автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Повышение эффективности очистки сточных вод в аэротенках формированием гидродинамической структуры потоков

На правах рукописи

ФРОЛОВА Анна Олеговна

«ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД В АЭРОТЕНКАХ ФОРМИРОВАНИЕМ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ПОТОКОВ»

Специальность 05.23.04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

5 ДЕК 2013

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва 2013

005541713

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Викулин

Павел Дмитриевич.

Официальные оппоненты: Скворцов Лев Серафимович, доктор технических

наук, председатель регионального отделения «Проблемы внедрения современных технологий» Российской Академии Естественных Наук.

Козачук Илья Николаевич, кандидат технических наук, заместитель генерального директора ООО «Вектор Климата».

Ведущая организация: ОАО «МосводоканалНИИпроект».

Защита состоится «&Ч 2013г. в часов на заседании

диссертационного совета Д 212.138.10, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, г.Москва, Ярославское шоссе, ^р^еХс^

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет».

Автореферат разослан 2013г.

Ученый секретарь диссертационного совета

£¿$$¡£¿2 Гогина Елена Сергеевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Усовершенствование аэрационных методов очистки сточных вод является частью стратегических решений вопроса предотвращения загрязнения окружающей среды. Производственные мощности, созданные без учёта всех факторов, влияющих на процессы очистки, требуют применения к ним дополнительных условий для повышения эффективности технологического процесса очистки сточных вод. Создание эффективных методов очистки по своей сложности не уступает применению малоотходных технологий. Современные методы очистки сточных вод включают: механическую очистку, биологическую очистку, физико-химическую очистку. Важное место среди них занимает биологическая очистка, которая широко используется при обработке промышленных и бытовых стоков. В ее основе лежит биохимическое окисление органических загрязнений микроорганизмами активного ила в аэробных или анаэробных условиях. Наибольшее распространение среди методов биологической очистки получил метод с использованием активного ила в аэротенках. За счёт взвешенных веществ, не задержанных при отстаивании, и активного ила создаются коллоидальные условия с размножением на образовавшихся коллоидах микроорганизмов. Аэрация ускоряет процесс окисления органических примесей исходной воды и создаёт возможность диффузии и сорбции последних.

В этих условиях постановка вопроса о возможности усовершенствования способа аэрации является весьма своевременной. Однако на сегодняшний день теоретическая сторона вопроса изучена недостаточно. Исследование механизма взаимодействия потока очищаемой сточной воды и пузырьков воздуха, с точки зрения гидродинамики и энергетических потенциалов, возникающих при движении потоков, является весьма актуальным.

Исследований движения потока жидкости при биологической очистке сточной воды в аэротенках, как энергетически потенциального, опубликовано немного. Ознакомление с ними приводит к выводу о том, что в настоящее время

в научной среде только начинает подниматься вопрос о потенциальности потока, т.к. подобный подход значительно повышает эффект очистки сточной воды в аэротенках.

Использование усовершенствованных способов аэрации расширяет область применения данного метода.

В предлагаемой работе рассматриваются:

1) анализ исходной сточной воды и активного ила как коллоидной структуры;

2) разработанный механизм взаимодействия потока сточной воды в аэротенках (как потенциального потока) и колебательного механизма пузырьков воздуха;

3) расчет влияния энергетической направляющей при аэрации и потенциального потока на эффективность очистки сточной воды.

Цель работы - разработка теоретических основ влияния аэрации на гидродинамику потока жидкости в аэротенках, экспериментальные исследования по определению гидравлических показателей потока, оценка воздействия движения водно-иловой смеси на эффективность очистки сточной воды.

Объект исследования - хозяйственно-бытовые и предварительно очищенные производственные сточные воды, структура потоков в аэротенках.

Предмет исследования - взаимодействие пузырьков воздуха при аэрации и равномерного движения потока жидкости в аэротенках, движение аэрируемой водно-иловой смеси, ускорение процессов диффузии органических примесей.

Задачи работы. Для достижения поставленной цели в ходе диссертационной работы решались следующие задачи:

1. разработка и расчет физической гидродинамической модели для повышения эффективности очистки сточной воды в аэротенках;

2. изготовление экспериментальной установки для изучения гидродинамических процессов и распределения активного ила в аэротенке;

3. проведение анализов качества очистки сточных вод в существующих гидродинамических условиях;

4. изучение гидродинамической обстановки в аэрируемом сооружении;

5. разработка и испытание модели нового аэрационного устройства для подачи воздуха в аэротенк с целью повышения эффективности очистки сточных вод;

6. обоснование выдвинутой математической модели экспериментально;

7. расчет влияния колебания пузырьков воздуха при аэрации, имея ввиду то, что в сооружении превалирует потенциальный поток.

Научная новизна диссертационной работы состоит в развитии актуального направления биологической очистки сточных вод в аэротенках. Она состоит в следующем:

- исследован механизм взаимодействия потока сточных вод, как потенциального потока, и колебательного механизма пузырьков;

- предложено математическое описание разработанной модели биологической очистки сточных вод в аэротенках от органических примесей, с учетом энергетической направляющей при аэрации;

- по результатам исследований доказано наличие влияния энергетической направляющей при аэрации и потенциального потока на эффективность очистки сточных вод в аэротенке;

- предложен, теоретически обоснован и экспериментально подтвержден метод воздействия на газогидродинамику аэротенков, обеспечивающий увеличение эффективности очистки сточных вод.

Практическая значимость заключается в следующем:

- разработаны рекомендации для проектирования аэротенков с предлагаемой системой аэрации;

- разработаны конструктивные элементы предлагаемой системы аэрации;

- доказана эффективность применения предложенных технологических решений в технологической схеме работы аэротенков.

Внедрение результатов - выданы рекомендации на проектирование аэротенков с предложенной системой аэрации для ЗАО «Рязангражданпроект».

Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечены многократным повторением экспериментов на лабораторных установках с реальными сточными водами и активным илом ЗАО «РНПК», применением стандартных методов измерения и точного измерительного оборудования. Обоснованность предлагаемых технологических решений, схем и конструкций обработки воды подтверждена лабораторными испытаниями.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

- Международная конференция «Энергосбережение и энергоэффективность на предприятиях водопроводно-канализационного хозяйства» Москва, МВЦ «КрокусЭкспо» 6-7.06.2012.

- Конференция «Современные методы очистки сточных вод» ФГБОУ ВПО «МГСУ», 18.10.2012.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 4 (четыре) печатных работы, в том числе 3 (три) статьи из них в журналах, входящих в перечень ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, общих выводов, списка использованной отечественной и зарубежной литературы, состоящей из 77 наименований. Общий объем диссертационной работы: 159 страниц машинописного текста (без приложений), 26 таблиц, 59 рисунков.

На защиту выносятся следующие основные положения диссертационной работы:

- полученная зависимость эффекта очистки сточных вод в аэротенках от влияния энергетической направляющей при аэрации и потенциального потока;

- результаты работы лабораторной установки с базовой и предлагаемой системами аэрации.

- рекомендации на проектирование аэротенков с использованием предлагаемой системы аэрации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отмечается, что интенсификация аэрационных методов очистки сточных вод является важной частью решений вопроса предотвращения загрязнения окружающей среды. Обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы, отмечена научная новизна и практическая значимость.

В первой главе производится анализ литературных данных, как отечественных, так и зарубежных. Существенный вклад в развитие технологии биологической очистки в аэротенках внесли ученые: Дибдин, Фоулер, Ардерн, Локкет, Франк, С.Н. Строганов, H.A. Базякина, И.Г. Поварнин, К.Н. Корольков, Е.Ф. Константинова, М.М. Калабина, В.В. Безенов, Е.Ф. Кононова, А.Т. Демина, A.B. Александрова Н.М. Попова, О.Т. Болотина, И.С. Постников и другие.

Биологический метод очистки сточных вод основан на природной способности микроорганизмов воды и почвы в процессе жизнедеятельности разрушать различные органические и минеральные соединения. Основньми субстанциями процесса в аэротенке являются органические загрязнения, биомасса активного ила и растворенный кислород. На основании литературных данных сточная вода и активный ил обладают свойствами коллоидов. Литературный обзор выявил, что на качество очистки влияет: структура и состав активного ила, исходной сточной воды и гидродинамическая обстановка в сооружении.

Гидродинамический режим работы сооружения является составной частью процессов массопередачи и диффузии. Аэрация исходной воды, т.е. возникновение и рост пузырьков воздуха, с точки зрения потенциального потока оказывает существенное влияние на эффективность очистки.

На основании проведенного анализа научно-технической информации перспективным направлением исследования является изучение влияния газогидродинамической обстановки в аэротенках на качество очистки сточных вод.

Во второй главе за основу для получения представления о энергопотоках образующихся в аэротенке были использованы основные положения теорий Френкеля Я.И., Биркгофа Г., Сарантонелло Э.

Рассмотрение потоков движения воды в аэротенке показало, что на эффект очистки сточных вод влияет структура потока. Скорости при движении воды в аэротенке в сходственных точках двух смежных сечений равны между собой. При этом условии все параметры движения и геометрические характеристики поперечного сечения должны быть неизменными вдоль всего потока, т.е. глубина Ь, площадь живого сечения и средняя скорость V являются величинами постоянными. Движение воды в аэротенке весьма близка к описанной выше. Выдвинута гипотеза, что течение в аэротенке является равномерным.

При рассмотрении литературного обзора по движению пузырьков воздуха в воде были сделаны следующие предпосылки: одиночный пузырек воздуха движется поступательно, колеблясь около вертикального направления, в процессе всплытия он деформируется, переходя от сферической формы к линзообразной и обратно. Однако, в аэротенке происходит массовое всплытие пузырьков, которые двигаются в стесненных условиях. Такие условия движения частиц характеризуются закономерностями массового перемещения группы частиц, при котором каждая частица испытывает влияние окружающих. На основании литературного обзора были сделаны предпосылки о коллоидной структуре активного ила и сточной воды. Т.е. в водно-иловой смеси образуются мицеллы. Движение пузырьков воздуха при аэрации и образовавшихся мицелл в сооружении происходит так же в стесненных условиях. При массовом всплытии пузырьков при аэрации и мицелл происходит изменение траектории движения каждого компонента потока.

Выдвинута гипотеза, что подача воздуха в аэрируемую жидкость под углом приводит к увеличению интенсивности колебания пузырьков воздуха, что в свою очередь повышает общую энергию системы. Предположим, что изменение угла подачи воздуха приводит к ускорению процессов диффузии

органических веществ в хлопок активного ила и, как следствие, повышению эффекта очистки сточных вод в аэротенке.

Взаимодействие пузырьков воздуха и равномерного движения потока жидкости в аэротенке приводит к ускорению процессов массопередачи, диффузии. Для эффективной работы аэротенка необходимо обеспечить прохождение процесса массопередачи и диффузии кислорода воздуха и исходных продуктов в мицеллу. Для описания этих процессов предположим, что вокруг каждого флокула образуется шарообразная зона радиуса г, в которую заключены все вещества, способные диффундировать. Повышение эффекта очистки может быть осуществлено двумя путями:

1. За счет увеличения количества центров в объеме, т.е. дозы активного ила.

2. За счет увеличения радиуса действия мицеллы (влияние кислорода).

Если допустить, что активный ил состоит из большого числа малых

шаров, то максимальное их количество может быть 74% всего объема жидкости. Увеличение мицелл сверх этого количества или же при постоянном количестве центров в объеме увеличение радиуса действия, приведет к тому, что образовавшиеся флокулы будут мешать друг другу, что приведет к ухудшению эффекта очистки.

Биологическая очистка сточной воды в аэротенках в большей степени зависит от гидродинамической ситуации в объеме. Предположения о потенциальном потоке и движении пузырьков воздуха при аэрации, а также об ускорении диффузии органических веществ при этом и о суммировании потенциалов скоростей потока и пузырька позволили осуществить следующий расчет. Извлечение примеси рассматривалось как два процесса:

1. окисление органических веществ, содержащихся в сточной воде, кислородом воздуха. Т.е. за счет внешнего подвода энергии (движение воды + энергия пузырьков);

2. окисление органических веществ, содержащихся в сточной воде, микроорганизмами активного ила. Т.е. за счет диффузии органических веществ в мицеллу (хлопок активного ила).

Обозначим начальную концентрацию загрязнений (БПК5) как Р1.0., а промежуточное значение Рм. Примем необходимое количество активного ила за 1. Если при этих условиях использовать не весь активный ил, необходимый для полного извлечения примесей, а только его х-вую часть, то количество извлеченных примесей будет: Р, д • х, а оставшаяся часть БПК5 (Рм): Р„=Р10 -х-Р10 =(1-х)Р10.

Обозначим х0 некоторой величиной, характеризующей увеличение энергетической составляющей потока. Будем считать, что оно соответствует как бы добавлению к активному илу дополнительной дозе Хо, т.е. суммарный эффект выразился бы в том, что исходная доза активного ила увеличилась бы на величину Хо-

Если количество активного ила равно х, то можно принять, что величина

хо

Хо распределиться между активным илом и исходным веществом как 1 _ х .

тогда после окончания процесса концентрация, т.е. БПК5 будет:

1. За счет присутствия активного ила: Р10 -х+Р, 0 (1-х)х0.

2. За счет уменьшения активности ила эффект снизится на величину:

Р,.„.-х-х0.

Следовательно, конечная концентрация БПК5:

Ря=Р,Л-[Р,Л-х + Р,д(1-х)с0-Р1Д-х.хЛ

Р]о_Рм

Выразим из формулы эффект: х+ х 0 (1 - 2 х) = - .

Г1.0.

Р -Р

Если Хо=0, то х = —-при очистке без дополнительного ввода

Р|.о.

энергии эффект будет равен эффекту, соответствующему вводимой дозе активного ила.

Р -Р

Если х=0, то х0 = —-" ; при очистки без добавления активного ила

Р1.0.

эффект будет соответствовать эффекту с использованием только дополнительных условий.

и

Допустим, что для получения полного эффекта необходимо наличие

1-х0

активного ила больше, чем условно равного 1. В этом случае: х - у—- доза

активного ила для получения требуемого значения БПК5.

Повышение эффекта очистки сточной воды в аэротенке может быть осуществлено при условии изменения гидродинамики потока, а именно изменение угла подачи воздуха аэрационной системы аэротенка, что будет аналогично изменению радиуса действия мицеллы, т.е. ускорению процесса диффузии.

В третьей главе произведено масштабное моделирование и дано описание лабораторной установки 1. Базой для дальнейшего моделирования и проведения исследований, по теме диссертации, является аэротенк-смеситель 1-ой ступени, расположенный на территории очистных сооружений города Рязани, предназначенный для биологической очистки общих стоков от предприятий и хозяйственно-бытовых сточных вод города.

Для проведения экспериментальных исследований было произведено масштабное моделирование по гидравлическим показателям, с масштабным коэффициентом 50. В результате моделирования построена модель одного коридора аэротенка-смесителя (рис.1). Активный ил и сточная вода поступают в модель коридора аэротенка через трубки от отдельно стоящих емкостей.

Рис.1. Схема лабораторной установки 1.

В четвертой главе для проверки выдвинутой гипотезы проведены исследования с реальными сточньми водами и активным илом по определению

основных параметров, характеризующих эффективность работы сооружения, описана методика их определения. Принципиальная схема установки 1, на которой производились эксперименты по определению БПК5, ХПК, аммонийного азота, фосфатов, рН, I, растворенного кислорода, газогидродинамических процессов представлена на рис.2.

/1

/ 2 5 и

У -г: / 4 м ... ■ , , , --

Рис. 2. Схема установки 1:1- емкость со сточной водой; 2 - емкость с активным илом; 3 - трубка для подачи сточной воды; 4 - трубка для подачи активного ила; 5 - регуляторы подачи расхода сточной воды и активного ила; 6

- боковой распределительный канал подачи сточной воды; 7 - коридор аэротенка; 8 - отверстие для выпуска водно-иловой смеси; 9 - система аэрации; 10 - трубка подачи воздуха; 11 - кран для регулирования расхода воздуха; 12 -

компрессор.

На первом этапе экспериментальных исследований был рассмотрен гидродинамический режим в сооружении при помощи метода трассера, а также измерены поля скоростей без учета аэрации с помощью лазерного доплеровского измерителя скорости водных потоков.

, Сточная вода

Рис.3. Эпюры измерения скорости потока. Размеры указаны в см.

Построенная эпюра равных скоростей (рис.3), подтверждает

равномерность потока жидкости в аэротенке. Эксперимент с введением трассера подтверждает наличие источников неоднородности поля концентраций в объеме при эксплуатации аэротенка. Это обусловлено тем, что воздух и аэрируемая жидкость непосредственно контактируют лишь в отдельных, относительно малых областях коридора.

В соответствии с сформулированными выше задачами исследований в модели изменена система аэрации. А именно: воздух из аэратора будет подаваться под углом, а сам аэратор будет состоять из нескольких трубок расположенных перпендикулярно оси коридора. Такой выбор расположения аэрационных трубок сделан в соответствии с эпюрой движения жидкости по коридору без аэрации. Для определения угла подачи воздуха был проведен эксперимент на лабораторной установке 2 (рис.4).

Рис.4. Схема лабораторной установки 2.

По результатам эксперимента разработана система аэрации с наиболее оптимальным углом подачи воздуха 45 градусов относительно дна.

38

со со

ю

В процессе движения водо-воздушной смеси возникают микротоки жидкости, которые создают локальные завихрения. В этом случае происходит взаимодействие энергии потенциального потока и поступательного движения пузырьков воздуха. Угол подачи (45°) воздуха в исходную воду является оптимальным.

Для сравнения базовой и предлагаемой систем аэраций проведен ряд экспериментов по определению основных параметров, характеризующих качество очистки сточных вод - БПК5, ХПК, аммонийного азота, фосфатов, рН, ^ растворенного кислорода. Показатели качества очистки сточных вод с использованием предлагаемой системы аэрации показали, что происходит увеличение эффекта очистки сточных вод по БПК5 на 11%, ХПК на 9,5%, аммонийному азоту на 12,2%, фосфатам на 3,7%, происходит увеличение рН на 1,7% по сравнению с базовой системой (табл. 1,2).

Таблица 1. Экспериментальные данные с базовой системой аэрации.

Эксперимент Л°1 Экспе римент №2 Эксперимент ХгЗ

Показате ли Ед. измерен ия До очист ки После очист ки Показате ли До очист ки После очист ки Показате ли До очист ки После очист ки

БПК5 мЮ2/л 103,8 90,9 БПК5 103,8 89,7 БПК5 103,8 90,3

ХПК мгОг/л 214,7 185,1 ХПК 214,7 186,3 ХПК 214,7 184,8

Фосфаты мг/л 6,9 6,8 Фосфаты 6,9 6,6 Фосфаты 6,9 6,7

Аммоний ный азот мг/л 16,2 15,2 Аммоний ный азот 16,2 15,1 Аммоний ный азот 16,2 14,7

рН - 7,54 7,59 рН 7,54 7,6 рН 7,54 7,58

о2 мг/л 1,5 2,8 о2 1,5 2,7 о2 1,5 2,9

1 'С 20 20 1 20 20 1 20 20

Эксперимент Эксперимент №2 Эксперимент №3

Показате ли Ед. измерен ия До очист ки После очист ки Показате ли До очист ки После очист ки Показате ли До очист ки После очист ки

БПК5 мгОг/л 146,1 93,3 БПК5 146,1 94,2 БПК5 146,1 92,4

ХПК мг02/л 295,2 196,6 ХПК 295,2 196,3 ХПК 295,2 197,5

Фосфаты мг/л 7,8 7,6 Фосфаты 7,8 7,7 Фосфаты 7,8 7,5

Аммоний ный азот мг/л 18,7 18,2 Аммоний ный азот 18,7 17,9 Аммоний ный азот 18,7 18,2

рН - 7,56 7,93 рн 7,56 7,95 рН 7,56 7,94

о2 мг/л 1,4 3 о2 1,4 2,9 о2 1,4 3

г °с 20 20 1 20 20 1 20 20

Эксперимент №1 Эксперимент №2 Эксперимент №3

Показате ли Ед. измерен ия До очист ки После очист ки Показате ли До очист ки После очист ки Показате ли До очист ки После очист ки

БПК5 мгОг/л 95 61,4 БПК5 95 61,8 БПК5 95 60,4

ХПК мгОг/л 322 135,9 ХПК 322 136,3 ХПК 322 134,9

Фосфаты мг/л 7,2 6,8 Фосфаты 7,2 6,9 Фосфаты 7,2 6,8

Аммоний ный азот мг/л 15,9 14,9 Аммоний ный азот 15,9 15,1 Аммоний ный азот 15,9 14,7

рН - 7,51 7,68 рН 7,51 7,72 РН 7,51 7,65

о2 мг/л 1,6 3 о2 1,6 3,1 Ог 1,6 2,9

1 °С 20 20 t 20 20 1 20 20

Таблица 2. Экспериментальные данные с предлагаемой системой аэрации.

Эксперимент №1 Эксперимент №2 Эксперимент №3

Показате ли Ед. измерен ия До очист ки После очист ки Показате ли До очист ки После очист ки Показате ли До очист ки После очист ки

БПК5 мЮ2/л 103,8 73,1 БПК5 103,8 73,8 БПК5 103,8 72,4

ХПК мгОг/л 214,7 156 ХПК 214,7 156,4 ХПК 214,7 156,2

Фосфаты мг/л 6,9 6,5 Фосфаты 6,9 6,3 Фосфаты 6,9 6,4

Аммоний ный азот мг/л 16,2 14,5 Аммоний ный азот 16,2 13,8 Аммоний ный азот 16,2 14,3

рН . 7,54 7,64 рН 7,54 7,73 рН 7,54 7,68

Ог мг/л 1,5 3,1 О, 1,5 3,3 о2 1,5 3,3

t °С . 20 20 1 20 20 1 20 20

Эксперимент №1 Эксперимент №2 Экспе римент > Г»3

Показате ли Ед. измерен ия До очист ки После очист ки Показате ли До очист ки После очист ки Показате ли До очист ки После очист ки

БПК5 мг<Э2/л 146,1 84,7 БПК5 146,1 83,6 БПК5 146,1 84,9

ХПК мЮ2/л 295,2 167,8 ХПК 295,2 166,7 ХПК 295,2 167,4

Фосфаты мг/л 7,8 7,1 Фосфаты 7,8 7,2 Фосфаты 7,8 7,4

Аммоний ный азот мг/л 18,7 14,5 Аммоний ный азот 18,7 13,9 Аммоний ный азот 18,7 14,2

рН _ 7,56 8 рН 7,56 8,03 рН 7,56 8,07

о2 мг/л 1,4 3,3 о2 1,4 3,2 о2 1,4 3

1 °С 20 20 1 20 20 г 20 20

Экспериме нт№1 Эксие римент №2 Эксперимент №3

Показате ли Ед. измерен ия До очист ки После очист ки Показате ли До очист ки После очист ки Показате ли До очист ки После очист ки

БПК5 мг02/л 95 50,9 БПК5 95 50,2 БПК5 95 49,5

ХПК мг02/л 322 115,9 ХПК 322 115 ХПК 322 115,6

Фосфаты мг/л 7,2 6,5 Фосфаты 7,2 6,6 Фосфаты 7,2 6,8

Аммоний ный азот мг/л 15,9 13,6 Аммоний ный азот 15,9 13,5 Аммоний ный азот 15,9 12,8

рН _ 7,51 7,89 рн 7,51 7,95 рН 7,51 7,98

о2 мг/л 1,6 3 о2 1,6 3,3 о2 1,6 3,4

1 °С 20 20 1 20 20 1 20 20

Сравнение полученных экспериментальных данных подтверждает, что выдвинутое предположение о влиянии подачи воздуха под выбранным углом 45°, оказывает влияние на повышение эффекта очистки сточной воды в аэротенке по БПК на 11%. Увеличение значения рН воды подтверждает выдвинутое предположение об увеличении скорости диффузии органических веществ в мицеллу, что характерно увеличению окислов водорода, т.е. ОН*.

Проведены эксперименты на модели аэротенка-смесителя с базовой системой аэрации, с разной дозой активного ила. Сравнив полученные результаты с данными эксперимента с предложенной системой аэрации при начальной концентрации 95мг02/л получили, что эффект очистки по БПК5 с использованием предложенной системы аэрации с дозой активного ила Зг/л соответствует эффекту очистки сточных вод по БПК5 с базовой системой с дозой активного ила 3,8г/л. Таким образом, можно сделать вывод, что

использование предлагаемой системы аэрации в процессе очистки соответствует увеличению дозы активного ила на 0,8г/л.

В пятой главе рассчитаны распределение случайных ошибок для случая определения БПК5 с различной дозой активного ила, с базовой и с предлагаемой системами аэраций. Построены кривые обеспеченности для каждого случая. Снижение БПК3 (мгОг/л) носит линейный характер. Все случайные ошибки имеют следующие отклонения:

- ±3ст=±1,53 для случая с различной дозой активного ила;

- ±3<т=±1,65 для случая с базовой системой аэрации;

- ±Зо=±1,71 для случая с предлагаемой системой аэрации.

Рассчитан эффект очистки сточной воды по БПК5 для случая с базовой и предлагаемой системами аэраций (табл. 3,4).

Таблица 3. Эффект очистки с базовой системой аэрации.

№ п/п Доза ила, мг/л БПК5, мгОг/л по очистки ВПК,, мгСУл после очисти* БПК;, мЮ2/л среднее Эффект очистки

3000 103,80 90,9

1 3000 103,80 89,7 90,30 0,13

3000 103,80 90,3

3000 146,10 93,3

2 3000 146,10 94,2 93,30 0,36

3000 146,10 92,4

3000 95,00 61,4

3 3000 95,00 61,8 61,20 0,36

3000 95,00 60,4

Таблица 4. Эффект очистки с предлагаемой системой аэрации.

№ п/п Доза ила, мг/л бпк5, мг02/л до очистки БПК,, мгСУл после очисгсги бпк5, мЮг/л среднее Эффект очистки

3000 103,80 73,1

1 3000 103,80 73,8 73,10 0,30

3000 103,80 72,4

3000 146,10 84,7

2 3000 146,10 83,6 84,40 0,42

3000 146,10 84,9

3000 95,00 50,9

3 3000 95,00 50,2 50,20 0,47

• 3000 95,00 49,5

В главе 2 было получено теоретическое уравнение для математического описания разработанной модели очистки сточных вод в аэротенках: Р«. = Р,.о. - [Р,о. • х + Р1Д(1 - х)х0 - Р, „ • х ■ х0] По полученным результатам исследований можно проверить данное уравнение, подставив в него данные экспериментов.

Условия очистки сточных вод в модели аэротенка для обоих случаев оставались постоянными, кроме системы аэрации. Во втором случае была искусственно использована предложенная система аэрации потока на основании выдвинутых предположений.

Определим численное значение БПК5 снимаемое за счет активного ила. Для этого вычтем из начальной концентрации БПК5 концентрацию БПК5 после очистки с базовой системой аэрации:

Р.оХ, =Р10-Р„ =103,8-90,3 = 13,5(мг02/л) Р,0х2 = Р10 -Ри = 146,1-93,3 = 52,8(мгОг/л) Р1,х,=Р,0.-Рм =95-61,2 = 33,8(мг02/л) Определим среднее значение Pi.o.x:

р v Р,,оХ, +P,.0x2 +Plo X3 13,5 + 52,8 + 33,8 _ í.o. 2 3 " '

Выразим х при среднем значении БПК5 до очистки равным 114,97 (табл.

33 37 33 37 ... х = ziiíL - zzÉ-L. = о 29

3,4): р10 114,97

Найдем численное выражение созданных дополнительных условий как разницу между качеством очистки в первом и втором случаях. (1 - х)Р, 0 х0, = Рм - Р, = 90,3 - 73,1 = 17,2 (мг02/л) (1-х)Р10х02 = Рм -Р, = 93,3-84,4 = 8,9(мг02/л) (1-х)Р10х03 =Р„ -Р, =61,2-50,2=11 (мг02/л), где Рм - БПК5 после очистки в первом случае, Pi- БПК5 после очистки во втором случае, Ри.-БПКз ДО очистки.

Определим среднее значение (l-x)Pi о.Хо:

п v (l-x)PL0x0,+(l-x)P,axü2+(l-x)P,0x03 _ 17,2 + 8,9+11 _ U-xJ*i.o.xo --2 3

Выразил! х0 при среднем значении БПК5 до очистки равным 114,97 (табл.

12,4 12,4

_ х„ =-=-= 0,152.

3,4): 0 (1-х)Р,0 (1-0,29)114,97

Подставив полученные значения х и Хо в исходную формулу, получим:

Р„ = Р. о - [Pí o." Р1Л.(1 - x)x0- Р, 0 • х- х0 ]=

= 114,97 - [114,97 ■ 0,29 +114,97(1 - 0,29)0,152-114,97 • 0,29 ■ 0,152] =

= 114,97 - 33,37 -12,4 + 5,07 = 74,27 мг02/ л.

По данным экспериментов среднее значение БПК5 после очистки с предлагаемой аэрацией составляет 69,23 мг02/л, по расчету данное значение получилось 74,27 мЮ2/л. Данная разница в значениях укладывается в случайные ошибки экспериментов.

Определим используемую дозу ила для полной очистки, которая в соответствии с предположениями, выдвинутыми в главе 2, должна быть больше, чем условно равная 1 по формуле:

.. - i-*» Х~1-2х0'ТОГДа

1-2х0 1-2-0,152 Подставив полученное значение х и Хо в начальную формулу, получим: К = Р„-[Р; о' х+Р,„.(1 - х)х0- Р, д- х- х0]=

= 114,97-[114,97-1,218+114,97(1-1,218)0,152-114,97-1,218-0,152]= = 114,97 -140 + 3,81 + 21,29 = 0,0бмг02/ л,

что подтверждает выдвинутую гипотезу о том, что активного ила должно быть больше чем равного 1. Данный вариант является идеальным. В нашем случае максимальная доза активного ила принята за 1, а использованная часть х будет равна:

х = 1-х0 =1-0,152 = 0,848, тогда остаточное значение БПК5 будет равно:

р«=Р1.о.-[Р|о.-х+Р10(1-х)х0-Р10-х-х0] =

= 114,97 - [114,97 • 0,848 +114,97(1 - 0,848)0,152 -114,97 • 0,848 • 0,152] =

= 114,97-97,49 - 2,66 +14,82 = 29,64мг02/л.

В этом случае эффект очистки будет равен 74,3%. Это доказывает, что увеличение мицелл сверх 74% во всем объеме жидкости или же при постоянном количестве центров увеличение радиуса действия, приведет к тому, что образовавшиеся флокулы будут мешать друг другу, что приведет к ухудшению эффекта очистки.

Для проверки, полученного в результате теоретических исследований, уравнения составим таблицу с теоретическими значениями. Примем начальную концентрацию БПК5 150мг0г/л. Подставив значения БПК5 в начальное теоретическое уравнение, получим значения эффекта очистки сточных вод по БПК5 в базовых и предлагаемых условиях:

Таблица 5. К теоретическому расчету.

№ п/п Р1.0, мгОг/л Р^мгОг/л Эффект очистки (Р1.0-Р1УР1.0 Р„ мгОг/л Эффект очистки (РгО-РмУРю X хо

1 150 135 0,1 116,76 0,22 0,1 0,152

2 150 120 0,2 106,32 0,29 0,2 0,152

3 150 105 0,3 95,88 0,36 0,3 0,152

4 150 90 0,4 85,44 0,43 0,4 0,152

5 150 75 0,5 75,00 0,50 0,5 0,152

где Р10. - начальная концентрация БПК5, Р( - концентрация БПК5 после очистки в базовых условиях, Р„ - концентрация БПК5 после очистки в предлагаемых условиях, X - принимаемая доза активного ила, Хо — величина, отображающая конструктивную особенность предлагаемой системы аэрации. Построим график по данным таблицы 5.

Эффект очистки

в долях

0.1

о

0.1

О.Л

Рис.6. График зависимости эффекта очистки в долях от дозы ила при использовании базовой и предлагаемой системы аэрации.

Обозначения: ■ - теоретические значения с базовой системой аэрации, • - теоретические значения с предлагаемой системой аэрации, • - результаты экспериментов с базовой системой аэрации; ♦ - результаты экспериментов с предлагаемой системой аэрации. 1- теоретическая кривая, отображающая

эффект очистки в предлагаемых условиях; 2- теоретическая кривая, отображающая эффект в базовых условиях.

Из графика на рис.6 видно, что данные эксперимента согласуются с теоретической кривой.

Взаимосвязь ЫТК5 и растворенного кислорода более достоверно описывает эффект очистки сточных вод с точки зрения предложенной теории. В связи с этим, произведен соответствующий расчет и построены графики отображающие зависимость эффекта очистки сточной воды по БПК5 и концентрации кислорода на выходе для базовой и предлагаемой систем аэраций (рис.7).

Для базовой системы аэрации:

• 2,8 = 0,36 (график 1, рис.7),

■ 2,97 = 1,07 (график 2, рис.7),

Г -С 05-61 2

1нач "°"--С0д = ■ -3,0 = 1,1 (график 3, рис.7).

95

Для базовой системы аэрации среднее значение: Г —С 114 97 -816

<-м, '-к.н ,Сл __ ' -2,92 = 0,85 (график 4, рис.7).

С.

114,97

Для предлагаемой системы аэрации 1)

С"» С">" • = -103'8. • 3,23 = 0,96 (график 1, на рис.7),

3)

103,8

2)С„,Ч-СК0В_ ^ = 146,1 - 84,4 3 1? = 134 на рис.7),

^нач 146,1

Г -Г 95-50 2

"а" -С0г = -3,23 = 1,52 (график 3, на рис.7).

Для предлагаемой системы аэрации среднее значение:

Г -Г 114 97-69 23

■ С0 = ' — -3,21 = 1,28 (график 4, на рис.7). С °г 114,97 v р у

нач 3

(Свач-Скоп/Снач)*Со, (

3,6- -

°-!52 X.

Рис.7. Графики зависимости эффекта очистки сточной воды и концентрации кислорода на выходе в базовых и предлагаемых условиях.

Из графиков, представленных на рис.7 видно, что при предлагаемой системе подачи кислорода воздуха в поток очищаемой жидкости в аэротенке по сравнению с базовой, соотношение БПК5 и растворенного кислорода увеличивается в среднем на 33,6%.

В шестой главе дана технико-экономическая оценка предлагаемой конструкции системы аэрации аэротенка. Производительность по воде для реальных очистных сооружений - 190080 м3/сут. Технико-экономическое сравнение вариантов показало целесообразность использования предложенной системы аэрации. Годовой экономический эффект от применения усовершенствованной конструкции составляет 10944,62 тыс. руб./год.

В седьмой главе представлены рекомендации для проектирования аэротенка с предложенной системой аэрации. Рассмотрены основные моменты монтажа, наладки и пуска сооружения, а также возможные неисправности и способы их устранения.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ данных, приведенных в литературных источниках, показал, что гидродинамическая составляющая потока жидкости в аэротенках оказывает существенное влияние на процессы диффузии, массопередачи.

2. Разработана и рассчитана физическая гидродинамическая модель для повышения эффективности очистки сточной воды в аэротенках.

3. Исследована гидродинамическая обстановка в модели аэротенка; построены эпюры скоростей потока, подтверждающие равномерность движения жидкости в аэротенке.

4. Создана система аэрации, которая основана на предположениях о потенциальном потоке и о движении пузырьков воздуха при аэрации, а также их совместимости.

5. Получены результаты экспериментов в модели для сравнения базовой и предлагаемой систем аэраций. Происходит увеличение эффекта очистки сточных вод при использовании предлагаемой системы аэрации по БПК5 на 11%, ХПК на 9,5%, аммонийного азота на 12,2%, фосфатов на 3,7%, происходит увеличение рН на 1,7% по сравнению с базовой системой.

6. Прохождение процесса очистки сточных вод в аэротенках в рамках выдвинутой гипотезы с использованием предложенной системы аэрации до 100% невозможно.

7. Анализируя полученные экспериментальные данные по влиянию предложенной системы аэрации согласно выдвинутой гипотезы, было рассчитано уравнение, которое позволило связать эффект очистки и влияние взаимосвязи потенциального потока и колебательного эффекта пузырьков воздуха, которое выражается в ускорении эффекта диффузии. В нашем случае это показано теоретическим расчетом значения показателя Хо.

8. Проведенный технико-экономический расчет показал экономическое преимущество технологий с использованием предложенной системы аэрации в сумме на 10944,62 тыс.руб.

9. Разработаны рекомендации на проектирование аэротенков с предлагаемой системой аэрации.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1*. Викулин П.Д., Фролова А.О. Факторы, влияющие на эффективность окислительных процессов в аэротенке.//Научно-технический журнал Вестник МГСУ, 2011г.-Москва,- стр. 349-358.

2*. Викулин П.Д., Фролова А.О. Контроль аэробной биологической очистки сточных вод в аэротенке.//Научно-технический журнал Вестник МГСУ , 2011г,-Москва.- стр. 349-358.

3. Фролова А.О. Оптимальные условия для обеспечения высокой степени очистки сточных вод в аэротенке.//Сборник докладов Международной конференции «Энергосбережение и энергоэффективность на предприятиях водопроводно-канализационного предприятия» 6-7 июня 2012г. (электронный ресурс).-Москва.

4*. Викулин П.Д., Фролова А.О. Методы определения скорости потока в открытых каналах при турбулентном режиме.//Научно-технический и производственный журнал Водоснабжение и санитарная техника, 2013г.-Москва.-стр. 68-71.

* Статьи в сборниках, рекомендуемых ВАК РФ.

КОПИ-ЦЕНТР св.: 77 007140227 Тираж 100 г. Москва, уд. Енисейская, д. 36. тел.: 8-499-185-79-54,8-906-787-70-86 www.kopirovka.ru