3592
.pdf
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
На правах рукописи
ДАВОД Коссай К.
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД НА ВРАЩАЮЩИХСЯ БИОКОНТАКТОРАХ
Специальность: 05.23.04Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Санкт-Петербург 2003
Работа выполнена на кафедре водоснабжения Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета.
Научный руководитель: засл. деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Феофанов Юрий Александрович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Мишуков Борис Григорьевич, кандидаттехническихнаук,доцентПротасовскийЕвгенийМихайлович
Ведущая организация - ЗАО "Водопроект-Гипрокоммунводоканал СанктПетербург"
Защита состоится 21 октября 2003г., в 13-30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.223.06 при Санкт-Петербургском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 198005, Санкт-Пе- тербург, 2-я Красноармейская ул., 4,
Факс (812) 316-58-72
С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета.
Автореферат разослан 19 сентября 2003 г.
Ученый секретарь |
|
диссертационного совета |
Дерюгин В.В. |
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы
Расширение масштабов жилищного и промышленного строительства, благоустройство и улучшение санитарного состояния населенных пунктов требуют значительного увеличения объемов строительства сооружений для очистки сточных вод. В связи с этим становится актуальной задача совершенствования существующих, разработки новых эффективных и экономичных методов и конструкций сооружений для очистки бытовых и производственных сточных вод. Особенно остро стоит задача очистки сточных вод небольших населенных мест и отдельно расположенных объектов.
Среди многообразия применяемых методов очистки сточных вод, наибольшее распространение получил биологический метод, благодаря его простоте, возможности широкого применения для очистки воды от различных видов органических загрязнений, достаточно высокой эффективности и относительно небольшим капитальным и эксплуатационным затратам.
Для биологической очистки сточных вод небольших населенных мест
иотдельно расположенных объектов применяют различные типы сооружений: компактные аэротенки, циркуляционные окислительные каналы (ЦОКи), биотенки и биофильтры. Все эти сооружения имеют свои относительные достоинства и недостатки. Достоинствами биофильтров являются, в первую очередь, низкие энергозатраты, высокие скорости массообменных процессов, способность переносить временные перегрузки и перерывы в подаче воды
ивоздуха. Преимуществами аэротенков и ЦОКов является простота конструкций сооружений, относительно невысокая их стоимость. Начиная с 1960-х годов для биологической очистки сточных вод небольших населенных мест
иотдельно расположенных объектов стали применяться вращающиеся биофильтры (погружные вращающиеся биоконтакторы - ПВБК). Эти сооружения занимают промежуточное положение между аэротенками, биотенками и биофильтрами.
Очистные сооружения малой канализации должны отвечать следующим требованиям: простота устройства, технологичность, компактность, низкие эксплуатационные затраты, надежность и устойчивость к кратковременным гидравлическим перегрузкам и залповым нагрузкам по загрязнениям. Из всех известных типов малогабаритных очистных сооружений этим требованиям наиболее полно удовлетворяют ПВБК, что обуславливает перспективность их применения в частности, на небольших по производитель-
ности станциях. Между тем. работа биоконтакторов изучена в недостаточной мере, а применяемые технологические схемы и конструкции этих сооружений ограничены традиционными решениями, которые имеют ряд существенных недостатков.
Практически, отсутствуют данные об окислительной способности этих сооружений, не выявлены закономерности влияния скорости вращения, глубины погружения барабана и других технологических и конструктивных параметров сооружений на окислительную способность, производительность и эффективность их работы.
Конструктивные решения установок с погружными вращающимися биоконтакторами достаточно разнообразны. В большей степени изучена работа дисковых биоконтакторов. Барабанные биоконтакторы, которые появились относительно недавно в результате развития дисковых биофильтров, изучены пока недостаточно. Данные об их работе сильно разобщены и неоднозначны. Между тем, эти сооружения имеют ряд преимуществ перед дисковыми биоконтакторами: они более просты в изготовлении и эксплуатации, имеют более высокую производительность. Поэтому выявление закономерностей процесса очистки сточных вод в ПВБК, в частности, в барабанных биоконтакторах, обобщение и анализ экспериментальных данных о производительности и эффективности их работы, совершенствование конструкций и технологических схем работы этих сооружений, остается актуальной задачей.
Цель и задачи работы.
Целью настоящей работы являлось выявление основных закономерностей процесса биологической очистки сточных вод в ПВБК и совершенствование технологии очистки сточных вод на этих сооружениях. Для достижения указанной цели в диссертации были поставлены и решены следующие основные задачи:
LПроведение теоретических и экспериментальных исследований по определению влияния конструктивных и технологических параметров барабанных биоконтакторов на их окислительную способность;
2.Изучение кинетики процесса очистки сточных вод во вращающихся биоконтакторах;
3.Изучение влияния различных конструктивных и технологических параметров биоконтакторов на эффективность их работы;
4.Разработка математического описания процесса очистки сточных вод вовращающихсябиоконтакторах;
4
5. Совершенствование технологических схем и конструкций вращающихся биоконтакторов.
Научная новизна работы заключается:
•В определении основных закономерностей процесса очистки сточных вод в барабанных биоконтакторах,
•Изучении окислительной способности этих сооружений^ определениивлиянияосновныхтехнологическихиконструктивных параметров на величину окислительной способности барабанных биоконтакторов,
•Совершенствовании конструкций и технологических схем работы барабанных биоконтакторов.
•Разработке метода расчета барабанных биоконтакторов.
Практическая ценность:
Выявлены закономерности влияния скорости вращения и глубины погружения барабана и других технологических и конструктивных параметров сооружений на окислительную способность, производительность и эффективность работы барабанных биоконтакторов.
Апробация: Основные положения, изложенные в диссертационной работе, рассмотрены и обсуждены на 5-ой Международной конференции "AKBATEPPA". Санкт-Петербург в 2002 году, на Международной научнопрактической конференции "Реконструкция Санкт-Петербург - 2003, СПб, в 2002 году, на 58, 59 и 60 научных конференциях СПбГАСУ в 2001-03 годах.
На защиту выносятся:
результаты экспериментальных и теоретических исследований окислительной способности барабанных биоконтакторов, полученные закономерности влияния основных технологических и конструктивных параметров на величину окислительной способности, эффективность и производительность барабанных биоконтакторов, новый метод расчета барабанных биоконтакторов, усовершенствованные технологические схемы работы ПВБК.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ.
Объем и структура диссертации. Диссертации состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы. Работа изложена на 158 страницах, содержит 82 рисунков и 9 таблиц. Библиография включает 195 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель ис-
следований, научная новизна и практическая значимость работы.
В первой главе проведен анализ современного состояния очистки сточных вод на ПВБК, даны классификация ПВБК, краткая характеристика этих со-
оружений и технологических схем их работы. рассмотрены особенности про-
ведения процесса биологической очистки сточных вод в ПВБК, особенности переноса кислорода и формирования биоплёнки в биоконтакторах.
Показано, что ПВБК. всравнениисаэротенками, имеютрядсущественных преимуществ. В частности, основными преимуществами ПВБК являются их устойчивость к колебаниям расхода и состава сточных вод, возможность очистки концентрированных сточных вод, высокая эффективность очистки при значительно меньшей (в сравнении с традиционными аэротенками) продолжительности пребывания сточных вод в сооружении, более низкие затраты электроэнергии и др. Системы с фиксированной биоплёнкой подвержены меньшему воздействию от изменяющихся условий окружающей среды (температуры, рН, содержания вредных и токсичных веществ), они более просты в работе и эксплуатации.
Несмотря на имеющееся разнообразие видов ПВБК, особенности их конструкций не увязаны с технологическими параметрами процесса биологической очистки, четко не определены области применения тех или иных типов ПВБК. Отсутствуют достаточно четкие представления о влиянии технологических параметров ПВБК (органическая нагрузка, скорость вращения биореактора, гидравлическая нагрузка, время обработки) на эффективность очистки сточных вод.
Недостаточно изучен также процесс переноса кислорода в этих сооружениях, нетданных о взаимосвязи окислительной способности и окислительной мощности ПВБК, Скорость поступления кислорода в воду может регулироваться частотой вращения рабочего органа ПВБК. Однако, существует предел применения этого способа регулирования кислородного режима. При высоких концентрациях загрязнений в поступающих стоках на первых ступенях контакторов может отмечаться недостаток растворенного кислорода, что может сопровождаться образованием анаэробных зон.
Разноречивость сведений, приводимых различными авторами, не позволяет разработать рекомендации для широкого использования таких сооружений. Для расширения области использования погружных вращающихся
биоконтакторов, совершенствования их конструкций и технологии работы необходимо всестороннее изучение закономерностей протекающих в них процессов, определение влияния технологических и конструктивных параметров на эффективность очистки сточных вод. На основе проведенного анализа были сформулированы задачи диссертационной работы.
Во второй главе приводится анализ наиболее распространенных способов математического описания процессов очистки сточных вод в ПВБК. Задачами этого анализа являлись: определение основных технологических и конструктивных параметров, оказывающих значимое влияние на процесс очистки сточных вод, оценка адекватности различных существующих математических моделей ПВБК фактическим данным о работе этих сооружений, сравнительная оценка различных существующих моделей и выбор наиболее адекватного способа математического описания процесса очистки сточных вод в ПВБК. Существующие математические модели вращающихся биоконтакторов можно разделить на эмпирические модели, формализованные модели, основанные на описании кинетики химических и ферментативных реакций, и модели, основанные на математическом описании процессов массопереноса. Результаты анализа этих модели показали, что эмпирические модели имеют ряд недостатков, но, ввиду их простоты, они применяются для расчета ПВБК, в частности, в области относительно небольших нагрузок по органическим загрязнениям.
Более точными являются кинетические модели, основанные на описании кинетики кажущихся (эффективных) химических или биохимических реакций.
Диффузионные модели, основанные на описании скорости массопереноса, имеют ограниченное применение, в тех случаях, когда общая скорость процесса лимитируется скоростью массообмена.
Недостатками существующих расчетных формул является то, что все они имеют ограниченную область применения, определенную диапазоном использованных экспериментальных данных. Модели, полученные на основе данных о работе ПВБК при невысоких значениях нагрузок по органическим загрязнениям, плохо работают в области высоких нагрузок и наоборот. Поэтому необходима разработка математической модели процесса очистки сточных вод в ПВБК, охватывающей все возможные области примененияэтихсооружений.
В третьей главе приводятся результаты экспериментальных исследований окислительной способности (ОС) ПВБК. В задачи исследований входило определение скорости переноса кислорода в барабанных ПВБК, изучение степени влияния основных технологических и конструктивных параметров этих сооружений на их ОС, выявление путей повышения окислительной способности ПВБКИсследования ОС проводились на трех лабораторных установках барабанных ПВБК (№ 1,2,3), которые отличались геометрическими размерами барабана и резервуара, а также загрузочным материалом. Переменными параметрами в работе установок были скорость вращения барабана, степень его погружения в жидкость, вид загрузки.
Во второй серии опытов изучалась окислительная способность модифицированных установок (№ 4,5 и 6), которые с целью интенсификации процесса переноса кислорода в жидкость были снабжены дополнительными элементами аэрации. Эти элементы в виде трубок с прорезью (по 6 штук на барабан) устанавливались по периферии параллельно его оси.
Для определения скорости переноса кислорода использовалось традиционное уравнение массопередачи (1), в котором движущая сила процесса выражается через разность концентраций, а кинетика - через обобщенный коэффициент переноса:
соответственно, равновесная и текущая, г/м3.
Экспериментальное определение окислительной способности установок проводилось на чистой воде в условиях неполного дефицита растворенного кислорода. Концентрация кислорода измерялась с помощью кислородного анализатора. Всего было проведено шесть серий опытов, по 18 опытов в каждой серии. .
На рис. 1 приведены результаты исследований ОС установок № 1-6 при различных скоростях вращения барабана и глубины его погружения в жидкость. Анализ результатов проведенных исследований позволил сделать следующие выводы.
Скорость переноса кислорода в системе ПВБК зависит от конструктивных параметров (размеров барабана, глубины его погружения в жид
8
Рис. 1: Влияние скорости вращения барабаня на ОС (установки 1,2,3,4,5 и 6)
кость, параметров загрузки, скорости вращения), технологических факторов (время пребывания и расход воды), температуры, а также от состава сточных вод.
Увеличение скорости вращения биоконтактора приводит к повышению окислительной способности сооружений, что объясняется внесением воздуха Б жидкость при вращении загрузки, повышением турбулентности /жидкости и, как следствие, увеличением площади контакта фаз воды и воздуха.
При увеличении глубины погружения барабана биоконтактора скорость переноса кислорода снижается. Это связано с тем, что при изменении величины погружения барабана в жидкость меняется величина общей поверхности контакта загрузки с воздухом. При высоких скоростях вращения глубина погружения барабана значительно влияет на ОС сооружения, при низких скоростях - влияние степени погружения менее значимо. Установлено, что скорость переноса кислорода в барабанных биоконтакторах значительно выше чем в дисковых, так как степень перемешивания и турбулизации жидкости в первых из них более высокая. Окислительная способность барабанных ПВБК с загрузкой из более мелких элементов выше, чем с крупными, так как мелкая загрузка способна в большей степени захватывать воздух из атмосферы.
Оборудование барабана биоконтактора дополнительными элементами аэрации позволило значительно увеличить окислительную способность ПВБК, (рис.2).
B четвертой главе представлены результаты исследований закономерностей процесса биологической очистки сточных вод в ПВБК, которые производились путем обработки и анализа собранных литературных данных. Основными факторами, определяющими эффективность работу ПВБК, являются гидравлическая и органическая нагрузки на сооружение, вид и исходная концентрация субстрата, температура сточных вод, конструкция биореактора (геометрические размеры, вид и параметры загрузки, скорость вращения, количество ступеней) и др.
Вработеизучаласьдинамикаразвитияприкрепленнойбиопленки, влияние основных технологических факторов (гидравлическая и органическая нагрузки, время пребывания сточных вод, скорость вращения биоконтактора) на ход и эффективность процесса биологической очистки сточных вод в ПВБК, изменение хода процесса по ступеням ПВБК, а также протекание процесса нитрификации.
IO