автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Разработка технологии удаления биогенных элементов из городских сточных вод с дефосфатацией в аноксидных условиях

На правах рукописи

"05058227

Мойжес Станислав Игоревич

Разработка технологии удаления бногенных элементов из городских сточных вод с дефосфатацией в аноксидных условиях

05.23.04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград

2013

005058227

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» Научный руководитель: Москвичева Елена Викторовна

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Серпокрылов Николай Сергеевич

ФГБОУ ВПО Ростовский государственный строительный университет, профессор кафедры «Водоснабжение и водоотведение»

кандидат технических наук

Ведущая организация:

Степкина Юлия Андреевна, технический директор ЗАО «Компания по защите окружающей среды «Экотор», г. Волгоград

ОАО «НИИ ВОДГЕО», г. Москва

Защита состоится «30» мая 2013 г. в 10 часов 00 минут на заседании диссертационного совета ДМ212.026.05 при ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан «23» апреля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Фокин Владимир Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Решение проблем, связанных с защитой окружающей среды, в том числе и водоемов, от загрязнений сточными водами, является одной из важнейших задач нашего времени

Существующие технологии очистки сточных вод от органических и биогенных соединений, потребляют электроэнергии в 1,4-2,5 раза больше по сравнению с технологиями очистки сточных вод только от органических загрязнений. Анализ отечественных и зарубежных литературных источников показывает, что в настоящее время основным направлением развития и совершенствования методов биологической очистки сточных вод от азота и фосфора является разработка энергоэффективных технологий, стабильно обеспечивающих требуемое качество очищенной воды. Одним из наиболее перспективных методов очистки городских сточных вод является технология ОерЬапох, разработанная в 1990-е годы. Однако, опубликованные сведения о работе сооружений по технологии ВерЬапох, говорят о нестабильной их работе в реальных условиях значительных колебаний поступающей нагрузки.

Данная работа рассматривает и решает вышеозначенные проблемы, что подтверждает ее актуальность.

Работа проводилась в рамках федеральной целевой программы «Развитие водохозяйственного комплекса Российской Федерации в 2012-2020 годах», а также плана научно-исследовательских работ Курьяновского отделения Инженерно-технологического центра ОАО «Мосводоканал».

Цель работы состояла в создании энергоэффективной технологии биологической очистки от биогенных элементов сточных вод, поступающих на городские очистные сооружения, стабильно обеспечивающей заданное качество очистки при минимальных энергозатратах, и отработка данной технологии на реальной сточной воде.

Поставленная цель предопределила постановку следующих задач:

- разработать энергоэффективную технологию биологической очистки сточных вод с использованием дефосфатации в аноксидных условиях, стабильно обеспечивающей качество очищенной воды на уровне ПДК для водоемов рыбо-хозяйственного назначения по биогенным элементам;

- разработать математическую модель работы аэротенков по технологии удаления биогенных элементов в условиях реального характера изменений поступающих на сооружения загрязнений;

- исследовать основные закономерности и обосновать оптимальные технологические параметры реализации процесса биологической очистки сточных вод с использованием дефосфатации в аноксидных условиях на реальных городских сточных водах в лабораторных условиях;

- определить кинетические параметры процессов биологической очистки городских сточных вод от азота и фосфора при реализации технологии с использованием дефосфатации в аноксидных условиях;

- отработать в полупромышленных условиях на реальных сточных водах технологию биологической очистки сточных вод с использованием дефосфатации в аноксидных условиях;

- разработать методику расчета аэротенков, при реализации технологии с использованием дефосфатации в аноксидных условиях для очистки городских сточных вод;

- выполнить технико-экономическую оценку разработанной технологии биологической очистки сточных вод от биогенных элементов с использованием дефосфатации в аноксидных условиях.

Основная идея работы состоит в снижении энергозатрат на проведение биологической очистки на очистных сооружениях, за счет внедрения технологии с дефосфатацией в аноксидных условиях.

Методы исследований включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, лабораторные и полупромышленные исследования по стандартным методикам.

Достоверность полученных данных подтверждается длительностью и большим объемом экспериментов, проведенных на реальных городских сточных водах в лабораторных и полупромышленных условиях, применением стандартизированных методик измерения и анализа данных.

Научная новизна работы:

- отработана в лабораторных условиях технология процесса дефосфатации в аноксидных условиях для реальных городских сточных вод России и подтверждена ее эффективность;

определены константы уравнений ферментативной кинетики, описывающих биохимические процессы технологии удаления биогенных элементов с дефосфатацией в аноксидных условиях;

- определены основные зависимости скоростей биохимических процессов от параметров реализации технологического процесса в ■ лабораторных и полупромышленных условиях на реальных городских сточных водах;

- разработана динамическая математическая модель, позволяющая решать оптимизационные задачи минимизации энергозатрат на окисление органических соединений и процессы нитрификации;

- разработана методика расчета аэротенков, работающих по технологии биологической очистки от биогенных элементов с дефосфатацией в аноксидных условиях.

Практическое значение работы:

- разработана технология удаления биогенных элементов из сточных вод, основанная на многоиловой схеме раздельного окисления аммонийного азота и органических соединений «М-Дефанокс»;

разработаны конструктивные решения реализации технологии биологической очистки городских сточных вод с использованием дефосфатации в аноксидных условиях на очистных сооружениях;

- определены технологические параметры эксплуатации сооружений, работающих по технологии биологической очистки сточных вод с использованием дефосфатации в аноксидных условиях для городских сточных

вод, обеспечивающие качество очищенной воды, удовлетворяющей значениям ПДК для водоемов рыбо-хозяйственного назначения;

- разработана методика расчета сооружений, при реализации технологии с использованием дефосфатации в аноксидных условиях для очистки городских сточных вод;

- апробирована и отработана в полупромышленных условиях на пилотной установке производительностью 2 м3/сут технологическая схема удаления биогенных элементов «М-Дефанокс»;

- определен экономический эффект реализации технологии биологической очистки сточных вод с использованием дефосфатации в аноксидных условиях для городских сточных вод и проведено сравнение с технологией UCT.

Реализация результатов работы. Результаты исследований были использованы при реконструкции канализационных очистных сооружений ООО «Новоуренгойский зазохимический комплекс», г. Новый Уренгой, производительностью 125000 м3/сут.

Основные положения, выносимые на защиту:

- обоснование эффективности применения технологии биологической очистки городских сточных вод от биогенных элементов при реализации процесса дефосфатации в аноксидных условиях;

- результаты исследований основных закономерностей биохимических процессов при очистке городских сточных вод от биогенных элементов с использованием дефосфатации в аноксидных условиях на лабораторной установке;

- конструктивное оформление технологии очистки городских сточных вод от биогенных элементов с использованием дефосфатации в аноксидных условиях для городских сточных вод;

- обоснование оптимального технологического режима работы сооружений биологической очистки городских сточных вод с использованием дефосфатации в аноксидных условиях, обеспечивающих заданную эффективность очистки при минимальных расходах воздуха;

- результаты работы на реальной сточной воде пилотной установки, реализующей технологию биологической очистки от биогенных элементов с дефосфатацией в аноксидных условиях;

- методика расчета сооружений биологической очистки городских сточных вод от биогенных элементов с использованием дефосфатации в аноксидных условиях;

- показатели экономической эффективности разработанной технологии.

Апробация работы. Изложенные в диссертационной работе материалы

докладывались и обсуждались на 1-ой Центрально-Азиатской конференции «Опыт и молодость в решении водных проблем» 2011 г, 69-ой Всероссийской научно-технической конференции «Традиции и инновации в строительстве и архитектуре» 2012 г, 4-ой Восточно-Европейской конференции Г\УА «Опыт и молодость в решении водных проблем» 2012 г, XVII Региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области 2012 г, Научно-практической конференции, посвященной памяти академика РАН С. В. Яковлева -«Яковлевские чтения» 2012 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Работа по теме диссертации получила первую премию «Акватор» фонда поддержки молодых ученых в области водоснабжения и водоотведения «Акватория» в номинации «Научные исследования в области водоотведения» в 2012 г.

Личный вклад автора состоит в выдвижении идей, научном обосновании, постановке и проведении исследований, анализе результатов, разработке технологии и ее внедрении.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 136 страницах машинописного текста, включает 18 таблиц, 69 рисунков, и состоит из введения, 5 глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы из 119 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, научная новизна, практическая ценность работы и основные положения диссертации, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации приведены результаты анализа информации по существующим методам и технологиям очистки сточных вод от биогенных элементов, и конструктивным схемам их реализации в промышленных условиях. Большой вклад в развитие данной темы внесли такие отечественные ученые как С.В.Яковлев, В. Н. Швецов, Б. Н. Репин, Ю. В. Воронов, Н. В. Захватаева, Н. А. Залетова, Б. Г. Мишуков, К. М. Морозова, В.И. Баженов, Д.А. Данилович, М.Н. Козлов и др.

Показано, что в настоящее время активно развиваются технологии очистки сточных вод от азота и фосфора без использования химических методов очистки. Однако, данные технологии являются энергозатратными, и как следствие, в настоящее время ведется поиск и развитие технологий, позволяющих снизить энергозатраты на биологические процессы при высоком качестве очистки. Одной из наиболее перспективных технологий является технология БерЬапох, позволяющая реализовывать процесс удаления фосфора в аноксидных условиях. Данная технология, благодаря использованию процесса дефосфатации в аноксидных условиях, уменьшает количество требуемого кислорода в аэробных зонах. Однако, качество очистки городских сточных вод при реализации данной технологии, по опубликованным данным, не является стабильным.

На основе проведенного анализа были сформулированы задачи данной диссертационной работы.

Во второй главе приведены результаты математического моделирования аэротенков, работающих по различным технологическим схемам, в том числе и по схеме «М-Дефанокс», для условий случайного характера изменения поступающих загрязнений и решение задачи оптимизации кислородного режима работы сооружений, работающих по технологии «М-Дефанокс».

Из уравнения материального баланса реактора идеального смешения получено уравнение ячейки идеального смешения для процесса нитрификации:

^ ~= к ■ W,}" {<7; " SNHJ~ {Vj ■ рЫШ4 ■ Х}, (1)

где vj - объем у-ой ячейки, м3; snh.<u - концентрация N-NH4 на входе в j-ю ячейку, мг/л; SNHJ1 - концентрация N-NH4 на выходе из у-ой ячейки, мг/л; р„ти- удельная скорость процесса нитрификации в ячейке, мг/г АИ*час; X - доза активного ила, г/л, qj - расход сточной воды, поступающей в ячейку, м3/час.

С использованием аппарата преобразований Лапласа из (1) было получено уравнение передаточной функции для у'-ой ячейки идеального смешения аэротенка W(p):

W, (в) =----(Г)

где Th.i - время нахождения сточной воды ву-й ячейке, ч, Х- доза активного ила, г/л, р - аргумент передаточной функции, kj - коэффициент, описывающий скорость нитрификации в данной ячейке, как функцию первого порядка.

В результате, были определены передаточные функции аэротенков, реализующих следующие технологии очистки сточных вод: аэротенк-нитрификатор, технология MUCT, технология UCT и технология «М-Дефанокс».

В работе решена задача оптимизации: при разбиении аэротенка на ячейки идеального смешения определить такой кислородный режим в каждой ячейке, который давал бы максимальную эффективность процесса. С учетом поиска максимальной эффективности процесса нитрификации Э в зависимости от значения концентрации растворенного кислорода Ог было рассчитано значение аргумента, при котором значение функции Э(02) было бы максимальным. Функция Э(02) имела вид:

Э(02) = 1------—-, (3)

^ Р тах, nilii „ , n ' , л ^ ' T'hj

S,NHA + ^NHAj Л5,02 + ^OlJ

где концентрация N-N114 ву'-й ячейке, мг/л; 7(1; - время нахождения сточной

воды в у'-й ячейке, ч; максимальная скорость процесса нитрификации,

мг/(г*ч), Х- доза ила в данной ячейке, г/л; К5Ю,4- константа полунасыщения по N-N114, мг/л; К$х)2 - константа полунасыщения по кислороду, мг/л; 502 -концентрация растворенного кислорода в ячейке, мг/л.

Полученная функция была исследована на экстремумы, в результате чего было получено значение 02, при котором значение функции эффективности процесса нитрификации является точкой максимума для различных концентраций аммонийного азота.

В третьей главе сформулированы основные задачи лабораторных исследований, описана методика их проведения, даны результаты работы лабораторной установки, на основании которых были получены кинетические константы биохимических процессов. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях на проточном стенде на реальной сточной воде Курьяновских очистных сооружений (КОС) г. Москвы на двух установках.

На первом этапе эксперимента проводились исследования классической технологии «Дефанокс», реализованной в лабораторной установке, которая являлась контрольной и результаты работы которой позволили сделать вывод о нестабильности ее работы. При повышении концентраций загрязнений в поступающей воде до 30 мг/л наблюдались проскоки N-№1.4 ДО 2-4 мг/л в очищенной воде.

Модифицированная нами классическая технология «Дефанокс», названная «М-Дефанокс», была реализована на лабораторной установке (рис. 1). Сточная вода подавалась в анаэробный реактор-отстойник, где она смешивалась с активным илом. В этом реакторе происходило высвобождение фосфатов и сорбция активным илом основной части органических загрязнений. В аэробном реакторе-нитрификаторе, был организован процесс нитрификации благодаря биомассе, иммобилизированной на загрузке. Далее вода поступала в преденитрификатор, где она смешивалась с байпасным активным илом и затем иловая смесь поступала в аноксидный реактор. В отстойнике происходило

отделение ила от воды, которая затем подавалась в реактор-нитрификатор с плавающей загрузкой для доокисления аммония.

Условные обозначения:

1 - сдвоенный анаэробный реактор-отстойник, У=3,5 л,

2 - реактор нитрификатор с загрузкой У=8 л,

3 - аноксидный реактор (преденитрифи катор), У=2 л,

4 - аноксидный реактор, У=7,5 л,

5 - отстойник У=1,5 л,

6 - реактор нитрификатор с загрузкой, У=4 л,

7 - перистальтический насос,

8 - электромеханическая мешалка,

9 - центробежный насос-мешалка,

10 - подача сетевого воздуха,

11 - загрузка 50% объема.

Технологические параметры работы установок: расход воды - 50,4 л/сут, время пребывания - 12 часов, время пребывания в аэробной зоне в установке Дефанокс- 6,5 ч, в установке «М-Дефанокс» - 5,5 ч. Значения рециклов байпасного и возвратного илов - 0,2. Результаты работы лабораторной установки по технологии «М-Дефанокс» представлены на рис. 2,3.

Рис. 1. Схема лабораторной установки технологии удаления биогенных элементов из городских сточных вод с дефосфатацией в аноксидных условиях «М-Дефанокс».

«»--Концентрации М'04 0 ГЮ1ПуПГ>!ОЩ<?Й Щ!

Рис. 2. Результаты работы установки «М- Рис. 3. Результаты работы установки «М-Дефанокс» по удалению соединений азота. Дефанокс» по удалению фосфора фосфатов

В ходе эксперимента были определены кинетические константы процесса нитрификации для плавающей загрузки при реализации процесса «М-Дефанокс». Математическое описание процесса нитрификации на плавающей загрузке проводилось на основании классических представлений ферментативной

кинетики с использованием уравнения Михаэлиса-Ментен, для линеаризации которого был использован метод Лайнуивера-Берка (рис. 4, 5). Как видно из графика максимальная удельная скорость нитрификации составляет 5,04 мг/г АИ*час, константа полунасыщения по субстрату - 3,9 мг/л.

м

5 4

Рис. 4. Зависимость удельной скорости нитрификации от текущей концентрации субстрата.

V -0,9332х-» о. 1!>86 К» = 0,9978

оросп.

•..1 У у ■ : ---Лин.ппг»» аАк^,,., и,.

' ТГШинии»

-?Г1 и 0 14 г- л 3,5 , , ,г> , ,5 а

•/•^.ти х/яи-мна), л/клг

Рис. 5. (рафик обратной зависимости удельной скорости реакции от концентрации субстрата.

На основании лабораторных исследований была определена константа полунасыщения процесса нитрификации городских сточных вод на плавающей загрузке по кислороду с использованием уравнения Михаэлиса-Ментен, для линеаризации которого был использован метод Лайнуивера-Берка, значение которой составило КШ4 0 = 1,2 мг/л. Определение веса биомассы на единицу веса загрузки проводилось путем вычисления отношения веса загрузки с биомассой, отобранной из лабораторной установки, к весу чистой загрузки. Данное отношение составило 0,0054 г АИ/г загрузки.

Результаты лабораторных исследований представлены в табл. 1.

Таблица 1- Сравнительное качество работы лабораторных установок

Показатель, мг/л Установка Дефанокс Установка «М-Дефанокс»

Поступающая сточная вода Очищенная сточная вода Поступающая сточная вода Очищенная сточная вода

Взвешенные вещества 50-190 10-12 55-210 9-11

хпк 182-213 35-43 191-224 39-45

бпк5 72-111 3,5-5,3 81-122 4,2-6,1

N-N11^ 25-29 2,1 28-30 0,3

N-N02 - 0,1-0,5 - 0,01-0,03

ы-ыоз' - 9-12 - 4-8

р-ро43" 2,2-2,4 0,8-1,1 2,3-2,6 0,1-0,3

На основе результатов лабораторных экспериментов было осуществлено

их масштабирование и отработка технологии «М-Дефанокс» полупромышленных условиях.

В четвертой главе сформулированы основные задачи полупромышленных исследований, описана методика проведения испытаний и приведены результаты реализации технологии «М-Дефанокс» в полупромышленной установке, а также дан анализ динамики качественных характеристик сточной воды КОС, поступающей на биологическую очистку.

Исследования проводились на пилотной установке производительностью 2 м3/сут, расположенной на Курьяновских очистных сооружениях г. Москвы. Исходным субстратом являлась сточная вода после первичных отстойников КОС. Технологическая схема процесса «М-Дефанокс», реализованного на пилотной установке представлена на рис. 6.

Селектор

ПсрПИЧНЫЙ отстойник Рссиоир-шпрхфихатор Реактор-д<и штрмфккояар Иторичный отстойник Шкехопый косое СиЙпасиого

I .1 (искомый 1шсос метра-Усреднитель

Рис. 6. Схема полупромышленной установки технологии удаления биогенных элементов с дефосфатацией

Технологические параметры работы установки: значения рециклов возвратного и байпасного илов - 0,2, время пребывания в аэробной зоне - 6 часов, в анаэробной - 1,5 часа, в аноксидной - 5 часов. Объем загрузки - 50% от объемов реакторов. Результаты исследований процессов очистки сточной воды от соединений азота и фосфора на пилотной установке приведены на рис. 7, 8.

-♦-концентрация Р-Р04 поступают '^«концентрдцияР-КМ очищ

Дни эксперимента

Рис. 7. Качество работы пилотной установки Рис. 8. Качество работы пилотной установки по соединениям азота. по фосфору фосфатов.

Качество работы установки представлено в таблице 2.

Таблица 2- Качество очистки сточной воды на установке «М-Дефанокс»

Показатель Концентрация загрязнений в поступающей воде, мг/л Концентрация загрязнений в очищенной воде, мг/л

N-NHL,+ 22-34 0,15-0,3

N-NCV - 0,015-0,03

n-NO3' - 6-9

P-P04J" 1,5-3,3 0,18-0,24

хпк 150-310 35-40

бпк5 80-150 5-8

Взвешенные вещества 83-240 8-10

Результаты сравнения показателей работы полупромышленной установки, работающей по технологии «М-Дефанокс» с технологией UCT, используемой в промышленных условиях на блоке удаления биогенных элементов Люберецких очистных сооружений (БУБЭ) представлены в таблице 3.

Таблица 3- Сравнение удельных показателей очистки.

Показатель М-Дефанокс БУБЭ

Удельная скорость окисления, мг/(г АИ-час) Окислительная мощность, г/(м3-сут) Удельная скорость окисления, мг/(г АИ-час) Окислительная мощность, г/(м3-сут)

БПК5 9,95 2986 9,82 2993

n-nh4+ 2,16 647,5 2,15 655,92

ppcV 0,34 102 0,29 88,45

Удельный расход воздуха, мЗ/мЗ

М-Дефанокс БУБЭ

4,3 (расчетный удельный расход воздуха, эффективность аэрационных систем принята по реальным данным аэрационной системы блока БУЮ) 5,2

В пятой главе на основании полупромышленных исследований была разработана методика расчета сооружений биологической очистки, работающих по технологии «М-Дефанокс», а также приведены рекомендации по технологической пуско-наладки сооружений и их эксплуатации.

Объем зоны нитрификации определяется как сумма объемов аэробных ячеек. Объем г-ой ячейки нитрификации:

где 0,ЧаС,расч - расчетный расход, мЗ/час; 5цн4,пЖтл - концентрация N-N114 на входе в 1-ю ячейку, мг/л; Бты^ - концентрация N-N114 на выходе из ячейки, мг/л; В -расчетный коэффициент, определяющий количество активного ила, прикрепленного на загрузке в 1 литре сточной воды в реакторе; - удельная скорость нитрификации, мг ^МЩг АИ*час.

Для расчета объема зоны денитрификации определяется количество нитратов, которое необходимо восстановить в ходе процесса денитрификации:

^N-N01 ~ N114.посп, — 5 д,,, 4выс1 ) + НН 4.пост! — 3 Шб.очшн) ~ 3 N-N03.041114 ~ N4 прирост > (5)

где Бт4пос„ - концентрация N-N114 в поступающей в аэротенк сточной воде, мг/л; SNH4,вьLc1 - концентрация N-N114 на выходе из первой зоны нитрификации в сточной воде, поступающей в зону денитрификации, мг/л; Ялжлостг -концентрация N-N114 на входе во вторую зону нитрификации с учетом байпасного активного ила в сточной воде после вторичного отстойника, мг/л; Зт4жОЩЩ -требуемая концентрация N-N11, в очищенной сточной воде, мг/л; Бы.тз,очиЩ -требуемая концентрация азота нитратов в очищенной сточной воде, мг/л; Зши,приест - концентрация N-N114, которая расходуется на прирост биомассы активного ила.

Зона денитрификации делится на п ячеек, в зависимости от реальной гидродинамики потока, и время пребывания в каждой ячейке:

(5

■час.расч

(4)

где Xdeni - доза активного ила в зоне денитрификации, г/л; SN.N03J - количество азота нитратов, которое необходимо удалить в данной ячейке, определяется по

формуле v031 = , мг/л; рн-тзл - скорость денитрификации в z'-ой ячейке,

мг N-NOj/r АИ*ч.

Общий объем зоны денитрификации рассчитывался по формуле:

п

— ^ j Очас ' ^déni Л

(7)

На основании данной методики был проведен расчет сооружений производительностью 125000 м3/сут для сточных вод, поступающих на Куряновские очистные сооружения. Результаты расчета: объем загрузки - 50%, доза активного ила в аноксидной зоне - 2,7 г/л, время пребывания в аэробной зоне - 6 часов, в анаэробной - 1 час и аноксидной - 5 часов.

Результаты, полученные при расчете сооружений по технологии «М-Дефанокс», были использованы в технико-экономическом расчете и сравнении его с технологией UCT, в результате чего экономический эффект от внедрения технологии «М-Дефанокс» составил 189,4 млн.руб за срок LCC (Life Cycle Cost), равный 8 годам.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проделанной работы была создана энергоэффективная технология биологической очистки от биогенных элементов «М-Дефанокс» с дефосфатацией в аноксидных условиях, обеспечивающая стабильное качество очищенной воды на уровне ПДКрыб.х03 с экономией энергозатрат до 15% по сравнению с классическими технологиями биологического удаления биогенных элементов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Разработана энергоэффективная технология биологической очистки городских сточных вод от биогенных элементов «М-Дефанокс» с использованием дефосфатации в аноксидных условиях и позволяющая

очистить сточную воду до следующих показателей: N-NH4 - 0,3 мг/л, N-N02 - 0,02 мг/л, N-NO3 - 7,5 мг/л, Р-РО4 - 0,2 мг/л, при этом расход воздуха на процессы окисления на 13-17% ниже, чем при очистке сточных вод по технологии UCT.

2. Разработана математическая модель работы аэротенков, основанная на теории передаточных функций, и определены передаточные функции процесса нитрификации для аэротенков Люберецких очистных сооружений, работающих по технологиям UCT и M-UCT, и сооружений, проектируемых под технологию «М-Дефанокс».

3. Предложены конструктивные решения реализации технологии «М-Дефанокс» на городских очистных сооружениях, проведена их отработка в лабораторных и полупромышленных условиях на реальной сточной воде Курьяновских очистных сооружений, дано сравнение с технологией UCT, и показано, что при прочих равных характеристиках, скорость потребления фосфора в технологии «М-Дефанокс» выше на 10-12% чем в технологии UCT при снижении на 17% требуемого расхода воздуха.

4. Определены кинетические параметры процесса нитрификации, осуществляемого при помощи биомассы, прикрепленной на пластиковой загрузке, технологии «М-Дефанокс», которые составили: максимальная скорость нитрификации 5,04 мг/г АИ*час, константа полунасыщения по аммонийному азоту KSNH4=3,9 мг N-NtL/n, константа полунасыщения по кислороду KNH4t0 =1,2 мг/л.

5. Исследованы и определены оптимальные технологические параметры реализации процесса «М-Дефанокс»: объем загрузки относительно объема реактора в зоне нитрификации - 50%; концентрация растворенного кислорода в зоне нитрификации - 1,8-2,6 мг/л; доза активного ила - 2-4 г/л.

6. Разработана методика расчета аэротенков, работающих по технологии «М-Дефанокс», и проведен расчет данных сооружений с учетом качественных параметров сточной воды, поступающей на Курьяновские очистные сооружения.

7. Выполнено технико-экономическое сравнение реализации технологии «М-Дефанокс» на очистных сооружениях производительностью 125000 м3/сут по сравнению с сооружениями аналогичной производительностью, работающими по технологии UCT. Экономия при использовании технологии «М-Дефанокс» составила 189,4 млн. руб. за LCC с расчетным периодом 8 лет.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

Публикации в ведущих рецензируемых научно-технических журналах и Изданиях, определенных ВАК РФ:

1. Мойжес, С. И. Применение теории оптимизации для снижения расхода воздуха, подаваемого в аэротенки / Е. В. Москвичева, Э. П. Доскина, С. И. Мойжес // Вестн. Волгогр. гос. архитектурно-строит. ун-та. Сер.: Стр-во и архитектура. - 2011. - Вып. 25 (44). - С. 268-274. - Библиогр.: с. 274 (2 назв.).

2. М-Дефанокс - новая многоиловая система удаления биогенных элементов / С. И. Мойжес [и др.] // Водоснабжение и санитарная техника. - 2011. -№ 10. - С. 55-59. - Библиогр.: с. 59 (2 назв.)

3. М-Дефанокс - эффективная технология биологического удаления фосфора из сточных вод / С. И. Мойжес [и др.] // Водоснабжение и санитарная техника. - 2012. - № 10. - С. 43-49. - Библиогр.: с. 49 (5 назв.).

Отраслевые издания и материалы конференций

4. Влияние растворенного кислорода на удаление биогенных элементов / С. И. Мойжес [и др.] // Малоэтажное строительство в рамках национального проекта "Доступное и комфортное жилье гражданам России": технологии и материалы, проблемы и перспективы развития в Волгоградской области : материалы Междунар. науч.-практ. конф., 15-16 дек. 2009 г., Волгоград. -Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2009. - С. 286-288.

5. Очистка сточных вод от биогенных элементов / С. И. Мойжес [и др.] // Экологический навигатор. - 2009. - № 5. - С. 44-46. - Библиогр.: с. 46 (4 назв.).

6. Экспериментальные исследования по очистке сточных вод от соединений азота и фосфора / С. И. Мойжес [и др.] // Качество внутреннего воздуха и окружающей среды : материалы VII Междунар. науч. конф., 13-17 мая 2009 г., Волгоград. - Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2009. - С. 106-110. - Библиогр.: с. 110

(4 назв.).

7. Мойжес, С. И. К вопросу об очистке сточных вод от биогенных элементов / С. И. Мойжес, Д. К. Хатулев // XV региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области, Волгоград, 9-12 нояб. 2010 г. Направление № 16 "Архитектура, стр-во и экол. проблемы" : тез. докл. -Волгоград: Изд-во ВолгГАСУ, 2011. - С. 8-9.

8. Мойжес, С. И. Лабораторные исследования новой технологии удаления биогенных элементов "М-Дефанокс" / С. И. Мойжес, Е. В. Москвичева // Наука и образование: архитектура, градостроительство и строительство : материалы Междунар. конф. посвящ. 60-летию образования вуза, 18-19 сент. 2012 г., Волгоград : в 2 ч. - Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2012. - Ч. II. - С. 112-117. -Библиогр.: с. 117 (3 назв.).

9. Мойжес, С. И. Теоретический подход к решению задач оптимизации кислородного режима в аэротенках / С. И. Мойжес ; Самарский гос. архит.-строит. ун-т [и др.] // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре : материалы 69-й Всерос. науч.-техн. конф. по итогам НИР 2011 г. - Самара, 2012. -Ч. II. - С. 265-269. - Библиогр.: с. 269 (3 назв.).

10. Лабораторные исследования новой технологии удаления биогенных элементов "М-Дефанокс" / С. И. Мойжес [и др.] // Проекты развития инфраструктуры города. Вып. 12. Инженерные системы городского хозяйства: новые территории и новые технологии : сб. науч. тр. - Москва, 2012. - С. 313-319. - Библиогр.: с. 319 (3 назв.).

11. Мойжес, С. И. Трехиловая система удаления биогенных элементов с дефосфатацией в аноксидных условиях / С. И. Мойжес // Опыт и молодость в решении водных проблем : науч. тр. Первой Центрально-азиатской науч.-техн. конф. IWA. - 2011. - С. 499-505.

12. Новый процесс очистки сточных вод от биогенных элементов при помощи дефосфатации в аноксидных условиях / С. И. Мойжес [и др.] ; Мое, гос. строит, ун-т // Яковлевские чтения : сб. докл. науч.-практ. конф., посвящ. памяти акад. РАН С. В. Яковлева. - Москва : МГСУ, 2012. - С. 200-206. - Библиогр.: с. 206 (3 назв.).

. \ \ \.

Мойжес Станислав Игоревич

Разработка технологии удаления биогенных элементов из городских сточных вод с дефосфатацией в аноксидных условиях

05.23.04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 18.04.2013. Заказ № 45. Тираж 100 экз. Печ. л. 1,0 Формат 60x84 1/16. Бумага писчая. Печать плоская. Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет 400074, Волгоград, ул. Академическая, 1. Отдел оперативной полиграфии.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет

На правах рукописи

04201357523 Мойжес Станислав Игоревич

Разработка технологии удаления биогенных элементов из городских сточных вод с дефосфатацией в аноксидных

условиях

Специальность 05.23.04 «Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов»

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель Доктор технических наук, профессор Москвичева Елена Викторовна

Волгоград, 2013 г.

Содержание

Введение................................................................................................................4

1. Исследование и промышленная реализация процессов удаления биогенных элементов..............................................................................................9

1.1. Теоретические исследования биохимических процессов......................9

1.2. Практическая реализация процессов удаления биогенных элементов...........................................................................................................15

1.3. Динамическое моделирование биологической очистки сточных вод. 24

1.4. Выводы.......................................................................................................29

2. Теоретические основы динамического моделирования работы аэротенков и решение задач оптимизации.............................................................................30

2.1. Определение передаточных функций аэротенков для режима нитрификации.....................................................................................................30

2.2. Применение теории оптимизации для расчета сооружений................37

2.3. Определение эффективности процесса нитрификации технологии «М-Дефанокс»...........................................................................................................41

2.4. Выводы.......................................................................................................47

3. Исследование технологии «М-Дефанокс» в лабораторных условиях.........48

3.1. Описание лабораторной установки, методика проведения и ход эксперимента......................................................................................................48

3.2 Результаты экспериментальных исследований........................................58

3.3. Определение кинетических констант биохимических процессов.........71

3.4. Выводы.........................................................................................................77

4. Полупромышленные испытания технологии «М-Дефанокс»......................78

4.1. Описание полупромышленной установки, методика проведения и ход эксперимента......................................................................................................78

4.2. Результаты полупромышленных испытаний технологии «М-Дефанокс»...........................................................................................................85

4.3. Оценка колебаний загрязненности поступающего стока Курьяновских Очистных Сооружений......................................................................................92

4.4. Выводы.........................................................................................................99

5. Методика расчета аэротенков, осуществляющих биологическую очистку

сточных вод по технологии «М-Дефанокс».......................................................99

5.1. Методика расчета сооружений биологической очистки сточных вод, работающих по технологии «М-Дефанокс»..................................................100

5.2. Рекомендации по проведению пуско-наладочных работ и технологическому контролю аэротенков, работающих по технологии «М-Дефанокс».........................................................................................................114

5.3. Технико-экономический расчет технологии удаления биогенных элементов «М-Дефанокс»................................................................................117

5.4. Выводы.......................................................................................................121

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ..................................................................................121

Список литературы..........................................................................................123

Приложения................................................................................134

Введение

В настоящее время ужесточение требований к качеству очищенных сточных вод при необходимости снижения эксплуатационных затрат ведет к необходимости разработки и внедрения новых технологических и конструктивных решений биологической очистки. Большинство канализационных очистных сооружений в нашей стране до сих пор работают по схеме удаления органических веществ, тогда как современные требования, выдвигаемые к качеству очищенной воды, требуют реализации схем удаления азота и фосфора.

В нашей стране исследования в области биологической очистки сточных вод от биогенных элементов ведутся в научно-исследовательских, учебных, проектных, инжиниринговых и эксплуатационных организациях, основными из которых являются ВНИИ ВОДГЕО, Московский государственный строительный университет, Санкт-Петербургский Государственный Архитектурно-Строительный Университет, ГК ЭКОПОЛИМЕР, ОАО «МосводоканалНИИпроект», МГУП МОСВОДОКАНАЛ, ГУП Водоканал Санкт-Петербурга и др.

Огромный вклад в теорию биологического удаления азота и фосфора из сточных вод, а также в развитие технологического и инженерного оформления процессов и их практическую реализацию в нашей стране внесли В. Н. Швецов, Б. Н. Репин, М. И. Алексеев, Ю. В. Воронов, Н. В. Захватаева, Н. А. Залетова, Б. Г. Мишуков, К. М. Морозова, Д. А. Данилович, В. И. Баженов, М. Н. Козлов и творческие коллективы, с которыми они работали.

Основными проблемами промышленной реализации процессов биологической очистки сточных вод от биогенных элементов являются обеспечение стабильного качества очищенной воды при существенных колебаниях нагрузки поступающих сточных вод, и высокие

эксплуатационные издержки на электроэнергию. Разработка и внедрение схем, обеспечивающих высокую стабильность очистки сточных вод от азота и фосфора при минимальных эксплуатационных затратах невозможно без изучения реальной динамики нагрузки, поступающей на сооружения, и решения задач оптимизации.

Цель работы состояла в создании энергоэффективной технологии биологической очистки от биогенных элементов сточных вод, поступающих на городские очистные сооружения, стабильно обеспечивающей заданное качество очистки при минимальных энергозатратах, и отработка данной технологии на реальной сточной воде.

Поставленная цель предопределила постановку следующих задач:

- разработать энергоэффективную технологию биологической очистки сточных вод с использованием дефосфатации в аноксидных условиях, стабильно обеспечивающей качество очищенной воды на уровне ПДК для водоемов рыбо-хозяйственного назначения по биогенным элементам;

- разработать математическую модель работы аэротенков по технологии удаления биогенных элементов в условиях реального характера изменений поступающих на сооружения загрязнений;

- исследовать основные закономерности и обосновать оптимальные технологические параметры реализации процесса биологической очистки сточных вод с использованием дефосфатации в аноксидных условиях на реальных городских сточных водах в лабораторных условиях;

- определить кинетические параметры процессов биологической очистки городских сточных вод от азота и фосфора при реализации технологии с использованием дефосфатации в аноксидных условиях;

- отработать в полупромышленных условиях на реальных сточных водах технологию биологической очистки сточных вод с использованием дефосфатации в аноксидных условиях;

разработать методику расчета аэротенков, при реализации технологии с использованием дефосфатации в аноксидных условиях для очистки городских сточных вод;

выполнить технико-экономическую оценку разработанной технологии биологической очистки сточных вод от биогенных элементов с использованием дефосфатации в аноксидных условиях.

Основная идея работы состоит в снижении энергозатрат на проведение биологической очистки на очистных сооружениях, за счет внедрения технологии с дефосфатацией в аноксидных условиях.

Методы исследований включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, лабораторные и полупромышленные исследования по стандартным методикам.

Достоверность полученных данных подтверждается длительностью и большим объемом экспериментов, проведенных на реальных городских сточных водах в лабораторных и полупромышленных условиях, применением стандартизированных методик измерения и анализа данных.

Научная новизна работы:

отработана в лабораторных условиях технология процесса дефосфатации в аноксидных условиях для реальных городских сточных вод России и подтверждена ее эффективность;

- определены константы уравнений ферментативной кинетики, описывающих биохимические процессы технологии удаления биогенных элементов с дефосфатацией в аноксидных условиях;

- определены основные зависимости скоростей биохимических процессов от параметров реализации технологического процесса в лабораторных и полупромышленных условиях на реальных городских сточных водах;

- разработана динамическая математическая модель, позволяющая решать оптимизационные задачи минимизации энергозатрат на окисление органических соединений и процессы нитрификации;

- разработана методика расчета аэротенков, работающих по технологии биологической очистки от биогенных элементов с дефосфатацией в аноксидных условиях.

Практическое значение работы:

- разработана технология удаления биогенных элементов из сточных вод, основанная на многоиловой схеме раздельного окисления аммонийного азота и органических соединений «М-Дефанокс»;

- разработаны конструктивные решения реализации технологии биологической очистки городских сточных вод с использованием дефосфатации в аноксидных условиях на очистных сооружениях;

- определены технологические параметры эксплуатации сооружений, работающих по технологии биологической очистки сточных вод с использованием дефосфатации в аноксидных условиях для городских сточных вод, обеспечивающие качество очищенной воды, удовлетворяющей значениям ПДК для водоемов рыбо-хозяйственного назначения;

- разработана методика расчета сооружений, при реализации технологии с использованием дефосфатации в аноксидных условиях для очистки городских сточных вод;

- апробирована и отработана в полупромышленных условиях на пилотной установке производительностью 2 м3/сут технологическая схема удаления биогенных элементов «М-Дефанокс»;

определен экономический эффект реализации технологии биологической очистки сточных вод с использованием дефосфатации в аноксидных условиях для городских сточных вод и проведено сравнение с технологией UCT.

Реализация результатов работы. Результаты исследований были использованы при реконструкции канализационных очистных сооружений ООО «Новоуренгойский зазохимический комплекс» производительностью 125000 м3/сут.

Основные положения, выносимые на защиту:

- обоснование эффективности применения технологии биологической очистки городских сточных вод от биогенных элементов при реализации процесса дефосфатации в аноксидных условиях;

результаты исследований основных закономерностей биохимических процессов при очистке городских сточных вод от биогенных элементов с использованием дефосфатации в аноксидных условиях на лабораторной установке;

- конструктивное оформление технологии очистки городских сточных вод от биогенных элементов с использованием дефосфатации в аноксидных условиях для городских сточных вод;

- обоснование оптимального технологического режима работы сооружений биологической очистки городских сточных вод с использованием дефосфатации в аноксидных условиях, обеспечивающих заданную эффективность очистки при минимальных расходах воздуха;

- результаты работы на реальной сточной воде пилотной установки, реализующей технологию биологической очистки от биогенных элементов с дефосфатацией в аноксидных условиях;

- методика расчета сооружений биологической очистки городских сточных вод от биогенных элементов с использованием дефосфатации в аноксидных условиях;

показатели экономической эффективности разработанной технологии.

Данная работа была выполнена на кафедре «Водоснабжение и водоотведение» Волгоградского Архитектурно-Строительного Университета.

1. Исследование и промышленная реализация процессов удаления биогенных элементов

1.1. Теоретические исследования биохимических процессов.

Использование биохимических процессов для удаления азота -нитрификации и денитрификации, широко используется в сооружениях биологической очистки сточных вод.

Нитрификация - это процесс окисления аммонийного азота, в результате которого аммоний превращается в нитрит, а нитрит в конечном итоге - в нитрат. Процесс нитрификации осуществляет очень ограниченная группа микроорганизмов. Микроорганизмы, участвующие в процессе нитрификации являются автотрофными. Еще в 1870 г. Шлезинг и Мюнц [1,2,3,4,5,6] доказали, что нитрификация имеет биологическую природу. Для этого они добавляли к сточным водам хлороформ. В результате, окисление аммиака прекращалось. Однако специфические микроорганизмы, вызывающие этот процесс, были выделены лишь Виноградским [2,5,7,8]. Им же было показано, что хемоавтотрофные нитрификаторы могут быть подразделены на бактерий, осуществляющих первую фазу этого процесса, а именно окисление аммония до азотистой кислоты (1чГН4+->М02~), и бактерий второй фазы нитрификации, переводящих азотистую кислоту в азотную (N0" 2—>М0"3). Этих бактерий относят к семейству ЫкгоЬа^епасеае. Бактерии первой фазы нитрификации представлены четырьмя родами: Мй-озотопаз, мй-озосузйб, №1го8о1оЬи8 и Мй-обобрка. Отдельной особенностью нитрифицирующих бактерий является их низкий прирост по сравнению с гетеротрофами [3,9,10,11]: коэффициент прироста биомассы по аммонию (¥набллчн4=0Л4 г ХПК/г N-№€4) в 2-3,5 раза ниже, чем прирост гетеротрофных микроорганизмов при аэробных процессах (Унабл =0,3-0,56 г ХПК/г ХПК).

Окисление аммония под действием бактерий описывается следующей реакцией [4,8,12,13,14]:

1) Первая стадия:

ын; +1Оа №'Г050т0Па5 ) N0^ + 2Н+ + Н20(1)

2) Вторая стадия:

И0;+-02 "пгоЬас1ег >N0" (2)

Основным ограничивающим фактором протекания реакций нитрификации являются температура и концентрация кислорода в сточной воде [5,15,16,17]. Зависимость скорости нитрификации от температуры описывается уравнением Вант-Гоффа [3,18,19,20,21]:

Н»акс (Т) = Ммакс (20° С) • ехрСКГ - 20)) (3)

Как показано в [6] данное выражение применимо в диапазоне 10-22°С. При более высоких температурах (30-35°С) скорость постоянна, следовательно, поддержание таких температур для протекания процесса неэффективно; при температурах больше 35°С скорость нитрификации постепенно падает до 0. (Рис. 1).

Рисунок 1. Скорость нитрификации как функция температуры.

Кинетика потребления кислорода в процессе нитрификации описывается уравнением Моно [3,22,23,24]:

Р = Рмакс(SNH /(SNH +KNH)-(S^ !{S0i 2 + KSOi))• ((7, -4,57)!YA), (4)

где SNh - концентрация аммонийного азота в субстрате, KNH -константа полунасыщения по аммонийному азоту, S0 2 - концентрация

растворенного кислорода, Kso - константа полунасыщения по кислороду, YA

- коэффициент прироста биомассы для автотрофных бактерий.

Высокие концентрации кислорода не снижают эффективность нитрификации, процесс нормально происходит даже при концентрации растворенного кислорода 60 мг/л [7,25,26,27]. Тогда как при концентрациях растворенного кислорода менее 1 мг/л происходит резкое снижение эффективности процесса.

Денитрификация - это процесс восстановление азота нитрата до газообразного азота под действием бактерий. Данный процесс является аноксидным, так как вместо растворенного кислорода в данном процессе окислителем является связанный кислород нитрата.

Восстановление нитратов происходит следующей схеме:

1) Первая стадия:

3NO¡ + СН3ОН = 3NO¡ + С02 + Н20 (5)

2) Вторая стадия:

2NO¡ + СН3ОН = N2 + С02 + Н20 + 20Н" (6)

Большинство денитрифицирующих бактерий являются факультативными аэробами, то есть в присутствии растворенного (а не связанного) кислорода предпочитают его в качестве окислителя. Выбор конечного акцептора электронов (кислорода или нитрата) зависит от величины окислительно-восстановительного потенциала. Выбор этот всегда решается в пользу кислорода, поэтому при одновременном присутствии кислорода и нитрата в системе денитрифицирующие бактерии будут использовать растворенный кислород.

Согласно [8,14,28,29,30] в отличие от нитрификации, денитрификация может происходить в термофильных условиях, однако это свойство практически не используется, и, следовательно, данных для обобщения не много. Скорости термофильных реакций в среднем на 50% выше, чем аналогичных реакций при температуре 30° С.

8

X

X

■2 7

С ___

X т

X •е- ю со 6

^ ю

о. к X зе 5 1

X "— 4

ш 2

Ч

л О 3

н <_> г

о

о. 2 I

о

X

и 1

10 15 20 Температура, С

25

30

35

Рисунок 2. Зависимость удельной скорости денитрификации от температуры.

Кислород является ингибитором процесса денитрификации. Принципиальное значение имеет концентрация кислорода, непосредственно воздействующего на микроорганизмы, т.е. его концентрация внутри флоккул и биопленок, а не в толще воды [9,18,31,32,3