- •Х38 Очистка сточных вод: Пер. с англ./ Хенце М., Армоэс П., Ля-Кур-Янсен Й., Арван Э. — М.: Мир, 2006. — 480 с., ил.
- •ISBN 5-03-003771-3
- •Очистка сточных вод
- •Предисловие научного редактора
- •Предисловие
- •Предисловие к третьему изданию
- •Список используемых обозначений
- •Сточные воды, их объем и состав
- •1.1. Объемы сточных вод
- •1.1.1. Измерения
- •1.1.2. Статистическая обработка
- •1.1.3. Оценочные данные
- •1.1.4. Популяционный эквивалент и нагрузка, создаваемая условным жителем
- •1.1.5. Прогнозирование
- •1.2. Компоненты сточных вод
- •1.2.1. Коммунальные и городские стоки
- •1.2.2. Разброс данных
- •Характеристика сточных вод и биомассы
- •2.1.1. Осаждаемые вещества
- •2.3. Азот
- •Основные биологические процессы
- •3.1.1. Организмы
- •3.2.1. Биологический рост
- •3.2.3. Распад биомассы
- •3.2.4. Накопление запасных веществ
- •3.3.2. Коэффициент прироста ила при аэробной гетеротрофной конверсии
- •3.3.3. Макроэлементы для аэробной гетеротрофной конверсии
- •3.3.4. Кинетические аспекты аэробной гетеротрофной конверсии
- •3.4. Нитрификация
- •3.4.1. Реакции нитрификации
- •3.4.3. Кинетические аспекты нитрификации
- •3.4.4. Влияние окружающей среды на нитрификацию
- •3.5. Денитрификация
- •3.5.1. Реакции денитрификации
- •$.5.2. Коэффициент прироста ила при денитрификации
- •3.5.3. Макроэлементы, необходимые для денитрификации
- •3.5.5. Кинетика денитрификации
- •3.5.6. Влияние окружающей среды на денитрификацию
- •3.6.1. Микроорганизмы
- •3.6.3. Коэффициент прироста биомассы в процессе биологического удаления фосфора
- •3.6.4. Щелочность
- •3.6.5. Кинетика биологического удаления фосфора
- •3.6.6. Влияние окружающей среды на биологическое удаление фосфора
- •3.7.1. Реакции при анаэробном брожении2
- •3.7.2. Рост биомассы и коэффициенты ее прироста при анаэробном брожении
- •3.7.3. Макроэлементы, необходимые для анаэробного брожения
- •3.7.5. Кинетика анаэробного брожения
- •3.7.6. Образование газообразных продуктов
- •3.7.7. Влияние окружающей среды на анаэробное брожение
- •4.3.1. Системы с рециркуляцией активного ила
- •4.3.2. Системы с совмещенным аэротенком и отстойником
- •4.3.3. Системы с контактной стабилизацией ила
- •4.3.6. Проектирование на основе объемной нагрузки
- •4.3.7. Проектирование на основе нагрузки на ил или возраста ила
- •Биофильтры
- •5.4. Двухкомпонентная диффузия
- •5.6.1. Биофильтры без рециркуляции
- •5.6.2. Биофильтры с рециркуляцией
- •5.8.1. Капельные фильтры
- •5.8.2. Погружные фильтры
- •5.9.1. Проектирование капельных фильтров
- •5.9.2. Проектирование реакторов с вращающимися дисками
- •5.9.3. Проектирования фильтров других типов
- •5.9.4. Проектирование биофильтров, предназначенных для удаления растворенных органических веществ
- •5.10. Технические условия работы биофильтров
- •5.10.1. Аэрация в биофильтрах
- •5.10.2. Рост и удаление биомассы
- •5.11. Удаление взвешенных органических веществ
- •Системы очистки с нитрификацией
- •6.1.1. Обособленные системы нитрификации
- •6.1.2. Совместное удаление органического вещества и аммония
- •6.2.4. Фильтры, содержащие только нитрифицирующий ил
- •6.2.5. Двухстадийные системы нитрификации на фильтрах
- •6.3.1. Системы нитрификации с активным илом
- •6.3.2. Оптимизация работы систем нитрификации
- •6.3.3. Проектирование биофильтров для нитрификации
- •Литература
- •Системы денитрификации
- •7.1.1. Обособленные системы денитрификации
- •7.2.3. Биофильтры для денитрификации
- •7.3.2. Кислород/перемешивание
- •7.3.3. Одновременная нитрификация/денитрификация
- •7.3.4. Газообразный азот в отстойниках и на биофильтрах
- •7.3.5. Потребление кислорода
- •7.3.7. Проектирование систем денитрификации с активным илом
- •7.3.8. Проектирование на основе моделирования
- •7.3.9. Проектирование биофильтров для денитрификации
- •7.4. Редокс-зоны в биомассе
- •Литература
- •Системы биологического удаления фосфора
- •8.1. Уравнения массового баланса при биологическом удалении фосфора в системах с активным илом
- •8.2. Типы систем для биологического удаления фосфора
- •8.3.2. Проектирование реакторов для биологического удаления фосфора
- •8.3.3. Оптимизация процесса биологического удаления фосфора
- •Литература
- •Гидролиз/ферментация и анаэробная очистка сточных вод
- •9.1. Гидролиз/ферментация
- •9.2. Анаэробная обработка сточных вод
- •9.2.1. Введение
- •9.2.2. Уравнения массового баланса при анаэробной обработке
- •9.3.3. Анаэробная очистка на фильтрах
- •9.4.1. Проектирование систем со взвешенной биомассой
- •9.4.2. Проектирование анаэробных фильтров
- •9.4.3. Образование газообразных соединений в анаэробном процессе
- •9.4.4. Оптимизация анаэробной очистки
- •9.4.5. Запуск анаэробных реакторов
- •9.4.6. Нарушения в работе анаэробных реакторов
- •Литература
- •Небиологические системы для удаления фосфора из сточных вод
- •10.1. Уравнения массового баланса для процессов удаления фосфора
- •10.2.1. Осаждение
- •10.2.2. Коагуляция
- •10.2.3. Флокуляция
- •10.2.4. Связывание фосфора в почве
- •10.3. Небиологические системы удаления фосфора
- •10.3.1. Осаждающие вещества
- •10.4. Проектирование установок для удаления фосфора
- •10.4.1. Химическое осаждение
- •10.4.2. Связывание фосфора в почве
- •10.5. Работа установок для удаления фосфора
- •Литература
- •Особенности моделей, их калибровка и применение
- •11.1. Прагматизм и теоретические модели
- •11.1.1. Инженерное мастерство
- •11.1.2. Научно обоснованный детерминистский подход
- •11.1.3. Структура моделей, переменные, параметры и движущие силы
- •11.2. Применение моделей
- •11.2.1. Инструмент планирования
- •11.2.2. Анализ процессов на действующих станциях
- •11.2.3. Проектирование новых станций
- •11.2.4. Контроль работы станций в реальном времени
- •11.2.5. Модели как инструменты исследования
- •11.2.6. Уровень агрегации
- •11.3. Калибровка модели и оценка параметров
- •11.3.1. Структура модели
- •11.3.2. Калибровка, верификация и оценка параметров
- •11.4. Проектирование станций очистки воды
- •11.4.1. Идентификация проблемы
- •11.5. Моделирование систем с биопленкой
- •11.6.3. Интерпретация результатов
- •11.7. Контроль в реальном времени
- •Предметный указатель
- •Оглавление
концентрацией азота в подаваемом стоке и с пульсирующей подачей возвращаемой в реактор воды, в которой концентрация аммония высокая. Это типично для надосадочных жидкостей, поступающих из метантенка или после обезвоживания ила. Такая рециркуляция часто приводит к пульсациям концентраций в поступающем стоке утром и в полдень, т. е. в те часы, когда станция уже работает с высокой нагрузкой. Компьютерное моделирование позволяет найти оптимальные решения для управления подобными рециркулирукь щими потоками. Подробнее об этом мы поговорим в гл. 11.
6.3.2.Оптимизация работы систем нитрификации
Впроцессе работы очистных станций часто возникает проблема ста бильности нитрификации, это наиболее характерно для холодного времени года. Рис. 6.23. отражает типичную картину работы такой станции.
j ^ г No6iu/M3
10/1-84 1/1-85 1/1-86 1/1-87 1/1-88 1/1-89 1/1-90 1/1-91 17/12-91
Рис. 6.23. Типичные изменения концентрации общего азота в обрабо танном стоке на станции нитрификации при возникновении критических ситуаций в холодное время года. Пики, относящиеся к весеннему периоду, отражают высокое содержание аммония на выходе из системы. Станция «Сохолт» (Силькеборг, Дания).
Рис. 6.24. Влияние концентрации кислорода на скорость нитрификации (в данном случае Ks,o2 = 2 г Ог/м3) [4].
Возраст аэробного ила слишком мал, но на практике существует много способов, позволяющих поднять скорость нитрификации. Так, скорость реакции можно увеличить, повысив температуру, на пример, используя закрытые реакторы. Можно удалить из сточной воды потенциальные ингибиторы процесса. Наконец, в регионах с мягкой водой, где нитрификация может приводить к понижению pH, оптимальные его значения удается поддерживать добавлением извести. Зависимость скорости нитрификации от концентрации субстратов (табл. 6.1) показывает, что увеличение концентрации аммония и кислорода приведет к повышению скорости реакции. Однако повышение концентрации аммония оказывает слабый эф фект, поскольку довольно быстро достигается состояние, в котором скорость удаления не зависит от концентрации аммония. Напротив, увеличивая концентрацию кислорода, можно довольно значительно повысить скорость нитрификации. На рис. 6.24 приведена за висимость скорости нитрификации от концентрации кислорода, показывающая, что повышение концентрации кислорода довольно сильно ускоряет реакцию.
Количество нитрифицирующих бактерий невозможно поднять выше того уровня, который позволяет сточная вода. Однако при плохой нитрификации повышение массы ила или изменения в операционном цикле, приводящие к увеличению возраста аэробного
ила, позволяют стабилизировать процесс на его максимально возможном уровне.
6.3.3. Проектирование биофильтров для нитрификации
Каких-либо установившихся правил для проектирования биофиль тров для нитрификации не существует. Использование биофиль тров для нитрификации стало вызывать интерес относительно недавно — с появлением новых керамических и полимерных мате риалов, применяемых в качестве загрузки фильтров. Кроме того, были разработаны погружные фильтры, в которых воздух вводится непосредственно в загрузку, выполняющую роль носителя для биомассы.
Обсудим два подхода к проектированию этих систем. Первый подход наиболее часто используется на практике, а второй —
восновном для проектирования реакторов с вращающимися дисками, на которых и происходит нитрификация. Этот подход приводится в качестве примера применения кинетической теории
вбиопленках, обсуждавшейся в гл. 5.
Первый подход
В этом случае проектирование ведется при заданном среднем количестве аммония, удаляемого с квадратного метра фильтра в сутки. Как следует из уравнения (6.5):
QI (CN ,I ~ См.з) = га,1чн4 •А 2*
Скорость реакции нулевого порядка гд ^н 4 необходимо уста новить экспериментально или воспользоваться данными, полу ченными экспериментальным путем на другой станции такой же конструкции, обрабатывающей такие же стоки.
Втабл. 6.3 представлены типичные значения скоростей реакций для реакторов с вращающимися дисками, полученными при обра ботке промышленных стоков различных типов. Количество удаля емого азота, установленное по этой таблице, можно использовать
ипри проектировании станций, обрабатывающих коммунальные стоки — на тех участках станций, где основная часть органического вещества уже удалена. Будет или не будет протекать нитрификация на биофильтрах можно определить из выражения (6.8).
ВГермании для полной нитрификации городских стоков реко мендуется нагрузка 4-5 Б П К /(м 2 •сут).
Таблица 6.3. Средние скорости нитрификации в реакторах с биоплен ками при 20°С [9]
Тип сточной воды |
Скорость нитрификации |
|
rA,NH4 . Г N/(M2 •сут) |
||
|
минимальная |
максимальная |
Кожевенные производства |
2,35 |
2,61 |
Производство удобрений |
2,36 |
2,67 |
Лечаты свалок |
2,42 |
2,66 |
Городские стоки, 1 |
2,03 |
2,56 |
Городские стоки, 2 |
1,69 |
1,82 |
Городские стоки, 3 |
2,20 |
2,56 |
Городские стоки, Бузнау |
4,61 |
4,84 |
Смешанные канализационные стоки |
1,53 |
1,97 |
Газовые предприятия |
2,25 |
2,36 |
Производство дегтя |
0,04 |
0,12 |
В значения скорости реакции при изменениях температуры часто приходится вносить поправки.
Второй подход
Ниже приводится метод проектирования реактора нитрификации с вращающимися дисками. В этом случае основной задачей является удаление растворимых веществ, обсуждавшееся в гл. 5. На рис. 6.25 представлена принципиальная схема реактора с теми упрощениями, которые позволяют яснее понять используемый подход.
В первой секции реактора нитрификации не происходит. Кон центрация органического вещества здесь настолько высока, что для роста нитрифицирующих бактерий не остается времени (см. необходимые условия нитрификации).
Во второй секции реактора нитрификация и удаление органи ческого вещества протекают параллельно. Концентрация аммония высокая, поэтому скорость процесса определяется концентрацией кислорода, а также низким содержанием нитрифицирующих бак терий по сравнению с гетеротрофными бактериями.
В третьей секции реактора органическое вещество практически полностью удалено, поэтому здесь протекает в чистом виде процесс нитрификации, скорость которой ограничивается концентрацией кислорода.
4-я секция, нитрификация, лимитруется концентрацией аммония
Рис. 6.25. Иллюстрация основных принципов проектирования реакто ров с вращающимися дисками для нитрификации.
В четвертой секции реактора концентрация аммония уже на столько низкая, что скорость процесса лимитируется содержанием не кислорода, а аммония.
Следовательно, проектирование реактора с вращающимися дис ками — задача довольно сложная , так как приходится контролиро вать не только концентрацию аммония, но также и концентрации органического вещества и кислорода. Деление реактора на секции соответствует любой возможной ситуации на нормальном очистном сооружении. На практике необходимость в таких секциях определя ется возможностью возникновения одного из трех лимитирующих состояний, но совсем не обязательно, что в одном реакторе реализуются все три состояния. Компьютерное моделирование при проектировании станции можно начать с рассмотрения подаваемо го стока и двигаться от секции к секции, можно также начать с требований к обработанному стоку и идти шаг за шагом от момента завершения процесса обработки стока к его началу. В обоих случаях для разработки оптимального проекта необходимо провести целый ряд вычислений.
По завершении моделирования на основе упрощенной кинетики процесса в биопленках расчеты можно проверить с применением более сложных моделей. Это возможно только с использованием компьютера. В табл. 11.3 представлена общая матрица параметров процесса, в том числе гетеротрофного процесса, денитрифика-