Биологические методы очистки сточных вод

Рис.1.7 Двухкамерный септиктенк: 1 -- регулятор; 2 -- отражатель; 3 -- напорный трубопровод; 4 -- уклон 1:4

Септиктенки широко используются в городских очистных станциях, и перерабатывают осадки, удаляемые из первичных отстойников, пену и активный ил из вторичных отстойников. Сброженный ил ликвидируют, часто закапывают. Необходимо подчеркнуть, что цель сбраживания ила -- стабилизировать твердые частицы таким образом, чтобы облегчить их переработку и уменьшить дурной запах. Сбраживание уменьшает количество патогенной микрофлоры в иле, что также облегчает его дальнейшую переработку и ликвидацию. Таким образом, анаэробное сбраживание представляет собой скорее сложный управляемый процесс, нежели простое удаление и обезвоживание ила. Так как сбраживание любого типа протекает при температуре выше температуры окружающей среды, то важнейшим фактором при проектировании и эксплуатации является тепловой баланс. На практике во многих сбраживающих ил системах используется два тенка. Первичный сбраживатель работает с подогревом (30--40 °С), перемешиванием и содержит активно сбраживаемый ил. Во вторичном отстойнике не используется ни подогрев, ни перемешивание, и он служит в основном для уплотнения и накопления осадка. В таком качестве он не отвечает за основные технические характеристики системы.

Реакторы смещения.

Для очистки промышленных и сельскохозяйственных стоков используются анаэробные проточные сбраживатели того же типа, что и для сбраживания ила. Использование анаэробных реакторов для очистки коммунальных стоков основано на небольших недорогих системах, в которых как источник топлива часто применяется газ. Очистка сильно загрязненных стоков пищевой промышленности и отходов интенсивного животноводства -- наиболее наглядный пример использования простых проточных анаэробных реакторов. Большинство исследовательских и промышленных установок представляет собой одинарный реактор, в котором биодеградация осуществляется смешанной культурой. В то же время возрастает интерес к использованию двухступенчатых систем, где простой реактор смешения выступает как первая стадия, на которой образуются кислоты.

Пищевая промышленность имеет тенденцию к образованию стоков с высокими концентрациями растворенных и взвешенных субстратов природного происхождения, а зачастую и углеводов. Специальные реакторы, предназначенные для очистки этих стоков, обычно относительно старой конструкции, характеризуются устойчиво высокой производительностью с единицы объема, но требуют непрерывной подачи сырья и тщательного перемешивания.

Нагрузка приводится в единицах концентрации летучей фракции взвешенных частиц (ЛФ) на 1 м3-сут, как и для сбраживания ила, или в единицах БПК и ХПК на 1 м3-сут -- более привычных для процесса очистки сточных вод. При эксплуатации промышленных реакторов нагрузка редко превосходит 4 кг ХПК или ЛФ на 1 м3-сут; в лабораторных и пилотных установках они может быть в два-три раза большей. Как и в септиктенках, в этих системах нет специального удерживания биомассы и, следовательно, нельзя ожидать работы с высокими нагрузками

Анаэробные биофильтры.

В общем случае анаэробный биофильтр представляет собой простой биофильтр с восходящим током жидкости для очистки стоков, но, как правило, с более крупной насадкой для того, чтобы избежать заиливания. В первых образцах таких установок использовали щебеночную насадку диаметром 25--65 мм имеющую примерно 50 % свободного объема. Эти биофильтры испытывали при очистке бытовых стоков, подвергнутых предварительной очистке, и стоков, содержащих растворимые вещества, способные к биодеградации. Постепенно стали использовать другие типы насадок со свободным объемом до 96%. Высокое содержание биомассы (50%) связано не столько с типом насадки, сколько со свободным пространством в фильтре. Скорость потока сквозь фильтр низка, таким образом, биомасса удерживается в этом свободном пространстве. Высокие концентрации взвешенных твердых частиц или биодеградируемых органических веществ могут вызывать забивание фильтра или проскок стоков.

Анаэробные биофильтры используются в основном для очистки подогретых сточных вод с умеренными концентрациями органических веществ (ВПК 5000 мг/л), низкими концентрациями взвешенных твердых частиц. Предельная нагрузка по ХПК редко превышает 10 кг/(м3-сут) и для обычной щебеночной насадки-- 5 кг/(м3-сут). Однако сообщалось о нагрузке по ХПК 20 кг/(м3-сут) при очистке подогретой иловой жидкости на насадке с большим свободным объемом, причем достигалась эффективность очистки 67% по ХПК. Анализ результатов, полученных различными исследователями при очистке стоков, содержащих углеводы, показывает, что удается достичь степени очистки по ХПК «90 % при низких нагрузках по ХПК [2 кг/(м3-сут)], а при более высоких значениях [8-- 16 кг/(м3-сут)] эффективность очистки падает до 40 %. При условии, что биофильтры не перегружены, они дают биогаз со стандартной производительностью 0,5 м3/кг ХПК.

Несмотря на то, что анаэробная биофильтрация изучена достаточно подробно, она не нашла широкого практического применения. Причины этого следующие: высокая стоимость высокопористой насадки; ограничения, вызванные высокими концентрациями взвешенных твердых частиц и БПК в сточных водах; необходимость в периодической обратной промывке биофильтра.

Проблемы токсичности и ингибирования.

Многие субстраты существенно влияют на микробиологические процессы при малых концентрациях, стимулируя рост микроорганизмов. Этот эффект наблюдался для анаэробного сбраживания при концентрациях 50 нмоль/л для кобальта и молибдена и 100 нмоль/л для никеля, а для солей натрия и кальция - при концентрациях свыше 100 мг/л.

При возрастании концентраций катионов выше оптимальных процесс начинает ингибироваться, доказательством чему служит более низкая скорость роста микроорганизмов, чем в отсутствие этих катионов. В конце концов, при еще более высоких концентрациях рост прекращается полностью. К сожалению, в большинстве исследований токсичности приводятся данные по объемной концентрации ингибитора вне ее корреляции с количеством жизнеспособной биомассы. Понятно, что очень важно знать не только количество токсина, действующего на данное количество биомассы, но и количество неинтоксицированных клеток.

Проблема адаптации широко представлена в микробиологической литературе. Способность микроорганизма адаптироваться к токсичным или ингибирующим веществам может быть конститутивной или индуцированной и зависит от развития толерантности к вредному веществу благодаря воздействию в течение определенного времени либо данной концентрации этого вещества, либо постепенно возрастающей дозы.

Адаптация к токсинам.

Адаптация микроорганизмов, как правило, сопровождается продолжительной задержкой их роста, после которой он возобновляется. Культура может достигнуть нормального роста только при условии, что энергия не расходуется на процесс адаптации. Методы адаптации варьируют от обработки биомассы токсинами до тонких изменений в клеточной стенке, цитоплазме, ферментах и геноме микроорганизмов. Такая приспосабливаемость часто вызывает наследуемые изменения в составе белков, которые могут определяться как на клеточном, так и на субклеточном уровне с помощью электрофореза в полиакриламидном геле.

Изменения состава белков могут происходить либо в метаболических ферментах, что блокирует метаболизм вредного вещества, либо в транспортной системе или в клеточной стенке, что блокирует их поступление в клетку. Сообщалось о потере в таких условиях специальных транспортных белков мембраны. Кроме того, микроорганизмы могут продуцировать внеклеточные связывающие белки, такие как металлотионены, или пассировать токсины в цитоплазматических вакуолях или гранулах. Неспецифическое внеклеточное связывание токсинов такими компонентами клеточной стенки, как тейхоевая кислота, полисахариды и липополисахариды, также способствует детоксикации. Известно, что многие из этих адаптации детерминированы плазмидами, как, например, двойная резистентность некоторых штаммов Staphylococcus aureus к ртути и нтибиотикам.

Во многих случаях токсины вызывают ингибирование важных генетических элементов, например селективное ингибирование РНК-полимеразы I цинком при инициации синтеза РНК или взаимодействие шестивалентного хрома с ДНК, вызывающее мутации со сдвигом рамки и замены пар оснований, усиливаемые ошибками при репликационной репарации. Цинк и серебро действуют на цепь переноса электронов, кроме того, цинк также ингибирует трансгидрогеназные реакции и окисление НАД-Н.

Антагонизм и синергизм.

Антагонизм и синергизм при анаэробном сбраживании не связаны с какими-то определенными солями, но они широко распространены для всех солей щелочных и щелочноземельных металлов. Токсический эффект отдельного катиона, присутствующего в стоке, может быть уменьшен или' элиминирован добавлением другого катиона, его «антагониста». И наоборот, токсичность будет возрастать при добавлении «синергиста».

Действие некоторых ингибиторов может быть объяснено с точки зрения транспортной системы клетки. При пассивном транспорте микроорганизм не использует энергию клетки для поглощения субстрата, который просто пересекает клеточную стенку из-за градиента концентраций в направлении перпендикулярном ей. Однако, если осмотическое давление данного компонента в среде сильно превосходит его внутриклеточную концентрацию, необходимую бактерии, она вынуждена использовать свою энергию для вывода избытка. Если в среде присутствует несколько солей, то может возникнуть конкуренция между катионами за перенос через мембрану. Активные транспортные системы, в которых расходуется клеточная энергия, также подвержены действию такой конкуренции. Например, система переноса магния, существующая в Escherichia coli и других бактериях, мультисубстратна и способна также переносить кобальт, никель, марганец и железо, проявляя к ним сродство в десять раз меньше, чем к магнию. Следовательно, перенос магния конкурентно ингибируется другими катионами, и это может приводить к их антагонизму. Синергизм имеет место, когда сочетание нескольких катионов оказывается более токсичным для микроорганизма, чем любой из них по отдельности. Некоторые катионы, вызывающие антагонизм и синергизм.

Реакции на токсичности.

Успешное привыкание к токсинам наблюдалось в периодических, полунепрерывных и непрерывных культурах в реакторах с неподвижной биопленкой и проточных реакторах с мешалкой. Проводили исследования над системами с присутствием различных токсинов, в результате которых была показана адаптивность, причем не адаптированная к токсинам культура в проточном реакторе с мешалкой при 35 °С и времени пребывания 50 сут обнаруживала большую чувствительность к шоковым интоксикациям. Одновременно определяли максимальные толерантные концентрации (мг/л) токсинов, не влияющие на адаптированную культуру анаэробного фильтра, например для никеля - 250,сульфида - 600 и формальдегида - 400. Кроме этого обнаружили явление обратимой токсичности, при которой происходит быстрая регенерация от замещения токсичной среды на регламентную.

Потенциал приспособляемости был вычислен делением наибольшей концентрации токсина, при которой не происходит существенного снижения уровня продукции метана, на значение пороговой дозы. Последняя определяется как концентрация, при которой начинается снижение уровня продукции газа.

В дополнение к отмеченным параметрам адаптации, времени пребывания и времени регенерации, при реальной интоксикации на данную культуру в анаэробной системе действуют еще и другие факторы.

a) Естественно, важна масса микроорганизмов, особенно в таких случаях, как детоксикация за счет полисахаридов. Это обстоятельство дает преимущества реакторам с неподвижной биопленкой, содержащим большие количества биомассы, перед реакторами с суспендированной биомассой, как это было показано по накоплению летучих жирных кислот в проточных реакторах с мешалкой и анаэробных реакторах с псевдоожижснным слоем.

б) Для пассивации токсинов имеют большое значение субстратные взаимодействия. Например, тяжелые металлы реагируют с анионами с образованием солей. Пороговое значение токсичности может быть оценено только с точки зрения способности всей системы как целого пассивировать большинство металлов, переводя в нерастворимые осадки -- хелатные комплексы, карбонаты, гидроксиды, сульфиды, а серебро и свинец -- в хлориды.

Подходы к приложению количественных оценок к таким взаимодействиям были развиты в работах.

в) рН должно поддерживаться около значения 7, так как оно влияет на многие реакции, например на превращение аммиак - ион аммония ). Когда значение рН растет, то равновесие в этой реакции сдвигается влево, так что концентрация свободного аммиака начинает преобладать над концентрацией иона аммония быстрее, чем происходит рост значения рН. рН также влияет на растворимость многих других соединений, включая карбонаты, гидроксиды и сульфиды тяжелых металлов.

г) Важен также видовой состав микроорганизмов. Если вданной биомассе он недостаточно разнообразен, это снижает ее способность сопротивляться или адаптироваться к резкому возрастанию токсичности.

Преодоление токсичности.

Среди многих возможных токсинов, которые могут ингибировать процесс в промышленном сбраживателе, можно выделить наиболее часто встречающиеся при обычных условиях эксплуатации. Они зависят от типа стоков и загрязнений, от которых они были очищены, от частоты производственных циклов (промывка тенка и др.). Токсины, содержащиеся в промышленных стоках, - это соли в высоких концентрациях, аммиак, сера, тяжелые металлы и органические соединения, например фенол и детергенты. Действие многих из них обратимо, и можно использовать несколько методик для преодоления ингибирования.

- Удаление токсичной жидкой фазы. Понятно, что проще всего это сделать для реакторов с неподвижной биопленкой.

- Разбавление сточных вод для снижения концентрации токсичного вещества.

- Добавление антагониста выявленного токсина. Например, всплеск концентрации хлорида натрия может быть подавлен солями калия, причем требуемая доза невелика.

- Осаждение токсинов. Например, тяжелые металлы могут быть осаждены в виде хлоридов (ртуть, серебро, свинец) или сульфидов и карбонатов.

- Связывание вредных соединений в хелатный комплекс, например, этилендиаминтетрауксусной кислотой.

- Адсорбция токсинов, например, активым углем. Этот способ был успешно применен для периодической анаэробной культуры, входные стоки которой содержали фенол в концентрации1500 мг/л. Добавление активного угля в концентрации

2500 мг/л позволило увеличить продукцию метана в три раза - до 12 % по сравнению с 4% (по объему) - максимальным значением в отсутствие активного угля. Время адаптации к токсинам также сократилось в присутствии активного угля. Аналогичные результаты были получены при очистке анаэробной биофильтрацией кубового остатка при перегонке древесного спирта. Избыток токсинов адсорбируется в порах активного угля, что снижает мгновенную токсическую нагрузку на культуру. Впоследствии эти токсины становятся доступны для медленной биодеградации толерантными или адаптировавшимися микроорганизмами. Понятно, что выгода от применения такой технологии определяется жесткостью действия токсинов и последствиями этого действия, а также вероятностью успешного восстановления производительности сбраживателя.

1.4.3 Биологические аспекты очистки сточных вод с помощью активного ила

При попытке описания очистки стоков активным илом следует рассматривать множество различных факторов:

- бактериальный рост с образованием диоксида углерода и возможного продукта биосинтеза;

- соокисление и кометаболизм, не вызывающие бактериального роста;

- изменения коэффициента выхода биомассы под действием изменений условий среды;

взаимодействие микроорганизмов с субстратом на основе сродства к данному субстрату;

множественность и вариабельность субстратов, лимитирующих рост и служащих удовлетворению одной и той же физиологической потребности;

- твердые и/или несмешивающиеся субстраты;

- неравномерность физико-химических параметров подачи сырья;

- ограниченная доступность важных питательных веществ;

- ингибирование роста токсичными загрязнениями;

- поддержание необходимого уровня энергии;

- смерть, лизис и скрытый рост;

- флокулообразование и разрушение флокул;

- флокуляция взвешенных и коллоидных частиц и/или питательных веществ и субстратов, не подвергающихся биодеградации;

- одновременный и/или последовательный гетеротрофный и автотрофный рост и миксотрофия;

- различные типы азотного метаболизма;

- неполное перемешивание и разделение;

- кислородные градиенты;

- последовательность условий эксплуатации;

- колебания объемной скорости потока;

- колебания в составе сырья;

- проявления биологической активности во время осаждения биомассы и ее рециркуляции;

- хищные простейшие;

- экзоферментная активность;

- механизмы удаления загрязнений, связанные с биомассой, но пебиологической природы;

- механизмы удаления загрязнений, связанные с оборудованием, но небиологической природы;

- использование обобщающих параметров вместо концентраций отдельных загрязнений.

Этот список, быть может, не полон, но он подчеркивает сложность процесса очистки сточных вод активным илом и множество особенностей процесса, которые должны быть учтены при попытке составить реалистические уравнения, эффективно описывающие процесс в целом и составляющие надежную основу для проектирования этих процессов.

Раздел 2. Технологические схемы очистки сточных вод

2.1 Обобщенная технологическая схема очистки сточных вод

Технологические схемы очистки сточных вод - это комплексы сооружений, предназначенных для извлечения из сточных вод примесей, опасных в санитарном отношении или ценных как вторичное сырье. В настоящее время существует большое многообразие технологических схем. Выбор комплекса сооружений и установление эффективного режима его работы обычно представляют определенные трудности, обусловленные множественностью путей достижения требуемого качества очищенной воды. Так, для флотации сточных вод кожевенных заводов в сочетании с коагуляцией применяются напорные установки. Различают прямую флотацию, флотацию с частичной перекачкой воды, флотацию с рециркуляцией и флотацию с рабочей жидкостью.

Технологические схемы очистки сточных вод, основанные на применении седиментационно-флотационных методов и коагуляции, включают в себя узлы удаления грубодисперсных примесей жира методами флотации и отстаивания; узлы перевода примесей в нерастворимые соединения путем коагуляции ионами железа с добавкой извести для корректировки величины рН; узлы удаления коагулированных примесей флотацией или отстаиванием и доочистки воды фильтрованием через зернистые материалы, а также узлы кондиционирования осадков обезвоживанием на вакуум-фильтрах.

Анализируя рассмотренные технологические схемы очистки сточных вод, необходимо отметить, что существует большое разнообразие механических, физико-химических, биохимических очистных сооружений. При их проектировании закладываются в основном одни и те же узлы и элементы в различных сочетаниях и комбинациях.

Сточные воды многокомпонентны по своему составу, и для их очистки применяются различные методы с многочисленными вариантами их сочетания. При этом каждый метод очистки предусматривает использование нескольких аппаратов, соединенных между собой разнообразными потоками и рециклами. В свою очередь для каждого аппарата, каждого сооружения требуется организация «своих» потоков, «своих» режимов работы и т.д. Учитывая это можно сказать, что без построения многовариантной технологической структуры невозможно осуществить синтез оптимальных схем водоочистки.

Рис. 2.1. Обобщенная технологическая схема очистки сточных вод: 1- механическая о чистка; 2- отстаивание; 3- коагулирование, фильтрация; 4 - адсорбция; 5- хлорирование; 6- отстаивание в прудах; 7- электроализ; 8 - флотация; 9 - ионный обмен; 10- нейтрализация; 11 - фильтрация; 12 - термическое обезвреживание; 13 - абсорбция;14 - полная биологическая очистка;

Таким образом, обобщенная схема (см. рис.2.1) включает в себя различные варианты схем и как бы состоит из отдельных блоков, каждый из которых представляет собой совокупность отдельных аппаратов, сооружений. Эта схема может быть преобразована в более простые, в зависимости от их назначения. Например, цепочка 1-14-5-6 схемы предусматривает наличие механической очистки, полной биохимической очистки, хлорирование и отстаивание в прудах, а цепочка 1-14-3-4-5 предусматривает механическую очистку, полную биологическую очистку, коагулирование, адсорбцию и хлорирование. По мере совершенствования систем водоочистки эта схема может быть дополнена и модернизирована.

2.2 Схемы биологической очистки сточных вод

Среди существующих технологических схем очистки сточных вод особое место занимает биологическая очистка с использованием активного ила.

Биохимические установки различают по классификационным признакам: спорадический - постоянный, аэробный - анаэробный, криофильный (20°С) - мезофильный (20-40°С) - термофильный (50-60°С), одноступенчатый - многоступенчатый, смешанная микробная культура - селекционная монокультура (либо стерильная ферментация), одностадийный распад - распад продуктов стоков в несколько этапов, естественная аэрация - принудительная аэрация различной интенсивности, схема с возвратом биошлама - схема с задержанием или возвратом биошлама, естественное перемешивание - принудительная гомогенизация, протекание жидкости в трубчатом реакторе - в реакторе гомогенного смешения.

Возможны различные варианты комбинированных методов. Типовая схема биологической очистки приведена на рис.2

Рис. 2.2. Типовая схема биологической очистки сточных вод: 1 - первичный отстойник; 2 - аэротенк; 3 - вторичный отстойник; СВ - сточная вода; ОВ - очищенная вода; ВА - возвратный активный ил; АИ - активный ил; О - осадок, ИИ - избыточный ил.

Здесь сточная вода после механической очистки подается в первичный отстойник, а затем в аэротенк.

Смесь активного ила и очищаемой жидкости после аэротенка попадает во вторичный отстойник, из которого часть ила возвращается затем в аэротенк, а осветленная вода направляется на обезвреживание.

Рис.2.3. Модифицированная схема биологической очистки сточных вод: 1 - преаэратор; 2,4 - отстойники; 3 - аэротенк;

На рис.2.3 показана схема очистки сточных вод с преаэратором (встроенные сооружения в первичных отстойниках для снижения загрязнений в отстоенной сточной воде сверх обеспечиваемого первичными отстойниками). По этой схеме в преаэратор перед первичным отстойником направляют избыточный активный ил. При этом вынос активного ила из первичного отстойника компенсирует ту часть циркулирующего ила, которая направлялась в преаэраторы. Осветленная сточная жидкость поступает из первичного отстойника в аэротенк, где очищается вместе с циркулирующим активным илом, а затем осветляется во вторичном отстойнике. Из-за уменьшения объема, а главное - из-за низких значений удельного сопротивления осадка потребность реагентов на последующее механическое обезвреживание сокращается.

В настоящее время накоплен определенный опыт по интенсификации действующих очистных сооружений путем многовариантного перебора параметров их работы по существующим методам расчета; в результате выбирается совокупность оптимальных параметров, при которых обеспечивается наиболее высокая производительность.

Рассмотренные выше узлы и различные схемы водоочистки используются при синтезе комплексных технологических схем. Структуру комплексной схемы строят на основе существующих схем, комбинируя элементарные операции. Классическим примером биологической очистки сточных вод является последовательность: осаждение-очистка активным илом--осаждение--дезинфекция. Третичная очистка в известном способе используется, чтобы удалить оставшиеся азот и фосфор.

Совокупность вариантов схем, наиболее распространенных в практике проектирования, можно представить в виде обобщенной схемы (рис.3). Эта схема построена на основе блоков и узлов и может быть расширена. Так, элемент 14 обозначает полную биологическую очистку, а ее можно представить, в свою очередь, как систему аппаратов, сооружений и агрегатов. Структура таких схем зависит от расхода сточной воды, состава и концентрации примесей, требований к качеству очищенной воды и от других факторов. В состав этих схем могут входить аэротенки с механической аэрацией и пневматической аэрацией; аэротенки коридорные с сосредоточенной подачей сточной воды и активного ила либо аэротенки с рассредоточенной подачей активного ила и сточной воды. Технологическая схема очистной станции может быть многоступенчатой, т.е. состоять из комбинации перечисленных аэротенков. Наиболее широко применяются одноступенчатые установки (рис.2.4).



Рис. 2.4. Варианты (а - г) одноступенчатых схем очистки сточных вод: ПО - первичный отстойник; А - аэротенк; ВО - вторичный отстойник; АС-- аэротенк - смеситель; С - сброс ила; ЛВ- аэротенк-вытеснитель У- усреднитель; И- илоотделитель; С - сброс ила; ВИ - возвратный ил; ИИ- избыточный ил; ИС- иловая смесь.

Если в сточной воде содержатся различные группы органических соединений, скорости биологического окисления которых сильно различаются, целесообразно применять двухступенчатые и многоступенчатые схемы биологической очистки (рис.2.5).

Рис. 2.5. Различные варианты схем (а - е ) двухступенчатой очистки сточных вод: AC₁ - аэротенк - смеситель 1-й ступени; ВО₁ , ВО₂ - вторичные отстойники 1-й и 2й ступеней; АВ₂ - аэротенк - вытеоштель 2-й ступени.

Для очистки сточных вод, которым свойственны колебания технологической нагрузки, Б.Репин и В.Баженов предложили двухступенчатую схему управляемых аэротенков (рис.2.5). В комплекс сооружений с предлагаемой технологией входят аэротенки двух ступеней (АЭ-I и АЭ-И), илоуловитель (УЛ), вторичный отстойник (ВО), илоуплотнители (УП). Кроме того, АЭ-I снабжен специальными регенераторами (Р), которые при выходе на управляемые режимы способны работать в качестве реактиваторов (РА), т.е. временно выполнять функции дополнительного аэротенка. Гидравлическая связь между АЭ-I и РА осуществляется с помощью форкамер (ФК), в которых создается эрлифтный эффект и внутренний циркуляционный поток иловой смеси, а также происходит насыщение его кислородом и, кроме того, проводится предварительная (сорбционная) очистка части сточной жидкости.

В период увеличенного притока сточных вод кроме постоянно действующей аэрации включают управляемые системы аэрации первого или обоих уровней, в результате чего циркуляционный поток иловой смеси через ФК поступает в начало АЭ-I из Р, которые начинают работать в режиме РА. Подача значительного количества насыщенной кислородом иловой смеси из РА в АЭ-I через ФК обусловливает рецикл аналогичного количества иловой среды из АЭ-I, которые соединены по принципу сообщающихся сосудов. В результате образуется первый управляемый контур рециркулирующей биомассы, расход которой в 3-5 раз превышает приток сточной жидкости, а рабочий объем АЭ-I как бы возрастает вдвое. Одновременно происходит ступенчатое увеличение концентрации активного ила в рабочей зоне сооружения. При этом чем точнее ступенчатый график управления окислительной способностью аэротенка соответствует графику колебания поступающей нагрузки, тем меньше потери электроэнергии и тем выше технико-экономические показатели системы.

Удельные нагрузки на ил (по БПК_полн) между ступенями очистки распределяются следующим образом (в мг на 1 г ила за сутки): I ступень -800-1000, П ступень - не более 100-150. Объем УЛ рассчитан на пребывание в нем иловой смеси в течение 15-20 мин. Наличие УП, так же как и АЭ-И, необходимо только в случае труднооседающих илов и при очистке городских сточных вод не требуется.

Таким образом, основные трудности осуществления оптимального режима очистки в традиционных аэротенках, вызванные значительными колебаниями нагрузки, могут быть успешно преодолены путем использования аэротенков управляемого технологического профиля. В настоящее время данная технология получает широкое распространение в практике проектирования. Ведется строительство ряда промышленных объектов, в том числе самых крупных управляемых аэротенков этой серии производительностью свыше 100 тыс. м3/сут.

Ниже приведена в качестве примера технологическая схема очистки сточных химического предприятия с применением высоконагруженного биофильтра

Рис.2.6. Технологическая схема обезвреживания промышленных сточных вод с применением погружного биофильтра: 1 - усредниnель промстоков; 2- сооружение сорбционной обработки промстока осадками; 3- решетки; 4- песколовки; 5 - отстойники; 6 - смеситель; 7 -биофильтр; 8-воздуходувка, 9- блок флотационного или гравитационного отделения активного ила; 10- блок доочистки стоков; 11- хлораторная; 12- иловая насосная станция; 13 - биовосстановители; 14 - метантенки; 15 - блок кондиционирования, обезвоживания и сушки осадков сточных вод; С0 - сорбционный осадок, НЖ - надиловая жидкость; Ф- фильтрат; О- осадок; I- промсток, II: хозяйственно-фекальный сток, III- вода на повторное использование или сброс в водоём, IV- избыточный активный ил V- циркулирующая дробящая масса. А- первичная очистка, Б- вторичная очистка, В- третичная очистка, Г- обработка избыточного ила и осадка.

Здесь сточные воды, поступающие на очистную станцию, разделяются на два потока: промстоки и хозяйственно-фекальные стоки. Промстоки проходят усреднитель 1, сооружение сорбционной обработки промстока осадками 2 и подаются в смеситель б. Сюда же подаются хозяйственно-фекальные стоки через решетки 3, песколовки 4 и отстойники 5. Вода после обработки в биофильтрах подается в отстойник 9, где отделяется активный ил. После этого осветленная вода проходит через хлораторную камеру 11 и возвращается в системе оборотного водоснабжения предприятия или подается в водоемы. Сорбционные осадки, содержащие активный ил перекачают в биовосстановители 13. Надиловая жидкость смешивается с главным потоком в смесителе б вместе с фильтратом выходящим блока кондиционирования, обезвоживания и сушки осадков сточных вод 15.

Раздел 3. Расчет биофильтров

3.1 Расчет на ЭВМ высоконагруженного биологического фильтра

3.1.1 Постановка задачи)

Дано: Производительность q = 40м³/ч;

БПК поступающих сточных вод L_а=35 мг/л;

БПК очищенных сточных вод L= 12 мг/л;

среднезимняя температура сточных вод Т~20*С.

3.1.2 Расчётные формулы

- Коэффициент поглощения органических веществ

(11)

- Температурная константа потребления кислорода

(1.2)

- Критериальный комплекс

(1.3)

- Константа поглощения органических веществ

(1.4)

где б и в выбираются по справочнику..

- Зависимость константы напора К_d от диаметра распылительной трубки Д_апр,

(1.5)

Таблица идентификаторов программы "Biofikr" (3.1.3)

Таблица 3.1 Таблица идентификаторов программы "Biofikr"

Наименование параметра	Размерность	Обозначение	Величина
		В лекциях	в программе
Исходные данные 1. Производительность по сточной воде 2. БПК поступающих сточных вод. 3. БПК очищенных сточных вод 4. Среднезимняя температура сточных вод	м3/ч мг/л мг/лоС	qv La Lr T	qv la lt t	40 35 12 20
Справочные данные 5. Высота насадки (2,3.4м) 6.Удельный расход воздуха на единицу поверхности сечения насадки (8, J0, 12 м3/м2) 7.Гидравлическая нагрузка (удельный расход сточных вод на единицу сечения аппарата в сутки) 8.Число биофильтров 9.Диаметр отверстий в 4-х трубках реактивного оросителя	м м3/м2 м3/м2.сутки ? мм	H Bуд q m dcm	h by q m dot	2, 3, 4 8 10, 20, 30 2 15
Расчетные параметры 10.Степень поглощения органических веществ 11.Температурнаяконстанта потребления кислорода 12.Критериальный комплекс 13.Константа расчетная поглощения органических веществ 14.Относительная степень поглощения 15.Номинальная высота насадки в биофильтре 16.Номинальная гидравлическая нагрузка 17.Номинальная константа поглощения органических веществ (степень поглощения номинальная) 18.Возможное максимальное БПК поступающих сточных вод для рассчитанного биофильтра 19.О6щая площадь сечения биофильтров 20.Площадь сечения биофильтров 21.Диаметр корпуса биофильтра 22.Объем фильтрующей загрузки в каждом биофильтре	? ? ? ? ? м м3/м2.сут ? мг/л м2 м2 м м3	K Kt Ф Kp Ko Hb q Kb Lam Fb F1 D1 W	k kt f(i) kp(i) ko(i) hb qb kb lam fb fl dl W	2,9 0,2 2 30 3,46 41,57 32 16 4,515 32
23.Объём крупной фильтрующей загрузки в каждом биофильтре 24.0бъем мелкой фильтрующей загрузки в каждом биофильтре 25.Окислительная мощность биофильтра 26.Прирост биомассы в пленке, фильтрующей нагрузки 27.0бщий расход воздуха 28.Диаметр реактивного оросителя 29.Диаметр распылительной трубы в оросителе (в каждом оросителе 4 таких трубы) 30.Число отверстий на каждой распылительной трубе 31 Расстояние до любого отверстия от оси (j-порядковый номер отверстия) 32.Частота вращения оросителя 33.Напор в реактивном оросителе (потерн давления)	м3 м3 г/м3 мг/м3 м3/ч м м ? ? об/мин мм водного столба	Wk Wb Mo По qvb Doo Dmo no ri nob Hop	WH Wb mo Pr qvb dop dt no r(i) nob hop	4 28 675 83,5 320 4,315 0,0485 28 6,4 1533,1

3.1.4 Результаты расчетов по программе "B1GFILTR'

Результаты машина выдает в виде:

Введите

qv, la, lt, t, by, m, dot

40.35.12.20.8.2 15.

Результаты вычислений

i= 1 h= 2.0 q=30.0f=.357 kp= 3.46

i= 2 h= 2.0 q=20.0f=.420 kp= 4JI

i= 3 h= 2.0 q=10.0f=.555 kp= 6.88

i= 4 h= 3.0 q=30.0f=336 kp= 6.45

i= 5 h= 3.0 q=20.0f=.630 kp= 8.95

i= 6 h= 3.0 q=10.0f=.832 kp= 12.05

i= 7 h= 4.0 q=30.0f=.715 kp= 10.61

i= 8 h= 4.0 q=20.0f=.840 kp= 12.16

i= 9 h= 4.0 q=10.0f= 1.109 kp= 16.26

hb= 2.00 qb= 30.00kb= 3.46

j= 1 r= 409.657

j= 2 r= 577.907

j= 3 r= 707202.

j= 4 r= 816.267

j= 5r= 9I2J87

j= 6r= 999303

j= 7r= 1079.243

j= 8r= 1153.656

j= 9r= 1223.552

j= 10r= 1289.666

j= 11 r= 1352.551

j= 12r= 1412.641

j= 13r= 1470.276

j= 14r= 1525.735

j= 15r= 1579.248

j= 16r= 1631.007

j= 17r= 1681.172

j= 18r= 1729.884

j= 19r= 1777.261

j= 20r= 1823.407

j= 21r= 1868.414

j= 22r= 1912.362

j= 23r= 1955.323

j= 24r= 1997.359

j= 25r= 2038.529

j= 26r= 2078.884

j= 27r= 2118.470

j= 28r= 2157331

lam= 41.57 fb= 32.00 fl= 16.00 dl=4.5l5 w= 32.0 wH= 4.0 wb= 28.0 mo= 675.0 pr= 83.5 qvb= 320.0 dop= 4.315 dt= .0486 no= 28 nob= 6.40 hop= 1553.1

3.1.5 Вывод

Проведен расчет на ЭВМ высоконагруженного биологического фильтра. Для цели очистки сточных вод от органических загрязнений с производительностью 40м³/ч необходима установка, состоящая из двух высоконагруженного биофильтра со следующими параметрами:

- Площадь сечения биофильтра: 16м²

- Диаметр корпуса биофильтра:: 4,515м

- Объем фильтрующей загрузки: 32

- Частота вращения оросителя:: 6,4об/мин

И общий расход воздуха на аэрации составляет 320м³/ч. При этом степень очистка составляет 65,7%.

3.2 Термодинамический анализ

Исходные данные для термодинамического анализа реакции(3.2.1)

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ = 6CO₂ + 6H₂О

Таблица 3.2 Исходные данные для термодинамического анализа

Вещество	Н0298 кДж/моль	S0298 Дж/ моль.K	Cp0298 Дж/моль.K	Ср=f(Т)
				a	b.103	с`.106
Глюкоз	-3365,6	402,54	132,88	6,29	474,9	0
Кислород	0	6(205,04)	6(29,37)	6(31,46)	6(3,39)	6(-3,37)
СО2	6(-393,51)	6(213,66)	6(37,11)	6(44,14)	6(9,04)	6(-8,54)
Вода	6(-285,84)	6(69,95)	6(75,30)	6(39,02)	6(76,64)	6(11,96)

3.2.2 Расчет термодинамических функций

Рассчитаем энтальпию данной реакции при стандартных условиях:

Н⁰₂₉₈=(_jН⁰_298j)- (_iН⁰_298i)

Н⁰₂₉₈= 6(-393,51 - 285,84) - (-3365,6 - 0) = -710,5 [кДж/моль]

здесь индекс j-обозначает продукты реакции, а индекс i-исходные реагенты.

Рассчитаем энтропию данной реакции при стандартных условиях:

S⁰₂₉₈=(_jН⁰_298j)- (_iН⁰_298i)

S⁰₂₉₈= 6(69,95 + 213,66) - (402,54 + 6.205,04) = 68,88 [Дж/моль_*К]

Рассчитаем энергию Гиббса данной реакции при стандартных условиях:

G⁰₂₉₈ = Н⁰₂₉₈ - TS⁰₂₉₈

G⁰₂₉₈ = -710 - 298. 68,88 = -21236,24 [Дж/моль_*К]

Рассчитаем поправочные коэффициенты для данной реакции:

a=(_ja_j)- (_ia_i)

a= 681,43

b=(_jb_j)- (_ib_i)

b=59,52

c'=(_jc'_j)- (_ic'_i)

c'= 40,74.10⁵

Рассчитаем тепловой эффект реакции, энтропию и изобарно-изотермический потенциал для интервала температур: 278-378К, с таким шагом чтобы наиболее точно отобразить графически зависимость термодинамических функций реакции от температуры.

Проинтегрировав термодинамические уравнения энтальпии и энтропии имеем:

ДH_T = ДH⁰₂₉₈ + Дa(T - 298) + Дb - Дc'( - )

ДS_T = ДS⁰₂₉₈ + Дa.ln()+ Дb(T - 298) - ( - )

Изобарно-изотермический потенциал рассчитывается по формуле:

G_T = H_T - TS_T

*Подставив в три вышеуказанные формулы исходные значения термодинамических величин при стандартных условиях для данной реакции и поправочные коэффициенты к последней, на интересующем нас интервале температур, найдём характер изменения зависимости ДH_f = f(T) :

Н_Т = -710,5 + 681,43(Т - 298) + 59,52.10^-3 + 40,74.10⁵.(-) (кДж/моль).

Таблица 3.3 Зависимость ДH_T от температуры.

T,K	278	288	298	308	318	328	338	348	358	368	378
-ДHT кДж/моль	723,4	717,0	710,5	703,9	697,3	690,7	684,1	677,4	670,7	664,0	657,2

*Определим зависимости ДS⁰ = f(T) :

ДS_Т =68,88 +681,43.ln() + 59,52.10^-3 (338 - 298)- ( - ) [Дж/моль.К]

Таблица 3.4 Зависимость ДS_T от температуры.

T,K	278	288	298	308	318	328	338	348	358	368	378
ДST Дж/моль.K	23,76	46,64	68,88	90,50	111,5	132,0	151,9	171,4	190,4	208,9	227,0

*Рассчитаем значения G⁰_Т при соответствующих температурах:

Таблица 3.5 Зависимость ДG_T от температуры.

T,K	278	288	298	308	318	328	338	348	358	368	378
-ДGT.104 Дж/моль.K	730,0	730,4	731,0	731,8	732,8	734,0	735,4	737,0	738,9	740,8	743,0

*Пользуясь уравнением изотермы Вант-Гоффа :

ДG = -RT.lnk_p

где R=8,314- универсальная газовая постоянная

вычислим значения констант равновесия :

lnk_p = -

Таблица 3.6 Зависимость lnK_p от температуры.

T,K	278	288	298	308	318	328	338	348	358	368	378
lnkp	4,21	4,29	4,36	4,42	4,49	4,55	4,61	4,66	4,72	4,76	4,81

Согласно, произведенных расчетов, произведем постройку графиков термодинамических функций:

-H⁰_Т кДж/моль

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.3.1. Зависимость энтальпии химической реакции от температуры.

S⁰_Т Дж/мольК

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.3.2. Зависимость энтропии химической реакции от температуры.

-G⁰_Т кДж/моль

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.3.3. Зависимость изобарно-изотермического потенциала химической реакции от температуры.

lnKp

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.3.4. Зависимость lnKp химической реакции от температуры .

3.2.3 Выводы термодинамического анализа

1. Выполненные расчёты термодинамических функций показывают, что данная реакция идёт с выделением теплоты. Причём с увеличением температуры реакционной массы абсолютное значение H⁰_Т немного увеличивается. Согласно принципу Ле-Шателье для увеличения выхода продукта реакции, идущей с выделением теплоты, необходимо осуществлять отвод тепла от реакционной смеси.

2. Изменение энтропии для данной реакции во взятом интервале температур положительно. То есть в изолированной системе самопроизвольное протекание данной реакции в прямом направлении возможно. ЗначениеS°_Т повышением температуры возрастает, следовательно уменьшаются и термодинамические трудности протекания процесса. Однако на практике имеют дело с неизолированными системами и этот параметр в нашем случае не может служить критерием направленности химической реакции.

3. О направленности химической реакции в изобарно-изотермических условиях судят по значению изменения свободной энергии Гиббса G°_Т. Расчёт показывает, что G°_Т во всём изученном интервале температур отрицательно, следовательно, в пределах этих температур возможно самопроизвольное протекание реакции в прямом направлении. При увеличении температуры абсолютное значение изменения свободной энергии Гиббса увеличивается, значит с увеличением температуры состояние системы отдаляется от равновесного.

4. Константы равновесия для всего интервала температур значительно больше единицы, поэтому в реакционной смеси при достижении состояния равновесия продукты реакции будут существенно преобладать над исходными веществами. С увеличением температуры соотношение между продуктами реакции и исходными веществами в равновесном состоянии будет уменьшаться (уменьшается значение к_р), следовательно и выход продукта уменьшится. Для увеличения выхода необходимо постоянно охлаждать реакционную смесь, отводя выделяющуюся теплоту.

Таким образом, с точки зрения термодинамики для увеличения степени конверсии необходимо постоянно охлаждать реакционную смесь. В данном же случае рассматривается протекание этой реакции в результате жизнедеятельности микроорганизмов, что явно указывает на её каталитический характер. На практике осуществление этой химической реакции в данном температурном интервале вполне возможно. Температуру процесса необходимо выбрать такую, которая будет благоприятной для жизнедеятельности микроорганизмов. Для большинства микроорганизмов она лежит в пределах 18 - 25 ^оС.

3.3 Материальный баланс

Основная реакция:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ = 6CO₂ + 6H₂О + 710,5кДж

A₁ B C₁ D₁

Побочная реакция:

C₆H₁₂O₆ = 2C₂H₅OH + 2CO₂ + 64,7кДж

A₂ E С₂

Исходные данные

Таблица 3.7. Исходные данные.

Производительность ПС, м3/ч	40
расход воздуха V, м3/ч	320
Степень превращения ХА, %	65,7
Начальная концентрация А, СА моль/м3	0,35
Интеграл селективности ФС %	Основной реакции	90
	Побочная реакция 1	10
Состав исходного реагента В, W%	N2	80
	O2	20

Таблица 3.8 Молекулярные массы веществ участвующих в реакции.

Вещество	Молярная масса М, г/моль
Глюкоза	180
Кислород	32
Углекислый газ	44
Вода	18
Этиловый спирт	46
Азот	28

Составить уравнения материального баланса:

G_A1 + G_A2 + G_B1 + G_азот = G_A3 + G_C + G_E + G_F+ G_D+ G_B2

Где: G_A3 : Количество непрореагировавшего фенола.

G_B2: Количество непрореагировавшего ацетона.

Количество глюкозы, поступающее в биофильтр в течение часа

G_A= П.С_А = 40.0,35 = 14 [моль/час] или 2,520 [кг/час]

Приход: реагент А, реагент В и примеси:

1) Количество глюкозы, поступающее по первой реакции

G_A1= Ф_{С *} G_{А *} X_А= 0,9 _* 14 _* 0,657=8,278 [моль/час]

2) Количество глюкозы, поступающее по второй реакции:

G_A2= Ф_{Е *} G_{А *} X_А = 0,1 _* 14_* 0,657=0,92 [моль/час]

3) Количество кислорода, поступающее по первой реакции

G_B1= (_В1/_А) _* G_А1=6 _* 8,278 = 49,668 [моль/час]

4) Объём кислорода, содержащееся в потоке воздуха

V_B= W_B*V=0,2 _*320= 64 [м³/час]

5) Количество кислорода, содержащееся в потоке воздуха

G_B=P _*V_B/R_*T=100100 _* 64000/8314 _* 298= 2690 [моль/час] или 86,08 [кг/час]

6) Объём азота, содержащийся в потоке воздуха

V_N= W_N*V=0,8 _*320= 256 [м³/час]

7) Количество азота, содержащееся в потоке воздуха

G_азот=P _*V_N/R_*T=100100 _* 256000/8314 _* 298= 10760 [моль/час] или 301,28 [кг/час]

3) Количество воды, поступающее со стоком

G_B1= с _* П - G_A =1,002 _* 40000 - 2,52 = 40077,48 [кг/час] или 2226,53 [моль/час]

Расход: углекислый газ С, побочный продукт Е, примеси реагента В, непрореагировавшие А и В:

1) Количество непрореагировавшего глюкозы :

G_A3 = G_A - G_A1 - G_A1 =14 - 8,278 - 0,92 = 4,802 [моль/час] или 0,8644 [кг/час]

2) Количество непрореагировавшего кислорода :

G_B2 = G_B - G_B1 = 2690 - 49,668 = 2640,33 [моль/час] или 84,49 [кг/час]

3) Количество воды полученной по основной реакции:

G_D1 = (_D1/_A1)_* G_A1 = 6/1_*8,278 = 49,668 [моль/час] или 0,894 [кг/час]

4) Количество углекислого газа полученное по основной реакции:

G_С = (_С/_A1)_* G_A1 = 6/1_*8,278 = 49,668 [моль/час] или 2,186 [кг/час]

5) Количество этанола полученной в побочной реакции :

G_E =(_E/_А2)_*G_A2 =2/1_*0,92 = 1,84 [моль/час] или 0,08464 [кг/час]

Таблица 3.9 Материального баланса «Приход- Расход».

Приход	кг/час	%масс	моль/час	%моль
Глюкоза	2,52	0,006	14	0,001
Кислород	86,08	0,213	2690	0,120
Азот	301,28	0,745	10760	0,480
Вода	40077,5	99,036	2226530	99,399
Итого	40467,4	100	2239994	100
Расход	кг/мин	%масс	моль/час	%моль
Углекислый газ	2,186	0,0052	49,668	0,0052
Вода	40078,374	99,0408	2226579,67	99,0408
Этиловый спирт	0,08464	0,0002	1,84	0,0002
Глюкоза	0,08644	0,0002	4,802	0,0002
Кислород	84,49	0,2088	2640,33	0,2088
Азот	301,28	0,7448	13464	0,7448
Итого	40466,5011	100	2242740,308	100

3.4 Определение тепловой нагрузки на биореактор

Таблица 3.10 Исходные данные для составления теплового баланса

Вещество	Н0298 кДж/моль	Cp0298 Дж/моль.K	Ср=f(Т)
			a	b.103	c'.10-5	c.106
Глюкоз	-3365,6	132,88	6,29	474,9	-	-
Кислород	0	29,37	31,46	3,39	-3,37	-
СО2	-393,51	37,11	44,14	9,04	-8,54	-
Вода	-285,84	75,30	39,02	76,64	11,96	-
Азот	0	19,12	27,88	4,27	-	-
Этанол	-234,80	-167,96	10,99	204,70	-	-74,20

Т₁=293К, Т₂=298К

В данном случае отсутствует фазового перехода каких либо реагентов поэтому не нужно учесть теплоты фазового перехода.

Приход тепла: тепловые потоки, входящие в реактор с исходными реагентами, тепловой эффект химической реакции.

Тепловые потоки, входящие в реактор с исходными реагентами, рассчитываются по формуле:

Q_реаг=G_{n,i *p i *} T₁

где _{p i} =(N_i*C_pi)

где N_i- мольная доля i-го компонента, рассчитанная в материальном балансе

Рассчитаем теплоемкость C_pi, при температуре T₁

C_pi = a+b_*T+c_*T² для органических веществ

C_pi = a+b_*T+c_*T^-2 для не органических веществ

C_{Pглукоза} =6,29 + 474,9.10^-3.293 = 145,43 [Дж/моль_*К]

C_{Pкслород} = 31,36 + 3,39.10^-3.293 - 3,37.10⁵.293^-2 = 28,66 [Дж/моль_*К]

C_Pазот= 27,88+ 4,27.10^-3.293 = 74,94 [Дж/моль_*К]

C_Pвода= 39,02 + 76,64^-3.293 - 11,16.10⁵.293^-2 = 29,13 [Дж/моль_*К]

_p=145,43_*0,001+28,66_*0,12+74,94_*0,48+29,13_*99,339=74,543 [Дж/моль_*К]

Q_реаг=2239994_*74,543=166975872,5 [Дж/час]= 166975,87 [кДж/час]

Теплота химической реакции:

для основной реакции:

Q_r1=-H⁰_{298 *}G_i=710,5_*8,278 = 9947 [кДж/час]

для побочной реакции:

Q_r2=-H⁰_{368 *}G₂=64,7_* 0,92 = 59,52[кДж/час]

? Q_r = Q_r1 + Q_r2 = 9947 + 59,52 = 10006,52 [кДж/час]

Расход тепла: тепло, уносимое с продуктами реакции, тепло, расходуемое на неизбежные потери, количество теплоты идущее на нагревание исходных веществ до температуры реакции, тепловая нагрузка на реактор.

Тепло уносимое продуктами реакции:

Q_пр=Y_{n,j *p j*} T₂

Рассчитаем теплоемкость C_pj, при температуре T₂: