработка измерительного преобразователя содержания фосфора фосфатов в очищенных сточных водах.................................................................104

5.2.2 Реализация измерительного преобразователя в распределенной системе управления фирмы Toshiba.....................................................................................111

5.3 Комбинированное сочетание параметров распределенной системы управления и ультразвукового воздействия.........................................................113

5.4 Выводы по главе 5.............................................................................................117

Заключение...............................................................................................................118

Список литературы..................................................................................................120

Приложение А..........................................................................................................128

Введение

Вода является основой жизни на Земле. Однако интенсивное воздействие человека на природу привело к такому загрязнению водных ресурсов планеты, что историческая «Конференция ООН по окружающей среде и развитию» (Рио-де-Жанейро, 1992 г.) назвала эту проблему глобальной и требующей безотлагательного решения на «устойчивого развития» мирового сообщества.

Поскольку технико-индустриальное общество остается чрезвычайно зависимым от экосистем, чтобы продолжать поддерживать жизнеобеспечение, определение лучшего способа развития устойчивости экологической системы к внешним воздействиям должно стать ключевым элементом исследования устойчивости окружающей среды.

На данный момент разработана и утверждена распоряжением Правительства Российской Федерации от 17 ноября 2008 г. N 1662-р «Водная стратегия» в целях водоресурсного обеспечения. Реализация Концепции долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации на период до 2020 года. Она определяет основные направления деятельности по развитию водохозяйственного комплекса России, обеспечивающего устойчивое водопользование, охрану водных объектов, защиту от негативного воздействия вод, а также по формированию и реализации конкурентных преимуществ Российской Федерации в водоресурсной сфере.

Настоящая Стратегия закрепляет базовые принципы государственной политики в области использования и охраны водных объектов, предусматривает принятие и реализацию управленческих решений по сохранению водных экосистем, обеспечивающих наибольший социальный и экономический эффект, и создание условий для эффективного взаимодействия участников водных отношений.

Поэтому усилия России сберечь эту воду, дать ее людям в достаточном количестве и необходимого качества представляются не просто актуальными и важными, а по-человечески безальтернативными.

Особого внимания заслуживает проблема очистки хозяйственно - бытовых сточных вод от биогенных компонентов - соединений азота и фосфора, способствующих эвтрофикации водоемов. Как известно эвтрофикация - процесс роста биологической растительности водоемов, который происходит вследствие превышения баланса питательных веществ. При этом повышается температура воды, появляются привкусы и запахи, ухудшается цвет воды, начинается бурное развитие нитчатых водорослей, цветению цианобактерий (сине-зеленые водоросли), преобладают нежелательные виды планктона и нарушается жизнедеятельность рыб. Если ранее основной задачей очистки сточных вод считалось изъятие и окисление массы органических веществ, то сейчас основным видом загрязнений, становятся биогенные элементы - азот и фосфор.

На современных очистных сооружениях процесс очистки сточных вод осуществляется последовательно, в результате чего удаляются загрязняющие вещества из сточных вод и обрабатывая образовавшийся осадок. В соответствии с международными обязательствами в рамках Хельсинской Конвенции, Россия должна выполнять рекомендации ХЕЛКОМ. Поэтому для объектов отведения сточных вод в бассейн Балтийского моря необходимо соблюдение, как российских нормативов, так и требований ХЕЛКОМ. Постановлением Правительства РФ с 01 января 2014 года определено возможное содержание фосфора в очищенных сточных водах не более 0,26 мг/дм , ранее разрешалось сбрасывать очищенные сточные воды с содержанием фосфора до 2,40 мг/дм3.

На современных очистных сооружениях процесс очистки сточных вод осуществляется последовательно. В результате протекающих последовательно ряда механических, биологических и химических процессов из сточных вод удаляются загрязняющие вещества.

при механической очистке на пескокартах, гидроциклонах, решетках, первичных отстойниках происходит отделение механических примесей, твердых включений, мусора;

при биохимической очистке протекают процессы нитрификации, денитирификации, дефосфотации, в результате в атмосферу выделяется азот,

избыточный ил и отводится на дальнейшую переработку, очищенные сточные воды отводятся в реку. Протекающие процессы экологически безопасны, но нестабильны, результат не гарантирован, т.к. протекание биологических процессов подвержено влияния таких факторов, как: объем поступающих стоков, температуры стоков, температуре окружающего воздуха, количеству загрязнений и т.д;

при химической очистке от протекающие химические реакции стабильны, результат снижения от фосфор-фосфатов гарантирован, но процессы дорогостоящи и экологически небезопасны;

при нанофильтрации, обратном осмосе степень очистки очень велика, но внедрение данных процессов затратное по капиталовложениям и во всем мире не решен экологичный способ ликвидации солевых стоков, получающихся в процессе очистки.

Наряду с существующими вышеперечисленными способами очистки сточных вод одним из перспективных является использование ультразвуковых колебаний для интенсификации процесса биологической очистки сточных вод. Особенность применения ультразвука обуславливается возможностью его использования в качестве физического средства воздействия на водные системы очистки стоков. Также привлекает простота самого аппаратурного оформления и гибкость ультразвукового метода, что является весомым аргументом для внедрения его в процесс очистки сточных вод. Данный способ улучшения качества очистки сточных вод сводится к повышению эффективности процесса биологической очистки сточных вод от фосфор фосфатов экологически безопасным путем с применением интенсифицирующего воздействия ультразвуковых колебаний без значительной модернизации существующих очистных сооружений для удовлетворения все возрастающих требований со стороны государственных природоохранных структур к качеству очистки сточных вод, расширение областей применения ультразвуковых технологий в процессе очистки хозяйственно-бытовых сточных вод, повышении уровня внедрения современных методов и средств контроля качества очистки

хозяйственно-бытовых сточных вод.

Необходимо проработать и решить вопрос методов и программно-аппаратных средств контроля фосфор фосфатов в очищенных сточных водах при воздействии ультразвука на биологически активный ил.

Цель работы - повышение эффективности и достоверности контроля фосфора в очищенных стоках при химико-биологической очистки сточных вод с использованием биологически активного ила, подвергающегося ультразвуковому воздействию, с разработкой методов и программно-аппаратных средств для технологического контроля процесса очистки хозяйственно-бытовых сточных вод с учетом новой компоновочной схемой и конструкцией очистных сооружений при обеспечении заданных погрешности и достоверности результатов контроля.

Идея работы - реализация измерительного преобразователя (индикатора) содержания в очищенной сточной воде фосфор фосфатов в существующей распределенной системе управления (выполненной на основе контроллера Toshiba) при встраивании в систему биологической очистки сточных вод дополнительно обработки ультразвуком рециркулирующего активного ила. (активный ил, обработанный ультразвуком возвращается обратно в аэротенк при этом, меняется его деструктивно-ферментативная способность и активность к поглощению биогенных веществ). Используя программно-аппаратные средств и на основе показаний измерительного преобразователя содержания в очищенной сточной воде фосфор фосфатов и расхода очищенных стоков построить алгоритм точного и достаточного дозирования реагентов для достижения конечных требуемых параметров содержания фосфор фосфатов в очищенных стоках.

Задачи исследования:

- анализ современных программно-аппаратных средств контроля биогенных соединений, применяемых при очистке хозяйственно-бытовых сточных вод;

- теоретическое обоснование применимости воздействия ультразвука на возвратный активный ил при биохимической очистке;

- исследование особенности поведения биологически активного ила при воздействии на него ультразвука в лабораторных условиях;

- исследование особенности поведения биологически активного ила при воздействии на него ультразвука в опытно-промышленных условиях;

- разработка алгоритма воздействия ультразвука на возвратный ил для создания максимального эффекта;

- разработка методики учета влияющих факторов на очистку хозяйственно-бытовых сточных вод с учетом воздействия на активный ил ультразвука в опытно-промышленных условиях;

уточнение адекватной математической модели измерительного преобразователя содержания фосфора с учетом воздействия ультразвука на возвратный ил;

- разработка алгоритма точного и достаточного дозирования реагентов на основе показаний измерительного преобразователя (индикатора) содержания в очищенной сточной воде фосфора фосфатов.

Научная новизна работы:

- разработана модель и теоретические положения, на основании которых определена зависимость эффективности удаления фосфора из сточных вод при обработке ультразвуком активного ила;

- определена функциональная зависимость снижения содержания фосфора в очищенных сточных водах от времени воздействия ультразвука, отношения возвратного ила к поступающим сточным водам, содержания растворенного кислорода в возвратном активном иле, обработанным ультразвуком при прохождении в коридоре аэротенка, возраста иловой смеси;

уточнена адекватная математическая модель измерительного преобразователя (индикатора) содержания фосфор фосфатов в очищенных сточных водах с учетом воздействия на активный ил ультразвука;

- разработан алгоритм управления дозирования реагентов на основе показаний измерительного преобразователя (индикатора) содержания в очищенной сточной воде фосфора.

- использование в работе экспериментально-аналитических методов исследований, а именно, теории планирования эксперимента, статистической

обработки результатов измерений, использование программы Mathcad, Profit Desing Studio (Honeywell) для уточнения работы адекватной математической модели измерительного преобразователя (индикатора) содержания фосфора в очищенных сточных водах.

Практическая значимость результатов диссертационной работы заключается в разработке и апробации:

- способа и методики измерения содержания фосфора в очинённых стоках с использованием разработанной адекватной математической модели измерительного преобразователя при дополнительной обработке ультразвуком активного ила.

- уточнении математической модели биологической очистки сточных вод с учетом воздействия ультразвука, работающая в режиме реального времени;

измерении и контроле содержания фосфора в очинённых стоках с использованием измерительного преобразователя;

- принципиальной схемы ультразвуковой интенсификации активного ила участвующего в процессе очистки сточных вод, рекомендован способ ультра