автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Влияние кислорода на процессы очищения сточных вод в биодисковых фильтрах

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

.. ?/: ґ СТЕПОВА НАТАЛІЯ ГЕОРГІЇВНА

V.

УДК 628.35

ВПЛИВ кисню НА ПРОЦЕСИ ОЧИЩЕННЯ СТІЧНИХ ВОД В БІОДИСКОВИХ ФІЛЬТРАХ

05.23.04 — Водопостачання, каналізація

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ—1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Київському національному університеті будівництва і архітекту (КНУБіА).

Науковий керівник:

Офіційні опоненти:

Провідна установа:

доктор технічних наук, член-кор. НАН України Олійник Олександр Якович, КНУБіА, завідувач кафедри гідравліки та водовідведення

доктор технічних наук, професор,

Гіроль Микола Миколайович, завідувач кафедри водогосшдарчого будівництва Рівненського державного технічного університету;

кандидат технічних наук, ведучий науковий співробітник, Свердликов Анатолій Іванович завідувач лабораторії біологічної очистки Науково-дослідного і конструкторвко-технологічного інституту міського господарства Держбуду України

Інститут гідротехніки і меліорації Української аграрної академії наук

Захист відбудеться 2000 р. о ^ год. на засіданні спеціалізоваї

вченої ради Д26.056.07 у Київському національному університеті будівництва архітектури за адресою: 03037, м. Київ, Повітрофлотекий пр., 31 / сі,

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці КНУБіА за адресою: м. Ки Повітрофлотський проспект, 31

Автореферат розісланий'

//’

^иог>ого 2000 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, професор Василенко О.А.

з

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. На сучасному етапі ринкової економіки, коли на зміну ромислових гігантів приходять невеликі підприємства, розкидані по всій Україні; коли айже перед кожним окремо розташованим санаторно-курортним закладом постає роблема автономного існування (власні джерела водопостачання, очисні споруди); а ікож за наявності по всій території країни великої кількості містечок та селищ, які теж отребують спорудження персональних систем по водовідведеншо та знешкодженню гаків, дуже актуально постає проблема так званої “малої” каналізації.

Рішення цієї проблеми вимагає спорудження надійних, простих в експлуатації та ешевих очисних споруд. До класу таких споруд в повній мірі належать біодискові ільтри (БДФ), що (як показали чисельні дослідження українських та закордонних пеціалістів) можуть бути рекомендовані до широкого вжитку при потребі очищення обутових та промислових стічних вод з добовою витратою рідини до 1000 м3.

На нараді Всесвітньої організації охорони здоров’я з питань технології очищення гічних вод у невеликих сільських населених пунктах (1987 р.) БДФ визнані ерспективними спорудами, до переваг яких було віднесено високу якість очистки (до мг/л по БПК5) та модульну конструкцію біодисків, що дозволяє легко ристосовуватися до збільшення чисельності населення.

Значною перевагою БДФ над іншими спорудами є також добра сприйнятливість

0 залпових навантажень, які не тільки не погіршують, а навіть дещо покращують оботу установки, оскільки під час припинення у подачі стоків, БДФ працюють у ежимі регенерації.

Вважається, що обертання дисків є достатнім для залучення до системи кількості исню, необхідної для нормального перебігу процесів біоокислення субстрату.

Проте останні дослідження довели, що у перших секціях БДФ, при великих авантаженнях по БПК, процеси очищення лімітуються саме нестачею кисню, одаткове підведення якого на цьому етапі значно покращує якість очистки. Саме тому остає питання створення та реалізації такої моделі, за допомогою якої просто та, разом тим, точно можна було б визначити концентрацію кисню у секціях БДФ і його еобхідні додаткові потреби для нормального функціонування системи.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана

1 планами науково-дослідних робіт академії наук України та Київського національного ніверситету будівництва і архітектури, що розроблялись за держбюджстною тематикою ідповідно до комплексних галузевих програм.

Метою роботи є розробка на основі глибокого вивчення процесів біорозкладу рганічних забруднень більш досконалих методів розрахунку технологічних параметрів ДФ з урахуванням його конструктивних характеристик. Дисертація належить до ітегорії робіт, пов’язаних з розробкою наукових основ очистки стічних вод.

Задачі досліджень включали вирішення таких питань:

- вивчення особливостей масоперенесення кисню та його споживання мікроорганізмами з метою створення фізичної моделі біологічної очистки стічних вод із закріпленим біоценозом;

- побудова на її базі складної двокомпонентної (субстрат, кисень) математичної моделі з урахуванням впливу основних фізичних факторів;

- розробка інженерної методики обчислення концентрації кисню в секціях БДФ, біоплівці та рідкій плівці, що покриває висвітлену поверхню дисків та визначення активної товщини біоплівки;

- апробація запропонованої методики розрахунку з залученням даних експериментальних досліджень.

Наукова новизна роботи полягає в побудові досконалішої математичної моделі біоокислення стічних вод на БДФ, яка враховує процеси масоперенесення та споживання кисню. Розроблена чисельна та аналітична методика розрахунку основних технологічних параметрів БДФ з урахуванням його конструктивних характеристик. Запропонована більш досконала інженерна методика визначення кисневого режиму.

Побудована та аналітично реалізована математична модель, яка описує процеси масоперенесення кисню в чистій воді, при застосуванні дискових аераторів. Розроблена інженерна методика визначення концентрації кисню у цьому випадку.

Практична значущість роботи полягає в можливості зробити розрахунки основних Технологічних параметрів БДФ надійнішими, такими, що враховують нарівні а процесами перенесення та споживання субстрату аналогічні процеси для кисшо. Складено рекомендації по визначенню активної товщини біоплівки, обчислено концентрації кисню в ємності БДФ, рідкій та біоплівках; у водоймищах рибних господарств, де застосовуються дискові аератори як засоби по збагаченню води киснем.

Запропонована методика розрахунку може бути також використана при визначенні кисневого режиму і на інших реакторах біологічної очистки.

Результати роботи були апробовані при проектуванні очисних споруд у пансіонаті ‘Меліоратор” у Херсонській області і Новгород-Сіверській митниці в Чернігівській області.

Особистий внесок здобувача полягає у:

- розробці математичної моделі процесу очищення стічних вод із закріпленим біоценозом в БДФ та її реалізації чисельними та аналітичними методами;

- розробці інженерної методики розрахунку кисневого режиму в секціях БДФ, рідкій плівці та біоплівці;

- проведенні порівняння отриманих теоретичних результатів з експериментальними даними різних авторів;

- розробці та аналітичній реалізації математичної моделі, що описує процеси перенесення кисню в чистій вода дисковими аераторами.

Публікації. За матеріалами дисертації видано п’ять наукових робіт.

Апробація роботи. Основні наукові положення дисертації доповідались на 56-й та

7-й науково-практичних конференціях Київського державного технічного університету удівництва та архітектури (1995, 1996 p.p.) та на сьомій міжнародній науково-технічній знференції “Водні ресурси та сталий розвиток економіки Бсларусі” (Мінськ, 20-24 равня 1996 p.); а також на засіданнях і семінарах Інституту' гідромеханіки НАНУ, де рацює здобувач, і кафедри гідравліки та водовідведення КДТУБА, де здобувач навчався аспірантурі.

Обсяг та структура дисертації. Робота викладена на 147 сторінках; вміщує 33 исунки та 17 таблиць. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, загальних исновків, переліку використаної літератури з 123 найменувань та п’яти додатків.

До захисту виносяться такі наукові положення:

- загальна математична модель біоокислення стічних вод на БДФ з урахуванням роцесів перенесення та споживання кисню;

- чисельні та аналітичні методи реалізації моделі;

- інженерна методика розрахунку концентрації кисню в ємності БДФ, рідкій плівці і біоплівці в нестаціонарних і стаціонарних умовах;

- методика визначення активної товщини біоплівки;

- загальна математична модель перенесення кисню дисковими аераторами; налітична, та розроблена на її основі інженерна методика розрахунку концентрації пеню.

Основний зміст роботі!

У вступі викладено сучасний стан проблеми, сформульовані мета та задачі }сліджень, висвітлені їх новизна, практична значущість та актуальність.

У першому розділі розглянуто основні процеси, які відбуваються в БДФ під час іищення стічних вод; оцінено вплив кисню на процеси видалення субстрату аеробними ікроорганізмами; проаналізовано відмінності масоперенесення кисню для стічної та істої води, а також фактори, що гальмують або прискорюють процеси переносу.

Розуміння значущості кисню є дуже важливим при вивченні закономірностей гребігу процесів аеробного біорозкладу органічних забруднень. Молекулярний кисень є ппім з найважливіших компонентів, які постачають мікроорганізми енергією для осинтезу. Він не тільки приймає участь у кінцевому окисленні субстрату, але й сислює велику кількість органічних сполук на початкових стадіях метаболізму, що ібезпечує можливість їх використання мікроорганізмами.

Оскільки в процесі окислення приймають участь і субстрат, і кисень, то вплив існю на процеси очищення має відбуватись і в рівняннях ферментативних реакцій:

R = ------Я.—■

" Ь+Кщ С+КІПс

Не = (<*'■

Pm’L

L + к_

+Ь'Х)-

__С_

с+к„

Тут Rj., Rc - швидкості кінетичних реачцій відповідно для субстрату та кислю г/м3-год; L,C - концентрація відповідно субстрату та кисню, гБПК/м3, гОг/м3; Кти Kmc -відповідно константи Міхаеліса для субстрату та кисню, г/м3; р„ - максимальна швидкість окислення, г/м3-год; а' - коефіцієнт утилізації кисню, гОг/гБПК; Ь’ - швидкість ендогенної реакції, год'1; А' - концентрація біоценозу, гБПК/м3.

Для чисельного визначення кількості кисню в системі, брак якого є одним з найпоширеніших факторів гальмування процесів очищення, необхідно скласти певну математичну модель. У роботі проаналізовані основні відомі моделі, запропоновані різними авторами; виявлено їх переваги та недоліки. Зроблено висновок про схожість процесів масоперенесення кисню та субстрату. Вирішено прийняти за базову для субстрату модель, запропоновану О.Я.Олійником та Ш. Шуджою; до якої додаються рівняння, що описують процеси перенесення та споживання кисню в ємності реактора, біоплівці та рідкій плівці; з урахуванням в цих рівняннях наведених вище кінетичних реакцій Rl, Rc-

У другому розділі розглядається механізм біологічного очищення рідини у БДФ з урахуванням кисню, на базі аналізу якого складено фізичну (концептуальну) модель процесу. На основі фізичної моделі, в свою чергу, розроблено узагальнену математичну модель, з урахуванням всіх факторів, що мають суттєвий вплив на перебіг очищення стічних вод. Запропонована модель складається з восьми нестаціонарних рівнянь матеріального балансу дія субстрату та кисню: в ємності реаісгора (рівняння (1), (5)); в активному прошарку біоплівки під час імерсійного (рівняння (2), (6)) та експозиційного (рівняння (3), (7)) циклів; в рідкій плівці (рівняння (4), (8)).

В рівняннях (1), (5) перший член позначає накопичення субстрату (кисню) в ємності за деякий проміжок часу г; другий — адвективне перенесення субстрату (кисню) з рідиною; третій —перенесення по нормалі до біоплівки; четвертий —джерело реакції в ємності; п’ятий —адвекція субстрату (кисню) в рідку плівку; шостий та сьомий члени рівняння (5) позначають відповідно перенесення кисню з атмосфери крізь поверхню розділу фаз повітря-рідина в реакторі та джерело надходження кисню всередині ємності (додатковий підвід).

У рівняннях (2), (б) перший член позначає дифузію субстрату (кисню) по нормалі до біоплівки; другий — зменшення кількості субстрату (кисню) за рахунок реакції в біоплівці; третій — акумуляцію в біоплівці за деякий проміжок часу.

У рівняннях (3), (7) перший член позначає адвективне перенесення субстрату (кисню) в біоплівці через поверхню So . Інші члени є аналогічними до відповідних компонентів рівнянь (2), (6).

У рівняннях (4), (8) перший член позначає накопичення субстрату (кисню) в рідкій плівці за проміжок часу г, другий — адвективне перенесення субстрату (кисню) поміж рідкою плівкою та ємністю реактора; третій — джерело реакції в рідкій плівці; четвертий — перенесення по нормалі до біоплівки; п’ятий член у рівнянні (8) позначає надходження кисню з повітря.

= 2( А) - ) - 2А^А (і'с - гшуя^-г-гмо^-і^у, (і>

о л = —; (2)

Х <3с2 Л Я

* йс2 ' с а

= ^Г(£є ~ А,) ~«ь, -^(А, (0,0); (4)

(5)

У^=-0(Се -С0) - 2ЖЛ (Сє - С(0,0)-І?СЄ'К+

СІЇ

+ 2МОп{Спр -Сє) + А>К(С* -Сє) + !Р(С);

п /? ^С- ™

Ос—--Кс=—; (6)

О І

(7)

- ^■=-А-<С»-Сс)-'гс,-;^(С,-С'(і>.')) + '^Р.-С,) (3)

ас о0с>„ у„ оп

У наведених рівняннях прийняті такі позначення: £<?, Со; Се; С„; Ьпр, Сп/і

', С’; Ь, С - відповідно концентрації субстрату, кисню у вихідному розчині; ємності; дкій плівці; рідкій плівці при вході в рідину; біоплівці під час циклів висвітлення та шурення, г/м3; КиДсс, Г<и,,Яс„; И'і, Я’с; Яі, Вс - відповідно швидкості кінетичних гакцій для субстрату, кисню на одиницю об’єму в реакторі; рідкій плівці; біоплівці іще та нижче водної поверхні, г/м3 год; 5а Ба - площі поверхні диска (завантаження) іще та нижче рівня рідини, м2; О і, Вс - коефіцієнт молекулярної дифузії існю в біоплівці, м2/год; Кі,Кс; К’і,К'с - відповідно коефіцієнти масопереносу ■бстраіу, кисню з рідини; рідкої плівки в біоплівку, м/год; К"с,Кса - коефіцієнти асопереносу кисню з атмосфери відповідно в рідку плівку, рідину, м/год, год'1; <2& „-об’ємні швидкості потоку відповідно в біоплівці та рідкій плівці, м3/год; •-концентрація насичення рідини киснем для існуючих температури та тиску, г/м3; V-З’єм однієї секції реактора, м3; 8,3,товщини відповідно біоплівки та рідкої плівки, м;

- кількість дисків, шт.; Q - витрата рідини в реакторі, м3/год.; ЩС) - додаткове дже-:ло кисню, г/год.

При рішенні були прийняті такі початкові умови.

Концентрація субстрату (кисню) в біоплівці як вище, так і нижче водної поверхні в початковий момент часу дорівнює нулю

Цх,0) =Ь'(х,0) = 0;

С(х, 0) = С'(х,0) =0

Концентрація субстрату в ємності та рідкій плівці дорівнює концентрації БПК на вході в реактор

Ьє(0) = Ьп(0) = Ьо

Концентрація кисню в ємності в початковий момент часу дорівнює концентрації кисню в стічних водах, які надходять на очищення

Сс(0) = Со

Концентрація кисню в рідкій плівці дорівнює граничній концентрації насичення

кисню

С„(0) = С.

Були сформульовані такі крайові умови:

И-ьсу,

(С-Сс);

при х=0

приx=S

(L _ El.

ck " dl

ЗУ _ Kc

3: ~ Dc

cL’ = &<

dt DL

32' - *c

3c DC

_

3c Sx.

_ cC’

.ok dx

= 0; = 0

Одержані аналітичні рішення (наведені у дисертації) для двох випадків, які представляють найбільший інтерес для практики.

1. Реакція нульового порядку для субстрату та кисню.

Вважається, що L» К„,г а С » К^.

Тоді р„ = const;

Rc~a'p„4- ЬХ = const

2. Реакція першого порядку доя субстрату та нульового порядку для кисню. Вважається, що Kmj>> L, а w0.

Тоді Rl* (pj K„J-L = KrL;

Rc ~ (a '■pm/Кщ-.)-L + b'x = KiL + Кз

Для спрощення розрахунків складено відповідні програми на мові ТШШО ІСАЬ 7.0. Отримана також чисельна реалізація моделі для стаціонарного режиму з куванням кінетики Моно. Програму розроблено у програмному середовищі ЮАШБЕЬРШЗ.О.

Тексти та алгоритми програм наведені у додатках до дисертаційної роботи.

У третьому розділі на основі отриманих аналітичних рішень було розроблено татньо просту та наочну інженерну методику визначення концентрації кисню в юсті БДФ, біоплівці та рідкій плівці при нестаціонарному та стаціонарному режимах,

і більш цікавим для цілей практики є визначення кількості кисню в ємності, зпонується обчислювати її за формулою:

При відсутності додаткового джерела кисню вираз (9) набуде такош вигляду:

Якщо врахувати реакцію нульового порядку для субстрату, то концентрація кисню л сталому режимі С«, обчислюється за виразом:

При врахуванні реакції першого порядку для субстрату та нульового — для кисню, щентрація С а знаходиться за формулою:

(9)

2ЛЙ,

V

(10)

(П)

---- І

2

о = у[Я3(ЄС0 +Кса УС, + \У{С))+2Ж)п(К'іС, -ЗВ2(Ь'Х+ а>рт))}, (12)

В, = Вг -(Є + Кса-У) +2- N • К£-

, = ^{в3[ес0 + А> УС + \У(С)\ + 2 ИО^КЪС.-ЗВ^Ъ'Х + а'рт(і+і,л4))]}, (13)

При обчисленні значень С„ доцільно користуватись саме формулою (13), оскіль при невеликих концентраціях субстрату член ВгЬо=0, тобто є таким, що ним мож знехтувати. У такому випадку вираз (13) автоматично набуває такого ж вигляду, ще вираз (12). Тоді як при великих значеннях вхідного БПК, член ВгЬо є суттєвим і має бу обов’язково врахованим при обчисленні С*>

Об’ємна швидкість потоку в рідкій плівці <2„, м3/год:

а, = л--(і?2 -г2]-п-<5„, де Я-радіус диску, м;

г - незмочуваний радіус, м;

/і - частота обертання диску, об/год.

Часто занурення дисків характеризується не кутом занурення, а спеціальни коефіцієнтом К (К = Ба ! ■!>) або К>, (Кь = її /О). При застосуванні коефіцієнта К, який більш поширеним, 8е=(1-К)£

Тоді відношення <2&в спрощується до виразу:

0.п _ и-4,

1 -К

Крім того як вихідну характеристику установки досить часто задають гідравлічи навантаження д (відношення витрат до загальної площі поверхні дисків в секції). Дл цього випадку можна записати:

2АГЄ. ЄЧ

V ~ у' <і

При застосуванні коефіцієнта занурення К та гідравлічного навантаження відповідним чином змінюються розрахункові формули (10)-(13).

При необхідності визначення концентрації кисню в рідкій плівці, що покрива поверхню диску під час експозиційного циклу, можна скористатися виразом:

(14)

При стаціонарному режимі для реакції нульового порядку стосовно субстрат значення можна розрахувати за формулою:

сиО=}\[Кс' -С.-3(Ь'Х+а'рт)1{д + КСа -К + 2NQrl)+

п 1 (15>

+-'~-[00> +Кса-У.С.+1¥(С)-2№аб(Ь'Х +а’рт)]\

При застосуванні для субстрату кінетики першого порядку:

и

С„(И) = ^|*с" С.-8{Ь'Х+а'рт(\ + Ь0В< )>]-(е +*с, -У+2Щ,) + + %-[ОРо + Кса • V ■ С. + ЩС) -2№а5{Ь'Х + а 'рт (1+Ь0В4 ))]}

Як показав аналіз, при невеликих значеннях БПК на вході член Ві-І^О, і ираз (16) автоматично набуває вигляду виразу (15).

Концентрація кисню в будь-якій точці біоплівки нижче та вище водної поверхні изначається за формулами:

У роботі був отриманий також вираз для визначення товщини активного прошарку іоплівки 8, м:

Формулою (17) доцільно користуватись лише тоді, коли процеси очищения мітуюгься нестачею кисню. У випадку малої кількості субстрату та надлишку кисню ;личину <5потрібно визначити за формулою:

У разі неясності, чим саме (киснем чи субстратом) лімітуються процеси шщення, значення 8 доцільно обчислювати двічі: за формулою (17) та за формулою

8). До розрахунків приймається менше з двох значень. Це значення вказує також на те, їм лімітується очистка.

У третьому розділі подано також деякі рекомендації щодо вибору вихідних іраметрів і коефіцієнтів, які входять до складу розрахункових залежностей.

Так, товщину рідкої плівки доцільно обчислювати за формулою Зівалкінка:

<5 = -£7+х/в[+В^,

(17)

(18)

іо - кутова швидкість обертання диску, рад/с;

V - кінематична в’язкість води, м:/с.

Значення коефіцієнту молекулярної дифузії кисшо приймається за виразом:

де , Г- абсолютна температура, °К;

т] - динамічний коефіцієнт в'язкості рідини, кг/(м-с). Коефіцієнт масоперенесення Кс обчислюється за формулою:

де К1 =0,012«+0,016.

Коефіцієнт масоперенесення кисню з атмосфери до ємності реактора Кса є пропорційним коефіцієнту масоперенесення крізь рідку плівку та враховує також вплив поверхні торкання газу з рідиною, віднесеної до одиниці об’єму:

У роботі приймається: Кс а К'с я

Більш детальна інформація щодо вибору вихідних параметрів і коефіцієнтів з урахуванням впливу на них різних факторів наведена у п.3.3 дисертаційної роботи.

Отримані теоретичні дані були порівняні з експериментальними даними різних авторів (Дж. Хітдлбо, А. Паоліні, Дж. Варіолі та іншими). Як приклад на рис.1,2,3 наведені результати зіставлення розрахункових та отриманих дослідним шляхом концентрацій кисню та субстрату.

Кса = А'£ - З, / V, де площа поверхні рідини в ємності реактора, м2.

С, мг/л

О експериментальні точки

теоретична крива

(о, об/хв

0

10

20

ЗО

Рисунок 1 — Графік зміни концентрації кисню в ємності БДФ при різній частоті обертання дисків (дослідні дані А. Паоліні)

С, С мг/л

Ь, V, мг/л

Рисунок 2 — Графіки зміни концентрацій кисню та БПК по товщині біоплівки у першій секції ВДФ (дослідні дані Дж. Фемузіаро)

',мг/л

Ю

8

Ь,мг/л

п=б об/хв(теор)

• п=6 об/хв(експ.)

6

4

2

0

•п=12 об/хв(теор.)

О п=12 об/хв(експ.)

0

2 3 4 5

Х2 секції

о

2 3 4 5

N2 секції

Рисунок 3 — Графіки зміни концентрацій кисню та БПК в ємності ЕДФ при різній частоті обертання дисків (дослідні дані А. Фрідмана)

Розрахунки проводились для визначення БПК—за аналітичними залежностями, веденими у п. 2.3 дисертації; для визначення концентрацій кисню— за інженерною тодикою розрахунку, викладеною вище.

Проведена апробація дозволяє судити про достатню вірогідність та надійність іропонованої методики розрахунку (похибка не перевищує 5%); що дозволяє при іомих коефіцієнтах масоперенесення, молекулярної дифузії, тощо обирати оптимальні біологічні параметри БДФ без необхідності проведення для цього додаткових спериментів. Попереднє аналітичне визначення можливих концентрацій кисню в ;ності БДФ дозволяє ще на стадії проектування виявити ті секції, де Сє менше 1,5 мг/л таких умовах очищення стоків майже не відбувається) і вжити певних запобіжних кодів (збільшення частоти обертання дисків, додаткове підведення кисню, попередня рація стічних вод, тощо).

У четвертому розділі розглянуто процеси перенесення кисню в чистій воді при користанні дискових аераторів. Побудовано фізичну та математичну модель процесу, а складається з двох нестаціонарних рівнянь матеріального балансу кисню в ємності

9) та рідкій плівці (20):

При рішенні системи рівнянь (19-20) прийняті такі початкові умови:

1. Концентрація кисню в ємності (водоймищі) в початковий момент часу дорівнює нцентрації кисню в воді, що надходить до ємності

2. Концентрація кисню в рідкій плівці дорівнює крайній концентрації насичення

У ^-= ~0(Сс -Со) + 2Л&(СИ/, -су +КсаГ(С,-Сє) +№{С); (19)

Сс(0) = Со

снем води

Сп(0) = С-

При рішенні систему (9-10) було переведено до безрозмірного вигляду:

Саме рішення отримане у вигляді:

Сс = С,е'і' +С2еГг‘ +хг\ С„ = (С^< (г, - О!) + С2сг-' (г2 - а,) - а,*,. - а3) / а2

Значення введених при розрахунках коефіцієнтів представлені у дисертації.

На базі аналітичного рішення складено інженерну методику розрахунку концентрації кисню в ємності у будь-який проміжок часу.

ЬУ

с. =с„- \с„-сп-

Як бачимо, концентрація Се для чистої води в нестаціонарних умовах прі використанні дискових аераторів змінюється за тим самим заюзном, що і доя стічноі рідини в БДФ; за тим лише винятком, що значення концентрації кисню прі стаціонарному режимі С„тут винаходяться за виразом:

=^[В3-(б-С0 +Кса-У-С.+ ЩС))+2 • N • & • К£■ С.]

(23)

Коефіцієнти Ві та Вз У рівнянні (23) такі ж самі, як і в рівнянні (12).

У замкнутій системі, при відсутності витрат рідини (2 = 0) та додаткової штучно аерації (IV(С) = 0) маємо: С«, = С*

Тоді а-Ь{

Сс =С*~ (С, - С0)е_ 2

Розроблені інженерні методи розрахунку були апробовані на натурних сксперимента; по збагаченню природної води киснем, описання яких приведене у спеціальній літературі.

Як приклад на рис.4 наведені результати зіставлення теоретичних даних (суцільні крива на графіках) з дослідними даними Ігнатенка А.В. (точки на графіках) для аераторів : перфодисками. Розбіжність в усіх випадках не перевищує 5%.

а)

С, мг/л

Ь=0,ЗЕ>

б)

С» мг/л

1=13хв; 11=0,30

В)

С, мгУл

1=1 Зхв, п=50об/хв

^ хв.

п, об/хв

Кь=Ь/0

Рисунок 4 — Зміна концентрації кисню в ємності з часом (а); в залежності від частоти обертання (б) та занурення дисків (в)

Загальні висновки

1. Вивчено механізм та особливості перенесення та споживання кисню при робному біологічному окисленні органічних сполук в біодискових фільтрах (БДФ).

2. На базі сучасних уявлень про процеси масоперенесення кисню та його оживання мікроорганізмами в ході вилучення субстрату складено фізичну модель ищення стічних вод на БДФ з урахуванням кисню.

3. На базі фізичної моделі побудовано більш досконалу нестаціонарну ітсматичну модель, яка описує процеси взаємодії субстрату та киешо.

4. Отримане аналітичне рішення для двох випадків: реакція нульового порядку я субстрату та кисню та реакція першого порядку для субстрату і нульового для сню; для нелінійної кінетики Mono математична модель була реалізована чисельними тодами.

5. На базі отриманих аналітичних рішень розроблено інженерну методику значення концентрації кисню у секціях БДФ, біоплівці та рідкій плівці, що покриває світлену поверхню дисків; це дає можливість ще на стадії проектування задавати такі нструктивні параметри БДФ, які забезпечать необхідний для очищення кисневий жим.

6. Запропонована методика визначення активної товщини біоплівки як такої, що остягається від поверхні біоплівки в її глибину до місця з нульовою концентрацією сню (що характерно для перших секцій БДФ) або до місця з нульовою концентрацією острату (що характерно для останніх секцій).

7. На основі аналізу різноманітних теоретичних та експериментальних досліджень гсадені рекомендації щодо вибору основних розрахункових параметрів і коефіцієнтів.

8. Проведена апробація запропонованих методів розрахунку з залученням :периментальних даних різних авторів. Результати теоретичних розрахунків добре роджуються з результатами дослідів.

9. Вивчено механізм перенесення кисню дисковими аераторами в чистій воді та іадсно фізичну модель процесу, на основі якої побудовано загальну математичну дель.

10. Отримане аналітичне рішення та розроблена інженерна методика розрахунку щентрації кисню в водоймищах, де застосовуються дискові аератори; яка була побована з використанням дослідних даних різних авторів.

Основні положення дисертації викладено в таких друкованих роботах:

1. Олійник О.Я., Степова Н.Г. Математичне моделювання процесів перенесення Зстра'гу та кисню в біодискових фільтрах. //Доповіді національної академії наук раїни, 1998, №10, с.206-209.

2. Степова Н.Г. Вплив кисню на біоочищення стічних вод. //Водне господарство раїни, 1998, №1-2, с.38-39.

3. Степовая Н.Г. Вычисление концентрации кислорода в биодисковых фильтрах, котехнологии и ресурсосбережение, 1998, №6, с. 62-65.

5. Олійник О.Я., Степова Н.Г. Окиснення органічних сполук на біофільтра> //Водне господарство України, 1998, №1-2, с.34-36.

6. Олейник А.Я., Степовая Н.Г. Моделирование поступления кислорода пр: окислении органических соединений на биодисковых фильтрах. //Материалы научне технической конференции “Водные ресурсы и устойчивое развитие экономик Беларуси”, том II, тезисы сообщений, Минск, 1996, с. 115-117.

Аиотація

Степова Наталія Георгіївна. Вплив кисню на процеси очищення стічних вод біодискових фільтрах. Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук з спеціальністю 05.23.04 — водопостачання, каналізація. Київський національни університет будівництва та архітектури, Київ, 1999.

Складено фізичну та математичну моделі очищення стічних вод на біодискови фільтрах (БДФ) з урахуванням процесів масоперенесення та споживання киснк Математична модель реалізована чисельними та аналітичними методами. На осної аналітичного рішення побудована інженерна методика розрахунку концентрацій кисню секціях БДФ, біоплівці та рідкій плівці, що покриває висвітлену поверхню диску пр нестаціонарному та стаціонарному режимах. Розроблена методика визначення товщин активного прошарку біоплівки.

Проведене моделювання процесів аерації природних водоймищ дисковим аераторами. Математична модель, що описує процеси перенесення кисню в чистій воді реалізована аналітичними методами, на базі яких складено інженерну методик розрахунку концентрацій кисню.

Всі запропоновані розрахункові методики були апробовані на дослідних даних.

Ключові слова: стічні води, біодисковий фільтр, кисень, біоплівка, рідка плівкг дисковий аератор, методика розрахунку.

Аннотация

Степовая Наталия Георгиевна. Влияние кислорода на процессы очистки сточны вод в биодисковых фильтрах. Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук п специальности 05.23.04 — водоснабжение, канализация. Киевский национальны университет строительства и архитектуры, Киев, 1999.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель исследованиі дана общая характеристика работы.

В первом разделе рассмотрены основные процессы, которые происходят биодисковых фильтрах (БДФ) во время очистки сточных вод; оценено влияни кислорода на процессы изъятия субстрата аэробными микроорганизмам проанализированы отличия массопереноса кислорода в чистых и сточных водах. Был изучены существующие модели переноса кислорода, предложенные разными авторамі-Выявлены сравнительные их преимущества и недостатки.

Во втором разделе составлена физическая модель очистки сточных вод в БДФ, на : которой разработана математическая модель, состоящая из восьми нестационарных внений материального баланса для субстрата и кислорода и описывающая процессы, исходящие в ёмкости БДФ, жидкой плёнке, покрывающей поверхность дисков при ;оде из воды; а также биоплёнке, как выше, так и ниже водной поверхности. Общая ематическая модель была реализована численными методами. Аналитические 1ения были получены для двух частных случаев, представляющих наибольший ерес для практики.

В третьем разделе на основе полученных аналитических решений была работана инженерная методика определения концентрации кислорода в ёмкости I), биоплёнке и жидкой плёнке при нестационарном и стационарном режимах, работана методика аналитического определения толщины активного слоя биоплёнки зя, в котором происходят процессы аэробного окисления субстрата; и следовательно, [сутствует кислород). Приведены некоторые рекомендации, касающиеся выбора одных параметров и коэффициентов, входящих в состав расчётных зависимостей.

Полученные теоретические данные были сопоставлены с экспериментальными ными разных авторов (Дж. Хитдлбо, А. Паолини, Дж. Вариоли и др.). Проведенная обация позволяет судить о достаточной достоверности и надёжности предложенной чётной методики (погрешность не превышает 5%), что позволяет при известных одных параметрах (таких как температурный режим, состав и свойства сточных вод) 5ирать оптимальные технологические параметры БДФ без проведения юлнительных экспериментов. Предварительное аналитическое определение можных концентраций кислорода в ёмкости БДФ позволяет определить те секции, этот параметр будет меньше 1,5 мг/л (в таких условиях очистка почти не шеходит), и принять необходимые меры ещё на стадии проектирования.

В четвёртом разделе рассмотрены процессы переноса кислорода в чистой воде :ковыми аэраторами, что имеет практическое значение для рыбохозяйственных :дприятий. Составлена физическая и математическая модель процесса, состоящая из х нестационарных уравнений материального баланса кислорода в ёмкости и жидкой :нке. Система уравнений решена аналитически. На базе аналитического решения работана инженерная методика расчёта концентрации кислорода в ёмкости в любой >межуток времени. Предложенная расчётная методика была апробирована на урных экспериментах по обогащению природной воды кислородом, с юльзованием данных А.В. Игнатенко и А. Паолини.

Ключевые слова: сточные воды, биодисковый фильтр, кислород, биопленка, цкая плёнка, дисковый аэратор, методика расчёта.

Summary

Stepova Natalie. Influence of oxygen to wastewater treatment processes by rotating ological contactors. The manuscript. Dissertation submitted to obtain a scientific degree of

candidate of technical sciences an speciality 05.23.04 — a water-supply, sewerage. I! National University of Construction and Architecture, Kiev, 1999.

The physical and mathematical model of wastewater treatment processes of sewage means of rotating biological contactors (RBC) in view of oxygen mass transfer consumption processes has been made. The mathematical model has been realized numerical and analytical methods. On the basis of the analytical decision an cngineei method of calculation of oxygen concentration in any point of RBC at non-stationary stationary modes has been carried out.

A technique of a biofilm active layer thickness definition has been developed. ' airing processes modelling of natural ponds by airing disk plants has been done. ' mathematical model, describing oxygen transfer processes in pure water, has been realized analytical methods. On the basis of them engineering methods of calculation of oxy concentration has been made.

All offered account methods have been checked by comparison with know cxperimei

data.

Keywords: sewage, RBC, oxygen, biofilm, liquid film, airing disk plant, method calculation.