автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Повышение эффективности процессов аэробной биологической очистки сточных вод на основе методов динамического моделирования

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИКЛАДНОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ

_ „ с« П

РГЬ 0,1

/ О Р'Л

с. (,.. а и^и На правах рукописи

Феоктистов Владимир Иванович

Повышение эффективности процессов аэробной

биологической очистки сточных вод

па основе методов динамического моделирования

05.18.12 - процессы и аппараты пищевых производств

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -1998

Работа выполнена в Московском Государственном университете прикладной биотехнологии.

Научные руководители - доктор технических наук, профессор Щербина Б.В. (МГУПБ) доктор биологических наук Денисов A.A. (ВНИТИБП)

Официальные оппоненты - доктор химических наук, профессор Макаров Н.В.

кандидат технических наук, доцент Зуев Б.Г.

Ведущая организация - Всероссийский научно-исследовательский институт мясной промышленности

Защита состоится " -3 " м о./»- 1998 года, в час. на заседании диссертационного Совета К 063.46.01 Московского Государственного университета прикладной биотехнологии по адресу: 109316 г. Москва, ул. Талалихина, 33.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУПБ.

Автореферат разослан г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, кандидат технических наук, доцент

А.Г.Забашта

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы.

В настоящее время к актуальным задачам развития и разработки процессов и аппаратов пищевых производств относится решение вопросов охраны окружающей среды. В агропромышленном секторе особую опасность представляют сточные воды, преимущественно загрязненные органическими отходами белкового происхождения. Такими характерными водами являются сточные воды мясо- и молоко-перерабатывающих производств, животноводческих предприятий свиноводства, птицеводства, КРС и т.д.

Воздействие содержащихся в данных сточных водах органических биогенных элементов на окружающую среду относится к наиболее опасному и вредному виду загрязнении.

Настоящая работа направлена на обеспечение решения задач по очистке сточных вод предприятий перерабатывающей промышленности, животноводческих комплексов и других аналогичных видов агропромышленных сточных вод, надежной эксплуатации очистных сооружений.

Исходя из состава загрязнении сточных вод, а именно, преимущественного загрязнения органическими отходами белкового происхождения, определяется необходимость и целесообразность применения для обработки указанного специфического состава агропромышленных отходов биологических методов, в частности, аэробной биологической очистки активным илом.

Аэробная биологическая очистка сточных вод животноводческих и перерабатывающих предприятий получает все более широкое распространение. Проведенные к настоящему времени исследования показывают, что системы биологической очистки сточных вод активным илом при благоприятных условиях дают хорошие результаты.

Однако, обобщенные данные функционирования очистных сооружении крупных предприятий по переработке продукции животноводства и самих животноводческих комплексов показывают, что в существующих технологических системах аэробной биологической очистки имеется множество недостатков, значительно снижающих эффективность данного способа очистки. К основным недостаткам применяемых в настоящее время методов аэробной биологической очистки относятся;

- низкое качество очистки сточных вод;

- образование избыточной биомассы активного ила, требующей ее последующей утилизации;

- плохая осаждаемость активного ила во вторичном отстойнике вследствие, так называемого, вспухания активного ила;

- практическая неуправляемость технологическим процессом биологической очистки;

- частые срывы в работе сооружений при залповых сбросах высоких концентраций загрязнений;

- отсутствие методологических разработок в вопросах микробиологии функционирования сложных биоценозов различных видов микроорганизмов, построения трофических цепей метаболизма.

Надежное стабильное функционирование аэротенков, как центрального элемента всего комплекса очистных сооружений, является одним из важнейших условий удовлетворительной работы сооружений биологической очистки в целом.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом научно-исследовательских работ МГУПБ на 1995- 1997гг. в рамках заданий по подготовке Федеральной целевой программы "Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997-2000 годы", в соответствии с планами научно-исследовательских работ ВНИТИБП по теме "Отработать технологические процессы обеззараживания и биологической очистки сточных вод в опытно-промышленных условиях, выдать исходные требования для проектирования промышленного производства" (инв. № 01.86.0031249) на лабораторной базе отдела производственной санитарии и охраны окружающей среды ВНИТИБП.

Цель и задачи исследования.

Общей целью настоящей работы является повышение эффективности аэробной биологической очистки сточных вод за счет разработки методологии и принципов модельной оптимизации технологических условий реализации микробиологических процессов аэробной биологической очистки, оптимизации технологических схем очистки и повышения надежности функционирования очистных сооружений.

В развитие общей цели предусматривается выполнение следующих основных задач:

- разработка и исследование динамической модели оптимизации процессов аэробной биологической очистки;

- выбор и обоснование методов качественной и количественной оценки эффективности функционирования биологических систем;

- дифференциация процесса аэробной биологической очистки на гидродинамическую модель потока жидкости и биохимическую модель окисления биогенных органических загрязнений;

- создание динамической модельной установки для проведения экспериментальных работ на реальных сточных водах;

- исследование кинетики биохимического окисления органических загрязнений активным илом в.системах реакторного типа;

- исследование гидродинамических процессов реальных потоков смеси сточной воды с активным илом в хемостатных моделях и промышленных сооружениях;

- проведение экспериментальных исследований по определению характерных зависимостей параметров и режимов аэробной биологической очистки в системах реакторного и проточного типов;

- оценка возможности повышения эффективности и надежности систем аэробной биологической очистки за счет оптимизации гидродинамических процессов и режимов биохимического окисления;

- проведение микробиологических исследований по определению кинетики трансформации состава биоценозов активного ила н сопутствующей микрофлоры при реализации процессов аэробной биологической очистки на динамических модельных установках;

- проведение совместного интегрирования количественных показателей кинетики биохимического окисления загрязнений и гидродинамических характеристик потока, получение аналитических зависимостей, позволяющих прогнозировать эффективность функционирования промышленных сооружений биологической очистки сточных вод;

- разработка практических рекомендаций по применению разработанной методики для определения достоверных технических и технологических характеристик процесса биологической очистки на этапе подготовки исходных данных для проектирования новых очистных сооружений и реконструкции существующих.

Научная новизна.

Разработана принципиально новая методология определения достоверных технологических характеристик функционирования биологических аэробных систем очистки сточных вод на основе принципов оптимизации параметров динамически модельного процесса и совместного интегрирования дифференциальных характеристик, отражающих технические, технологические и микробиологические аспекты реального процесса очистки.

Разработаны мероприятия по интенсификации процесса полной биологической очистки сточных вод; загрязненных органическими отходами белкового происхождения, путем оптимизации гидродинамической эффективности сооружений биологической очистки и биохимической эффективности процессов окисления биогенных загрязнений адаптированными биоценозами активного ила, а также оптимизации условий устойчивого саморегулирования функционирования биоценозов различных трофических уровней.

Разработаны динамические модели, позволяющие определять количественные характеристики гидродинамической и биотехнологической эффективности функционирования промышленных очистных сооружений аэробной биологической очистки.

Практическая ценность работы.

Установлено, что использование динамической модели оптимизации систем биологической очистки при расчете технологических и проектных параметров функционирования промышленных очистных сооружений позволяет существенно повысить достоверность получаемых при этом технических и технологических характеристик, а также обеспечить возможность прогнозирования конечных результатов очистки.

Установлено, что оптимизация технологического процесса биологической очистки на основе критериев гидравлической и биохимической эффективности аэрационных сооружений позволяет существенно улучшить качественные показатели функционирования промышленных очистных сооружений, в частности, качества очистки от биогенных загрязнений, увеличения производительности очистных сооружений, увеличения нагрузки на них и т.д.

Установлено, что применяемые в работе методы динамического моделирования позволяют дать реальную количественную и качественную оценку эффективности функционирования не только вновь проектируемых очистных сооружений, но и действующих сооружений биологической очистки.

Разработаны рекомендации но проведению экспериментально-технологической части работ и разработке исходных данных при проектировании и реконструкции очистных сооружений мясоперерабатывающих и животноводческих производств.

Апробация работы.

Новизна и практическая значимость проведенной работы подтверждена использованием ее результатов Головным научно-производственным предприятием "БИОКОС" при разработке проектов строительства и реконструкции целого ряда очистных сооружений на территории Российской Федерации и Республики Беларусь, по которым получены положительные заключения государственной экспертизы и секций НТС Минсельхозпрода РФ. Кроме того, эффективность использования результатов работы подтверждается внедрением разработанных промышленных технологических процессов аэробной биологической очистки и достижением, вследствие этого, значительного улучшения по сравнению с аналогами технологических характеристик функционирования очистных сооружений мясоперерабатывающего цеха в с. Бабино Удмуртской Республики производительностью 25 м3/сут, очистных сооружений птицефабрики "Юрьевецкая" Владимирской обл. производительностью линии до 1000 мУсут и очистных сооружений свинокомплекса совхоза-комбината "Борисовский" Минской обл. Республики Беларусь производи тслмюстмо до 4500 м3/сут.

По результатам научных исследований получено 7 патентов на изобретение по разработанным способам биологической очистки сточных вод и по техническим решениям конструктивного исполнения сооружений и установок для их осуществления.

Результаты работы включены в материалы Всероссийской конференции "Научные основы технологии производства ветеринарных препаратов" во Всероссийском научно-исследовательском и технологическом институте биологической промышленности в 1995 году. Материалы, полученные при проведении исследований, опубликованы в ряде статей, помещенных в журналах "Мясная индустрия".

Структура и объем диссертации.

Работа состоит из введения, восьми глав, общих выводов, списка использованной литературы, списка опубликованных работ и приложений. Работа изложена на 353 страницах машинописного текста, содержит 108 рисунков и 5 приложений. Библиография включает 193 наименования, из которых 121 наименование на иностранных языках и 22 наименования работ, опубликованных автором.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

ГЛАВА 1 посвящена анализу современного состояния вопроса по теме работы. Показана актуальность решения проблемы, сформулированы цель и задачи, определено направление исследований, обеспечивающее достижение поставленной цели.

В ГЛАВЕ 2 рассмотрены вопросы постановки экспериментальных исследований и обработки их результатов. Для проведения комплекса экспериментальных работ разработана, смонтирована и запущена в эксплуатацию динамическая модельная установка. Для определения биохимической эффективности окисления органических загрязнений биоценозами активного ила смонтированы лабораторные колонны-реакторы. Оценка гидравлической эффективности различных конструкций аэрационных сооружений биологической очистки производилась на моделях, геометрически подобных рассматриваемым сооружениям.

Для углубленного анализа эффективности работы аэротенков введены следующие виды понятий качественной оценки процесса биологической очистки, а именно:

- гидравлическая эффективность (гидравлическое совершенство) аэротенков, которая характеризуется степенью однородности и равномерности движения сточной воды в аэротенке;

- биохимическая эффективность окисления органического заг рязнения сточной воды активным илом, которая характеризуется кинетикой изменения концентрации биогенного загрязнения по времени;

к

- технологическая эффективность, которая характеризуется достигаемой степенью очистки, обрабатываемой сточной воды, при принятом биотехнологическом процессе;

- метаболическая эффективность биомассы активного ила, которая характеризуется возможностями регулирования прироста биомассы активного ила;

- функционально-технологическая эффективность, которая характеризуется достигаемой степенью очистки в условиях отсутствия прироста активного ила в системе биологических сооружений.

Основными обобщающими характеристиками совершенства конструкции и режима работы аэротенка являются его технологическая и функционально-технологическая эффективность.

ГЛАВА 3 л освящена исследованиям биологического процесса очистки и изучению кинетики биохимического окисления исходных органических загрязнений сточных вод активным илом. По результатам комплексного биохимического анализа концентрациий загрязнений в течение одного цикла очистки выявлены характерные зависимости и факторы влияния условий реализации процесса биологической очистки на кинетику биохимического окисления.

В ходе проведенных экспериментальных исследований установлены некоторые закономерности, отражающие качественную картину реализации процесса биологической очистки, к которым относятся следующие:

- необходимым условием повышения эффективности окисления органических загрязнений является обеспечение максимальной скорости прироста биомассы активного ила непосредственно после инокуляции ее с исходной сточной водой;

- соблюдение оптимального соотношения между исходной концентрацией органического субстрата в сточной воде и концентрацией биомассы активного ила в месте ввода в сооружение исходной сточной воды оказывает значительное влияние на повышение эффективности биохимического процесса окисления органических загрязнений;

- значительное увеличение исходной концентрации биомассы активного ила влечет за собой уменьшение величины прироста, при этом скорость окисления органических загрязнений близка к максимальной;

- применение режима продленной аэрации позволяет значительно повысить эффективность биологической очистки.

Кроме того, выявлен технологический параметр, с помощью которого можно осуществлять управление работой очистных сооружений, - концентрация биомассы активного ила в зоне инокуляции со сточной водой, подаваемой на очистку.

ГЛАВА 4 посвящена исследованиям по изучению гидравлического совершенства конструкций аэрационных сооружений биологи-

ческой очистки и разработке методов определения гидравлических характеристик реальных воднб-иловых потоков в аэротенках.

На основе проведенных исследований разработана методология оценки структурного состава гидравлического потока в аэрацнонных сооружениях, позволяющая качественно определить удельный вес основных составляющих потока: идеального вытеснения ("поршневой поток"), идеального перемешивания (смеситель или "миксер"), "короткого замыкания" и "мертвого пространства" (застойных зон).

Реальный поток через аэротенк складывается под воздействием большого числа факторов и имеет сложный гидравлический характер. Объем аэротенка в реальных условиях эксплуатации в общем случае состоит из активной части, через которую происходит движение водно-иловой смеси от впуска к выпуску, и из застойных зон, так называемого "мертвого пространства", в которых водно-иловая смесь скапливается, находясь в неподвижном состоянии. Застойные зоны практически не участвуют в работе аэротенка.

Активная часть общего объема аэротенка в свою очередь имеет сложный гидравлический характер. В ней различаются следующие составные элементы:

- область потока идеального вытеснения;

- область потока идеального перемешивания;

- область потока резко выраженного ускоренного движения воды или, так называемого, "короткого замыкания" потока. Это явление заключается в том, что в аэротенке возникает струйная дифференциация общего потока, при котором одна из частей потока движется через сооружение с очень высокой скоростью и достигает выпуска через весьма короткий промежуток времени.

В работе использован экспериментальный метод исследования потока в аэрационном сооружении, основанный на гидродинамических испытаниях различных конструкций при помощи трассирующих добавок, по результатам которых определялись зависимости концентрации трассирующей добавки на выходе из аэрационного сооружения от продолжительности пребывания воды с момента ввода трассирующей добавки. Такие зависимости, выраженные в графической форме, представляют собой кривые распределения времени пребывания воды в аэротенке (рис. 1). Данная кривая имеет ряд характеристических значений временных величин:

-Чо - момент времени введения трассирующей добавки;

- Ъшп - время появления первых признаков трассирующей добавки на выходе;

- 1ю - время прохода через аэротенк 10% общей массы трассирующей добавки;

■■ -т^р - модальное время - время, соответствующее максимальной концентрации добавки на выходе;

tio

tp ta, t. T

tw

toux

t*> = 23,5 час W = 30 час T = V/Q

Рис.1. Схема расположения характеристических временных значений положения кривой распределения времени пребывания воды в сооружении. Данные проведения эксперимента: иь = 3,5 час ч 14,1 час

110 = 8,8 час ». = 16,1 час Ц = 13,1 час Т = 18 час

И 1

0,8

0,6

0,4

0,2

Рис. 2. Графический метод определение элементов потока, р - часть объема, занятая поршневым потоком; ш - часть объема, занятая идеально смешанным потоком; <1 - "мертвые зоны" в объеме сооружения.-Кривые распределения потока: Р1 - фактический поток; Р2 - поток идеального смешения,-ГЗ - поток идеального вытеснения.

- и - время, соответствующее медиане кривой распределения, т.е. время, при котором достигается значение 50% от общей площади ограниченной осью абсцисс и кривой распределения или время прохождения 50% общего количества трассирующей добавки;

- 1а - среднее арифметическое значение времени прохода трассирующей добавки через аэротенк, определяется как время, соответствующее центру тяжести интегральной характеристики кривой распределения;

- (90 - время прохода через аэротенк 90% общего количества трассирующей добавки;

- ^ах - время завершения выхода трассирующей добавки.

Условное теоретическое время пребывания воды в аэрационном

сооружении определяется по формуле: Т =

где

Уаэр - суммарный объем аэрационного сооружения; О - среднечасовой расход сточной воды, подаваемой в аэротенк.

Обработка результатов трассирования аэрационного сооружения и определение количественных значений временных характеристик осуществляется методами математической статистики и представляется довольно трудоемким и требует специальной квалификации.

По данному методу на основании количественных значений временных характеристик кривой распределения времени пребывания воды в аэротенке определяются количественные характеристики реального потока в относительной форме, которые имеют определенный гидравлический смысл:

1Л - относительная временная характеристика пребывания в аэротенке, характеризующая относительный активный объем аэротен-ка; ;

1 - 1а/Т - относительная временная характеристика застойных зон в аэротенке, характеризующая относительную величину "мертвого пространства" в объеме аэротенка;

1,Ла - относительное модальное время пребывания воды в аэротенке, характеризующее относительную часть потока поршневого типа в общем объеме аэротенка, является более совершенной характеристикой объемной эффективности аэротенка по сравнению с ЦТ)',

{ЦТ - грЛа) - относительная временная характеристика, отражающая относительную величину смесителя в общем объеме аэротенка.

В работе для оценки гидравлической эффективности аэрацион-ных сооружений и количественного определения элементов потока разработан графо-аналитический метод. Сущность метода состоит в графическом построении безразмерной интегральной зависимости концентрации трассирующей добавки от времени пребывания в аэротенке. Отклонение реальной кривой от кривых потока идеального вытеснения и идеального перемешивания, выраженное величинами

соответствующих относительных площадей (рис. 2 "А" и "В") является количественной характеристикой гидравлической эффективности. На рис. 2 представлены результаты определения характеристик реального аэротенка, полученные с помощью разработанного графоаналитического метода.

Сравнение данных (рис. 3), полученных методом статистического анализа и предложенным графо-аналитическим методом показывают их высокую сходимость и свидетельствуют о четких количественных зависимостях с высоким коэффициентом корреляции (г).

По виду кривой распределения можно оперативно дать качественную оценку гидравлического совершенства аэрационного сооружения и оценить степень аномалии потока, например, наличие "короткого замыкания", рециркуляции, зональной неравномерности и т.д. Качественный анализ кривых распределения позволяет сформулировать корректные требования к конструктивному исполнению аэра-ционных сооружений с учетом их влияния на вид данной кривой, а именно:

- форма и объемный размер сооружения;

- расход поступающей воды и количество циркулируемого активного ила;

- конструкции, размещение и режим работы впускных устройств;

- конструктивные элементы, обеспечивающие изменение гидравлической схемы потоков и создающие гидродинамическое сопротивление направленному движению потока от входа к выпуску;

- размещение аэрационных устройств и интенсивность аэрации.

Полученные результаты используются не только при проектировании новых, но и при реконструкции существующих аэротенков для выработки практических рекомендации, когда существует целых ряд объективных ограничений, связанных с необходимостью использования ранее построенных конструкции и емкостных сооружений.

В ГЛАВЕ 5 рассматривается оптимизация значений технологической эффективности процессов биологической очистки, произведенная на экспериментальных модельных установках.

При динамическом моделировании реального процесса билоги-ческой очистки проведено сравнение двух наиболее распространенных в настоящее время конструкций аэротенков: смесителя и вытеснителя. Сравнение осуществлено по показателю технологической эффективности. Разработанный метод предполагает использование экспериментально полученных гидравлических характеристик аэрационных сооружений (или их гидравлически подобных моделей) и данных, определяющих кинетику биохимического окисления загрязнений. Определение технологической эффективности процесса биологической очистки осуществляется на основе совместного интегрирования указанных выше характеристик в диапазоне времени продолжительности

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 I р = 0,73 ^р/Т) + 0,04 г = 0,93

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 т = 0,92 (и - у/Т + 0,14 г = 0,84 (1«-1р)ГГ

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 I а = 0,96(1 -Ш) -0,01 г = 0,96 МЛ"

Рис.3. Графики корреляционной зависимости результатов . двух методов определения элементов потока

одного цикла очистки. На рис. 4 представлены результаты совместного интегрирования кривой кинетики биохимического окисления и кривой времени пребывания воды в сооружении, полученные на динамических модельных установках. Площадь, ограниченная интегральной кривой и осью абсцисс, выражает относительное количество конкретного органического загрязнения, выносимого с очищенной водой. Данные, приведенные на рис. 4 (график 1 и 2) свидетельствуют о возможности повышения технологической эффективности аэрационного сооружения, оптимизируя условия максимальной скорости биохимического окисления в аэротенке-смесителе и гидравлическое совершенство аэротенка-вытеснителя. На рис. 4 (график 3) представлены результаты динамического моделирования процесса биологической очистки в блоке сооружений, состоящем из последовательно размещенных смесительной и вытеснительных частей. Такая схема с точки зрения разработанного экспериментально-аналитического метода компенсирует недостатки конкретных конструкций аэротенков и оптимизируе] технологическую эффективность блока аэрационных сооружений < целом.

Расчетные значения концентрации БПКз на выходе динами ческой модельной установки полностью совпадают с реальным! фактичекими данными анализа проб очищенной воды аэрационнол сооружения и составляют - 12 - 14 мгОг/л, при этом общий эффех-очистки составляет более 98%.

Вышеизложенный экспериментально-аналитический метод може быть использован для определения характеристик аэротенков пр! проектировании новых и реконструкции действующих очистны сооружений. В этих случаях, как правило, в качестве исходных данны задаются концентрации загрязнений в исходной сточной воде и кои центрации остаточных загрязнений разрешенных для сброса с очищеи ной водой, т.е. заданные требования по качеству очистки. Согласи разработанной методике подготовки исходных данных для проекторе вання, на первом этапе экспериментально-технологических исследовг ннй определяются и оптимизируются значения биохимическо эффективности окисления загрязнений активным илом. Исследовани проводятся на лабораторной установке в реакторном режиме и реальной сточной воде. В результате определяются кривые кинетик изменения концентрации загрязнений для оптимальных услови реализации процесса. По полученным кривым фиксируются значен* времен обработки водно-иловой смеси в зонах смешения и вытеснени На втором этапе, исходя из значений времен обработки водно-иловс смеси, на динамической модельной установке конструктивно обесп чивается реализация данных требований, а также по результата гидравлических испытаний путем конструктивного дооснащеш динамической модели достигается гидравлическое совершенсл

ЕПК.5 Mrpg/Ц,

• - биохим.эффективность о - гидрав.эйективность * - технолог.эффективность

0 2 4

ВПК5 МГ02/Л

8 10 12 1* 19 18 20 22 24

t (час)

2

- :f ' • -- !..... __________ J _ "i

--

• »

X : t

bw : г .

1 \ \

1 \^ ;

_ L . —

--- \

1 , —i * Ь* 1

О 2 4 в в 10 12 14 18 18 20 22 24

t (час)

впк5 мгог/л 3

.... 1. . .. 1 .Д.... .. ; j

1

-----

i -j

-

г

rf

1 1

I b.

1

1 .....1 ' [ ' л — _J_ 1

0 2 4 в в 10 12 14 1в 18 20 22 24 2в 28

t (час)

Рис. 4. Технологическая Эффективность очистки сточных вод мясоперерабатывающего завода по биохемичсской потребности в кислороде (БПКз):

1 - для аэротенка-смейЬеля;

2 - для аэротенка-вытеспителя;

3 - блок сооружений "смеситель+вьнесиятсль".

динамической модельной установки для требуемого технологического режима биологической очистки.

Сопоставление полученного значения технологической эффективности с заданным значением показателя загрязнения в очищенной воде, выводимой из аэрационного сооружения, показывает соответствие выбранной конструктивной схемы аэрационного сооружения и реализуемого в нем технологического процесса очистки предъявляемым требованиям.

ГЛАВА 6 посвящена рассмотрению кинетики трансформации биоценоза активного ила в замкнутых биологических системах без вывода избыточной биомассы в условиях экзо- и эндогенного метаболизма.

Как показали проведенные исследования, существенную роль в процессе регулирования концентрации биомассы активного ила играет режим продленной аэрации водно-иловой смеси. Режим продленной аэрации позволяет объединить в одном сооружении процессы окисления микроорганизмами активного ила исходных органических загрязнений (фаза экзогенного метаболизма) и его аэробную стабилизацию (фаза эндогенного метаболизма). Если в фазе экзогенного метаболизма происходит интенсивный прирост биомассы активного ила, то в фазе эндогенного метаболизма - селективный (избирательный) лизис клеток бактерий, как видовой, так и автолизйс. При этом, одновременно протекают процессы микробиологического окисления продуктов метаболизма, что приводит к уменьшению биомассы активного ила. Кроме того, в условиях старвации (голодания) микроорганизмов достигается большая глубина биохимического окисления органического субстрата, в том числе трудноусваиваемых органических веществ.

На рис. 5 показана зависимость концентрации активного ила от времени протекания процесса биологической очистки. Условием отсутствия избыточного активного ила является равенство концентраций биомассы в водно-иловой смеси в начале и в конце цикла очистки. Таким образом определяется минимально необходимое время продолжительности цикла очистки, при котором исключается нарастание биомассы активного ила.

Экспериментально установлено, что возврат на вход аэрационного сооружения 100% биомассы активного ила, отделенного от очищеЙюй воды на выходе, существенно влияет на характер протекания процессов биологической очистки в целом. Созданная таким образом замкнутая система обладает свойствами саморегуляции и самонастройки (в первую очередь путем изменения своей концентрации) на изменение внешних воздействий, к которым относятся:

- изменение концентрации исходного загрязнения;

- длительное увеличение расхода поступающей исходной сточной

воды;

С мг/л

ДС1 >= 1200 мг/л; ЛСпр. ■ +650 иг/л. Сб.м.нач. = 3600 мг/л.

зооо 1 I

■ I ' I

' I ' I ' I

О 2 4

6000

С МГ/Л

10 12 14 18 18 20 22 24

Ь (час)

г

^ I ! 1

С С2 4,1

I 0 мг/л. нч

-м I : ДС2 » 500 Сб.м.нач. мг/л; Д Спр. =■ 4100 мг/л. ■ 1 ' 1 ■ 1 - 0

О 2 4 о В 10 12 14 18 18 20 22 24

I (час)

3

С мг/л

Д Спр.

Лез - 200 мг/л; Д Спр. - -500 мг/л. Сб.м.нач. - 4300 мг/л. ' I 1 I 1 I ' I 1 I ' I ' I ' 1 ' I

о 2 4 6 В 10 12 14 18 18 20 22 24

I. (час)

Рис. 5. Кинетика трансформации активного ила.

Сточные воды мясоперерабатывающего завода. Продолжительность цикла: = 24 час.

БГЖисс = сопЯ = 900-950 мг/л. Уж, н - сопй.

- залповые и сверхнормативные сбросы определенных видов органических загрязнений;

- и т.д., в том числе ошибочные и несанкционированные действия оператора очистных сооружений.

Экспериментальные исследования показали, что продолжительность цикла биологической очистки, обеспечивающая практическое исключение прироста избыточной биомассы активного ила, составляет:

- для сточных вод мясоперерабатывающих производств (при номинальной концентрации биомассы 3500-5500 мг/л) -16 - 24 ч;

- для сточных вод свиноводческих предприятий ( при номинальной концентрации биомассы 4000-8000 мг/л) - 28 - 48 ч;

- для хозбытовых сточных вод населенного пункта с объектом животноводства (при номинальной концентрации биомассы 2500-4000 мг/л) - 8 - 12 ч.

В ГЛАВЕ 7 рассмотрены вопросы функционально-технологической эффективности систем аэробной биологической очистки в режимах, исключающих прирост избыточной биомассы активного ила.

В результате исследования кинетики трансформации активного ила (гл. 6) определены минимально необходимые продолжительности циклов биологической очистки - Тцнклпр. Суммарный расход водно-иловой смеси через аэрационное сооружение (ЦпРРс*) складывается из расхода исходной сточной воды (Чстч«с), расхода возвратного (циркуляционного) активного ила (ц™ час) и гарантированного запаса, составляющего не менее 10% от Яил чк.

По результатам экспериментальных исследований установлена зависимость между расходом поступления исходной сточной воды и минимально необходимым расходом рециркулируемого активного ила, которая выражается через коэффициент - п:

Яил.час = П Цстчас, ГДв

- для сточных вод мясоперерабатывающих производств п = 0,25;

- для сточных вод свиноводческих комплексов п = 0,4;

- для хозбытовых сточных вод поселка с объектом животноводства п= 0,2.

Исходя из полученных значений Тцшы пр й ч«р ре, путем динамического моделирования экспериментально определяются показатели гидравлической эффективности аэрационного сооружения, необходимые для реализации в нем режима продленной аэрации водно-иловой смеси. Наиболее оптимальной схемой гидравлического совершенства конструкции аэрационного сооружения для реализации в нем режима продленной аэрации представляется блок последовательных сооружений "смеситель+вытеснитель".

Анализ кривых гидравлической эффективности реальных сооружений показывает, что во многих случаях не удается реализовать

необходимое время пребывания сточной воды в вытеснительной части аэротенка. Наличие выхода из сооружения водно-иловой смеси до истечения времени Тцнкл пр указывает на преобладание смесительных потоков в зоне вытеснителя. Это приводит к увеличению объема выхода очищенной воды с низкой степенью очистки, т.е. к снижению общего эффекта очистки сточной воды в аэрационном сооружении.

Необходимость гидравли ческого совершенства вытеснительной части требует либо увеличения объема аэрационного сооружения для достижения времени пребывания близкого к расчетному, либо применения мер конструктивного характера: увеличения отношения длины коридоров к ширине, секционирование аэротенков поперечными перегородками и т.д. Указанные мероприятия требуют дополнительных затрат на переоснащение аэрационных емкостей, что увеличивает суммарные расходы на реконструкцию очистных сооружений в целом.

Вместе с тем, высокая гидравлическая эффективность аэрационного сооружения может быть получена не только за счет конструктивных мероприятий, но и технологическими методами. Одним из таких технологических приемов является реализация последовательно-периодического процесса биологической очистки в коридорах вытеснителя (рис. 6). Для коридоров аэротенка устанавливается последовательно реализуемый, смещенный во времени цикл обработки, состоящий из периодов впуска водно-иловой смеси из смесителя с одновременным вытеснением находящейся в вытеснителе смеси и периодов реакторной обработки в замкнутом объеме коридора вытеснителя в режиме аэрации водно-иловой смеси. Реакторный режим обработки однозначно смещает гидравлические условия в вытеснителе в сторону идеального вытеснения, что значительно повышает гидравлическую эффективность аэрационного сооружения в целом. При этом, увеличение количества параллельно работающих коридоров вытеснителя приводит к приближению реального времени аэрационной обработки водно-иловой смеси к условному, рассчитанному в соответствии 1 с ее расходом через сооружение вполне определенного объема.

Технология аэробной биологической очистки сточных вод без вывода избыточного активного ила основана на комплексном использовании периодического полунепрерывного режима очистки и продленной аэрации смеси сточной воды с активным илом. Технология использует совокупность положительных эффектов аэротенков-смесителей и вытеснителей на фоне условий регулирования роста биомассы активного ила и исключения ее вывода из системы очистных сооружений. Принципиальным элементом технологии является использование режима продленной аэрации, как непременное условие, обеспечивающее саморегуляцию роста биомассы и функционирование ее в условиях замкнутой биологической системы.

На основе проведенных работ по оптимизации критериальных характеристик процесса аэробной биологической очиспси разрабаты-

Технологическая схема блока сооружений "смеситель+вытесннтель" с 2-х коридорным вытеснителем.

- смеситель

— вытеснитель —

> < ре ко КИМ )ИД реа ,р! (ТО) а

*" р :жи ко 1 вг }ИД сею ,р2 -вы 1)С| :а

Циклограмма работы коридоров вытеснителя

^--/

Тщ/вЫП Твп/ЫЛ1 Твп/шп Тяп/вил

коридор I коридор 2

I I - режим реактора

- режим впуска-выпуска

Сир

г/л

Сот/л

4

3 2 I

0,6 0,4 0,2

То, Тю Тре« Твып

■*«• : бирхимич(ская N . N т * вффекти! : мета( ЧОСТЬ • олическая эф( )СКТИВН

„."^""".".Г.Г.Т'л.ЛТ N гидравлическая эф^ ектив^ * Ч ! . ч, . , V . - N.. » • \ / г-

5СТЬ

Стрк 0,6 0,4 0,2

0 4 8 12 16 20 24 ТщалР " Тем + Тшт Тип — Теп + Треж + Тиш

28

I, ч

Рис. б. Пути повышения функционально-технологической эффективности 2-х коридорного аэротенка

ваются конкретные проектные решения строительства новых или реконструкции действующих очистных сооружений.

В ГЛАВЕ 8 приведены практические результаты работ по внедрению разработанной технологии в промышленных масштабах на животноводческих и перерабатывающих предприятиях. Показано, что использование результатов настоящей работы позволяет получить высокие показатели очистки сточных вод органического происхождения, практически полностью исключить вывод избыточных биомасс активного ила из очистных сооружений и получить высокий технико-экономический эффект за счет экономии материальных ресурсов на строительные работы и значительного сокращения эксплуатационных расходов.

Разработанные технологические методы особенно эффективны при применении их в очистке сточных вод мясоперерабатывающих и животноводческих производств, высоконагруженных органическими загрязнениями белкового происхождения.

Практические результаты применения разработанных технических и технологических решений подтверждают правильность выбора направления настоящей работы и научно-методических путей ее выполнения. Характеристики биологической очистки, полученные после запуска в промышленную эксплуатацию новых и реконструированных систем, хорошо сходятся с данными, полученными при выполнении расчетно-экспериментальных и аналитических исследований, выполненных в рамках настоящей работы.

ВЫВОДЫ.

1. Определены принципы качественной оценки эффективности процесса биологической очистки для различных типов аэрационных сооружений. Проведены теоретические исследования и определены основные факторы, влияющие на процесс биологической очистки й сточных вод активным илом. Выявлены основные критерии оценки эффективности аэрационных сооружений при очистке органических загрязнений сточных вод.

2. Разработаны методы динамического моделирования биологических систем и качественной оценки эффективности процессов аэробной биологической очистки сточных вод, загрязненных органическими отходами белкового происхождения.

3. Разработан графо-аналитический метод количественной оценки гидравлической эффективности аэрационного сооружения по результатам трассирования потока жидкости в нем.

4. Определены методы повышения эффективности биохимического, окисления органических загрязнений сточных вод активным илом. Разработаны практические рекомендации по получению оптимальных

характеристик кинетики биохимического окисления в реакторных модельных установках.

5. Проведена оценка параметров реального потока в аэрацион-ном сооружении, разработаны принципы определения количественных показателей потока в сооружениях, определены основные факторы влияния параметров потока на процесс биологической очистки, определены основные приемы их коррекции с целью повышения эффективности функционирования очистных сооружений.

6. Разработан расчетно-экспериментальный метод определения эффективности процесса биологической очистки в конкретном сооружении, предусматривающий совместное интегрирование кривых кинетики биохимического окисления реального состава загрязнений сточной воды и кривых распределения времени пребывания воды, полученных на динамических модельных установках.

7. Разработаны практические рекомендации и предложена экспериментально-расчетная методика определения и выбора конструкций очистных сооружений для биологической очистки сточных вод конкретного состава загрязнений при заданньй характеристиках качества очистки.

8. Установлены пути уменьшения объемов избыточной биомассы активного ила при биологической очистке сточных вод, определены характеристики и зависимости кинетики трансформации биоценоза активного ила в условиях эндогенного метаболизма, разработаны способы определения количественных характеристик процесса биологической очистки при условии отсутствия вывода с очистных сооружений избыточного активного ила для корректировки характеристик гидравлической эффективности.

9. Разработан комплекс мероприятий технического и технологического характера по повышению эффективности функционирования очистных сооружений биологической очистки, разработаны практические рекомендации по оценке эффективности функционирования действующих очистных сооружений и прогнозирования результатов функционирования вновь возводимых и проектируемых очистных сооружений, установлены принципы оптимизации технологических схем биологической очистки под заданные показатели качества очистки. , '' '

10. Разработан усовершенствованный вариант аэробной биологической очистки сточных вод без вывода избыточного активного ила с использованием режима продленной аэрации водно-иловой смеси, разработаны варианты конструкций аэрационных сооружений для безусловной реализации процесса биологической очистки, определены технологические приемы обеспечения условий развития замкнутой культуры биоценоза активного ила с циклическим чередованием фаз экзогенного и эндогеннрго метаболизма активного ила.

11. По результатам работы разработаны практические рекомендации для проектирования новых и реконструкции существующих очистных сооружений мясоперерабатывающих производств и животноводческих комплексов, имеется опыт применения разработанной технологии в производственных условиях в промышленном масштабе.

12. Практические результаты работы производственных очистных сооружений в полной мерс подтверждают правильность осуществленного подхода к их проектированию, принятых технических и технологических решений.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Денисов A.A., Феоктистов В.И., Щербина Б.В. Технологическая эффективность аэротенков. Научные основы технологии промышленного производства ветеринарных и биологических препаратов: Тез. докл. V Всеросс. конф., Щелково, 1996, с. 258.

2. Денисов A.A., Феоктистов В.И., Щербина Б.В. Гидравлическая эффективность аэротенков. Научные основы технологии промышленного производства ветеринарных и биологических препаратов: Тез. докл. V Всеросс. конф., Щелково, 1996, с. 259.

3. Феоктистов В.И. Некоторые аспекты влияния конструкций и технического оснащения очистных сооружений на процессы формирования биоценоза активного ила в периодическом полунепрерывном режиме биологической очистки сточных вод. Разработка технологических процессов изготовления биопрепаратов для профилактики и диагностики болезней сельскохозяйственных животных: Сб. научн. тр. ВНИТИБП, M., 1991, с. 108.

4. Феоктистов В.И. Конструкции очистных установок и сооружений для реализации периодического полунепрерывного режима биологической очистки сточных вод: Тез. докл. науч.-практ. конф., Жодино, 1990, с. 4-5.

5. Денисов A.A., Феоктистов В.И., Щербина Б.В. Гидравлическая эффективность аэротенков. Мясная индустрия, 1996, >6 3, с. 26-27.

в. Денисов A.A., Феоктистов В.И., Щербина Б.В. Количественная оценка гидравлической эффективности аэротенков. Мясная индустрия, 1996, № 5, с. 25-26.

7. Феоктистов В.И. и др. Отработать технологические процессы обеззараживания и биологической очистки сточных под в опытно-промышленных условиях, выдать исходные требования для проектирования промышленного производства. Заключительный отчет, ВНИТИБП, инв. №01.86.0031249.

8. Денисов A.A., Дамиров И.И., Феоктистов В.И., Семнжон A.B. Повышение эффективности очистки высокозагрязненных сточных вод бионредприятий. Научные основы технологии промышленного

производства ветеринарных и биологических препаратов: Тез. докл. V Всеросс. конф., Щелково, 1996, с. 252.

9. Денисов A.A., Феоктистов В.И. Критерии оценки эффективности функционирования аэробных биологических систем очистки сточных вод: Второй международный конгресс "Вода: экология и технология", Сб. тез. докл., М., 1996, с. 326.

10. Денисов A.A., Феоктистов В.И. Проблемы биотехнологической переработки навозных отходов сточных вод животноводческих комплексов: Второй международный конгресс "Вода: экология и технология", Сб. тез. докл., М., 1996, с. 327.

П. Феоктистов В.И., Денисов A.A. Пути реконструкции очистных сооружений: "Вода, экология, конверсия". Материалы международной науч.-практ. конф., Пермь, 1996, с. 53.

12. Денисов A.A., Феоктистов В.И. Переработка биотехнологическими методами отходов животноводческих комплексов и перерабатывающей промышленности в рыночных условиях. Тез. докл.: 3-я конф. "Качество, экология и рынок", Щелково, 1994, с. 34-36.

13. Феоктистов В.И., Денисов АЛ. Очистные сооружения и установки фирмы "Биокос". Экологические проблемы хранения, переработки и использования вторичного сырья: Тез. докл. науч.-техн. конф., Римини (Италия), 1996, с. 51-53.

14. Феоктистов В.И., Денисов A.A. Компактные блочно-модульные установки: "Вода, экология, конверсия". Материалы международной науч.-практ. конф., Пермь, 1996, с. 55.

15. Феоктистов В.И., Денисов A.A. Очистные сооружения и установки фирмы "Биокос": "Вода, экология, конверсия". Материалы международной науч.-практ. конф., Пермь, 1996, с. 53.

16. Денисов A.A., Феоктистов В.И. Способ биологической очистки сточных вод. Патент СССР № 1825484 от 12.10.92г. по заявке № 4869389 от 27.09.90г.

17. Денисов A.Av, Феоктистов В.И., Дамиров И.И. Способ формирования биоценоза активного ила и биоценоз активного ила. Патент № 2069642 от 27.11,96г. по заявке № 5067160/13 от 29.10.92г.

18. Денисов A.A., Феоктистов В.И., Дамиров И.И. Способ биологической очистки сточных вод и устройство для его осуществления. Патент № 2058942 от 27.04.96г. по заявке № 5067163 от 09.10.92г.

19. Денисов A.A., Феоктистов В.И., Дамиров И.И. Способ биологической очистки сточных вод. Патент № 2073356 от 10.02.97г. по заявке № 94029782/26 от 09.08.94г.

20. Денисов A.A., Феоктистов В.И., Дамиров И.И., Морозов Б.В., Коган И.З., Фарбман Г.Ш. Биореактор. Патент № 2073355 от 10.02.97г. по заявке № 94027125/26 от 19.07.94г.

21. Денисов A.A., Семижон A.B., Феоктистов В.И., Дамиров И.И. Способ отделения взвешенных веществ от исходной сточной

жидкости при аэробной биологической очистке сточных вод. Патент № 2073649 от 20.02.97г. по заявке № 95100386/26 от 11.01.95г.

22. Денисов A.A., Семижон A.B., Феоктистов В.И., Дамиров И.И. Способ аэробной биологической очистки сточных вод и установка для его осуществления. Патент № 2073648 от 20.02.97г. по заявке № 95100366/26 от 11.01.95г.