автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Моделирование и расчеты биологической очистки сточных вод на биодисковых фильтрах

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ КИЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ СТРОИТЕЛЬСТВА И АРХИТЕКТУРЫ

На нравах рукописи

ШАЙЕБ ШУДЖАА ВАЛИД

МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЕТЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД НА БПОДИСКОВЫХ ФИЛЬТРАХ

Специальность 05.23.04 - Водоснабжение, канализация

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук .

Киев - 1996

Работа выполнена п Киевском государственном техническом университете строительства и'архитектуры.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор,

чл.-кор. НАН Украины ОЛЕИНИК Л.Я.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор,

ХОРУЖИЙ II.Д. - кандидат технических паук, доцент, ЮРКОВ Е В.

Ведущая организация - Институт "Укрводироект".

Защита состоится "/о" АПреЛЯ. 19% г. в [2_ ч. на заседании специализированного Совета Д 01.18.09 при Киевском государственном техническом университете строительства и архитектуры по адресу: 252037, Киев - 37, Воздухофлотский проспект, 31, ауд.4&6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Киевского государственного технического университета строительства и архитектуры.

Автореферат разослан " Ь " 1996 г.

Ученый секретарь специализированного Совета

кандидат технических наук, профессор —— ^ В.А.^ОТАНОЬ

(М с сил^-и. с ~

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РА ПОТЫ

Актуальность работы. Одним из важнейших аспектов социальной и экологической проблем является разработка высокоэффективных, падежных и экономичных сооружений для очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод. В последнее время в практике очистки сточных вод у нас и за рубежом получили широкое распространение биологические реакторы с подвижной загрузкой или биодискоиые фильтры (БДФ). Они имеют целый ряд преимуществ, особенно при очистке хозяйственно бытовых сточных вод сравнительно небольшой производительности (до 500 м3/сут), что особенно важно при канализации населенных пунктов, рабочих поселков, небольших предприятий коммунального и сельскохозяйственного назначения и благодаря этому представляют большой интерес для республики Сирии. Преимущества БДФ по сравнению с другими традиционными очистными сооружениями (аэротенками, капельными биофильтрами и т.п.) состоят: в высокой удельной производительности за счет создания большой площади поверхности для развития биомассы и хорошего се контакта с потоком сточной жидкости, низкий прирост ила, небольшие материальные затраты при строительстве, удобства и простота в эксплуатации, малый удельный расход энергии, надежность работы при внезапных перегрузках п т.д. Наиболее важным преимуществом БДФ является возможность их промышленного изготовления на предприятиях сельскохозяйственной и коммунальной техники с набором отдельных блоков, т.н. типовых модулей с различными расходами.

Вместе с тем, широкое внедрение в инженерную практику БДФ тормозится как но ряду технических причин и отсутствием специальных материалов загрузки промышленного изготовления, что успешно преодолевается в мировой практике за счет использования различных материалов, так и, главным образом, обоснованных методов их расчета, базирующихся на использовании более совершенных физических и математических моделей для описания физико-химических и биологических процессов очистки сточных вод и бнодисковых системах. Построение таких моделей должно основываться и учитывать гидродинамический режим потока, теорию тепло- и массоиереноса и сложные кинетики биологических реакций в системе. Реализация таких моделей и построение на их основе численных и аналитических методов расчета БДФ определяют важность и актуальность работы.

Цель работы. Целью настоящей работы является разработка более совершенных и надежных методов расчета БДФ на основе сформулированных и реализованных математических моделей, а также

изучения н анализа существующих представлений и результата!) исследований биологической очистки сточных вод с прикрепленным биоценозом.

В задачу исследовании входило решение следующих вопросов:

- изучить механизм и особенности изъятия органических загрязнений вращающейся загрузкой с прикрепленной биомассой с нслыо создания физической (концептуальной) модели очистки сточных вод на БДФ;

- построить на ее основе общую и совершенную математическую модель очистки с учетом влияния основных факторов на процесс биоокислсния многокомпонентного субстрата;

- разработать инженерную методику расчета технологических и конструктивных параметров БДФ и оцепить влияние отдельных факторов и исходных характеристик на технологический режим работы БДФ;

- выполнить апробацию предложенной методики расчета с привлечением данных экспериментальных исследований.

Научная новизна работы заключается в построении более совершенной биогидродинамичсской и на ее основе математической моделей биологической очистки сточных вод на БДФ, учитывающих нестационарность процесса, диффузионный перенос в биопленке, влияние динамики потока в жидкой пленке, различные модели кинетических реакций биоокисления. Разработана численная и аналитическая методики расчета основных параметров БДФ и проведена оценка влияния основных факторов и исходных характеристик (температурного и кислородного режимов, коэффициентов переноса и диффузии, частоты вращения дисков, принятых моделей кинетических реакций биоокисления и т.д.) на режим работы БДФ.

Практическая значимость. Проведенные исследования позволяют применять их результаты для более надежного обоснования расчета и проектирования технологических параметров многосекционных БДФ с учетом ряда факторов и процессов, которые ранее или вообще не принимались во внимание или учитывались недостаточно. Составлены рекомендации по методике расчета БДФ, Показаны порядок и последовательность их применения в различных условиях работы БДФ, путем сопоставления с данными экспериментов оценена достоверность теоретических разработок.

На защиту выносятся следующие научные положения:

- общая математическая модель биологической очистки сточных вод на БДФ, численные и аналитические методы ее реализации;

- методика расчета конструктивных и технологических параметров

миогосскцшшного БДФ при нестационарном и стационарном режимах работы биореактора;

- рекомендации но реализации этой методики для различных условий очистки с оценкой и учетом влияния отдельных факторов и исходных характеристик (температурного и кислородного режимов, частоты вращения дисков и т.д.).

Публикации. По материалам диссертации опубликованы три научные работы.

Апробання работы. Основные научные положения диссертации докладывались на 54-ой и 55-ой научно-технических конференциях Киевского государственного технического университета строительства и архитектуры (1993. 1994 гг.), па международной америкаио-украннской конференции "Изучение и защита окружающей среды" (Киев, сентябрь, 1993 г.), а также на заседаниях и семинарах Института гидромеханики ПАИ Украины, кафедры гидравлики и водоотведения КГТУСА, где соискатель обучался в аспирантуре.

Объем н структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, основных выводов и списка использованной литературы из 83 иамепований. Работа изложена на 167 страницах машинописного текста, включая 32 рисунка, 12 таблиц и 4 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РЛКО'ГЫ

Во введении охарактеризовано современное состояние проблемы, сформулированы цель и задачи исследований, показана их новизна и актуальность.

В первом разделе излагаются общие принципы бполошческой очистки промышленных и бытовых сточных вод, приводятся и анализируются кинетические уравнения реакции окисления для моносубстрата и многокомпонентного субстрата, а также описание процессов очистки в сооружениях с прикрепленной биомассой (биофильтрах), рассматриваются конструкции биодпековых фильтров (БДФ), особенности м эффективность биологической очистки сточных вод на них. Производится анализ существующих подходов и методов расчета БДФ, применяемые при этом физические и математические модели, описывающие физико-химические и биологические процессы очистки сточных вод в биодисковых системах.

В процессе биологической очистки сточные поды, как правило, представляют собой многокомпонентный углеродосодержащин субстрат, который ассимилируется различными микроорганизмами, т.е. исходят из рассмотрения суммарной концентрации многокомпонентною органического загрязнителя и суммарной биомассы микроорганизмов, состав и степень

такого загрязнения оценивают по биохимической (БПК) и химической (ХГ1К) потребностям кислорода. Для описания процессов биологической очистки и происходящих при этом биохимических реакций окисления предложено много различных моделей. Основой большинства из этих моделей является общая кинетическая модель материального баланса, связывающая скорость потребления органических веществ с поступающей жидкостью концентрацией L и скоростью роста рабочих микроорганизмов концентрацией X

dX dL

-= Y--b'X , (1)

dt dt

где Y - коэффициент размножения микроорганизмов,

b' - константа скорости самоокисления микроорганизмов. В частности, для кинетической реакции биоокисления, принятой согласно известной модели Mono, имеем

dL n(L)X pmXL

dt Y Y(Km+L)

(2)

где рт — максимальная удельная скорость роста микроорганизмов,

Кт - константа насыщения; для аэробной биологической очистки многокомпонентного субстрата в реакторах различных типов В.А.Вавилин рекомендует уравнение

^ Рп.5 . / Ь \ П_1

(3)

V Lq/

dt Km + 5 N L(

в котором выделяются два случая: грубая очистка (i; > Кт) и глубокая очистка (4 « Кт). Многие исследователи придерживаются мнения, что для очистки многокомпонентных загрязнений, какими являются сточные воды, особенно в случае закрепленного биоценоза, кинетика окисления может быть описана на первых стадиях при значительных концентрациях реакцией нулевого порядка, а на последующих стадиях при умеренных и небольших концентрациях - реакцией первого порядка. Если учесть, что хорошей анроксимацией модели Моно по мере снижения концентрации является реакция с порядком 1/2, то можно констатировать, что кинетика реакций проходит три разных порядка - нулевой, половинный и первый. Эффективность биологической очистки сточных вод не только по

6

сравнению с аэротепками, но и с классическими биофильтрами может быть повышена за счет внедрения дисковых биофильтров с горизонтальным движением сточной жидкости. В диссертации приведен анализ отечественных и зарубежных конструкций БДФ, их состав и особенности компоновки в технологических схемах очистки, описаны конструкции дисков и применяемый материал для их изготовления, технологические режимы работы БДФ, как реакторов-вытеснителей и реакторов-смесителей, технические решения, позволяющие улучшить гидродинамический режим и аэрацию потока и тем самым существенно интенсифицировать процесс биологической очистки сточных вод. Особенностью БДФ является образование и функционирование прикрепленной биоиленки (биоценоза) на поверхности подвижной загрузки (вращающихся дисках), где происходит основное изъятие загрязнений (до 90 ... 95 %). Описаны механизмы образования биопленки и изъятие загрязнений микроорганизмами, как результат одновременного протекания нескольких физико-химических и биологических процессов, таких как адгезия, сорбции, диффузия, деструкция, окисление, гидродинамический режим потока. Анализ имеющихся материалов и результатов экспериментальных исследований свидетельствует о том, что попытки создать приемлемую методику расчета БДФ, основанных на опытных данных по ряду причин (недостаток информации, невысокое качество данных) не дало положительных результатов. Поэтому сущестиующие методы расчета БДФ в основном базировались на различных, преимущественно балансовых моделях процесса, которые но степени и глубине учета различных факторов можно разделить на три основные группы. К первой группе относятся простые стационарные и нестационарные модели'(Б.А.Ванилин, В.II.Валах, Ю.П.Василенко, Н.Г.Дмитриевский, С.С.Кузьмин, Б.Мидлбрук, А.Я.Олейник, А.Пене, П.М.Таварткиладзе, Т.П.Тараскж, М.'Груллеар, Л.А.Фесик, И.N1.Черный и др.) в общем случае имеющие вид

с1Ь

V-= ОЬ -ОЬ-И-У: (4)

Отличие приведенных моделей у разных авторов связано с принятой скоростью реакции изъятия загрязнений И. Наиболее полные методики расчета БДФ на основе уравнения (4) для скорости реакции первого порядка разработана А.Я.Олеиником и И.М.Черным, а в условиях стационарной модели (с1Ь/(к = 0) для скорости реакции нулевого порядка -П.М.Таварткиладзе и Т.П.Тараскж, для скорости реакции согласно модели 2 - е-> гд

Mono - II.Г. Дмитриевским. В моделях этой группы предполагается, что общая масса микроорганизмов (прилипших и извещенных) распределяется по всему объему сточной жидкости в системе. При этом процессы массоперсноса и массообмеиа в емкости, жидкой пленке и биоплепке и между этими структурами в этих моделях отдельно не рассматривались.

В моделе второй группы (К.Гриве, А.Паолипи, Д.Эндрюс и др.) учтены процессы массоперсноса в емкости и жидкий пленке и массообмеиа па их граничных поверхностях. Математическая модель состоит из замкнутой системы стационарных уравнений материального баланса массы субстрата, записанных для емкости, жидкой пленки и биоплепки. Модель была реализована для скоростей реакции первого порядка и приближенно для модели Моно.

Дальнейшее усовершенствование методов расчета БДФ выполнено в моделях третьей группы, т.н. диффузионных моделях окисления, в которой за счет копвективно-диффузионпот переноса и реакции учтено изменение концентрации по толщине биоплепки (Д.Фемуларо, У.Одаи). Модель реализована для скоростей реакции пулевого и первого порядков и была использована для оценки влияния различных факторов и параметров па процесс очистки бытовых сточных вод.

На основе выполненного анализа данных теоретических и экспериментальных исследований делается вывод о необходимости дальнейшего усовершенствования моделей и разработка на их основе инженерных методов расчета БДФ.

Во втором разделе рассмотрены постановка и обоснование математической модели, которая по сравнению с существующими более полно учитывает гидродинамические, физико-химические и биологические процессы очистки в биологических системах и ее реализация аналитическими и численными методами. С учетом существующих представлений о механизмах процесса в условиях вращающейся загрузки с фиксированным на ней биоценозом и достаточности при этом обеспечение кислородом, что обычно имеет место при рекомендуемых скоростях вращения дисков (в > 2 ... 3 об/мин), математическая модель сводится к описанию процессов диффузии (переноса) потока субстрата и его трансформации в емкости, жидкой пленке п биопленке и будет состоять из систены нестационарных уравнений материального баланса массы, записанных относительно концентраций субстрата в очищаемой жидкости, в биопленке и жидкой пленке. Тогда для принятых в диссертации предпосылок и факторов, которые, как показал последующий анализ, вполне допустимы и не вносят существенных погрешностей в расчеты, имеем:

с1Ц

V-= 0(Ц - Ц) - к,- ь

х -о1 - - 0„<1-„ - (5)

для тонкого слоя жидкой пленки толщиной 8

<»-„ 0„ К',,

аь ь08„ 8П

хм,) ~ к„;

для топкого активного слоя биоплепки ЮЛЩ1Ш0Г1 8 а) находящейся н жидкости

п,

- г< =

ах^

¿)1

Ок.

б) находящейся н воздухе

г2!-' Ох.

I),

<Эх

,2

V

(I - V) - К'

в\:

81

(7)

(8)

Здесь Ц, Ье, Ь Ц Ь' - соответственно концентрации субстрата в исходном растворе, в емкости, и жидкой пленке, в бпоплепке, находящейся в жидкости п воздухе, т'БПК/м-1; К(1, Я, Яп - соответственно скорости реакций (удаления субстрата) на единицу объема в реакторе, (шоиленке и в жидкой пленке, г-БПК/м'' час; 5(:), 5а - соответственно текущая площадь поверхности диска (загрузки) в воздухе и площадь поверхности диска, погруженная в жидкость, м2; 1), - коэффициент диффузии субстрата в бионлепке, м^/час; К] , [<'( - соответственно коэффициент!)! массопереноса субстрата из жидкости и из жидкой пленки в бионленку, м/час; -

объемные скорости потока в биопленке и в жидкой пленке, м-'/час; Ьпр -концентрация субстрата и жидкой пленке при входе н жидкость (0 = Г'БПК /м:'.

Для уравнений (5)-(8) сформулированы краевые условия задачи. В частности аналитическое решение уравнения (7) при краевых условиях

-

ах

к, ае - и

х=0

11х

х=6

0; 1.(х,0

= 0

1=0

позволило получит!, следующие выражения для концентрации 1-(х,0

а) для реакции нулевого порядка Н() = р0

„Х/У

L(x,t) = 1 - — + —[1 - (1 - x)2] -P0(x,c,T); (9)

с 2

б) для реакции первого порядка Rj = k,L = pmXL/YKm _ _ cclWe (1-х) _

L(x,t) =-- P(x,c,e,t), (10)

cchVfT- Ve-shVe

L p062 I<l5 k|8

Le ' n_ DLLC' L ~DL ' DL

- - x

52 ' S

Функции P0 и P|, табулированы в диссертации в виде расчетных графиков. При стационарном режиме (t -> со) PQ = Pj = 0. Аналогичные выражения, но при других значениях г) и е получены при решении уравнения (8). Подставив в уравнения (9) и (10) х = 0, получим значения концентрации L х=0 и L' д, которые входят в уравнения (5) и (G).

HmXL

Для реакции согласно модели Mono R =-система уравне-

Y(Km+L)

ний при Re = 0 и Rn = 0 решена численным методом. Для этого сначала исходная <• истома и краевые условия приводятся к задаче Коши для системы N обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка, решение которой выполняется методом Эйлера. На основе разработанного алгоритма составлена программа на языке "Фортран" для персональных ЭВМ.

В третьем разделе на основе реализации численными и аналитическими методами принятых математических моделей разработана инженерная методика расчета БДФ, которая связывает технологические характеристики процесса с технологическими н конструктивными параметрами БДФ. Аналитический расчет снижения концентрации Le за время t в секции (резервуаре) полезным объемом V расходом Q и имеющей N дисков выполняется но формуле

^kJüWü. , <п)

\ W / W

в которой значение параметров принимается: для реакции нулевого порядка

= ЧгУ> = Ч0У +

V

Р0 = 2Ы8аВКь + 2Ы5рХ28п

оп

ор

Е =

Вр= (В

Л

К'ь

Ро

+ (1 -Е)

К1-Е), В =

К' ,й

Б

I

<3б

Я, = ■

Рр8

Ч V"

е, = 52

П

I.

для реакции мерного порядка ¥

\¥ = •

V

= Ч0у -

№

Е = 2Ы5ак*, + <2 + 2М5р^28п(1 - —-Р),

К',

х2 + ■

+- (1-Е)

8„

сп =

к, + X,

(1-Е),

А = ■

к*,

е = (к. + Х2 )-т;

1

Цдг =-- гидравлическая нагрузка по объему, -

. V час

Чоу = ЧгуЦ) ~ органическая нагрузка по объему, —-,

п - частота вращения дисков, об/час, Эр = Б - 5а - непогруженная площадь поверхности загрузки (диска), м2. Заметим, что в этом случае значение концентрации Ьпр составит

г

о

В

с

Р

с

2

т

И

w.B

Lnp = L . (12)

На основании предложенной методики расчета при известных гидравлических нагрузках и принятых конструктивных размерах БДФ можно определить концентрацию Le на выходе из секции (реакторе) па расчетный период времени tp = V/Q обработки сточных род. При необходимости можно проследить за динамикой прохождения очистки, выполнив дли этого расчеты по уравнению (11) для времен t < tp. Разработанный численный метод расчета общей модели с реакцией согласно нелинейного уравнения Моно позволяет выполнить полный расчет технологических параметров БДФ, оценить илияние отдельных факторов и параметров и принять для последующих расчетов более простую методику, существенно не снижая при этом точности инженерных расчетов. Анализ показывает, что во многих случаях при решении задачи можно ограничиться рассмотрением стационарных условий протекания процесса в бионленке и жидкой пленке, а в некоторых случаях и в емкости. Поэтому в диссертации было получено решение системы стационарных уравнений с реакцией согласно модели Mono и иа основе этого решения разработан аналитический метод расчета параметров БДФ.

Для использования приведенных математических моделей и методов расчета была проведена большая работа по выбору и определению исходных параметров и коэффициентов. Значения последних, а также рекомендации ио их определению представлены на основе критического анализа и оценки имеющейся в литературе информации, полученной в результате обработки данных многочисленных теоретических и экспериментальных исследований очистки сточных вод на БДФ с использованием при этом разработанных моделей. В работе приведены числовые значения и зависимости, позволяющие достаточно надежно и обоснованно принять при расчетах биологической очистки хозяйственно-бытовых сточных вод параметры и коэффициенты в принятых реакциях биоокислсння р0, к,, цт, Y, 1<т и X, коэффициентов массопереноса KL, K'L и диффузии DL, толщин биоплепки 5 и жидкой нленки 5П.

В четвертом разделе оценивается влияние основных факторов (кислородного и температурного режимов, скорости (частоты) вращения дисков) на процесс очистки и на параметры (коэффициенты) модели, а также излагаются результаты апробации предложенных методов расчета с привлечением данных экспериментальных исследований различных авторов. Оценена потребность кислорода при аэробной очистке, способы его поступления в систему в условиях прикрепленного биоценоза на

вращающихся дисках, которые главным образом происходят через жидкую пленку, и отмечены недостатки существующих упрощенных моделей и поступления в систему в условиях прикрепленного биоценоза на вращающихся дисках, которые главным образом происходят через жидкую пленку, и отмечены недостатки существующих упрощенных моделей и методов расчета необходимой потребности кислорода для окисления субстрата в установках БДФ. При этом показано, что получение более падежных количественных данных о кислородной обеспеченности процесса с учетом влияния разнообразных факторов и метаболических процессов в бионленке можно получить па основе одновременного изучения процесса массоперепоса и кинетических реакций для двух субстанций - субстрата и кислорода. Поэтому в работе получено приближенное аналитическое решение полной системы стационарных уравнений для субстрата и кислорода (к системе уравнений (5)-(8) для субстрата прибавляется аналогичная система уравнений для кислорода), в которых скорости кинетических реакций в бионленке для субстрата и кислорода 11с приняты следующим образом

РпЛ с

п --!!!---| (13)

ь + КтЬ с + ктС

Ис = (а' Р"'Ь + ЬХ )--, (14)

' Ь + КтЬ / С + ктС

где С - концентрация кислорода, г'02/м^,

КтС - константа Мнхаэлиса для кислорода, гЮ2/м3, а' - коэффициент утилизации кислорода, г,02/г,БПК. Ь - скорость эндогенной реакции, 1/час.

.Для удобства расчетов по предложенным аналитическим зависимостям составлены численные алгоритмы и программы на языке Фортран. Многими исследователями отмечается существенное влияние температуры на протекание биохимических процессов, жизнедеятельность микроорганизмов и бактерий. В частности, установлено, что активность аэробных микроорганизмов возрастает с повышением температуры и достигает максимума примерно при 1° = 20°С. Дальнейшее повышение температуры постепенно снижает активность микроорганизмов, что в свою очередь приводит к снижению эффекта очистки. В диссертации выполнен анализ по оценке влияния температурного режима на процесс очистки и приводятся конкретные рекомендации по его уюту при выполнении расчетов. В частности, на основе существующих представлений влияние температуры может быть учтено в принятых расчетных зависимостях посредством корректировки кинематических и других параметров на температурный фактор

следующим образом

Ои=Оь250(^25О). (15)

^ = Мт2о0а°-2оо). (16)

Ки = К,2ов<'°-200>, (17)

где Оц, Ицй 11 Ки " расчетные значения параметров соответственно при Ь < 25°С и t < 20°С; рт20 и К^о " значения параметров при 25°С и

20°С. При атом значения поправочного коэффициента ©принимаются: 0 = 1.02 в формуле (15), 0 = 1.026 в формуле (16) и 0 = 1.05 ... 1.07 в формуле (17).

Эффект удаления загрязнений в системах БДФ во многом определяется и зависит от скорости (частоты) вращения дисков с фиксированной биопленкой. Влияние частоты вращения дисков п прежде всего сказывается на гидродинамический режим потока, благоприятные условия которого на основе экспериментов могут быть обеспечены при

лБп ¡Ю

у =-= 0.2 ... 0.4 м/с; Не»-г-= 1500,

60 ' Д 2у

где V - линейная скорость на ободе диска, м/с; п - частота вращения мин-1; V - кинематическая вязкость жидкости, м2/с. На основе этих условий в работе приводятся и анализируются существующие рекомендации но выбору частоты вращения п. В частности, если принять и = 0.3 м/с, то следует п = 5.73/Б; в зависимости от диаметра диска В и начальной концентрации Ь0 ряд авторов (И.М.Таварткиладзе, Ю.П.Василенко и др.) рекомендуют принимать п в пределах от 2 до 10 об/мин. В разработанных моделях и методах расчета влияние частоты п учитывается посредством принятия коэффициентов и параметров К^, Кс, и Я.2, зависящими от п и приводятся количественные выражения таких зависимостей. Нетрудно заметить, что именно такой учет частоты а определяет складывающуюся биогидродинамическую обстановку в системах БДФ. Вместе с тем, ограничение по частоте вращения БДФ является одновременно одним из основных условий его оптимизации по энергопотреблению.

В диссертации проведена широкая апробация предложенных моделей и методов расчета на основе данных лабораторных и опытно-производственных экспериментов различных авторов (А.Паолипи, Д.Фемуларо, А.Фридман и др.), полученных при различных конструктивных и технологических характеристиках БДФ и сточных вод и позволяющих раздельно учесть и оцепить влияние отдельных факторов на процессы очистки. В качестве примера на рис. 1, 2, 3, 4 приведены некоторые

результшы сопоставлении расчетных и ошлмых данных. В большинстве случаен для рекомендованных кинетических реакции результаты расчетов вполне удовлетворительно согласуются с опытными данными. Расхождение между ними в среднем составило 5% и только для стационарных условий (t —>со) оно при значительных органических нагрузках достигало 25%.

Кроме тою, было установлено, что результаты расчетов с реакциями пулевого порядка и согласно модели Mono хороню согласуются с опытными данными при относительно высоких исходных концентрациях, что обычно имеет место в первых секциях реактора, при низких концентрациях, что имеет место и последних секциях, опытные данные хорошо согласуются с расчетными, полученными при реакции первого порядка.

С привлечением опытных данных проанализирован также характер изменения концентрации L в пограничном диффузионном слое и в бионленкс.

Результаты расчетов изменения концентрации кислорода в секциях 0(, удовлетворительно согласуются с опытными данными, что свидетельствует о достаточной надежности расчетов по стационарной модели. Анализ этих данных показал, что для рекомендуемых практикой параметров дисков и скоростей их вращения потребное количество кислорода, как правило, обеспечивается при низких и умеренных концентрациях загрязнений, по может оказаться недостаточным при высоких концентрациях.

Рис. 1. Графики зависимости удаления загрязнений по секциям при различных реакциях: 1 - нулевого порядка (р0= 150 мг/л-мнн), 2 - Mono (рт = 150 мг/л'мин), 3 - первого порядка (к, =0.333 мин"1), 4 - опытные точки (А.Паолини) 15

Рис. 2. Графики зависимости удаления загрязнений но секциям: 1, 2,

3 - расчетные кривые при ^ = V/С} = 0.59, 0.29, 0.145 час;

4 - □, ©, О - опытные точки (А.Фридман и др.); 5 - расчетные кривые при I -> оо.

Рис. 3. Графики зависимости удаления загрязнений (а) и потребления кислорода (б) по секциям: 1, 2, 3 - расчетные кривые при п = 6, 12, 30 мин-1; 4 - □, Ф, О - опытные точки (А.Фридман и

др.).

Рис. 4. Графики изменения концентрации L н диффузионном слое и бпоилепке при различных К| : 1 - I<L = 0.39 м/час, 2 - К( = O.Ui м/час, 3 - К| = 0.09 м/час.

В целом проведенная апробация позволяет судить о достаточной достоверности и надежности предложенных моделей и методов расчета.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Изучен механизм и особенности биохимического окисления многокомпонентного субстрата прикрепленным биоценозом на вращающихся биоднековых фильтрах (БДФ) различной конструкции.

2. На основании анализа существующих представлений и результатов теоретических и экспериментальных исследований сформулирована физическая (концептуальная) модель биологической очистки сточных вод на БДФ.

3. Построена на ее основе более общая и совершенная математическая модель очистки, учитывающая нсстационарпость процесса, диффузионный перепое в бнопленке, динамику потока » жидкой пленке, различные модели скоростей кинетических реакции биоокисления п т.д.

4. Для кинетических реакций нулевого и первого порядков получено аналитическое решение задачи биохимического окисления, для скорости кинетической реакции, описываемой известным нелинейным уравнением Mono, нестационарная математическая модель реализована численным методом, а стационарная модель - численно-аналитическим методом.

5. Разработана инженерная методика расчета технологических и конструктивных параметров установки и даны рекомендации по реализации этой методики для различных условий работы БДФ.

6. На основании критического анализа и оценки имеющейся в литературе данных теоретических и экспериментальных исследований применительно к предложенным моделям и методам расчета даны рекомендации по выбору кинетических и других параметров и коэффициентов, входящих в уравнения и расчетные зависимости. Оценено влияние температуры и частоты вращения дисков на процесс биологической очистки.

7. На основе рассмотрения общей стационарной модели, описывающей одновременно процессы массопереноса и кинетических реакций для субстанций субстрата и кислорода, разработана методика расчета поступления кислорода при окислении биомассы на установках БДФ.

8. Выполнена апробация предложенных методов расчета с привлечением данных экспериментальных исследований различных авторов. В большинстве случаев результаты расчетов вполне удовлетворительно согласуются с опытными данными. Установлена целесообразность использования той или иной кинетической модели скорости удаления загрязнений (уравнений реакций) в зависимости от исходной концентрации и стадии очистки.

9. Таким образом, предложенные математические модели и методы расчета многосекциониого БДФ учитывают и связывают между собой основные технологические параметры, конструктивные характеристики загрузки, биохимический и гидродинамический режимы реактора. Расчетная методика справедлива для любых соотношений реальных значений параметров и предусматривает оптимизацию процесса.

Основные положения диссертации изложены в следующих печатных работах:

1. Олейиик А.Я., Шайсб Шуджаа Валид. Математические моделирования биологической очистки сточных вод на биодисковых фильтрах (БДФ). Химия и технология воды. 1994, т. 16, №5, с. 501 - 508.

2. Олейиик А.Я., Калугин Ю.И., Шайеб Щуджаа Валид. Об одной модели биологической очистки сточных вод. Доклады НАЛУ, №5, 1995, с. 146 - 148.

3. Олейиик А.Я., Шайеб Шуджаа Валид. Методика расчета очистки сточных вод на биодискоиых фильтрах. В сб. Мелиорация и водное хозяйство. 191)5, вып. 83, с. 63 - 69. *

АНОТАЦШ

Шанеб Шулжаа Валид. Моделговання та розрахунки бюлопчно! очистки ст"1чних иод на (нодискових ф'1льтрах. Дисергашя - рукопис на здобуття вченого стуненя кандидата техшчмих наук но спсчналыгосп 05.23.04 - водопостачання, юншпзашя, КиУвський державний униюрситет 6уд1вництва та арх1тсктури, Kiiiti, 1996 р.

Внконапо фктичнс i матсматичне моделювання npoiiecciß бюлопчноУ очистки ст1чних вод на бюлопчних реакторах з рухомою загрузкою -бюдискових фьчьтрах (БДФ). Проведена реал1зашя занропонованих матсматнчннх моделей чисельними та анал1тичними методами, на ocuoBi яких розроблена ¡нжеиерна методика розрахунку технолопчних i копструктивних параметра БДФ. Зроблена oitiнка впливу основних факторт i шшдних характеристик (температурного i кисневого режим1в, коефппенпв переносу i дифузн, частота обертання дисюв, прийнятих моделей юнетичних реакшй бюокислення) на режим роботи БДФ та викинана апробашя розрахункових методик ¡3 залученням д0сл1дних даних.

Ключов! слова: бтдисковин ф1льтр, стНпа вода, математична модель, кшетична реакшя, концентрашя, бтмаса, методика розрахунку.

Summary

Chayeb Choujaa Walid. Mathematical modelling and calculatings of biological wastewater treatment by rotating biological contactors. Dissertation is the manuscript for receiving of scientific degree of candidate of technical sciences on speciality 05.23.04 "Water supply, sewerage", Kiev State University of Building and Architecture, Kiev, 1996.

The physical and mathematical modelling of wastewater treatment processes of sewage by means of biological reactors with moving load (rotating biological contactors - RBC) has been exacuted. The realization of offered mathematical models by numerical and analitical methods has been carried out. On the base of them engineering methods of calculation of technological and constructu ral RBC parameters has been elaborated. The appraisement of influence of principal factors and output characters (temperature and oxygenous regimes, coefficients of transfer and diffusion, revolving frequency of disks, received models of biological oxidation kinetic reactions) on RBC work regime has been done. Besides It has been carried out the comparative analysis of received results with known experimental data of others authors.

Principal words: RBC, sewage, mathematical model, kinetic reaction, concentration, biological mass, method of calculation.