Способ расчета оптимальных размеров и режима работы вторичного отстойника в технологии биологической очистки сточных вод

А. А. Денисов, М. В. Королева, А. В. Розаева, Л. А. Шаманова, А. И. Павленко, З. А. Канарская

СПОСОБ РАСЧЕТА ОПТИМАЛЬНЫХ РАЗМЕРОВ И РЕЖИМА РАБОТЫ

ВТОРИЧНОГО ОТСТОЙНИКА В ТЕХНОЛОГИИ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

Ключевые слова: сточные воды, биологическая очистка, отстойники, способ расчета.

На основании полученных экспериментальных данных разработан способ определения конструктивных характеристик вторичных отстойников. Рекомендованы оптимальные технологические режимы отстаивания водно-иловых смесей на выходе из сооружений биологической очистки.

Keywords: wastewater, biological treatment, sediment, calculation method.

Based on the experimental data provided a method of determining the structural characteristics of the secondary clarifiers. Recommended optimal technological modes of settling water-sludge mixture at the outlet of biological treatmentfacilities.

ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ

УДК 628.35:56

Актуальность

Широко применяемые в настоящее время сооружения аэробной биологической очистки содержат участок механической очистки (первичные отстойники) и участок биологической очистки (аэротенки и вторичные отстойники). Эффективность функционирования вторичных отстойников определяет совершенства технологического процесса работы очистных сооружений в целом [1, 2, 3, 4, 5].

Исследованиями последних лет установлено, что процесс флокуляции активного ила, протекающий в аэрационном сооружении (аэротенке), не заканчивается на завершающей стадии биологической очистки. В процессе отстаивания водно-иловой смеси во вторичном отстойнике процесс флокуляции продолжается - взвешенные частицы агломерируют между собой и в результате приобретают возрастающие с течением времени скорости осаждения. Если взвешенные частицы достаточно разбавлены (мало концентрированные смеси), то они оседают как дискретные частицы. При этом мелкие частицы увлекаются более крупными флоккулами, в результате чего их удельная масса и диаметр постепенно изменяются. Это оказывает существенное влияние на характеристики отстаивания и требует внесения соответствующих корректив при расчете конструктивно-технологических параметров

вторичных отстойников. К сожалению, в настоящее время при определении конструктивных и технологических характеристик вторичных отстойников это явление количественно не учитывается [6, 7, 8, 9].

Проведенное в настоящей работе исследование процессов отстаивания водно-иловых смесей позволило разработать и рекомендовать экспериментальный способ расчета оптимальных конструктивных размеров и технологических режимов работы вторичного отстойника.

Материалы и методы

Экспериментальные исследования проводились на действующих очистных сооружениях с параллельно

функционирующими производственными

вторичными отстойниками и экспериментальной установкой (отстойной колонке).

На участок биологической очистки действующих очистных сооружений поступали стоки с расходом 400 м3/час (на каждые вторичный отстойник по 200 м3/ч). Общая нагрузка по загрязнениям, поступающая на сооружения биологической очистки составляла 850 кг.БПК5/сут. (170 - 180 мгО2/л). Биологическая обработка производилось на биофильтре при объемной поверхностной нагрузке 3,6 м3/м2.сут (0,2 кг.БПК5/м3.сут). После биофильтра смесь сточной воды и активного ила поступала в радиальный вторичный отстойник объемом 400 м3 и диаметром 16 м. Среднее (теоретическое) время пребывания водно-иловой смеси в производственном вторичном отстойнике составляло 2 часа.

Экспериментальная установка представляла собой вертикальный цилиндр из прозрачного органического стекла высотой 204 см и внутренним диаметром 30 см. По высоте колонка была снабжена пробоотборниками для отбора проб, что позволяло замерять концентрацию взвешенных веществ в любой зоне по высоте колонки. Пробоотборники были установлены на уровнях: 0,15; 0,40; 0,75; 1,30; 1,55 и 1,85 м. Установка была расположена в непосредственной близости от производственных сооружений так, что изучаемые стоки, подаваемые в установку, были идентичны тем, которые поступали в промышленные вторичные отстойники. Продолжительность заполнения

экспериментальной колонны составляла примерно 40 секунд, что не влияло на результаты эксперимента по седиментации,

продолжительность которого была не менее 30 минут. Более того, малое время наполнения и турбулизация при падении струй потока позволяли получить хорошо гомогенизированный состав

водно-иловой смеси в колонке. Измерения концентраций взвешенных веществ (активного ила) в начале эксперимента ^ = 0) на различных уровнях колонки показали высокую степень гомогенизации смеси и практическое отсутствие различий в концентрациях взвешенных веществ в процессе исследований.

При испытаниях отбор проб из колонки производился через каждые 30 мин в каждом пробоотборнике. Общее время седиментации составляло 2 часа, что соответствовало времени отстаивания в производственном вторичном отстойнике.

Пробы водно-иловой смеси отбирались как в экспериментальной колонке, так и на выходе из производственного вторичного отстойника. Общий объем отбираемых проб составлял 50 мл. В образцах проб определялись общие концентрации взвешенных веществ, а также концентрации минеральных и органических составляющих.

Исходные взвеси содержали флоккулы с размерами примерно 4-5 мм, которые прогрессивно увеличивались в процессе отстаивания.

Полученные материалы (табл. 1) позволяют определить долю (в процентах) осажденных взвешенных веществ (Р), иначе говоря, долю удаленных взвешенных веществ по отношению к поступившим при одинаковых временах и высотах отбора проб в экспериментальной колонке.

Таблица 1 - Доля осевших взвешенных веществ, %

Высота, см Время, мин

30 60 90 120

185 30,1 45,1 54,3 58,2

155 25,1 40,2 51,5 57,1

130 21,0 37,6 50,6 54,3

75 21,2 31,2 41,2 49,1

15 17,6 29,3 40,3 47,0

Для того, чтобы с наибольшей точностью трассировать линии, имеющие одинаковое процентное отношение удаленных веществ, т. е. линии, имеющие одинаковую эффективность удаления взвешенных веществ, применялся следующий порядок расчета:

- по доле осевших частиц с использованием начальной концентрации взвешенных веществ определяются концентрации в заданное время на определенной высоте колонки;

- для всех долей осевших частиц строится диаграмма, содержащая кривые, имеющие одинаковую эффективность удаления взвешенных веществ (рис. 1).

Полученная на основании экспериментальных данных диаграмма дает возможность определить время достижения заданной степени очистки (осветления) по всей высоте отстойника для оценки и прогнозирования эффективности процесса осаждения.

Рис. 1 - Линии с одинаковой эффективностью выделения взвешенных веществ, [(Б^)%]

Определение конструктивных характеристик и рекомендации по выбору технологических режимов вторичных отстойников. Предлагаемый способ основан на использовании полученных экспериментальным путем кривых,

соответствующих одинаковым эффективностям удаления взвешенных веществ.

Для времени отстаивания необходимого для достижения заданного процента осаждения на заданной высоте колонки do, скорость седиментации составляет:

d,

Vo =

0

г *

Следовательно, все частицы, имеющие достаточный диаметр, при котором скорость осаждения V > v0, будут выделены осаждением. Напротив, процентная доля частиц, скорость осаждения которых V < V0, будет определяться в соответствии с пропорцией:

V V0

А d 0

Таким образом, процент седиментацией частиц составит:

выделенных

В% = 100.

0 V

1 - С0 + I — dc

1 v0

где С - концентрация частиц оседающих со скоростью V.

Если рассматривать п областей (уровней) колонки и если А1 - количество кривых (в %) с одинаковой эффективностью отстаивания, то процент отстаивания по всей высоте колонки для каждого времени отстаивания составит:

di

= X % + А, %

^ d

,=10

где Х % - максимальный эффект очистки в осветленной воде.

Результаты расчетов, проведенных для различных времен отстаивания 1*, позволяют напрямую трассировать кривые, с одной стороны, по доле удаления частиц седиментацией при времени седиментации 1* и, с другой стороны, по скорости v0.

Полученные данные позволяют определить размеры (зеркало) отстойника и необходимое время пребывания водно-иловой смеси в отстойнике, когда по условиям сброса очищенных сточных вод задан общий процент Б оседающих взвешенных веществ.

Используя зависимость (1), определяется время пребывания 1*, необходимое для достижения заданного процента осаждения Б взвешенных веществ.

Зеркало отстойника при заданном р определяется по формуле:

5 =

б

Уп

В случае выбора радиального отстойника по полученному зеркалу определяется диаметр отстойника.

Полученные результаты позволяют рекомендовать следующие оптимальные технологические параметры отстаивания:

- восходящая скорость потока < 0,7 м/час для среднесуточного расхода стоков;

- время пребывания потока > 2,5 часа.

По результатам проведенных испытаний средние расчетные величины концентраций взвешенных веществ на выходе из вторичного отстойника соответствовали заданным условиям сброса очищенных вод (< 30 мг/л).

Результаты расчета данных испытаний приведены в табл. 2.

Таблица 2 - Скорость и время седиментации

Б требуемое, % Скорость седиментации, м/час Время пребывания, час

0,65 0,77 2,5

0,85 0,64 2,7

0,92 0,52 3,5

0,94 0,35 6,0

По результатам испытаний можно сделать заключение, что частицы с высокими концентрациями отстаиваются медленнее, чем частицы при малых концентрациях (стесненное осаждение).

На рис. 2 представлены сравнительные экспериментальные данные, полученные на реальном вторичном отстойнике и экспериментальной колонке при 2-х часовом времени пребывания и высоте слоя отстаивания 1,85 м.

Сравнение результатов испытаний

производственного вторичного отстойника и

экспериментальной колонки показали, что параметры очистки стоков производственного вторичного отстойника выше, чем в экспериментальной колонке.

Это различие можно объяснить пристеночным эффектом в колонке диаметром 0,3 м, который практически отсутствует в производственном отстойнике диаметром 16 м.

0

1 40

8 35 с О к

5. 30

♦

у = 1,18х - 12,9 Н = 0,89

♦

♦

30 35 40 45 50

Концентрация С после отстойника, мг/л

Рис. 2 - Сравнительные характеристики экспериментального и реального отстойников

Кроме того, при подаче исходного стока в реальный отстойник имеют место вертикальные потоки, которые создают своеобразный взвешенный фильтр из крупных флоккул активного ила, в котором задерживаются более мелкие флоккулы с малыми скоростями осаждения.

Вывод

На основании полученных экспериментальных данных разработана методика расчета оптимальных конструктивных размеров и режимов работы вторичного отстойника в технологии биологической очистки сточных вод.

Литература

1. Бейли Дж., Оллис Д. Основы биохимической инженерии. В 2-х частях. М., Мир, (1989).

2. Кирсанов В.В. Вестник технол. унив. Т. 18. № 6. С. 240 -241. (2015).

3. Ягафарова Г.Г., Леонтьева С.В., Вержбицкая Ф.Г., Сафаров А.Х. Вестник технол. унив. Т. 18. № 9. С. 251 - 253. (2015).

4. Жвакина М.А., Жвакина О.А. К проблеме снижения выноса активного ила из вторичных отстойников // Сб. тез. 15-й науч. конф. «Актуальные проблемы биологии в экологии». Сыктывкар: Изд-во КГПИ, С. 88-89, (2004).

5. Пашацкий Н.В., Землянский А.Н., Плотников С.В. и др. Моделирование кинетики биохимической очистки промышленных сточных вод // Инженерная экология. №3. С. 30-37., (2000).

6. Ксенофонтов Б.С. Проблемы очистки сточных вод промышленных предприятий. Безопасность жизнедеятельности. № Б3. С. 1 - 24, (2011).

50

45

20

7. Jenkins D., Wanner J. Activated sludge separation problem. Theory, Control, Measures, Practical, Experience/Scientific and Technical report No 16, Edited by Valter Tandoi, IWA Publishing, London-Seattle, (2006).

8. ^rtel L, Popel H. J. A dynamic secondary clarifier model including processes of sludge thickening. Water Environment Reseach, vol 64, 2, pp 104-110, (1992).

9. Qin P.Y., Zhang T., Chen C.X. Flocculating mechanism of microbial flocculant MBFTRJ21 // Huan Jing Ke Xue. V. 25, № 3. P. 69-72. 23. (2004).

А. А.Денисов - д-р б. наук, проф., зав. отделом производственной санитарии и охраны окружающей среды ФГБНУ «Всероссийский Научно-исследовательский и технологический институт биологической промышленности», arkdenisov76@yandex.ru; А.В. Розаева - научный сотрудник того же отдела; Л. А. Шаманова - научный сотрудник того же отдела; Е. А. Королева - к.т.н., доцент каф. «Водоотведения и водной экологии», МГСУ (Московский государственный строительный университет), polt65@yandex.ru; А. И. Павленко - студ. МГСУ; З. А. Канарская - канд. тех наук, доц. каф. пищевой биотехнологии КНИТУ, zosya_kanarskaya@mail.ru.

A. A. Denisov - doctor of biological sciences, Professor, laureate of the prize of the Government of the Russian Federation, honoured science worker of RF, head of the Department of health and environmental FGBNU Wednesday by the all-Russian Scientific-Research Institute of technology and the biological industry,arkdenisov76@yandex.ru; A. V. Rozaeva - researcher the same division; L. A. Shamanov - researcher the same division; M. V. Koroleva - candidate of technical sciences, associate professor at the Department of sanitation and aquatic ecology, CIVIL ENGINEERING (Moscow State University), polt65@yandex.ru; A. I. Pavlenko - student, Moscow State University; Z. A. Kanarskaya - Ph.D, Associate Professor, Department of Food Biotechnology, KNRTU, zosy a_kanarskaya@mail.ru.