автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Разработка технологии очистки производственных сточных вод в аэротенках циклического действия

САНКТ - ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУШРСТВЕНЖШ АРХИТЕКТУРНО - СТРОИТЕЛЬНЫЙ ^НИВ^ШТ]

МОЙЖЕС Оксана Викторовна

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ЭЧИСТКИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД В АЭРОТЕНКАХ ЦИКЛИЧЕСКОЮ ДЕЙСТВИЯ

Специальность 05.23.04 —Водоснабжение, канализация,

строительные системы охраны водных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1995

Работа выполнена в Московском институте коммунального хозяйства и строительства; Волгоградском инженерно-строительном институте.

Научный руководитель - доктор технических наук.

профессор Репин Б.Н. Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Милков В. Г. - кандидат технических наук, доцент Маслова О.Я.

Ведущая организация - АО ЦНИИЭП инженерного

оборудования Защита состоится " " ¿¿г^У " 1995 г. в /О — часов на заседании специализированного Совета К. 063.31.03 в Санкт-Петербургском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: г.Санкт-Петербург, 198005, 2-я Красноармейсткая ул., д. 4, зал заседаний.

Автореферат разослан "39" 1995г.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Ученый секретарь специализированного Совета, кандидат технических наук

Г.П. Комина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Биологическая очистка сточных вод в аэ-ротенках получила большое распространение и сохраняет перспективу благодаря своей эффективности и универсальности. Капитальные вложения на строительство аэротенка обычно достигают 25 -30% стоимости всей очистной станции, а затраты на аэрацию - 30 -50% себестоимости биологической очитски сточных вод. Работа аэротенков оказывает решающ^ влияние на технологические показатели очистной станции в целом. С учетом этого, интенсификация работы аэротенков, как наиболее капиталоемких и энерговоорукен-ных сооружений станции биологической очистки сточных вод является актуальной задачей.

Применение аэротенков для биологической очистки производственных сточных вод сопряжено с трудностями, вызванными значительными колебаниями исходных концентраций загрязнений, наличием трудноокисляемых и токсичных соединений, что приводит к образованию плохооседающих (вспухающих) илов. Подобные условия эксплуатации характерезуются неустойчивой работой аэротенка, периодическим выносом значительных масс активного ила из» системы, его низкой рабочей концентрацией в аэротенке, и как следствие - систематическим снижением требуемого качества очистки сточных вод.

Анализ передового отечественного и зарубежного опыта показывает. что указанные недостатки в значительной мере присущи аэротенкам проточного типа, функционирующих в сложных условиях. Вместе с тем, существует область применения, в которой аэротен-ки циклического действия или циклотенки обладают повышенной технологической устойчивостью, что наряду с простотой их устройства и эксплуатации, позволяет отдавать им предпочтение по сран;1"нию с аэротенками традиционных типов. Опыт работы аэро-

тенков очистных сооружений, принимающих сточные воды от промуз-ла г.Волжского, являющихся базовым объектом данной работы, в полной мере подтверждает сказанное.

Опубликованные сведения о работе циклотенк'ов носят неполный характер, что сдерживает их широкое практическое применение. Результаты исследований должны восполнить этот пробел, лак в теоретическом, так и в инженерном планах, что позволит использовать азротенки. циклического действия при реконструкции действующих и строительств новых станций биологической очистки.

. Цель и задачи работы. Цель работы - повышение технологической устойчивости процесса биологической очистки производственных сточных вод сложного и непостоянного состава на основе применения научно обоснованной методики оценки качества работы аэротенков в условиях случайных колебаний исходной нагрузки и разработка конструкции аэротенка. обладающего в данных условиях повышенной эффективностью. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

-разработка методики количественной оценки состава сточных вод в условиях случайных колебаний концентраций исходных загрязнений;

-разработка теоретической модели работы аэротенка в условиях случайного характера изменения поступающей нагрузки, и на основе ее практической реализации определение степени устойчивости технологического процесс- и области рационального использования аэротенков известных типов,.работающих в условиях колебаний нагрузки;

-на основе анализа отечественного и зарубежного опыта использования аэротенков периодического действия разработать технологическую модель аэротенка с циклическим режимом работы постоянном уровне жидкости (циклотенка), обладающего повышенной технологической устойчивостью в сложных условиях эксплу-

лтации (значительные колебания концентраций загрязнений поступающих стоков и наличие труднооседающих активных илов);

- исследование на лабораторной модели циклотенка характеристики биологического окисления загрязнений производственных сточных вод и установление параметров основных кинетических зависимостей процесса;

- проведение промышленных испытаний циклотенка на сточных водах промузла г.Волжского и осуществление натурной отработки исновнда технологических узлои этого сооружения;

- выполнение программного обеспечения и расчетной апробации методики прогнозирования окислительной работы аэротенков различных типов в .условиях стохастических колебаний концентраций исходных загрязнений;

-разработка рекомендаций по расчету циклотенков и выполнение ТЭР с обоснованием области их рационального применения.

Научная новизна работы. Предложены математические модели работы азротенков различных типов (аэротенков-вытеснителей, аэ-ротенков-смесителей, аэротенков с рассредоточенной подачей сточной воды и аэротенков циклического действия) и дана оценка технологической устойчивости этих сооружений в условиях стохастических колебаний поступающих загрязнений;

-сформулирована научная концепция аэротенка циклического действия (циклотенка), ориентированная на работу в тяжелых условиях (колебания исходной нагрузки, наличие токсичных компонентов. труднооседающие активные илы);

-предложены новая конструкция циклотенка с постоянным уровнем жидкости, . основанная на последовательном проведении циклов "внуск-вытеснение", "аэрация" и "отстаивание" в одном рабочем объеме и технологический регламент его работы;

-установлены основные зависимости параметров технологического процесса циклотенков в лабораторных условиях на натур-

ной сточной воде промузла г.Волжского; впервые показано, что окислительный процесс в циклотёнках адекватно описывается уравнением ферментативной кинетики со смешанным ингибированием, если в качестве основного фактора ингибирования принято отношение ХПК к БПКполн стока;

-проведены натурные испытания циклотенка, позволившие уточнить результаты лабораторных исследований, в том числе детально изучен режим "впуск-вытеснение"; выполнены конструктивные доработки сооружения и установлена взаимосвязь периодов "впуск-вытеснение", "аэрация", "отстаивание" и числа'рабочих секций аэ-ротенка циклического действия.

Практическая значимость и внедрение результатов работы, -с использованием математического аппарата случайных величин разработана методика количественной оценки состава сточных вод в условиях случайных колебаний исходных загрязнений и даны примеры ее численной реализации;

-разработана методика оценки технологической устойчивости процесса биологической очистки в аэротенках различных типов с использованием расчетов на ЭВМ и даны примеры ее практического применения;

-разработана технология очистки сточных вод в аэротенках периодического действия и даны рекомендации по расчету и проек тированию циклотенков с постоянным уровнем жидкости; даны прак тические рекомендации по пере юрудованию проточных коридорных аэротенков действующих станций аэрации на новую технологию р.", боты;.

-результаты исследований могут быть использованы при проек тировании и реконструкции очистных сооружений, принимающие сто ки со значительным диапазоном изменения нагрузки и характерезу ющихся наличием труднооседающих илов.

Результаты исследований использованы на очистных сооружен»-

мк Волжского .азотно-кислородного завода, принимающих сточные

* I

воды от промузла г.Волжского, в качестве оперативной меры на период повышенной нагрузки, связанной с образованием трудноосе-дающих активных илов. Годовой экономический .эффект от применения циклотенка составил 293,9 тыс.руб. (в ценах 1992 года).

Апробация работы. Основная часть работы выполнялась в рам-К.-1Х государственной научно-технической программы "Архитектура и строительство"; научное направление N 7 "Создание новых и совершенствование существующих систем жизнеобеспечения населенных 1унктсв" (головной институт НижГАСА), тема 7/7.3.2.4.

Основные положения и результаты работы докладывались на XIX научно-технической конференции МИКХиС, 1992 г., XX юбилейной научно-технической конференции МИКХиС, посвященной 50-летию института, 1994 г., научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ВолгИСИ (1990 - 1994г.г.). научно-практической конференции "Новые технологические решения в практике водоснабжения и водоотведения". М., 1993 г., I межвузовской конференции молодых ученых. г.Волгоград, 1994 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатных ранеты. ' получено положительное решение на изобретение по заявке N5066175/26.

На защиту выносятся следующие положения диссертационной работы:

- методика оценки и результаты натурных исследований качественного и количественного состава сточных вод смешанного химзагрязненного стока Волжского промузла;

методика и результаты сравнения устойчивости очистки в .-.иротонках различных типов в условиях резких колебаний исходной н,ч грузки;

и <т>-м:.1'п:ч<>1;и-я мод'Ш. процесса биологического окисления

органических загрязнений производственных сточных вод на лабо раторных установках проточного и контактного типов и опредн.пе ние значений основных кинетических параметров процесса;

- результаты натурных испытаний циклотенка с постоянным уровнем жидкости в рабочих циклах "загрузка (выгрузка)", "аэрация". "отстаивание" и рекомендации по его конструктивному оформлению;

- рекомендации по-расчету и проектированию аэротенкоз циклического действия, их технико-экономическая оценка и обоснование области их практического применения.

Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографии и приложений. Содержит 134 страниц машинописного текста, 39 рисунков, 11.таблиц, 4 приложения, 124 источника литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе 1 рассмотрено состояние вопроса на основании известных литературных данных. В настоящее время в известной нам литературе отсутствует научно обоснованная методика, позволяю щая оценивать устойчивость работы аэротенков различили типов г. условиях случайных колебаний загрязнений поступающих сточных вод. В большинстве работ не ставятся задачи аналитического описания технологического процесса очистки поступающих стоков в нестационарных условиях, а дается лишь качественная оце"ка негативного воздействия колебаний загрязнений поступающих стоков на ход их очистки. Анализ литературных данных свидетельствует о высокой устойчивости биохимической очистки стоков в аэротенках периодического действия (циклотенках).

Технология очистки сточных вод в циклическом режиме обладает рядом преимуществ, основные из которых: стабильная работа

сооружзний в самом широком диапазоне колебаний нагрузки, отсутствие вторичных отстойников и систем возврата активного ила, высокий эффект осветления иловой смеси за счет отстаивания в покое, поддержание повышенной дозы активного ила в сооружении. решение проблемы труднооседащих активных илов за счет сглаживания колебаний исходной нагрузки, отстаивания в покое и нахождения активного ила в анаэробных условиях в циклах "отстаивание" и "впуск-вытеснение", простота конструкции, и возможность управления технологическим процессом и качеством очистки.

Фундаментальный вклад в создание ■ теории биологической о чисто сточных вод внесен отечественными учеными Н.С.Строгановым. Н.А.Базякиной, К.Н.Корольковым, С.В.Яковлевым, Я.А.Карелиным. Значительные успехи в развитии технологии очистки сточных иод в аэротенках и их инженерном оформлении достигнуты благодаря работам И. В. Скирдова, Т. А. Карюхиной, Э. С. Разумовского, Б.Г.Мишукова, В.Н.Швецова, Б.Н.Репина, Ю.А.Феофанова и творческим коллективам с которыми они сотрудничали.

Несмотря на наличие ряда технических решений по конструкциям циклотенков. опыта их практического применения явно недостаточно. Имеются отрывочные данные об исследовании периодических реакторов простейших типов в лабораторных и полупроизводственных условиях. Отмечается значительное повышение эффекта очистки и улучшение технологических параметров процесса окисления стоков в аэротенках циклического действия. Показано, что осаждение активного ила в периодическом режиме позволяет значительно увеличить эффективность и скорость осветления за счет отсутствия горизонтальной скорости потока и снизить иловый индекс по сравнению с проточным режимом.

В главе 2 изложены теоретические основы моделирования работы аэротенков различных типов в условиях стохастических колебании I: >:ч;нюй нагрузки. Дана оценка колебаний загрязненности нос-

тупающих на очистку сточных вод с помощью математического ожидания -M(Lo), дисперсии - D(Lo) и спектральной плотности - Ф(и)). Изменение концентраций загрязнений рассматриваемого стока от

промузла г.Волжского преобладает в области частот 0,15...3,0 рад/час. Если постепенно увеличивать от нуля частоту колебаний концентраций загрязнений входящего в аэротенк потока и определять значения амплитуды колебаний БПКполн на выходе из реактора для разных частот, можно получить зависимость от частоты отношения амплитуд колебаний концентраций загрязнений выходных стоков к амплитуде колебаний концентраций входных - амплитудно-частотную характеристику - A(J) биологического реактора.. Зависимость сдвига фаз концентраций загрязнений выходных и входных потоков от частоты изменения концентраций органических загрязнений поступающих сточных вод представляет собой фазово-частотную характеристику - <5 ( ).

Чем более устойчивее процесс очистки, тем меньше значение амплитуды колебаний концентраций органических загрязнений очищенного стока, тем меньше значение амплитудно-частотной характеристики сооружения. Амплитудную и фазовую частотные характери стики мо:кно объединить в одну - амплитудно-фазовую частотную характеристику/ используя Л(и>) и в качестве' полярных ■

координат. Более закрученный годограф говорит о неустойчивости процесса очистки в данном сооружении, менее закрученный - указывает на Еысокие стабилизирующие способности аэротенка. Идеальной стабилизирующей системой можно считать реактор, концентрация загрязнений очищенного стока которого является величиной постоянной и годограф представляет собой точку с координатами (0:0).

Определить частотные характеристики аэротенков, работающих'в условиях стохастического изменения нагрузки, можно, решив уравнение. описывающее окисление органических загрязнений в аэротенке:

. Ж. = JL.JL4- _ . 77///У

оД Ре 8У* 1х //У7 А (1)

в случае , с граничными условиями ^ и djpi

и с начальными условиями: ¿/¿)=*/,, . при ¿~0 Решением данного уравнения является:

• / (р, X) ^ ¿в е/р h (ТК+р))-<?&/2) (2)

где Т - период аэрации; К~ константа окисления; р - оператор Лапласа; £ - длина аэротенка. Получив из (2) передаточную функцию, выделив действительную и мнимую части', определяются значения амплитудной и Фазовой частотных характеристик аэрационных сооружений:

J(£\u)) « exp \f^+ ff'lfi')Pa-e/s) (3)

q (£• и))= -\jfipTf-~F-t)//-Pe-t/л (4)

где g = /+4ТН/ Ре ; .

Аналитическое описание работы аэротенков в периодическом режиме состоит из решения уравнений, описывающих каждый цикл работы. Первый цикл - впуск сточной воды в аэротенк и вытеснение равной ей порции осветленной воды.

9L- JU-W Ж. (5)

dè Ре' дР âX

Граничные условия:/ = Z , начальные условия: ¿(¿)=1, при¿'О

И'О

Частотные характеристики цикла "впуск":

Жф ехр(({-{(i+[ï+16u)z/Pe)/2 )-Pei/з) <{(u))= -//Va /-fftûyÀ7* ' -Pe-â/z

где значение числа Пекле соответствует его значению в аэротен-ках-вытеснителях.

Второй цикл - "аэрация":

ж аж

*„'*>'.*'и, -,

Граничные условия: 0~ » 'Ш'ц- ~ Частотные характеристики:

(6) (7)

■Ш) (8)

Л(б;а)) =» егд(-о?/Ре -ГЮ (9)

(Ю)

Величина Пекле соответствует его значению в аэротенках-смесите-лях. Третий цикл - "отстаивание". Из-за отсутствия кислорода, процессом'окисления микроорганизмов можно пренебречь т.е.

(и) —О (12)

Четвертый цикл - выпуск осветленной воды описывается аналогично первому циклу.

Аэротенк периодического действия можно рассматривать как систему, состоящую из последовательно, соединенных звеньев, где звенья - циклы рабощ,аашшша: * .

а?)*&тр((/4(М/+/би)№£)/г (13)

ц(£;и» - - щ!*1би)г/Ре\ - /;/Г ■ Ре,-£ ■ (14)

где соответствует значзнию Пекле в аэротенках-Еытеснителях/ Ре,г - значению Пекле в аэротенках-смесителях.

Сравнивая годографы различных типов азротенков можно горо-рить о высоких стабилизирующих свойствах вытеснителях в области частот 0...О,12 рад/час. В основной области частот высокими стабилизирующим свойствами обладают смесители. Циклотенки же. практически, полностью сглаживают колебания концентраций загрязнений поступающих сточных вод и их стабилизирующие -свойства близки к идеальной системе. Изменение концентраций загрязнений стоков Вольского промузла преобладает в области частот О,15...3,0 рад/час, то есть процесс очистки данного стока устойчивее будет идти в аэротенках циклического действия.

В главе 3 представлены результаты исследования кинетики биологического окисления загрязнений общего стока в лабораторных условиях на моделях проточного и циклического азротенков.

При дозе активного ила 1,4...2,2 г/л и периоде аэрации :1б часов снижение.ХПК для проточного и циклического азротенков составляло до 72%, а по БПКполн - до 85%, снижение органических

загряанений по формалину -89%. по ДМД - до 18%, по анилину - до • i

43%, по толуолу - до 35%. Увеличение дозы ила в проточном азро-тенке лимитировано размерами вторичного отстойника. В аэротенке циклического действия совмещены три цикла .в одном сооружении. Это позволило значительно увеличить до'зу активного' ила в аэротенке и сократить период аэрации до 6..8 часов. При дозе активного ила в проточном аэротенке 2,5...3,4 г/л и периоде аэрации 6 часов, снижение ХПК составило 65%, БПКполн - 71%. При той j;:e периоде аэрации и дозе активного ила 6,5...7,3 г/л снижение ХПК в аэротенке циклического действия составило 89%, БПКполн - 96%. Снижение концентрации формалина составило 97%, ДМД - 18%, анилина - 62%, толуола - 66%.

На втором этапе эксперимента проводилось изучение кинетики окисления органических загрязнений рассматриваемого стока. За фактор ингибирования было принято отношение ХПК к БПКполн, которое в реальном стоке меняется в пределах от 1.12 до 3,35.

При значениях отношения ХПК к БПКполн 1,4 увеличение дозы активного ила с 1,4 г/'л до 7,5г/л приводило к увеличению скорости биохимического окисления с 32,0 мг/ г-ч до 39,5 мг/г-ч при начальном значении БПКполн 480... 586 мг/л. с 37,8 мг/г- ч' . до 48,6мг/г*ч при начальных значениях БПКполн 728...910 мг/л, с 41,9 мг/г Ч до 50,3 мг/г ч при БПКполн - 998...1155 мг/л. Среднее начальное значение БПКполн в 1 серии составило 809 мг/л, на выходе - M(Lt)=53 мг/л, средняя скорость биохимического окисления в 1 серии составило M(Vj>)=41,7 мг/г ч. Отклонение изучаемых параметров - от среднего значения оценивалось дисперсией D и среднеквадратичным отклонениемS . D(L0)=55307 (мг/л£ (¿ (Lo)= 235,2 мг/л; D(L¿)= 21 (мг/л); <d (L¿)= 4,6 мг/л; D(Vj)=22,9 (мг/г-ч)*.

Во второй серии эксперимента, при ХПК:БПКполн=2.О, при дозе активного ила!,'2 г/л. .при начальном значении БПКполн 553 мг/л

и конечном Ц =51 мг/л, vj=30 мг/г ч; при L„ =857 мг/л и L4a 54 мг/л, Vj=36, 3 мг/г-ч; при L,=1032 мг/л, Ц=52 мг/л, ^,=39.5 мг/г ч. Период аэрации при этом изменялся от 18-до 27 часов. При дозе активного ила =2,0 г/л, L„=672 мг/л, Ц =57 мг/л. ^ =33,7 мг/г ч, при С0 =883 мг/л, Lt =54 мг/л, Vp= 36,2 мг/г ч. при L0=1071 мг/л, Ц- 56 мг/л, Vy=41,9 мг/г ч. При ОС =5.3 г/л, L0« 508 мг/л, . hf =49 мг/л, ty =32 мг/г ч, при L0= 810мг/л, Ц - 54 мг/л, 37,2мг/г ч, при L„= 1099 мг/л, Ц= 54 мг/л, = 43.2

мг/г ч. Период аэрации изменялся с 4 до 7 часов. При дозе активного ила 7,5 г/л, L4=564 мг/л, Ц = 55 мг/л, 35,4 мг/г-ч. при Ь0=922мг/л, Lt= 52 мг/л, Vp= 38мг/г ч. при Le=1012 мг/л, If 58 мг/л, Vp =41,3 мг/г ч. Средние значения во П серии составили - H(Lo) - 832 мг/л. M(L^ )=54 мг/л, M(Vp)=41,3 мг/г ч. Разброс значений составил: D(L.)= 41072 (мг/л)2. Л)(Ц) = 6 {ыг/nf, D(Vp) = 32,8 (мг/г чf.

При значении ХПК: БПКполн=2.6, увеличение дозы активного ила с i,-l г/л до 7,2 г/л изменяло скорость процесса с 25,6 до 30 м Г/Г' ч при La =451... 590 мг/л; с 34,9 до 36.7'мг/г ч при 1,0 =746... 1126 мг/л, с'35.9 до 38,8 мг/г-ч'при L =947... 1188 мг/л. Средние значения составили: M(L0)=829 мг/л, М(Ьг)=56 мг/л, )=32,6 мг/г-ч. Разброс значений: D(L о) =54483 (мг/л)2, D(L^)-=4,4 (мг/л)-2 , D(Vp)-18,1 (мг/г чf.

В 4 серии, при отношении ХПК к БПКполн 3, 0, увеличение дозы активного ила с 0.9 до 7,4 г/л привело к изменению скорости про-

»I

цесса с 24,3 до 27,7мг/г ч при L,=438..588мг/л, с 28.6 до 34.2 мг/г ч при и =636... 930 мг/л, -с 29; 7 до 35,6 мг/г ч при L„ =1014 ...1895 мг/л. Средние значения составили: M(Lo)=880 мг/л, М(Ьг) =63 мг/л. М(Vp ) =29, 4 мг/г ч.

Таким образом, увеличение отношения ХПК к БПКполн приводит к снижению средней скорости биохимического окисления с 41,7 мг/г ч до 29,4 мг/г ч. Экспериментальные данные были использо-

ваны при решении уравнения, описывающего ферментативный механизм биохимических процессов, с.учетом ингибирования :

_JI \ _ гЦ+Е (15)

Удельная скорость окисления органических загрязнений промстоков в аэротенке с дозой активного ила Ü и коэффициентом ингибирования продуктами распада активного ила у :

?г ?гтах L а

% ~~ тфг' ^Г (16)

где ¿f™= tf-fj/4); /f«,j *KJfi(f-0/Kü

Проинтегрировав (16). получим:

т- (jííül . z-4- + )

а ■ Vpl0 ¿¿ fyaj / (17)

Из графиков зависимостей . построенных на основании лабораторного эксперимента (рис.1) определяем значения кинетических констант стока Волжского промузла K¿=4,4 мг/л, Kt»105,6 иг/л, У^ =49,6 мг/г ч. .

В четвертой .тягле приведены результаты натурных нсгч-таний аэротенка циклического действия, представляющего наиболее оптимальный путь ' интенсификации биологической очистки стоков Волжского промузла. В аэротенке. работающем в периодическом режиме были установлены струенаправляющие щиты для выравнивания скорости потока по площади живого сечения и рециркуляционные колонны для выравнивания концентрации активного ила по объему сооружения (Рис.2).

Первый цикл, работы аэротенка периодического действия -впуск-вытеснение. Активный ил осажден на дно. При этом происходит смещение слоя осевшего активного ила в хвостовую часть аэротенка. В цикле "аэрация" часть воздуха поступает к рециркуляционным колоннам (РК), создающим циркуляционный поток из начала пео-

г* ¿л

и**-

Ч

0,5

0,4

О.Зо

.сду**'

УО

ОЛ

-0,8 -0,6 -0,4 -0,2 ° 0,2 1111___]_

У* 2,0

I

. ¿юс/а

0.5~

0.4

т.

о,/

-46 -0,4 -0,2 о 0,2 ОА'Щ

I I I I I I л/"А

Г-2,6

-Яд -0,6 -0,2

Г'3,0

у

О.Г

0,4

0,2

о,у

0 о.г ¿¡Ж'"

_1_¿¿И

ю

. г тс/нг-

\А_

0,2

О,/

-1

-аь -о,4 -о.г ° о.г о,4%;<

л_I_и

/

Ч'шТ^ТШ' г'~1ре<У/«>

Рис. I Зависимость скооости окисления стока

Волжского пггомузла пт начальной концентиации загрязнений при различных/=ХПК: БПКполн

пабочи'Л коридор

струенаправляюший шит

\ Р/ ^ Г ■ ■ i 7х

рртшркуттттипннмй уяртгУЛ / / ,7

..--. ..................'Л

с/лоиная Г*"1*'' 6000 ~~fc

выпускной канал

GZ

Л

^-воздуховод

wklítuiim i».......

гэджопзаэтвянга;

Sozd'jx

пустой канал

ccSe/vA ешоя Soda

Í

клапан

i

У i

воздуховода насос

Рис. ?. Работа азротенка в циклическом режиме

вого коридора в конец второго. В результате возникает продольный

циркуляционный поток из конца второго коридора в начало первого.

который выравнивает концентрацию активного ила. Кроме того, РК

позволяют интенсифицировать процесс биохимического окисления орга , яШ • • /ты

нических загрязнений:L;/L -0,5 при работе трех РК, Ld/L =0,65 при

тМ

работе двух РК, L//L =0,9 при работе одной РК после первого часа аэрации. После 6-ти часов аэрации эти значения составили 0. 2, 0,25; 0.3 .

При заполнении циклотенка новой порцией сточной воды происходит перемешивание загрязненной и осветленной воды. В ходе эксперимента определялся объем зоны перемешивания в зависимости от скорости потока. В качестве сигнала использовалось резкое увеличение

т* жпк

концентрации загрязнений на. входе до значения L . В дальнейшем I держалось на том же уровне. Зависимость» изменения этой концентрации во времени в потоке,.выходящем из циклотенка представляет собой отклик в виде F-кривой. Среднее время нахождения частиц в сооружении в цикле "впуск-вытеснение" ^-1: ^"U-t^y^ где U- средняя продольная скорость движения потока; £ - длина аэротенка;- время нахождения частиц в аэро-

тенке в цикле "впуск-вытеснение". В первой серии эксперимента средняя продольная скорость потока была и=- зомм/с. во второй составляла бОмм/с, в третьей серии скорость потока была 90мм/'с. Пробы по ХПК отбирались в начале сооружения - 1?*и на выходе из циклотенка в первой серии эксперимента каждые 6 мин., во второй -

каждые.Змин., в третьей - каждые 2 мин., что в каждом случае со-

п .глк/жт _

ставило iJ = 0.05. Были построены зависимости I /¿0 от v . которые позволили определить объемы зон перемешивания (рис.3), составившие 0.15; 0,17 и 0,19 от общего объема проточной части циклотенка для скоростей потока 30 мм/с; бОмм/с и 90 мм/с.

Исследование кислородного режима проводилось в циклах "аэрация" и "отстаивание". В начальный момент аэрации ( около

хпк

Рис. Исследование цикла впуска сточной воды

ЗОмин) происходиг резкое снижение КРК с 2...2,5 мг/л до 0...0.5 мг/л.Затем наблюдается резкое увеличение КРК до 4...5 мг/л за 3. ..4 часа аэрации, которое сменяется асимптотическим приближением к концентрации 6,5...7 мг/л в конце процесса аэрации. В цл-

л

кле "отстаивание" исчерпание КРК в иловой среде происходит н среднем через 10 мин. Для эффективного осветления верхнего слоя жидкости необходимо около 30 мин. Таким образом, активный ил находится в бескислородном режиме не более 20 мин.. что не отражается на его технологических свойствах.

Применение аэротенка периоди"еского действия с повышенными дозами активного ила - до 7,5 г/л позволило значительно интенсифицировать процесс биохимической очистки и повысить ее качество (Табл. 1).

Наиболее рационален следующий режим'работы циклотенка: -окислительная мощность - 1450... 1590 гБПК/'м сут; -удельная скорость окисления - 13,7...14,4 мг/г ч; -качество очищенного стока - до 60 мг/л. В 'пятой главе предлагается расчитывать Период аэрации циклотенка по формуле, полученной в результате решения уравне ния, описывающего ферментативный механизм биохимических . процессов: "

; Ki = ¿J мг/л; Цб *2/2 v;

OL= 5,0 г/л; fa - ю/л; ¿а = 560 иг/л;

~ 50 мг/л.

В результате натурного эксперимента время отстаивания иловой смеси составляет при Ч =5, Ог/л 4гГ0,5 часа- непРеРи~ вной подачи сточной воды на очистку попеременно в одну из семи секций циклотенка. время на цикл впуск-вытеснение определялось:

где п- количество секций циклотенка.

Общее время нахождения воды в циклотенке составило:

Таблица I

Характеристика работы аэротенков при различных дозах активного ила

-1----1-:-:--;-

Основные |Исходная сточная! Очищенная сточная вода

показатели, | вода |-;-■--

мг/л | 12=1,5.2 г/л:а-3.5.5г/л:а«6Л ,5г/л

| | . I =6ч : I =6ч : г =6ч

__I_1_;_!_

хпк 1236 380 298 260

БПКполн 560 116 . 68 52

Взвешенные в-ва 154 73 51 ..■' 44

Метанол 17,3 ' 9,6 6.4 5,8

Формалин 32,0 4.4 '3.9 2.6

Нефтепродукты 3,8 0.5 0.4 0.3

АНИЛИН 5,8 3.2 2.4 2.0

Сульфиды 4.6 2.6 2.3 2.3

Толуол 1.5 0.9 0.5 0,5

дмд 12.4 10.6 10.5 10,5

Азот общий 39.1 20.4 15.8 12.9

Азот аммонийный 37.0 18.4 12,6 8.3

Азот (нитраты) следы следы 1.4 2/6

Азот (нитриты) следы 0.9 1. 1 1.4

Органический азот 2.1 1.1 0,7 0.6

Убыль азота 20.7 23.3 26.2

6 « 5,8 (<о

Общий объем циклотенка:

В работе решалась задача прогнозирования качества очищенного стока при известных характеристиках поступающей сточной воды и параметров аэротенка. Качество очистки оценивалось дисперсией загрязнений очищенного стока:

(а))-т ¿Л

где Ф(<2) - спектральная плотность загрязнений поступающих сточны*

вод; к{и>) - амплитудно-частотная характеристика аэротенка.

Средний проскок определялся: '

.¡г

Максимально возможный проскок: Л - ЗЦЩ .

Как показал расчет для конкретного стока Волжского промузла наименьшие средний и максимальный проскоки будут давать аэротенка. . работающие в циклическом режиме.

В условиях реконструкции очистных сооружений' Волжского промузла экономия 'капитальных и эксплуатационных затрат была достигнута за счет отказа от вторичных отстойников и систем возврата активного ила. Годовой экономический эффект составил 293,9 тыс.руб. (в ценах 1992 года).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана методика количественной оценки состава сточных вод в условиях стохастических колебаний исходных загрязнении, основанная на математическом аппарате случайных величин; выполнена ее численная апробация на сточных водах промузла г.Волжского.

2. Анализ работы аэротенков различных типов в натурных условиях переменной нагрузки и математическое моделирование процесса очистки позволили оценить устойчивость работы этих сооружений.

Установлено, что годографы амплитудно-фазовых частотных характеристик аэротенков-вытеснителей свидетельствуют об их устойчивой работе в области колебаний исходной нагрузки с частотой до 0,12 рад/час. Аэротенки-смесители устойчивы при частоте свыше 0,12 рад/час, однако, глубина очистки при этом ограничена конкретными технологическими параметрами.

3. Показано, что рабочий процесс аэротенков циклического действия (циклотенков) обладает повышенной устойчивтстью не только за счет стабилизирующих свойств сооружения, но и в результате возможности использования повышенных доз ила. Предложена технологическая модель циклотенка с постоянным уровнем жидкости, основанная на последовательном проведении циклов впуска-вытеснения, аэрации и отстаивания в одном рабочем объеме.

4. Экспериментальные исследования на лабораторных моделях, циклотенков с натурной сточной жидкостью с ХПК=260...3013 мг/л, БПКполн = 202... 1930 иг/л,- при дозах ила 1,4. ..9,5 мг/л, периоде аэрации 2...29 ч свидетельствуют об эффективном биологическом окислении загрязнений в условиях периодического процесса.

5. Анализ результатов эксперимента в форме уравнения ферментативной кинетики со смешанным ингибированием дает основан,.з считать отношение ХПК к БПКполн основным фактором ингибирования. Так

2 г"""

_____ ___________________________ ___________ ^ =49,6 мг/г ч. К^=105,4 мг/л.

При изменении отношения ХПК к БПКполн в пределах 1,12..3,35 (среднее значение 1,94 ) константа смешанного ингибирования К^ равна 4.4 мг/л.

6. Натурные испытания циклотенка размером 6x216 м и глубиной 4.4 м на сточной воде концентрацией по ХПК 260...3013 мг/л и БПКполн 202...1930 мг/л при дозах ила 1.4...9,5 г/л наряду с достижением стабильных результатов очистки выявил необходимость конструктивных доработок распределительно-впускного устройства и защиты аэраторов от засорения. Установлено, что оптимальное

количество аэротенков равно 7, оптимальное время впуска-вытеснения - 1 час, аэрации 5,8 часа, отстаивания -0,5 часа. Степень полезного использования объема аэротенка мало зависит от времени впуска-вытеснения и составляет,в среднем, 0,83.

7. Разработан технологический режим очистки сточных вод в аэ-ротенках циклического действия, и даны рекомендации по расчету и проектированию циклотеков с постоянным уровнем жидкости. Показано, что периоды впуска (t^j). аэрации (tat/> и отстаивания (tjyi) связаны с числом рабочих секций циклотенка (п) соотношением (tat^t,rt)/ (п-1). Даны примеры практической реализа ции методики оценки технологической устойчивости аэротенков различных типов с использованием программируемых расчетов на ЭВМ.

8. Экономический эффект от внедрения циклотенка образуется в результате отказа от вторичных отстойников и связанной с этим экономией энергозатрат в среднем в 1.5 раза. При внедрении циклотенка на Волжских очистных сооружениях производительностью 61800 м /сут экономический эффект составил 293,9 тыс.руб. (в ценах 1992 года).

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Репин Б.Н.. Ксенофонтов В. А. -. Мойжес О.В. Применение теории случайных величин к анализу ХПК стоков промышленных предприятий. //Изв. ВУЗов. Строительство.-N3, 1992.

2. Репин Б.Н.. Мойжес О.В. Модель работы аэротенков в уело виях случайных колебаний загрязненности сточных вод.//Изв.ВУЗов. Строительство. N1, 1993.

3. Экспериментальное моделирование аэротенка с циклическим режимом работы. ■"Новые технологические решения в практике водоснабжения и водоотведения", мат-ли всерос. семинара -М.,1993.

4. Исследование кислородного режима циклотенка. "Экология и

охрана окружающей среды, строительство", мат-лы 1 межвузовской

конф. молодых ученых, 1994. ■',"'

:> ' 1

!