Математическое моделирование процесса биологической очистки сточных вод предприятий пищевой промышленности

В. Я. Пономарев, М. А. Чижова, Э.Ш. Юнусов,

Г. О. Ежкова, О. А. Решетник

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ПРЕДПРИЯТИЙ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Ключевые слова: математическое моделирование, сточные воды, предприятия пищевой

промышленности.

Целью работы является разработка программного комплекса математически описывающего динамику анаэробной очистки сточных вод на примере реакторов традиционного типа и реакторов, в которых осуществляется пространственное разделение стадий кислого и метанового брожения.

Предложенная модель позволяет предсказывать срывы процесса, вызванные гидравлическими и органическими перегрузками и дает четкие рекомендации интенсифицирования пуска реактора. Применение данного программного продукта будет способствовать развитию представлений о таком сложном процессе как анаэробная очистка сточных вод и улучшению методов проектирования соответствующих биореакторов и управления ими.

Key words: mathematical modeling, wastewater, food processing.

We developed a software system mathematically describing the dynamics of an anaerobic wastewater treatment by the example of the traditional type of reactors and reactors, which carried out the spatial separation of the stages of acid and methane fermentation. The proposed model allows to predict the failures of the process due to hydraulic and organic overloads and makes clear recommendations to accelerate the startup reactor. The use of this software product will promote understanding of this complex process as anaerobic wastewater treatment and improved methods of designing appropriate bioreactors and management.

Сточные воды предприятий пищевой промышленности относятся к категории высококонцентрированных стоков по органическим загрязнителям. Они содержат многочисленные и различные по природе загрязнения: жир, молоко, чешую, шерсть, кровь, кусочки тканей животных, соли, минеральные нерастворимые примеси, моющие средства и др. Эти воды характеризуются высокими показателями БПК, ХПК, взвешенных веществ, жиров и др.

При сбросе производственных стоков в городскую канализационную сеть возникает необходимость в создании на территории предприятий локальных очистных сооружений для предварительной очистки сточных вод от взвесей и жира. Сложность решения проблемы очистки производственных сточных вод обусловлена разнообразием их состава, сложностью физико-химических и биологических процессов, лежащих в основе их очистки, большими капитальными и эксплуатационными затратами на сооружение очистных комплексов и отдельных установок.

Требования к составу сбрасываемых в канализацию стоков диктуют необходимость разработки новых схем очистки, интенсификации работы существующих очистных сооружений. Последняя может быть обеспечена как путем совершенствования существующих конструкций, так и дополнительным включением в схему очистки новых эффективных узлов, обеспечивающих требуемую степень очистки.

В настоящее время наиболее широкое применение получила очистка с помощью аэробных микроорганизмов. Однако, существенным недостатком аэробных технологий, особенно при обработке концентрированных сточных вод, к которым в основном и относятся стоки пищевых производств, являются высокие энергозатраты на аэрацию и проблемы, связанные с обработкой и утилизацией больших количеств образующегося активного ила, имеющего очень низкую водоотдающую способность.

Исключить указанные недостатки аэробных технологий может предварительная анаэробная обработка сточных вод методом метанового сбраживания, которая естественно не требует затрат на аэрацию и, более того, сопряжена с образованием ценного энергоносителя - метана. Таким образом, значительно более низкий в анаэробном процессе прирост биомассы микроорганизмов с хорошими водоотдающими свойствами сводит практически на нет проблему обработки и утилизации ила. Главный недостаток анаэробных систем - меньшая скорость реакции по сравнению с аэробным процессами, поэтому требуются установки больших размеров. К тому же сказывается недостаток фундаментальных научных знаний об этих процессах, а также опыта и данных по их крупномасштабной эксплуатации. В тоже время, за рубежом был достигнут значительный прогресс в области разработки и применении анаэробных реакторов второго поколения, которые обеспечивают эффективную очистку стоков в очень широком диапазоне концентраций (БПКполн.= 0.3- 100 г/ л).

При этом достигнута многократная интенсификация процесса (время обработки варьируется, как правило, от 4 до 48 часов).

Анаэробный процесс очистки сточных вод осуществляется в реакторе, представляющем собой перемешиваемую герметичную емкость, в которую непрерывно или периодически загружается сбраживаемая масса (рис. 1). Наиболее известная конструкция реактора такого типа - традиционный метантенк, который в настоящее время широко применяется для сбраживания отходов сельского хозяйства, осадков сточных вод, а также в ряде случаев для очистки сверхконцентрированных стоков. Эти реакторы иногда имеют две и более секции, где осуществляется частичное разделение стадий анаэробного брожения -преацидификация.

Анаэробная трансформация органического вещества осуществляется сложным сообществом микроорганизмов, составляющих трофическую цепь первичных и вторичных анаэробов, находящихся в тесной симбиотической связи, осуществляющих стадии анаэробного брожения.

Преацидификация (пространственное разделение стадий кислого и метанового брожения) - одно из перспективных направлений развития способов анаэробной очистки сточных вод. Теория фазового разделения основывается на различии требований, предъявляемых кислото- и метанобразующими микроорганизмами к условиям среды и их различных физиологических характеристиках. Разделение стадий осуществляется с помощью так называемого кинетического контроля: поддержание скорости разбавления на первой стадии выше скорости роста метановых бактерий.

Сточная вода поступает в первый реактор, где осуществляется первая стадия очистки, на которой первоначальный субстрат (Б1вх) превращается в промежуточный метаногенный субстрат (Б2) в процессе жизнедеятельности кислотогенной биомассы (Х1) - ки-

слотообразующих микроорганизмов осуществляющих стадии гидролиза, ферментации и ацетогенеза,. и метанобразующих, осуществляющих стадию метаногенеза. Первоначальная концентрация метаногенного субстрата (Б2) во входящей сточной воде незначительна. В первом реакторе поддерживаются условия, благоприятные для развития кислотообразующих микроорганизмов. Во втором реакторе, в котором скорость разбавления (й=Р/У, где V - объем реактора, Р - расход сточной воды) значительно меньше, чем в первом, осуществляется стадия метаногенеза при помощи метанобразующих микроорганизмов.

Рис. 1 - Схема двухступенчатой анаэробной очистки сточных вод: Х1вх, Х2 вх, 81 вх, 82 вх - начальная концентрация кислотогенной и метаногенной биомассы и субстрата, Х1,Х2,81,82 - текущая концентрация кислотогенной и метаногенной биомассы и субстрата, Х1вых, Х2 вых, 81 вых, 82 вых выходная концентрация кислотогенной и метаногенной биомассы и субстрата

Несмотря на очевидные выгоды, связанные с образованием газообразного топлива и ценного удобрения (твердых отходов), анаэробные реакторы заслужили плохую репутацию в силу ряда проблем, возникающих при их эксплуатации. Многочисленные нарушения режима работы анаэробных реакторов чаще всего связаны с гидравлической, органической и токсической перегрузками. В первом случае (при гидравлической перегрузке) скорость разведения превышает скорость роста микроорганизмов, и в результате последние вымываются из системы. Чрезмерно высокие концентрации органического субстрата, с другой стороны, вызывают накопление органических кислот, что приводит к ингибированию роста метанобразующих бактерий и таким образом к нарушению нормального режима работы реактора по мере падения рН. К тому же результату ведет и повышенная концентрация веществ, токсичных по отношению к метанобразующим бактериям; в этом случае они так же вымываются из реактора.

Поскольку работа в более стабильных эксплуатационных режимах способствовала бы более широкому и более успешному использованию процессов анаэробной переработ-

ки сточных вод, очевидна необходимость изучения динамики соответствующих систем с целью разработки адекватных методов управления.

Целью работы является разработка программного комплекса, математически описывающего динамику накопления метаногенной и кислотогенной биомасс, потребления соответствующих субстратов и выделения биогаза на примере реакторов традиционного типа (обыкновенный метантенк) и реакторов, в которых осуществляется пространственное разделение стадий кислого и метанового брожения.

Для описания кинетических процессов в аппарате идеального смешения для анаэробного сбраживания сточных вод была выбрана математическая модель, разработанная Эндрюсом и Граефом, схематическое представление которой показано на рисунке 2.

К недостаткам модели Эндрюса-Граефа можно отнести отсутствие дифференциации анаэробной биомассы по микроорганизмам. Известно, что анаэробная трансформация органического вещества осуществляется сложным сообществом микроорганизмов, составляющих трофическую цепь первичных и вторичных анаэробов, находящихся в тесной симбиотической связи, осуществляющих стадии анаэробного брожения. Условно их можно поделить на две группы: кислотообразующие микроорганизмы осуществляющие стадии гидролиза, ферментации и ацетогенеза и метанобразущие, осуществляющие стадию мета-ногенеза. При этом кислото- и метанобразующие бактерии предъявляют различные требования к условиям среды и имеют различные физиологические характеристики.

Максимальная удельная скорость роста и скорости использовния субстратов кислотообразующих бактерий на порядок выше, чем у метановых.

Для описания анаэробного микробного сообщества дифференцированного по микроорганизмам используется модифицированная модель Эндрюса-Граефа, в которой динамика накопления кислотогенной биомассы описывается дифференциальными уравнениями математической модели Моно, а для описания метаногенной биомассы используется модель Эндрюса.

Схема математической модели анаэробной переработки стоков для биомассы, дифференцированной по микроорганизмам, представлена на рисунке 3.

На основании представленных математических моделей был разработан программный продукт, позволяющий описывать частные аспекты динамики процесса анаэробной переработки сточных вод. На рисунке 4 приведены кинетические кривые непрерывного процесса, описывающие поведение системы в стартовом периоде и выход системы в стационарное состояние. Анализ особенностей стартового периода системы показывает уменьшение его продолжительности при повышении начальной концентрации субстрата, что хорошо согласовывается с особенностями эксплуатируемых анаэробных биореакторов.

Однако при превышении предельно-допустимой величины концентрации субстрата происходит разбалансирование системы вследствие эффекта ингибирования субстратом.

Модель также прогнозирует уменьшение стартового периода при повышении начальной концентрации биомассы. При больших значениях концентрации биомассы происходит интенсивное первоначальное потребление субстрата, и затем постепенный выход системы в стационарное состояние вследствие инерционности системы.

Анализ хемостатных кривых, характеризующих выход системы в стационарное состояние в зависимости от скорости разбавления, позволяет утверждать, что при критической скорости разбавления происходит дестабилизация системы.

Модель позволяет рассмотреть два типа нарушения режима работы метантенков: органическую и гидравлическую перегрузки. Если величина возмущения достаточно мала, то система вскоре переходит в новое устойчивое стационарное состояние, параметры которого близки к параметрам начального стационарного состояния. Более глубокие изменения состава или количества поступающего в систему субстрата вызывают серьезные нарушения хода процесса, а также резкое повышение концентрации летучих кислот в конечном продукте.

Согласно используемой модели в процессе анаэробной очистки сточных вод с пространственным разделением стадий на первой стадии (первая ступень очистки) происходит быстрое накопление кислотогенной биомассы и вымывание метаногенной биомассы, что соответствует принципу кинетического контроля. Начальный субстрат потребляется кислотогенной биомассой и накапливается продукт жизнедеятельности кислотогенной биомассы - ацетат. На второй стадии, благодаря поддержанию в системе скорости разбавления, не превышающей скорость

Рис. 3 - Математическая модель анаэробной переработки сточных вод с разделением стадий брожения

роста метанобразующих бактерий, происходит прирост метаногенной биомассы. Кислотогенная биомасса на второй стадии прирастает не так интенсивно, что связано с изменениями факторов среды и потреблением кислотогенного субстрата на первой стадии. На второй стадии происходит резкий первоначальный скачок концентрации метаногенного субстрата, сответствующий его накоплению в системе, а затем его потребление развивающейся метаногенной биомассой, а также продуцирование биогаза метанобразующими бактериями. Активное продуцирование биогаза происходит только на второй стадии, что хорошо согласовывается с теорией фазового разделения.

Таким образом, можно сделать вывод, что рассматриваемые модели качественно вполне удовлетворительно описывают некоторые стороны динамики процесса анаэробной переработки сточных вод. Дальнейшее изучение и совершенствование этой модели будет способствовать развитию представлений о таком сложном процессе и улучшению методов проектирования соответствующих биореакторов и управления ими.

Концентрация биомассы (Х1, Х2) в первом Концентрация биомассы (Х1, Х2) во вто-

реакторе ром реакторе

Концентрация субстрата (Б1, Б2) в первом Концентрация субстрата (Б1, Б2) во втором реакторе реакторе

Количество биогаза Степень очистки

Рис. 4 - Графическое представление расчетов

Литература

1. Аткинсон, Б. Биохимические реакторы / Б. Аткинсон. - М.: Пищевая промышленность, 1979. -280 с.

2. Закиров, Р. К. Ферментативная диагностика промышленных илов в процессах продленной аэрации сточных вод / Р.К. Закиров, Ф.Ю. Ахмадуллина, И.В. Вербенко, А.С. Сироткин // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2009. -№2. - С.33-40.

3. Половняк ,В.К. Современные технические и технологические подходы к решению экологических проблем / В.К. Половняк, С.В. Фридланд // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2009. - №4. -С. 17-25.

4. Кутуев, А.А. Математическое описание кинетики сложных параллельно-последовательных реакций / А.А. Кутуев, И.Г. Разяпов // Вестник Казан. технол. ун-та.- 2008. - №.3. - С. 116-121.

5. Барнас, Д. Анаэробные процессы очистки сточных вод / Д. Барнас, Л.А. Фитцджеральд // Экологическая биотехнология. - Л.: Химия, 1990. - 384 с.

6. Бейли, Дж. Основы биохимической инженерии. В 2-х частях. Ч.2. / Дж. Бейли, Д. Оллис - М.: Мир, 1989. - 590 с.

7. Виестур, У.Э. Системы ферментации / У.Э. Виестур, Л.М. Кузнецов, В.В. Савенков - Рига: Зи-натне, 1986. - 174 с.

8. Дубровский, В.С. Метановое сбраживание сельскохозяйственных отходов / В.С. Дубровский, У.Э. Виестур - Рига: Зинатне, 1988. - 204 с.

9. Калюжный ,С.В. Анаэробная биологическая очистка сточных вод. / С.В. Калюжный, Д.А. Данилович, А.М. Ножевникова // Итоги науки и техники. Сер. Биотехнология Вып. 29. ВИНИТИ. -М.,1991. - 156 с.

© В. Я. Пономарев - канд. техн. наук, доц. каф. технологии пищевых производств КГТУ, sewic@kstu.ru; М. А. Чижова - канд. техн. наук, доц. каф. промышленной безопасности КГТУ; Э. Ш. Юнусов - канд. биол. наук, доц. той же кафедры, Г. О. Ежкова - д-р биол. наук, проф. той же каф, О. А. Решетник - д-р техн. наук, проф., зав. каф. технологии пищевых производств КГТУ.