Ознакомиться ()

Министерство высшего и среднего специального образования РСФСР
ЛЕНИНГРАДСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНОЙ
ПРОМЫШЛЕННОСТИ
__________________________________________________________________________________________________
А.В. Наумов,
А.Н. Николаев
ОСНОВЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ПРОМСТОКОВ ЦБП
Учебное пособие
Ленинград
Ленинградская лесотехническая академия
1984
Рекомендовано к изданию Редакционно-издательским советом
Ленинградского технологического института целлюлозно-бумажной
промышленности
Авторы: зав. отраслевой лабораторией А.В. Наумов,
мл. научный сотрудник, к.т.н. А.Н. Николаев
Рецензенты: кафедра канализации Ленинградского инженерностроительного института (и.о. зав. кафедрой д-р техн. наук,
профессор Б.Г. Мишуков), главный эколог Гипробума ст.н.с., канд.
техн. наук М.А. Евилевич
УДК 676.088:628.35
Наумов А.В., Николаев А.Н. Основы биологической очистки промстоков ЦБП:
Учебное пособие. − Л.: ЛТА, 1984, 79 с.
Подготовлено к публикации кафедрой технологии рекуперации вторичных
материалов промышленности ЛТИ ЦБП.
В учебном пособии рассмотрено современное состояние вопросов теории и
технологии биологической очистки сточных вод целлюлозно-бумажной
промышленности, изложены новые способы расчета и оптимизации очистных
сооружений, а также перспективы развития биологических методов обработки
промстоков.
Пособие предназначено для слушателей специального факультета переподготовки
кадров высшей квалификации по специальности "Экология и повышение
эффективности использования природных ресурсов" и может быть использовано
студентами специальности 0836 "Технология рекуперации вторичных материалов
промышленности".
Ленинградский
технологический
промышленности, 1984
институт
1
целлюлозно -бумажной
СОДЕРЖАНИЕ
1.
1.1.
1.2.
1.3.
1.4.
1.5.
2.
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
2.5.
2.6.
3.
3.1.
3.2.
3.3.
3.4.
Введение ................. ............................................................................……….3
Теоретические основы биологической очистки. ............................. …….....4
Характеристика промстоков ЦБП .................................................... ……….−
Формирование, состав и свойства активного ила .........................………...6
Материально-энергетический баланс аэробного роста
микроорганизмов ................................................................. ............ ……...11
Кинетика биоокисления в системах с активным илом..............................15
Седиментационные свойства активного ила ................................... ……...17
Технология биологической очистки. ............................................. …….....21
Методы биологической очистки....................................................... ………−
Типы аэрационных сооружений…………………………………..............24
Системы аэрации…………………………………………………………...26
Взаимосвязь и взаимовлияние отдельных блоков системы очистки…...29
Эффективность различных технологических схем очистки........ ……….30
Пути совершенствования системы биологической очистки………….....33
Расчет и оптимизация систем биологической очистки.............................35
Основные методы расчета очистных сооружений.....................................−
Расход кислорода…………………………………………………………..40
Прирост активного ила…………………………………………………….45
Технико-экономическая оптимизация систем
биологической очистки…………………………………………………....49
Литература .......................................................................................... …......53
2
ВВЕДЕНИЕ
Решение проблемы охраны и рационального использования водных ресурсов
неразрывно связано с проведением комплекса мероприятий по предотвращению
загрязнения водных источников в результате неизбежного сброса в них промышленных
сточных вод.
Среди отраслей народного хозяйства одной из наиболее водоемких является
целлюлозно-бумажная промышленность (ЦБП), что обуславливает большие объемы
промстоков и потребность в дорогостоящих очистных сооружениях. В целом по отрасли
ежегодный расход свежей воды составляет более 3600 млн. м3 и сбрасывается в сток более
3400 млн. м3 сточных вод.
Промстоки ЦБП содержат биологически окисляемые вещества − продукты
разрушения органического комплекса древесины. Для их удаления широкое
распространение в отрасли получил метод биологической очистки в аэротенках и
аэрируемых прудах.
В настоящее время сооружения биологической очистки построены на всех крупных
предприятиях ЦБП и являются неотъемлемой частью вновь строящихся объектов,
обеспечивая снижение органических загрязнений на 90 − 97%. Наряду с
одноступенчатыми очистными системами все шире используются более эффективные
многоступенчатые схемы. В недалеком будущем системы биологической очистки должны
будут решать и проблему утилизации образующихся осадков сточных вод, а также
снижения удельного расхода свежей воды за счет оборотного использования в
производстве очищенных стоков.
Дальнейшее развитие этого перспективного метода и совершенствование проектных
решений предполагает глубокое изучение теории, технологии, а также современных
методов расчета и оптимизации систем биологической очистки.
3
1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ
1.1. ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОМСТОКОВ ЦБП
Сточные воды предприятий целлюлозно-бумажной промышленности (ЦБП) содержат
значительные количества взвешенных, коллоидных и растворенных веществ как
органических, так и неорганических. Их состав очень разнообразен. Общее число
идентифицированных компонентов для крупных предприятий превышает 100. В среднем в
одном м3 общего стока содержится по сухому весу 0,04% взвешенных, 0,1% растворенных
и коллоидных органических веществ и 0,01% минеральных.
Взвешенные вещества представлены частицами коры, волокном и каолином, которые
попадают в сточные воды из древесно-подготовительного, варочного, промывного и
картонно-бумажного цехов. Их количество зависит от технологии и оборудования окорки
древесины, варки и промывки целлюлозы, от композиции бумажной массы и эффективности
улавливания волокна на внутрицеховых установках.
Растворенные и коллоидные вещества поступают в сточные воды, главным образом, с
разбавленными щелоками варочных и промывных цехов и от ступени отбелки целлюлозы. В
общем случае, чем выше выход целлюлозы по варке, степень регенерации отработанных
щелоков и замыкания схем водопользования, технологическая культура производства, тем
меньше этих загрязнений поступает в сточные воды.
Органическая часть щелоков включает лигнин и продукты разрушения углеводного
комплекса древесины. При сульфатной варке целлюлозы от общего количества
органических веществ на долю щелочного лигнина приходится около 30 − 50%, продукты
разрушения углеводов (оксикислоты, летучие и карбоновые кислоты) составляют 30 −
35%. В меньшем количестве присутствуют компоненты ароматического характера,
образующиеся при разрушении лигнина (фенолы, фенолкислоты и др.). В состав
сульфитных щелоков входят лигносульфоновые кислоты (до 50%), моно− и олигосахара
(25 − 36%), летучие в нелетучие органические кислоты, спирты, альдегиды, экстрактивные
вещества и другие органические компоненты.
Для сточных вод сульфитно-целлюлозного производства характерны значения рН в
диапазоне 3,5 − 6. Сточные воды производства сульфатной целлюлозы имеют рН около 8
− 10. Содержание в стоках ЦБП солей азота и фосфора, т.е. биогенных элементов,
недостаточно для интенсивной биологической очистки. Поэтому необходимой стадией
подготовки промстоков ЦБП к биологической очистке является их нейтрализация и добавка
биогенных солей.
В практике биологической очистки основными показателями загрязненности
промстоков являются интегральные параметры − БПК5, ХПК и концентрация взвешенных
веществ. Для оперативного контроля используется бихроматная окисляемость; в последнее
время все большее распространение получает анализ содержания общего органического
углерода (ООУ), определение которого на автоматическом анализаторе занимает не более 5
минут.
Органические компоненты промстоков можно условно разделить на легко− и
трудноокисляемые. К легкоокисляемым компонентам, имеющим высокую скорость
биоокисления и отношение БПК5:ХПК около 0,5 и выше, относятся летучие кислоты,
оксикислоты, моно− и дисахара, другие органические вещества, легко подвергающиеся
расщеплению бактериальными ферментами. Наиболее трудноокисляемыми являются
4
щелочной лигнин и лигносульфонаты, которые практически не биодеградируют в процессе
биологической очистки. Показатель БПК5:ХПК, характеризующий глубину и скорость
биоокисления веществ, для щелочного лигнина черного щелока производства сульфатной
целлюлозы с выходом 48 − 50% составляет 0,01, сульфатной полуцеллюлозы − около 0,05.
Из остальных органических компонентов промстоков наиболее трудно биологически
окисляются фенолкислоты и смоляные кислоты, количество которых при очистке в
аэротенках снижается только на 30%.
Способность к биоокислению взвешенных органических веществ зависит и от их
размера: чем крупнее частицы, тем ниже скорость их окисления. Основной компонент
органической взвеси – волокна целлюлозы. Даже для мелких целлюлозных волокон
отношение БПК5:ХПК не превышает 0,1. О низкой степени биоразрушения целлюлозы
свидетельствует и опыт эксплуатации аэротенков – распад целлюлозных волокон обычно не
превышает 5 – 10%.
Сточные воды ЦБП, поступающие на внеплощадочные очистные сооружения, имеют
БПК5 в среднем 0,2 – 0,4 кг/м 3. Концентрация взвешенных веществ 0,1 – 0,5 кг/м 3,
ХПК около 1 кг/м3.
Концентрированные щелокосодержащие воды с БПК5 до 10 кг/м3 могут предварительно
очищаться на локальных биоустановках.
В процессе биологической очистки состав промстоков изменяется в сторону
преобладания трудноокисляемых компонентов. Это происходит в силу быстрого
удаления легкоокисляемых веществ.
Количественно изменение состава промстоков описывается уравнением:
Sо
l
1
1 lо lо
;
 (1  ln ) ; о 
lо
S о
A l l
(1.1)
где l0, l – БПК5 исходной и очищенной сточной воды, мг/м3; S – тоже по ХПК, кг/м3; γ0, А
– параметры состава промстоков: для сточных вод сульфатно-целлюлозного производства
– γ0 = 3, А = 2; сульфитно-целлюлозного – γ0 = 5 – 6, А = 5 – 10; общего стока ЦБК,
выпускающего сульфатную и сульфитную целлюлозы, γ0 = 4, А = 5.
На рис. 1.1. показано изменение отношения БПК5:ХПК с увеличением эффекта
очистки промстоков по БПК5. При эффекте очистки около 98% в сточной воде остаются
наиболее трудноокисляемые вещества, для которых отношение БПК5:ХПК близко к 0,01,
т.е. соответствует этой величине для щелочного лигнина и лигносульфонатов.
0 20 40 60 80 Е,%
Рис. 1.1. Зависимость отношения БПК5:ХПК от эффекта очистки по БПК5 промстоков
целлюлозно-бумажного комбината
5
Очистка промстоков от таких трудноокисляемых соединений, как щелочной
лигнин и лигносульфонаты, биологическим методом нецелесообразна в силу крайне
низких скоростей процесса, как в очистных сооружениях, так и в водоемах при
поступлении в них очищенных промстоков. По этой причине эффективность очистки
промстоков в ЦБП на уровне 98 − 98,5% по БПК5 считается максимальной и в
большинстве случаев достаточной для биологических способов.
1.2. ФОРМИРОВАНИЕ, СОСТАВ И СВОЙСТВА АКТИВНОГО ИЛА
В нестерильных условиях аэротенка на многокомпонентном органическом
комплексе промстоков (полисубстрате) происходит естественный отбор определенных
форм микроорганизмов, которые образуют характерные для данного режима очистки
биоценозы. Формой существования биоценозов микроорганизмов очистных сооружений
является активный ил, подобный илу рек и озер, но содержащий значительно больше
живых микроорганизмов.
В состав биоценоза активного ила входят различные виды бактерий
(преимущественно гетеротрофных, т.е. способных окислять различные компоненты). Они
играют основную роль в биоокислении органических загрязнений. Простейшие грибы,
беспозвоночные и другие более высокие формы организмов используют в биоценозе для
питания самих бактерий. Около половины всех бактерий относятся к роду Pseudomonas,
15−20% − к представителям рода Bacterium, а 20−30% − к родам Corynebaсterium, Bacillus,
Micrococcus и другим. Наличие в стоках ЦБП широкого спектра легко− и
трудноокисляемых компонентов и искусственная рециркуляция биомассы приводят к
развитию в биоценозе микроорганизмов, резко различающихся по скоростям роста. Диапазон удельных скоростей роста отдельных бактерий активного ила составляет 0,05 − 1,0
ч−1.
Большинство простейших использует в качестве пищи дисперсные бактерии, что
способствует осветлению сточных вод. С другой стороны этот процесс ведет к более
быстрому поступлению в среду биогенных элементов (азота, фосфора, магния и др.), чем
при разрушении (автолизе) бактерий или с продуктами их метаболизма. В результате
такого малого круговорота биогенов в системе «хищник-жертва» увеличивается скорость
утилизации бактериями органического субстрата. Известно также, что в процессе
жизнедеятельности простейшие выделяют биополимеры, способствующие слипанию
бактерий, то есть образованию хлопков активного ила.
Формирование хлопьев активного ила является проявлением одной из важнейших
особенностей живых клеток − способности к агрегации и к развитию от более простых к
более сложным уровням организации. Эта способность играет важную роль в технологии
биологической очистки, позволяя производить отделение активного ила от сточной воды
путем отстаивания.
Хлопьеобразование − процесс сложный. Его механизм окончательно не
установлен. Общепризнано, что для слипания клеток в хлопья необходимы экзополимеры,
нейтрализующие отрицательный заряд клеточной поверхности. К основным полимерам,
входящим в состав слизистых бактериальных капсул, относятся полисахариды, поли-βоксимасляная кислота, белки, ДНК, РНК. Экзополимеры занимают свыше 50% объема
хлопка активного ила. С физиологических позиций капсулы служат матриксом для
размещения экзоферментов, необходимых для предварительного расщепления
6
высокомолекулярных соединений; одновременно, капсульные полимеры являются
резервным субстратом и частично потребляются клетками в условиях голодания.
Наиболее распространенная точка зрения сводится к тому, что образование
бактериальных капсул и формирование хлопьев активного ила происходит в конце
логарифмической и стационарной фазах роста микроорганизмов при исчерпании в среде
доступного субстрата.
Однако имеются данные, согласно которым процесс хлопьеобразования может
происходить и при избытке субстрата, но обязательным условием является интенсивное
перемешивание (аэрация) среды. Так Ломова и др., изучая влияние концентрации
загрязнений в сточных водах ЦБП на флокуляцию бактерий, установили, что образование
хлопков активного ила в перемешиваемой среде происходит в широком диапазоне БПК5
промстоков (0,1 − 8,0 кг/м3). Лишь при концентрации загрязнений 10 − 12 кг/м3 по БПК5
не наблюдалось образования капсульных веществ и формирования хлопьев.
Из микробиологии известно, что возникающие при перемешивании культуральной
среды динамические межклеточные взаимодействия играют важную роль в регуляции
роста микроорганизмов. При увеличении концентрации клеток происходит резкое
возрастание интенсивности динамических межклеточных контактов, вызывающих даже
при избытке субстрата кооперативную структурную перестройку клеточных мембран и
утрату клетками способности к размножению. Эффект концентрационного ингибирования
размножения клеток в перемешиваемой среде достаточно специфичен. Динамические
контакты клеток не друг с другом, а с другими объектами и даже с мертвыми клетками, не
инактивируют рост. Критическая концентрация клеток, сверх которой рост перемешиваемой культуры прекращается, составляет около 1∙109/мл. Замена динамических
контактов на статические при отключении перемешивания приводит к снятию
концентрированного ингибирования и возобновлению роста микроорганизмов вплоть до
концентраций, близких к плотности максимальной упаковки клеток, составляющей для
бактерий около 1∙1011 /мл.
Критическая концентрация дисперсных клеток перемешиваемой культуры
микроорганизмов (1∙109 /мл или около 0,4 − 0,5 кг/м3 по сухой массе) хорошо согласуется
с концентрацией микроорганизмов (0,2 − 0,5кг/м3), с которой обычно начинается
образование хлопьев активного ила. Это позволяет заключить, что важной "движущей
силой" хлопьеобразования является стремление микроорганизмов к росту, к размножению:
слипание бактерий в хлопья позволяет им размножаться при значительно большей
концентрации в среде за счет замены динамических контактов (соударений дисперсных
клеток) на статические внутри хлопьев активного ила. Иными словами, формирование
хлопьев активного ила можно рассматривать как кооперативную перестройку, позволяющую
бактериям размножаться в перемешиваемой среде при высоких концентрациях клеток,
характерных для систем биологической очистки.
С термодинамических позиций, сформулированных Одумом для развития
экологических систем, объединение структурных единиц биомассы в достаточно крупные
блоки вызывает снижение затрат энергии на поддержание жизнедеятельности
относительно энергии, заключенной в биомассе, в расчете на структурную единицу.
Следовательно, объединение микроорганизмов в макроколонии − хлопья активного ила −
отражает стремление экосистем довести до минимума отношение энергетических затрат
на поддержание биоструктуры и заключенной в ней энергии, т.е. повысить
термодинамическую упорядоченность.
7
Таким образом, формирование хлопьев активного ила в условиях аэротенков можно
рассматривать как адаптационную перестройку бактериального ценоза, направленную на
снижение уровня концентрации ингибирования роста (замена динамических контактов на
статические) и повышение эффективности использования потока внешней энергии
(снижение удельных затрат энергии на поддержание жизнедеятельности биоструктуры).
Схематически процесс образования хлопьев активного ила показан на рис.1.2.
Рис. 1.2. Схема образования хлопьев активного ила:
1 – дисперсные клетки; 2 – дисперсные клетки, покрытые зооглейной капсулой; 3
− микрохлопок, образовавшийся в
результате слипания нескольких
столкнувшихся клеток; 4 − хлопок активного ила.
Хлопья активного ила − это динамические структуры. Микромасштабные
турбулентные пульсации, возникающие при перемешивании жидкости в аэротенках,
разрушают их на более мелкие частицы, которые при столкновении вновь слипаются и
т.д. Время жизни одного хлопка составляет секунды и доли секунды. С возрастанием
интенсивности перемешивания (уменьшением масштаба микротурбулентных пульсаций
жидкости) среднестатистический размер хлопьев падает.
Таким образом, с одной стороны, перемешивание жидкостной среды является
необходимым условием хлопьеобразования, а с другой стороны, увеличение его
интенсивности разрушает частицы ила вплоть до эрозии с поверхности хлопьев
дисперсных клеток. В результате, зависимость доли дисперсных бактерий от
интенсивности перемешивания носит экстремальный характер (рис. 1.3).
Рис.1.3. Влияние интенсивности перемешивания на соотношение дисперсных частиц и
хлопьев активного ила:
8
1 − Хd + Х = 1кг/м3; 2 − Хd + Х = 3 кг/м3 (Хd, Х − соответственно, концентрация по сухой
массе дисперсных частиц и хлопьев активного ила, кг/м3; G − градиент скорости в потоке,
с−1).
Значения градиента скорости G, обеспечивающие наиболее эффективную флокуляцию
(минимум отношения Хd/Х), составляют 20 − 60с−1, в то время как в аэротенках G = 100 −
400с−1. Концентрация дисперсных частиц при дозе активного ила 1 − 3 кг/м3 может быть
оценена по уравнению:
Хd = 9,3 × 10−5 G;
(1..2.)
Расчеты и прямое определение числа дисперсных бактерий в аэротенках
свидетельствуют о том, что их весовая доля в активном иле не превышает 1%.
В состав активного ила входят живые (активные) и мертвые (инактированные)
микроорганизмы, а также инертное вещество − капсульные биополимеры, продукты автолиза,
сорбированные вещества промстоков. Весовая доля живых микроорганизмов составляет в
хлопьях 10 − 15%. Отсюда следует, что вне хлопьев ила может находиться не более 10%
активных бактерий, т.е. вклад дисперсных форм в общую эффективность окисления
органических веществ в типовых аэротенках пренебрежимо мал. Это положение играет
важную роль в теории и практике биологической очистки, так как закономерности
массопередачи кислорода и субстрата к дисперсным клеткам и их агломератам (хлопьям
ила) различны (см. разд. 1.4.).
Процесс биологической очистки часто рассматривают как двухстадийный: первая
стадия − адсорбция органических веществ на хлопьях ила, вторая стадия – биоокисление
сорбированных веществ. Такой подход является упрощенным и в значительней степени
условным, так как одни вещества действительно сорбируются хлопьями, а другие просто
диффундируют сквозь хлопковую массу к бактериальным клеткам и затем транспортируются
через наружную мембрану во внутриклеточную область.
Величина удельной (на 1 кг активного ила) адсорбции зависит от концентрации
органических веществ и активного ила, а также интенсивности перемешивания,
определяющей эффективную поверхность хлопьев. Типичные для промстоков ЦБП
зависимости приведены на рис. 1.4.
S, кг/м3; Хо, кг/м3; ω, 102 об/мин
Рис. 1.4. Зависимость удельной адсорбции от ХПК промстоков, концентрации активного
ила и интенсивности перемешивания в аэротенке: 1 − g (S); 2 − g(Х); 3 − g(ω).
9
Уравнение адсорбции для систем с активным илом имеет вид:
g
g 0  h0  S 0
;
h0  S 0  g 0  X 0
(1.3)
где g − удельная адсорбция, кг ХПК/кг ила; gо − максимальная сорбционная емкость
активного ила, кг ХПК/кг ила; hо − доля по ХПК способных сорбироваться на активном
иле органических веществ промстоков (максимальная относительная адсорбция); Sо −
ХПК исходной (до акта адсорбции) сточной воды, кг ХПК/м3; Хо − исходная концентрация
активного ила, кг/м3.
Максимальная адсорбция hо зависит от состава промстоков. Для сточных вод ЦБП
hо = 0,1 − 0,35. Максимальная сорбционная емкость gо определяется не только составом
стоков, но и качественными характеристиками активного ила. При недостатке азота и
фосфора в среде в активном иле накапливаются внеклеточные полисахариды, хлопья
разрыхляются, а сорбционная емкость ила возрастает.
В условиях нормальной обеспеченности процесса биогенными солями
(БПК5:азот:фосфор = 100:4:1) и при средних режимах аэрации максимальная сорбционная
емкость возрастает с увеличением эффекта очистки согласно уравнению:
g 0    ln
l0
l
;
(1.4)
где  − параметр состава стоков, изменяющийся в диапазоне 0,05...0,30, lо, l −
соответственно, БПК5 исходной и очищенной сточной воды, кг БПК5/м3.
Значительная часть первоначально сорбируемых илом веществ (в момент смешения
в аэротенке потоков сточной воды и возвратного ила) затем биоокисляется. Поэтому
чисто (за весь период очистки) сорбционное изъятие загрязнений из промстоков резко
снижается по ходу процесса.
Для расчета и управления систем биологической очистки необходимы сведения по
количественному вкладу в общую эффективность удаления загрязнений обоих процессов:
адсорбции и биоокисления. Такая оценка может быть сделана на основе весовой доли
сорбированных веществ ξ, которая в типовых очистных системах не превышает 0,2:

Xs Xs
Ss


 0,2 ;
X
X s  у  S
(1.5)
где Хs, Х − концентрация (по сухой массе) сорбированных веществ и активного ила,
соответственно, кг/м3, ΔХs, ΔХ − прирост сорбированных веществ и активного ила,
соответственно, кг/м3, ΔSs, ΔS − прирост сорбированных веществ по ХПК (или количество
по ХПК загрязнений, удаленных из сточной воды за счет адсорбции на активном иле) и
общее снижение ХПК сточной воды в результате биологической очистки, соответственно,
кг ХПК/м3, υs − удельное ХПК сорбированных веществ, кг ХПК/кг, у − экономический
коэффициент, кг ила/ кг ХПК. Так как υs∙у ≈ 0,5, то согласно неравенству (1.5) имеем:
ΔSs/ΔS ≤ 0,1. Следовательно, основное количество органических веществ удаляется из
промстоков путем биоокисления, а вкладом адсорбции, в первом приближении, можно
пренебречь. Это позволяет при анализе, как прироста активного ила, так и кинетики
биологической очистки в аэротенках, основываться только на закономерностях
биоокисления. Учет же сорбционных процессов необходим только для биосорбционных систем,
рассмотренных в разд. 2.1, 3.2.
10
1.3. МАТЕРИАЛЬНО - ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС
АЭРОБНОГО РОСТА МИКРООРГАНИЗМОВ
Органические вещества промстоков, потребляемые микроорганизмам, служат
материалом, из которого строятся новые клетки, и источником энергии (рис.1.5). Энергия,
выделяющаяся в результате аэробного окисления органических веществ, расходуется на
синтез новой биомассы и поддержание жизнедеятельности микроорганизмов, а часть ее
рассеивается в виде тепла. При недостатке внеклеточного субстрата получает развитие
процесс самоокисления биомассы, в который в первую очередь вовлекаются резервные
вещества и некоторые макромолекулы клетки, в частности, РНК и белки.
Рис. 1.5. Обобщенная схема превращений внутриклеточных вещества и энергии
В энергетике роста микроорганизмов наметилась тенденция − выделить особую роль
кислорода и рассматривать продукты окисления органических веществ, прежде всего СО2
и Н2О, как вещества нулевого энергетического уровня. Основой этого подхода является
открытый термохимиками в 10 − 20-е годы нашего века факт пропорциональности между
теплотой сгорания органических соединений и количеством прореагировавшего кислорода.
Количество теплоты, выделяющееся при полном биоокислении на единицу потребленного
кислорода, практически одинаково (с точностью до 4 %) для различных органических субстратов и биомассы − 112 кДж (27 ккал) на 1 г-экв кислорода иди 13,9 кДж (3,38 ккал) на 1 г
кислорода.
В качестве меры энергетического потенциала органических веществ в
микробиологии используется понятие доступных электронов, введенное Пейном и затем
расширенное для азотсодержащих соединений Минкевичем и Ерошиным. Доступными
называется электроны, которые акцептируются свободным кислородом при окислении
органических веществ до СО2, Н2О и NН3, т.е. по схеме:
СНрОnNq + γ
1
1
О2 = СО2 + (р − 3q) Н2О + q NH3;
4
2
11
(1.6)
Содержание доступных электронов в органических соединениях обычно выражается в
расчете на один атом углерода, т.е. как степень восстановленности углерода:
γ = 4 + р − 2n −3q;
(1.7)
Для описания энергетики микроорганизмов в системах биологической очистки
удобнее использовать кислородный эквивалент органических веществ (теоретическое
ХПК), определяемый стандартным бихроматным методом, который для компонентов
промстоков ЦБП практически совпадает с величиной ХПК. Степень восстановленности
углерода и удельное ХПК связаны соотношением:
γ=
3
;
2
(1.8)
где υ − удельное ХПК, кг О2 кг/кг, σ − весовая доля углерода.
Основным понятием баланса для роста микроорганизмов является энергетический выход,
равный доле доступной свободной энергии органического субстрата, перешедший в
биомассу. По смыслу энергетический выход роста соответствует коэффициенту полезного
действия в технике и обычно обозначается буквой η. На основе пропорциональности
свободной энергии окисления и кислородного эквивалента органических веществ можно
записать:
η = −db/dS;
(1.9.)
где b, S − соответственно ХПК биомассы и субстрата, кг О2/м3.
В формуле (1.9) знак "−" отвечает уменьшению концентрации субстрата при росте
биомассы.
В отсутствии самоокисления биомассы энергетический выход зависит от
следующих основных факторов: степень восстановления углерода субстрата, химический
состав биомассы, длина углеродной цепи молекул субстрата, соотношение затрат энергии
на рост и поддержание жизнедеятельности, сопряженность конструктивного и
энергетического обменов.
Степень восстановления углерода субстрата. Энергию, необходимую для синтеза
клеточного вещества, можно представить как сумму энергетических изменений на двух
этапах метаболизма: превращение субстрата в промежуточное вещество (например,
пируват), являющееся исходным в реакциях синтеза, и синтез клеточного материала. На
первом этапе в зависимости от степени восстановленности углерода субстрата происходит
освобождение или потребление энергии. Если степень восстановленности углерода в субстрате меньше, чем в биомассе, то на первом этапе требуются дополнительные затраты
энергии; в результате энергетический выход биомассы снижается.
Если напротив, γ субстрата меньше, чем биомассы, то необходимо прямое
окисление
субстрата
молекулярным
кислородом
для
понижения
степени
восстановленности углерода. В этих окислительных реакциях, катализируемых
различными ферментами (оксидазами, оксигеназами и пероксидазами), не обнаружено
никакого механизма улавливания энергии, т.е. в термодинамическом отношении они
ведут к потере клеткой (рассеиванию в виде тепла) части свободной энергии субстрата,
соответственно, энергетический выход падает. Таким образом, при существенном отличии
γ субстрата от γ биомассы следует ожидать более низких энергетических выходов, чем
при совпадении степени восстановленности углерода в субстрате и биомассе.
12
Химический состав биомассы. Элементный состав сухой биомассы бактерий по
результатам статистической обработки многочисленных экспериментальных данных
составляет: углерод − (46,2+2,4)%, водород − (6,8+0,4)%, кислород − (30,3+3,1)%, азот −
(8,9+1,6)%, зола − 7,8%. Это соответствует энергосодержанию 4,2 ккал/г, кислородному
эквиваленту 1,33кг О2/кг, степени восстановленности углерода 4,2 и среднему
химическому составу: белки − 60%, нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) − 20%, углеводы
− 15%, липиды − 5%. В определенных условиях может синтезироваться биомасса
аномального состава. Например, при недостатке азота в среде происходит сверхсинтез
полисахаридов, содержание которых в сухой биомассе может достигать 50 − 60%.
Затраты энергии на синтез различных компонентов биомассы неодинаковы: на
синтез 1 кг липидов и полисахаридов требуется энергии в несколько раз меньше, чем на
синтез белков и нуклеиновых кислот. Поэтому с увеличением в клетках весовой доли
липидов, полисахаридов, а также поли−β−оксимасляной кислоты, энергетический выход
возрастает.
Длина углеродной цепи молекул субстрата. Для транспортировки внутрь
бактериальных клеток молекул с длинной углеродной цепью (высокомолекулярных)
требуется их предварительное расщепление до мономеров с помощью внеклеточных
ферментов (экзоферментов), т.е. возникают дополнительные энергетические затраты,
энергетический выход биомассы снижается.
Соотношение затрат энергии на рост и поддержание жизнедеятельности. Процессы
поддержания жизнедеятельности включают оборот клеточного материала (основной
обмен), осмотическую работу по поддержанию градиентов концентрации веществ внутри
и вне клетки, подвижность клеточных органелл и т.п. Энергетические затраты на
поддержание жизнедеятельности увеличиваются в неоптимальных для роста условиях
(рН, температура и т.д.), с увеличением сравнительной токсичности органических веществ
и ростом концентрации компонентов, способных оказывать на микроорганизм токсичное
действие. В соответствии со схемой 1.5 с ростом затрат субстрата на процессы
поддержания жизнедеятельности энергетический выход падает.
Степень сопряженности конструктивного и энергетического обменов. Вся
совокупность реакций биоокисления субстрата, идущих с выделением энергии
(энергодающие процессы), называется энергетическим обменом веществ, а совокупность
реакций синтеза, в которых энергия потребляется, − конструктивным обменом. Вопрос
сопряженности конструктивного и энергетического обменов является одним из главных в
энергетике роста микроорганизмов. Это сопряжение осуществляется через
макроэргические соединения, основным из которых является АТФ. Энергия,
выделяющаяся при окислении субстрата, может запасаться в АТФ, образующейся в
результате фосфорилирования АДФ. Гидролиз АТФ приводит к выделению энергии,
которая может обеспечивать выполнение различной работы: химической (биосинтез
компонентов клетки), механической (движение клетки и её органелл), электрической
(перенос заряда против градиента электрического потенциала), осмотической (перенос
веществ против градиента их концентрации).
В аэробных условиях, когда перенос электронов от окисляемого вещества на
кислород осуществляется по дыхательной цепи, энергетический обмен относительно
независим от конструктивного обмена. В неоптимальных для роста микроорганизмов
условиях происходит разобщение этих процессов путем окисления субстрата без
образования АТФ и "холостого" гидролиза АТФ; энергия рассеивается в виде тепла, а не
используется на физиологические нужды клетки. С увеличением степени сопряженности
конструктивного и энергетического обменов энергетический выход биомассы возрастает.
Многочисленными исследованиями установлено, что при росте гетеротрофных
бактерий на простых субстратах энергетический выход биомассы является
физиологической константой (η = 0,6), если выполняются следующие условия:
синтезируется биомасса нормального состава (содержание полисахаридов не более
13
20...30%), степень восстановленности углерода в субстрате и биомассе примерно
одинаковы, степень сопряженности конструктивного и энергетического обменов
максимальна, расход субстрата на поддержание жизнедеятельности значительно меньше
его затрат на рост клеток.
Перечисленные условия, как правило, выполняются в системах неполной
биологической очистки промстоков ЦБП, т.е. когда биоокислению подвергаются наиболее
легкоокисляемые компоненты сточной воды, а самоокисление активного ила не получает
заметного развития. При росте активного ила на трудноокисляемых компонентах
промстоков энергетический выход биомассы ниже, в частности, на низкомолекулярных
производных фенола максимальный энергетический выход составляет около 0,5, а на
щелочном лигнине − не более 0,1 − 0,2.
Кислород в процессе аэробной биологической очистки в общем случае
затрачивается на прямое химическое окисление и биоокисление. Для стоков ЦБП расход
кислорода на прямое химическое окисление составляет не более нескольких процентов от
общих его затрат.
Потребление кислорода на процесс нитрификации, ведущий к окислению
аммонийного азота до нитритов и нитратов, также пренебрежимо мало. Поэтому
уравнение энергетического баланса в кислородных единицах имеет вид:
Δ ХПК сист. = Δ О2;
(1.10)
где Δ ХПК сист. − изменение (уменьшение) ХПК системы "активный ил - сточная вода",
кг О2 /м3, Δ О2 − количество потребленного кислорода кг О2 /м3.
В процессе биологической очистки ХПК сточной воды снижается, а ХПК
активного ила возрастает:
Δ ХПК сист. = ΔS − υx Δ Х;
(1.11)
где ΔS − уменьшение ХПК сточной воды, кг О2 /м3, Δ Х − прирост активного ила по
сухому весу, кг/м3, υx − кислородный эквивалент (удельное ХПК) активного ила, кг О2 /кг.
Из (1.10) и (1.11) получим:
ΔS = υx Δ Х + Δ О2;
1 = η + Z;
(1.12)
(1.13)
где Z = Δ О2/ ΔS − расход кислорода на 1 кг снятого ХПК сточной воды кг О2/ кг О2.
Соотношение (1.12), по существу, является уравнением материальноэнергетического баланса: изменение ХПК сточной воды, пропорциональное изменению
свободной энергии органических веществ, увязывается с приростом активного ила в
единицах сухого веса.
Экономический коэффициент, равный приросту активного ила на 1 кг снятого ХПК
промстоков, пропорционален энергетическому выходу:
у=
Х


;
S  Х
(1.14)
В системах неполной биологической очистки кислородный эквивалент активного
ила достаточно стабилен. В среднем υxо = 1,33 кг О2 /кг (на единицу беззольной массы
активного ила 1,42 кг О 2 /кг). Истинный экономический коэффициент уо, который равен
14
экономическому коэффициенту, при условии, что скорость самоокисления биомассы и
скорость потребления субстрата на поддержание жизнедеятельности пренебрежимо малы
в сравнении со скоростью роста микроорганизмов, составляет
уо =
 о 0,6

 0,45
 хо 1,33
При исчерпании в среде легкоокисляемых компонентов часть микроорганизмов
активного ила, лишившись доступного субстрата, переходит в эндогенную фазу
(самоокисляется). Микроорганизмы, способные утилизировать трудноокисляемые
компоненты, продолжают рост, но с более низким (чем при росте на легкоокисляемых
веществах) энергетическим выходом биомассы. По этим причинам с повышением
эффекта очистки энергетический выход падает и в пределе стремится к нулю.
Экономический коэффициент также снижается, но в силу накопления в активном иле
минеральных продуктов окисления (веществ с нулевым энергетическим уровнем) всегда
больше нуля: у ≈ 0,1. Возможный диапазон изменения коэффициента Z, как следует из
уравнения (1.13), составляет 0,4 − 1,0.
Прирост активного ила и потребление кислорода обычно относят к БПК5 сточной
воды. Из (1.12) получим:
υx·Уl + Zl =
Уl =
Х
lo
;
Zl =
S
;
lo
О 2
;
lo
(1.15)
(1.16)
Из уравнения (1.1) следует:
l0
l ;
(1.17)
l0
A  ln
l
В результате уравнение материально-энергетического баланса сводится к
уравнению взаимосвязи прироста активного ила, потребления кислорода и глубины
биологической очистки:
l
 0  ln 0
l ;
υx·Уl + Zl =
(1.18)
l0
A  ln
l
S

lo
 0  ln
1.4. КИНЕТИКА БИООКИСЛЕНИЯ В СИСТЕМАХ С АКТИВНЫМ ИЛОМ
Процесс биохимического окисления органических загрязнений в аэротенках
является одним из промышленных микробиологических процессов, но имеет ряд
особенностей.
Во-первых, активный ил − это не искусственный микробный ценоз, подобранный
из чистых культур, а экологическая система микроорганизмов, самопроизвольно
сформировавшаяся в результате ферментативной и экологической адаптации в реальных
условиях процесса. Смена режима биологической очистки, в частности, изменение
15
концентрации сточных вод, вызывает перестройку всего биоценоза. Длительность такого
адаптационного перехода может составлять несколько суток и более. Естественно, что
кинетика биоокисления будет различной в стационарном и переходном состояниях
активного ила. Например, установлено, что для неадаптированного активного ила
скорость биоокисления органических веществ промстоков прямопропорциональна
концентрации ила. Наоборот, в адаптированных системах начальная скорость
биоокисления прямопропорциональна концентрации сточной воды в широком диапазоне
БПК, а для неадаптированных систем эта зависимость описывается кривой с насыщением.
В промышленных очистных сооружениях активный ил находится в
квазистационарном состоянии, т.е. близок к адаптированным системам. Такие системы и
рассмотрены в этом разделе.
Во-вторых, объединение микроорганизмов в хлопья активного ила значительно
снижает удельную поверхность в сравнении с популяцией свободноплавающих бактерий.
В этих условиях процесс биоокисления обычно идет в диффузионной области, т.е.
лимитирующим фактором является массопередача кислорода и субстрата, а не
ферментативная активность микроорганизмов. Действительно, многочисленные данные
свидетельствуют о том, что потенциальная окисляющая способность бактериальных
клеток в свободноплавающем состоянии во много раз выше, чем в хлопьях активного ила.
Чем крупнее хлопья, тем ниже скорость биоокисления. Повышение интенсивности
перемешивания размельчает хлопки ила и увеличивает скорость массопередачи субстрата
и кислорода, что ведёт к резкому возрастанию скорости биоокисления.
В-третьих, сточная вода содержит множество различных компонентов, и её состав
в процессе биологической очистки существенно изменяется. При выражении
концентрации загрязнений в интегральных показателях (БПК5, ХПК) это следует
учитывать, ибо одно дело − исходная сточная вода с БПК5, равным 0,1 кг/м3, и другое дело
− очищенная сточная вода с БПК5 = 0,1 кг/м3: во втором случае скорость биоокисления
будет ниже.
Промышленная практика биологической очистки промстоков ЦБП и опыт
лабораторных исследований показывает, что кинетика биоокисления, при постоянной и
близкой к нулю концентрации кислорода в жидкости, вполне удовлетворительно
описывается простым уравнением:
1
λ=
;
(1.19)
1  К 0
где λ = l/lо − относительная остаточная концентрация загрязнений; l − остаточная
концентрация загрязнений по БПК5, кг/м3; τ − текущее время процесса, с; Ко − константа
скорости, с−1.
Рис. 1.6. Кинетика биоокисления сточных вод: 1 − Ко = 0,21 ч −1; 2 − Ко = 0,8 ч −1
16
При уменьшении содержания легкоокисляемых компонентов скорость
биоокисления падает. Максимальная скорость окисления, достигаемая в начальный
момент, ограничена поступлением в систему кислорода.
Таким образом, константа скорости оказывается величиной, не зависящей от
концентрации ила, и полностью определяется интенсивностью массопередачи кислорода в
аэротенке, концентрацией и составом исходных промстоков.
Закономерности биоокисления в прудах доочистки (располагаются после
аэротенков) носят другой характер. Активный ил, попадающий в пруды вместе со
сточной водой, адаптирован к условиям в аэротенках. Так как в прудах доочистки
рециркуляция ила не производится, то время пребывания активного ила в пруде недостаточно для адаптации к новым условиям (скачкообразное снижение концентрации ила).
В неадаптированных системах скорость биоокисления пропорциональная концентрации
ила. Поэтому константа скорости окисления в пруду составит:
К пр = Ко
Хпр.
;
Х
(1.20)
где Х пр., Х − соответственно, концентрация активного ила в пруду и аэротенке, кг/м3, Ко −
константа скорости окисления в аэротенке, с−1.
Эффективность биоокисления в прудах доочистки в значительной степени
определяется
условиями очистки
в аэротенках. Так как величина
Ко
прямопропорциональна объемному коэффициенту массопередачи кислорода в аэротенке,
то увеличение интенсивности аэрации в аэротенке позволяет снизить необходимое время
пребывания стоков в пруду, т.е. его объем.
1.5. СЕДИМЕНТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА АКТИВНОГО ИЛА
Седиментационные свойства активного ила играют важную роль при разделении
твердой и жидкой фаз в отстойниках, а также для определения условий поддержания
активного ила во взвешенном состоянии в аэротенках и аэрируемых прудах.
Плохое осаждение активного ила приводит к увеличению его выноса из вторичных
отстойников с очищенной водой и не позволяет поддерживать достаточно высокую
концентрацию ила в аэротенке. С другой стороны, недостаточный учет
седиментационных характеристик ила может привести к его концентрированию в
придонных слоях или скапливанию на дне аэрационных сооружений. В этих условиях
развиваются анаэробные процессы, приводящие к вторичному загрязнению очищаемых
сточных вод и, в конечном итоге, существенному снижению эффекта очистки.
Процесс осаждения активного ила можно разделить на две фазы. В течение первых
5 − 6 минут формируются крупные хлопья (I фаза), после чего происходит осаждение
сплошным слоем (II фаза). Из уплотняющегося слоя в обратном направлении вытесняется
жидкость, т.е. идет процесс фильтрации через слой активного ила, в результате которого
из сточной воды удаляется мелкодисперсная взвесь (свободноплавающие бактерии,
различная органическая и минеральная взвесь), не оседающая при свободном осаждении
(частицы диаметром 4 мкм подвержены броуновскому движению).
Для оперативного контроля работы очистных сооружений широко используется
такой показатель как иловый индекс, который равен объему в миллилитрах, занимаемому
одним граммом ила (по сухому весу) после 30-минутного отстаивания иловой смеси в
стандартном цилиндре емкостью 1л. Величина илового индекса существенно зависит от
концентрации ила в пробе, взятой для анализа (рис.1.7.). Поэтому иловую смесь
аэротенков, где Х > 1 г/л, перед определением илового индекса необходимо разбавлять
очищенной водой до концентрации ила X = 1 г/л.
17
Рис.1.7. Влияние концентрации активного ила на иловый индекс
В соответствии с концепцией хлопьеобразования, рассмотренной в разд.1.2.,
наиболее существенное влияние на иловый индекс оказывают интенсивность аэрации
(перемешивания) ила и возраст, связанный с удельной нагрузкой по БПК5.
Повышение турбулентности в системе приводит к механическому разрушению
хлопков (см. разд.1.2), но одновременно увеличивает их способность к агрегации,
проявляющуюся при отключении аэрации жидкости. По этой причине активный ил,
адаптированный к условиям высокой интенсивности аэрации, оседает и уплотняется
лучше (рис.1.8).
Рис. 1.8. Влияние объемного коэффициента массопередачи кислорода в аэротенке на
иловый индекс.
Влияние нагрузки по БПК5 на иловый индекс при средней интенсивности аэрации
(К La ≈ 3∙10 −1 с−1) показано на рис. 1.9.
С увеличением интенсивности аэрации оптимальная нагрузка (обеспечивающая
минимальный иловый индекс) возрастает. Так, для систем неполной биологической
очистки, где КLa ≈ 10−2 с−1, наименьшее значение илового индекса (і ≈ 50 мл/г) достигается
при нагрузках около 1 кг БПК5 /кг∙сут. Эта закономерность объясняется тем, что
седиментационные свойства ила определяются не размерами отдельных хлопков в
перемешиваемой среде, а их склонностью к флокуляции, которая возрастает с
увеличением турбулентности жидкостного потока и уменьшается с увеличением нагрузки
по БПК5.
18
Рис.1.9. Зависимость илового индекса от нагрузки по БПК5 на активный ил.
Как уже отмечалось, одним из необходимых условий нормального
функционирования аэрационных сооружений является предотвращение отложения ила на
их дне. Для выполнения этого условия должно обеспечиваться неравенство:
ω min ≥ 5,3 ωос. Н 0,22;
(1.21)
где ω min − минимальное значение скорости потока жидкости в сооружения, м/с; ωос. −
скорость осаждения активного ила, м/с; Н − глубина аэротенка, м.
При интенсивности аэрации, обычно имеющей место в аэротенках, средний
диаметр хлопков активного ила составляет 80 − 100мкм. При средней плотности иловых
частиц около 1010 кг/м3 скорость осаждения таких хлопков согласно общеизвестной
формуле Стокса должна составлять около 5·10−5 м/с. Однако при ламинарном осаждении в
силу многократного укрупнения хлопьев ωос. = 2 − 5 мм/с для активных илов аэротенков
(Х = 2…3 кг/м3) и около 0,8…1,0 мм/с для прудов доочистки (Хпр. = 0,05...0,07 кг/м3). Так
как глубина аэротенков составляет около 5 м, а для прудов − около 2...З м, то расчеты по
формуле (1.21) дают: аэротенк − ω min ≥ 0,02 м/с, пруд доочистки − ω min ≥0,007 м/с.
В аэротенках с пневмомеханическими аэраторами преобладающим является
движение жидкости по окружности в плоскости, параллельной дну сооружений. Условие
(1.21) применительно к окружным скоростям позволяет определить радиус действия
аэратора.
В аэротенках с пневматической аэрацией, а также с поверхностными
механическими аэраторами, циркуляционное движение жидкости происходит в
плоскости, перпендикулярной дну сооружения. В связи с этим, в углах, образуемых дном
и стенками, возникают зоны малых скоростей. Опыт показывает, что в таких условиях
заиливание может происходить даже при относительно высоких скоростях
циркуляционного потока, достигающих 0,1 − 0,15 м/с.
В наиболее общем случае грубая оценка условий незаиливания дна может быть
сделана на основе удельной мощности аэрации на единицу объема аэротенка, которая
должна быть не менее 10 вт/м3 .
Следует иметь в виду, что наличие в сооружении внутренних устройств (колонны,
опоры несущих конструкций аэраторов, воздуховоды и т.п.), затрудняющих турбулентный
обмен в объеме зоны действия аэратора, может привести к существенному уменьшению
максимального радиуса, на котором обеспечиваются условия подъема ила со дна.
19
2. ТЕХНОЛОГИЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ
2.1. МЕТОДЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ
Все методы биологической очистки подразделяются на очистку в природных и
искусственных условиях. Биологическая очистка в искусственных условиях включает
методы очистки с прикрепленной микрофлорой (биофильтры, дисковые фильтры) и
системы с активным илом как аэробные, так и анаэробные (аэротенки, аэрируемые пруды,
анаэробные сбраживатели).
Для промышленных сточных вод и, в частности, в ЦБП наибольшее
распространение получила аэробная биологическая очистка в аэротенках и аэрируемых
прудах. Этот метод используется на всех крупных предприятиях отрасли и является
основным для вновь строящихся объектов.
Со времени первых успешных результатов аэробной очистки сточных вод
активным илом, полученных Ардерну и Локкетом в 1913 − 1914 гг., предложено много
различных технологических решений. Кроме модификаций системы одноступенчатой
биологической очистки разработаны многоступенчатые схемы с использованием
аэротенков и прудов.
Одноступенчатые системы биологической очистки. Все одноступенчатые системы
(где биоокисление реализуется в одном аппарате) подразделяют на 3 группы в
зависимости от нагрузки на активный ил, задаваемой формулой:
N=
Q  l0
V Х
;
(2.1)
где N − нагрузка на активный ил аэротенка, кг БПК5 /(кг·сут.); Q − суточный расход
сточных вод, м3/сут.; .lo – БПК5 промстоков на входе аэротенка, кг БПК5 /м3; V − объем
аэротенка, м3 , X − средняя концентрация ила в аэротенке, кг/м3.
Для систем неполной биологической очистки (другие названия −
высоконагружаемые аэротенки, "скоростная" очистка) нагрузка на активный ил
превышает 0,6 кг БПК5/(кг·сут.). В системах продленной аэрации (аэротенки с глубокой
минерализацией ила) − N ≤ 0,1 − 0,2 кг БПК5/(кг·сут.). Для обычных систем полной
биологической очистки − N = 0,2 − 0,4 кг БПК5/(кг·сут.).
Основные схемы одноступенчатой очистки в аэротенках приведены на рис.2.1.
Кроме аэротенков, могут использоваться высоконагружаемые аэрируемые пруды с
рециркуляцией активного ила. В этих сооружениях, имеющих более длительный, чем в
аэротенках, период очистки (от 24 до 72 ч.), благодаря низкой концентрации активного
ила (менее 0,5 кг/м3), нагрузка на активный ил и общие закономерности биологической
очистки существенно не отличаются от таковых в аэротенках.
По действующим в ЦБП нормам (ВСН-13-76, СНиП 11-32-74), содержание
взвешенных веществ в сточной воде, поступающей в аэротенк, не должно превышать 0,1
кг/м3. Обычно для обеспечения этого условия промстоки подвергаются механической
очистке в первичных отстойниках, где при времени отстаивания около 2 часов
достигается эффект осветления 60 − 80 %. Оседающие взвешенные вещества (первичный
осадок) откачиваются насосами и поступают на дальнейшую переработку.
Биосорбционная схема (или биокоагуляция), при которой избыточный ил подается на
вход первичного отстойника и затем удаляется вместе с первичным осадком, позволяет
извлечь из сточной воды не только взвесь, но и часть мелкодисперсных взвешенных
веществ, не оседающих при свободном отстаивании (см. разд.1.5).
20
Рис. 2.1. Схемы одноступенчатой биологической очистки:
а − традиционная схема без регенерации активного ила,
б − схема с отдельной регенерацией,
в − биосорбционная схема;
1 − первичный отстойник;
2 − аэротенк; 3 − вторичный отстойник; 4 − регенератор; 5 − исходная сточная
вода; 6 − очищенная сточная вода, 8 − возвратный (рециркулируемый) активный
ил; 8 − избыточный ил; 9 − первичный осадок.
После первичных отстойников сточные воды проходят через узел нейтрализации и
добавки биогенных солей, усредняются в специальной аэрируемой емкости (усреднителе
− преаэраторе) и поступают в аэротенк.
По традиционной схеме (рис.2.1а) аэротенки работают без регенерации активного
ила. Недостатком такой технологии является узкий диапазон изменения нагрузки на
активный ил. Выделение части объема аэротенка под регенератор (где поддерживается
более высокая концентрация ила) (рис.2.1б) позволяет регулировать нагрузку в широком
диапазоне и тем самым управлять физиологическим состоянием и седиментационными
свойствами активного ила.
Согласно формуле (2.1), оптимальным способом регулирования нагрузки является
изменение дозы ила. В схеме без регенератора доза ила в аэротенке составляет:
Х=
Q  B0  q  X
Qq


1
X ;
(2.2)
где Q − расход возвратного ила, м3/сут.; Bo − концентрация взвешенных веществ в сточной
воде на входе аэротенка, кг/м3; Хτ − концентрация возвратного ила, кг/м3; τ = q /Q −
коэффициент рециркуляции.
В схеме с рециркуляцией:
Х
Ха  Vа  X  V



X  (1  ) ;
V
1

21
(2.3)
V = Va + Vτ;

V
;
V
Ха =

1
Х ;
(2.4)
где Va, Vτ − объемы собственно аэротенка и регенератора, м3; V − общий объем аэротенка,
м3;  − коэффициент регенерации (при выражении в % − называют процентом
регенерации).
Концентрация возвратного (рециркулируемого) ила, представляющая обычно
6…10 кг/м3, определяется способностью ила к уплотнению и характеристиками
вторичных отстойников (временем пребывания ила в зоне уплотнения, конструкцией
сооружений). Этот параметр нельзя рассматривать как управляемый, так как он сам
зависит от нагрузки на активный ил.
Из уравнений (2.1) – (2.4) следует, что в системах без регенерации управление
нагрузкой для обеспечения оптимальных седиментационных характеристик активного ила
может осуществляться только с помощью коэффициента рециркуляции, а в схеме с
регенерацией дополнительным управляющим параметром является коэффициент
регенерации. На практике τ = 0,4 − 0,6,  = 0 − 0,75. В схеме без регенерации − Х = 1−3
кг/м3, с регенерацией − Х = 1 − 6 кг/м3, т.е. может быть увеличена примерно в 2 раза.
Многоступенчатые системы биологической очистки. Предпосылкой создания
многоступенчатых систем послужила наблюдаемая в результате многочисленных
исследований видовая специфичность биоценозов, развивающихся на исходной и
прошедшей биологическую очистку сточной воде. Так, в активном иле обычных
одноступенчатых аэротенков количество бактерий, растущих на щелочном лигнине,
составляет 10 − 100 мг/кг ила, а в активном иле, развивающемся на биологически
очищенной (на 90 − 98 % по БПК5) сточной воде их количество возрастает в 100 − 1000
раз.
При проведении процесса в несколько ступеней создаются условия для
формирования на каждой из них своих специфических активных илов (биоценозов),
оптимальных для биоокисления соответствующих компонентов (с более высокой
скоростью, чем в одноступенчатой системе). К таким условиям относятся рециркуляция
активного ила на каждой ступени и снижение до минимума выноса активного ила с
каждой ступени на последующие.
Активный ил некоторой і - ной ступени биологической очистки состоит из массы,
образовавшейся в результате утилизации органических загрязнений и активного ила,
выносимого со сточной водой из предыдущей (і – 1)-ой ступени. Соответственно,
фактором специфичности активного ила і - ной ступени может служить весовая доля
синтезированной здесь биомассы:
ζi 
Хt
Bi 1  X i

yi S i
;
Bi 1  yi S i
(2.5)
где ζ i − фактор специфичности активного ила і - ной ступени; Δ Х і – прирост биомассы
за счет потребления органических веществ на на і-ной ступени, кг/м3; Bi-1 вынос
активного ила с (i −1)-ой ступени на і-ную ступень, кг/м3; yi − экономический
коэффициент на i-ой ступени, кг/кг ХПК; ΔSi − уменьшение ХПК промстоков на i-ой
ступени, кг ХПК/м3.
Из анализа соотношения (2.5), принимая ограниченность снизу величины B i-1,
следует, что с увеличением числа ступеней очистки фактор специфичности падает, что
связано с уменьшением количества загрязнений Δ Si, удаляемых на каждой отдельной
ступени. В пределе, при i → ∞, фактор специфичности обращается в нуль, т. е.
многоступенчатая схема вырождается в одноступенчатую. То же происходит и при
22
значительном возрастании выноса активного ила из отстойников, т. е. при выполнении
условия: В i-1 >>Δ Х і.
На практике вынос активного ила с одной cтупени на последующую минимально
может составлять 0,05 − 0,1 кг/м3 и достигать таких значений, как 0,5 − 0,6 кг/м3. В этих
условиях для достаточной (ζ i ≥ 0,5) специфичности биоценозов по ступеням очистки (тем
самым целесообразности применения многоступенчатой схемы) необходимо, чтобы на
каждой ступени удаления ХПК промстоков превышало 0,3 − 0,5 кг ХПК/м3. Отсюда
следует, что многоступенчатая технология очистки должна применяться только для
достаточно концентрированных промстоков. При этом, чем больше концентрация
сточных вод, тем больше может быть число ступеней очистки. В диапазоне БПК5 = 0,4 −
1,0 кг/м3 достаточное разделение биоценозов по ступеням обеспечивает двухступенчатая
схема. При БПК5 >1,0 кг/м3 можно использовать трехступенчатую схему очистки. При
БПК5 <0,4 кг/м3 применение многоступенчатой технологии нецелесообразно, за
исключением тех случаев, когда в силу особой экологической обстановки в регионе
требуется максимальная эффективность очистки.
Сточные воды ЦБП, поступающие на внеплощадные очистные сооружения, имеют,
как правило, БПК5 не более 1,0 кг/м3. Поэтому трехступенчатые системы практически не
используются. Два варианта двухступенчатых схем приведены на рис.2.2.
Рис.2.2. Основные ступенчатые схемы биологической очистки:
а − двухступенчатые аэротенки; б − схема с локальной биологической очисткой
концентрированных стоков; 10 − концентрированный сток. Остальные
обозначения те же, что и на рис.2.1.
Системы с доочисткой стоков. Доочистка в низконагружаемых аэрируемых прудах
(без рециркуляции активного ила), главным образом, предназначена для стабилизации
качества очищенных стоков перед их сбросом в водоем. При времени пребывания сточной
воды около одних суток эффект очистки по БПК5 в прудах доочистки в среднем
составляет 20 – 50 %, но с повышением срока эксплуатации может существенно снизиться
в силу постепенного накопления и загнивания осадка в придонных анаэробных зонах. Для
предотвращения вторичного загрязнения сточной воды необходимо обеспечить их
соответствующими перемешивающими устройствами (аэраторами на понтонах) или
периодически удалять осадок (для чего могут применяться специальные насосы или
земснаряды).
Примеры схем с доочисткой в аэрируемых прудах приведены на рис. 2.3.
23
Рис.2.3. Схемы биологической очистки с доочисткой стоков в аэрируемых прудах:
а – одноступенчатая схема с доочисткой в пруду;
б – двухступенчатая схема с доочисткой в пруду;
11 – пруд доочистки. Остальные обозначения те же, что и на рис.2.1., 2.2.
Для очистки сточных вод с БПК5 менее 0,2 кг/м3 (стоки картонно-бумажных
фабрик и др.) аэрируемые пруды могут использоваться как самостоятельные очистные
сооружения. Скорость биологической очистки в прудах без рециркуляции активного ила
существенно зависит от температуры: в диапазоне 10 − 30°С с уменьшением температуры
на 10°С скорость очистки падает примерно в 2 раза. В силу сравнительно небольшой
глубины прудов, значительного времени пребывания в них стоков и низкой
интенсивности аэрации температура воды определяется температурой атмосферного
воздуха. По этим причинам использование аэрируемых прудов как самостоятельных
очистных сооружений оправдано только в теплых климатических зонах с небольшими
сезонными колебаниями температуры воздуха (+5 − +35°С).
2.2. ТИПЫ АЭРАЦИОННЫХ СООРУЖЕНИЙ
Аэрационные сооружения для биологической очистки являются разновидностью
биохимических реакторов. По гидродинамическому режиму они делятся на вытеснители и
смесители.
Реактором идеального смешения называют аппарат, в котором интенсивность
продольного перемешивания бесконечно велика, что приводит к мгновенному
выравниванию концентрации в объеме смешения. Формально такой режим соответствует
Ре = 0, где Ре − число Пекле:
 l
Ре =
;
(2.6)
Dl
где ω − скорость продольного течения жидкости в реакторе, м/с; l − длина реактора, м;
Dl − коэффициент продольного перемешивания (турбулентной диффузии), м2/с.
24
Другой предельный случай (Ре = ∞) соответствует модели реактора идеального
вытеснения, в котором продольная диффузия полностью отсутствует (Dl = 0), а жидкость
в аппарате движется с одинаковой скоростью во всех точках сечения ("поршневое
течение").
В коридорных аэротенках типовых конструкций при ширине коридора 8 − 10м,
глубине 4 − 5м и обычной интенсивности аэрации (1−2м3 воздуха на 1 м3 объема аэротенка
в час) коэффициент турбулентной диффузии в продольном направлении составляет около
0,3 м2/с. При общей длине аэротенка 200 − 400м и среднем времени пребывания жидкости
4 – 6 ч. число Пекле принимает значения 12 – 25. Это означает, что продольное
перемешивание в аэротенке протекает намного медленнее, чем перенос растворенных
веществ с протоком, и позволяет рассматривать коридорные аэротенки такого типа как
реакторы идеального вытеснения.
Типовые проекты коридорных аэротенков разработаны для широкого диапазона
производительности очистных систем. Объем одной секции аэротенка составляет от 1040
до 30600 м3. Имеются варианты двух-, трех- и четырехкоридорных аэротенков с
переменным объемом регенератора.
В последнее время стали использоваться бескоридорные аэротенки, оборудованные
пневмомеханическими и механическими аэраторами (рис. 2.4.).
Рис. 2.4. Схема бескоридорного аэротенка с пневмомеханическими аэраторами:
1 − поступающая сточная вода; 2 − выходящая сточная вода; 3 − возвратный
активный ил; 4 − пневмомеханические аэраторы.
В зоне действия каждого аэратора время выравнивания концентрации составляет
не более нескольких минут, что приблизительно в 10 раз меньше среднего времени
пребывания иловой смеси. Значительные циркуляционные потоки между соседними
зонами приводят к быстрому выравниванию концентрации и во всем объеме.
Обследования гидродинамического режима в бескоридорных аэротенках показали, что
число Пекле обычно не превышает 0,1. Это позволяет считать распределение
концентраций в объеме аэротенка близким к равномерному, т. е. соответствующим
идеальному смешению.
Более высокой технологической гибкостью обладают секционированные аэротенки
(рис. 2.5), которые могут эксплуатироваться по схеме смесителя, вытеснителя, со
ступенчатой подачей сточной воды либо активного ила при широком диапазоне
варьирования степени регенерации.
Несмотря на длительную практику использования аэротенков, преимущества и
недостатки смесителей и вытеснителей выяснены еще не до конца. При равных объемах
вытеснителя и смесителя и одинаковом коэффициенте рециркуляции среднее
(гидравлическое) время пребывания воды в смесителе составляет только 70% среднего
времени пребывания в вытеснителе. Исходя из этого, возникло мнение, которое
25
некоторые исследователи разделяют до сих пор, при прочих равных условиях
вытеснитель более эффективен, чем смеситель.
Рис. 2.5. Схема секционированного аэротенка. Обозначения те же, что и на рис.2.4.
Сторонники этой точки зрения основываются не на опытных данных, а на
теоретических расчетах, в которых аэротенки рассматриваются как химические реакторы,
а не как биохимические системы со свойственными им адаптационными перестройками
активного ила.
Практика эксплуатации очистных сооружений и специальные промышленные и
лабораторные исследования показали, что при нормальной работе и стабильной нагрузке
по БПК5 (и взвешенным веществам) обе системы (смеситель и вытеснитель) имеют
идентичные характеристики по следующим показателям: эффект очистки по БПК5, вынос
активного ила с очищенной водой. Различия относятся к приросту активного ила и
расходу кислорода: в аэротенках полной биологической очистки при одинаковом расходе
кислорода (дефицит кислорода близок к 1) прирост ила в вытеснителе больше, чем в
смесителе. При значительном содержании кислорода (дефицит кислорода существенно
меньше 1) его расход в вытеснителе больше, чем в смесителе, а прирост ила примерно
одинаков. Типичным в ЦБП является первый случай (дефицит кислорода близок к 1).
В условиях нестабильной нагрузки по БПК5 аэротенк-смеситель имеет
определенные преимущества. Влияние неравномерности параметров зависит от периода и
амплитуды их колебаний. Если период колебаний превышает время адаптационной
перестройки биоценоза активного ила (которое по порядку величины совпадает с
возрастом ила) или значительно меньше времени пребывания жидкости в аэротенке, то
такая нестабильность нагрузки по БПК5 оказывает минимальное воздействие на
эффективность очистки и другие характеристики процесса. Наибольшее отрицательное
воздействие оказывают колебания, имеющие период, превышающий гидравлическое
время пребывания в аэротенке (в среднем 4 − 6 час), но меньший, чем возраст ила (для
систем полной биологической очистки в среднем 5 − 7 сут), т.е. колебания с периодом
около 1 суток. В системах полной биологической очистки с увеличением амплитуды
таких колебаний эффект очистки падает. Приведенные данные свидетельствуют о более
высокой устойчивости аэротенка-смесителя к колебаниям расхода и концентрации промстоков.
С уменьшением среднего эффекта очистки (увеличением нагрузки по БПК5)
влияние неравномерности нагрузки становится менее ощутимым, и различия в
эффективности смесителей и вытеснителей сглаживаются.
2.3. СИСТЕМЫ АЭРАЦИИ
По способу ввода кислорода и энергии для перемешивания жидкости в аэротенке
системы аэрации делятся на 3 группы:
26
1) пневматические (барботажные) системы, использующие энергию сжатого
воздуха;
2) механические системы, основанные на использовании механического
перемешивания;
3) комбинированные (пневмомеханические) системы.
В настоящее время наиболее распространены пневматические системы аэрации,
которыми оснащаются коридорные аэротенки. Дополнительное движение жидкости в
сооружениях с пневматической аэрацией возникает как следствие ввода энергии с
потоком воздуха. Воздух подается под уровень жидкости, как правило, у одной из стенок
коридора. Над барботером образуется расширяющийся по мере подъема газожидкостный
факел. Так как плотность этой газожидкостной струи значительно меньше плотности жидкости, в поперечном сечении аэротенка возникает движущая сила и замкнутое
циркуляционное движение жидкости (рис. 2.6).
Рис. 2.6. Схема потока жидкости в поперечном сечении коридорного аэротенка с
пневматической аэрацией
Пневматические аэраторы обычно располагают вблизи дна аэротенка (глубинная
аэрация). Наряду с этим используются и поверхностные аэраторы с расположением
воздухораспределителей на глубине около I м, что позволяет подавать воздух с помощью
вентиляционных установок.
При глубинной аэрации применяются мелкодисперсные барботеры (фильтросные
пластины, пористые трубы и т.д.) и перфорированные трубы с диаметром отверстий 8 −10
мм.
Керамические фильтросные пластины с диаметром пор 80... 150 мкм дают пузыри
воздуха размером около 1,5 мм. Однако в условиях аэротенка такие пузыри неустойчивы
и сливаются при столкновении. В результате уже на высоте около 1 м размер пузырьков
при мелкодисперсной аэрации практически не отличается от такого при аэрации через
дырчатые трубы (равновесный эквивалент диаметр пузыря воздуха составляет около 16
мм). Поэтому при глубине погружения аэраторов 5 м эффективность мелкодисперсной
аэрации только в 1,5 раза выше эффективности абсорбции кислорода при аэрации через
перфорированные трубы. С учетом быстрой закупорки пор (с внешней стороны осадком,
а с внутренней пылью), малого срока эксплуатации фильтросных пластин, сложностью их
замены, применение аэраторов с крупной перфорацией оказывается более выгодным. По
указанным причинам на вновь строящихся объектах ЦБП фильтросные пластины уже не
используются, а на действующих очистных сооружениях заменяются на
перфорированные трубы (или пневмомеханические аэраторы).
Затраты энергии при аэрации перфорированных труб составляют 0,8 − 1,2 кВт∙ч на
1 кг растворенного в воде кислорода (в стандартных условиях, т.е. при аэрации чистой
воды с температурой 20°С при дефиците кислорода 1).
Механические аэраторы подразделяются по глубине погружения в жидкость на
поверхностные и глубинные. Ось вращения ротора, снабженного лопастями, может
располагаться горизонтально и вертикально. На сооружениях средних и крупных
масштабов чаще применяют аэраторы с вертикальной осью вращения. Конструкции этих
аэраторов весьма разнообразны, их производительность по кислороду в стандартных
27
условиях составляет 30 − 80 кг О2/ч, а максимальная зона действия, где активный ил не
оседает, достигает 20 тыс. м3. Расход энергии на 1 кг кислорода значительно меньше, чем
для пневматических систем и составляет для аэраторов ЛенНИИхиммаша около 0,6 кВт
·ч.
В аэрируемых прудах доочистки широко применяются всасывающие аэраторы
конструкции ЛенНИИхиммаша, устанавливаемые на понтонах (рис. 2.7).
Рис. 2.7. Схема механического всасывавшего аэратора:
1 − ротор; 2 − статор с воздушной трубой; 3 − лопастная мешалка; 4 − понтон
Основной частью аэратора является всасывающий узел, который состоит из ротора
(закрытой турбинной мешалки) и статора с воздушной трубой. Назначение этого узла −
всасывание воздуха в воду и его диспергирование. Глубина погружения турбины – около
0,5м. Для массопередачи растворенного кислорода из области всасывания пузырьков
воздуха в окружающую жидкость и ее перемешивания, необходимого для поддержания
активного ила во взвешенном состоянии, аэратор снабжен дополнительно лопастной
мешалкой.
В последнее время дли очистки промстоков в аэротенках широко используются
пневмомеханические аэраторы. Принцип их действия заключается в механическом
диспергировании воздуха, подаваемого снизу через барботер (рис. 2.8). Диаметр
пузырьков воздуха составляет всего 3 – 4 мм, благодаря чему создается развитая
поверхность контакта "газ-жидкость" и интенсифицируется массопередача кислорода.
Рис. 2.8. Схема пневмомеханического аэратора:
1 − верхняя мешалка; 2 – нижняя мешалка; 3 – барботер; 4 – трубопровод подачи
сжатого воздуха.
В этих системах при значительном снижении расхода воздуха достигается более
высокая интенсивность массообмена, чем при пневматической аэрации: в среднем
коэффициент массопередачи кислорода из газа в жидкость составляет (8 – 12)·10−3 м/с
против (3 – 6)·10−3 м/с при оборудовании аэротенков системой пневмоаэрации из
перфорированных труб. Применение пневмомеханических аэраторов позволяет повысить
окислительную мощность аэротенков до 3000 – 5000 г БПК5 /м3·сут., т.е. почти вдвое
интенсифицировать процесс биологической очистки в сравнении с пневматическими
системами.
При сравнении методов аэрации необходимо учитывать, что пневматические
системы (перфорированные трубы) требуют наличия воздуходувных станций, но наиболее
28
просты и надежны в эксплуатации. Механические аэраторы требуют регулярного
обслуживания на площадке; пневмомеханические аэраторы требуют обслуживания на
площадке и воздуходувной станции, но обеспечивают более высокую устойчивость
системы даже при отключении одной из составляющих (механической мешалки или
барботажа).
2.4. ВЗАИМОСВЯЗЬ И ВЗАИМОВЛИЯНИЕ ОТДЕЛЬНЫХ БЛОКОВ СИСТЕМЫ ОЧИСТКИ
Очистные сооружения представляют комплекс взаимосвязанных блоков, среди
которых можно выделить (рис. 2.9) первичные отстойники (1), аэротенки (2), вторичные
отстойники (3), пруды доочистки (4), блок обработки и утилизации осадков (5),
включающий илоуплотнители (6), цех механического обезвоживания (7) и систему
конечной утилизации (8), куда могут входить илонакопители, илоотвалы, цех сушки и
сжигания осадка с утилизацией тепла. Перспективным направлением утилизации осадков
является их использование в качестве удобрения и добавок к кормам животных в
сельском хозяйстве, а также непосредственно в целлюлозно-бумажном производстве в
процессах варки целлюлозы, изготовления древесноволокнистых плит, мешочной бумаги
и т.п.
Рис. 2.9. Взаимосвязь основных технологических блоков очистных сооружений
промстоков ЦБП: 1 – 8 – пояснения в тексте; 9 – сточная вода; 10 – очищенная
вода; 11 – возвратный активный ил; 12 – избыточный ил; 13 – первичный
осадок; 14 – декантат с илоуплотнителей; 15 – уплотненный осадок; 16 –
обезвоженный осадок; 17 – фугат с центрифуг или фильтрат с вакуумфильтров и прессов; 18 – конечные продукты; 19 – циркуляционный поток
(декантат с илонакопителей).
В технологической цепи очистных сооружений эффективность работы каждого
последующего блока зависит от предыдущего, а наличие в системе рециркуляционных
контуров значительно усложняет взаимосвязи блоков.
Вынос взвешенных веществ из первичных отстойников влияет на
физиологическую активность ила в аэротенке. В силу низкой степени биодеградации
взвешенных веществ промстоков ЦБП они включаются в инертную часть ила, снижая тем
самым долю физиологически активной биомассы. Установлено также, что мелкодисперсная взвесь, сорбируясь на поверхности активного ила, препятствует проникновению к
микроорганизмам растворенных веществ промстоков. В результате, с уменьшением
29
эффекта осветления стоков в первичных отстойниках снижается скорость биоокисления и
глубина очистки в аэротенках.
Режим работы аэротенков (нагрузка по БПК5 на активный ил, доза ила, процент
регенерации, интенсивность аэрации) определяет седиментационные свойства активного
ила и, следовательно, влияет на эффективность разделения фаз и степень уплотнения ила
во вторичных отстойниках (см. разд.1.5.).
От выноса активного ила из вторичных отстойников и режима работы аэротенков
зависит эффект биологической очистки в прудах (см. разд. 1.4.). При этом с увеличением
величины выноса, с одной стороны, растет скорость биоокисления в прудах, а с другой
стороны, все в большей степени сказываются процессы вторичного загрязнения воды
продуктами гниения осевшего ила, возрастает содержание взвешенных веществ в потоке
на выходе прудов доочистки. При интенсивности аэрации в прудах, рассчитанной на дозу
активного ила около 0,05 кг/м3, возрастание выноса активного ила из вторичных
отстойников до 0,1 − 0,2 кг/м3 обычно приводит к отрицательным последствиям: в прудах
доочистки происходит не снижение, а напротив, увеличение БПК5 промстоков.
Сооружения по обработке осадков влияют на работу всех блоков, поскольку от них
на вход системы поступают потоки, содержащие значительные количества растворенных
и взвешенных веществ. Например, в декантате с илоуплотнителей, расход которого
составляет около 0,02 − 0,04 расхода промстоков, содержание взвешенных веществ (смеси
первичного осадка и инактивированного в анаэробных условиях активного ила) достигает
1 – 10 кг/м3 при БПК5 растворенных веществ около 0,1 кг/м3.
Учитывая взаимовлияние отдельных блоков системы, которое отражается на общей
эффективности процесса биологической очистки, при проектировании очистных
сооружений на технологические параметры накладывается ряд ограничений. Так,
согласно действующим в отрасли проектным нормам (ВСН-13-76), концентрация взвешенных веществ на выходе первичных отстойников не должна превышать 0,1 кг/м3 при
БПК5 промстоков около 0,3 кг/м3. В аэротенках доза активного ила должна составлять не
более 2...3 кг/м3, что связано с ограничениями по массовой нагрузке на вторичные
отстойники. Нагрузка по БПК5 на активный ил и его возраст должны находиться в
диапазоне, обеспечивающем хорошие седиментационные свойства активного ила (см.
разд. 1.5.). Производительность блока обработки и утилизации образующихся осадков
должна отвечать общему приросту активного ила в системе.
На действующих очистных сооружениях в силу различных причин указанные
ограничения могут не выполняться, что приводит к нарушению предусмотренной в
проекте сбалансированности работы отдельных блоков и снижению эффективности
очистки. Отечественный опыт показывает, что основной причиной пониженной
эффективности биологической очистки является недостаточная производительность блока
обработки осадков, приводящая к поступлению на вход системы с рециркуляционными
потоками вторичных загрязнений (см. рис. 2.9.), в частности, инактивированного
активного ила и продуктов его деструкции.
2.5. ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАЗЛИЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ОЧИСТКИ
Основным фактором, управляющим скоростью очистки промстоков, является
интенсивность аэрации, а эффективность процесса зависит от расхода кислорода и в
каждой из технологических схем ограничена сверху. Эти ограничения обусловлены,
прежде всего, технологическими и экономическими факторами.
Одноступенчатые системы. С увеличением удельного расхода кислорода эффект
очистки по БПК5 возрастает в соответствии с зависимостью, представленной на рис. 2.10.
30
Рис. 2.10. Влияние удельного расхода кислорода на глубину
промстоков в одноступенчатых аэротенках.
биологической очистки
Значительное увеличение
удельного расхода кислорода предполагает
одновременное снижение нагрузки на активный ил. Это обусловлено следующими
причинами. Интенсивность аэрации в аэротенках ограничена: снизу условием
поддержания активного ила во взвешенном состоянии, сверху – повышенным
пенообразованием и снижением коэффициента использования кислорода аэрирующего
воздуха при высокой интенсивности аэрации. Отсюда и из формул (1.19), (1.20) вытекает,
что изменение в широком диапазоне эффекта очистки нельзя обеспечить только с
помощью параметра массообмена КLa, необходимо и дополнительное изменение периода
аэрации. Так как период аэрации T = V/Q, то согласно формуле (2.1) с его увеличением
нагрузка на активный ил падает. Зависимость эффекта очистки от нагрузки не является
однозначной: при некоторой величине нагрузки эффективность очистки находится в
диапазоне, задаваемом возможным диапазоном удельного расхода кислорода (рис. 2.11).
Рис.2.11. Зависимость глубины очистки промстоков от нагрузки на активный ил
Технологические ограничения эффективности одноступенчатых схем очистки
связаны, прежде всего, с гравитационным способом разделения фаз (активного ила и
воды). Уменьшение нагрузки по БПК5 на активный ил, необходимое для повышения
эффекта очистки, ниже определенного уровня (0,2 − 0,3 кг БПК5 /кг∙сут.) вызывает
разрыхление и диспергирование хлопьев ила, повышение его выноса с очищенной водой
из вторичных отстойников. В результате падает эффект очистки по взвешенным
веществам, а в конечном итоге, с приближением выноса к величине прироста ила, может
произойти полное его вымывание из системы. Минимальное значение нагрузки, при
31
которой одноступенчатые схемы ещё работоспособны, составляет 0,05 − 0,10 кг
БПК5/кг∙сут (аэротенки продленной аэрации).
Дополнительным
фактором,
существенно
снижающим
эффективность
одноступенчатых схем, является нестационарность процесса, вызванная колебаниями
расхода, концентрации, состава и температуры стоков. Резкие изменения исходных
параметров системы служат причиной адаптационных перестроек биоценоза активного
ила, в процессе которых скорость биоокисления ниже потенциально возможной. В
стационарном режиме эффект очистки по БПК5 в одноступенчатых системах достигает
98% при выносе активного ила не более 0,03 кг/м3. Но в промышленных условиях, когда
коэффициент суточной неравномерности нагрузки на активный ил составляет 1,3 − 1,6,
эффективность одноступенчатых схем обычно не превышает 95 – 96 %. При этом
традиционная система (рис. 2.1а) дает эффект очистки по БПК5 до 95 %; биосорбционная
система (рис.2.1в) − до 95 − 96 %; а схема с доочисткой в пруде (рис.2.3а) − до 96 − 97 %.
Двухступенчатые системы. Благодаря формированию на каждой ступени
специфических биоценозов, утилизирующих соответствующие компоненты стоков с
более высокой скоростью, двухступенчатые системы (рис.2.2а) позволяют повысить
эффективность очистки по БПК5 в реальных условиях до 98 – 98,5 %. Максимальная
эффективность достигается при наилучшем разделении (специфичности) биоценозов 1 и 2
ступеней. Этому соответствует минимальная величина выноса активного ила с 1 ступени
на вторую и обеспечение эффективности очистки на 1 ступени в диапазоне 70 – 80 % (при
общем эффекте очистки свыше 90 – 95 %). При отклонении эффекта очистки по БПК5 на
1 ступени от 70 – 80 % и возрастании выноса ила на вторую ступень двухступенчатая
система вырождается в одноступенчатую, эффективность очистки снижается (рис.2.12).
Рис. 2.12. Влияние эффекта очистки по БПК 5 на 1 ступени Е и выноса активного ила с
первой ступени B1 на эффект очистки промстоков в двухступенчатой системе
при удельном расходе кислорода Zр = 1,15 кг О2/кг БПК5: 1 − B1 /lо = 0; 2 − B1 /lо
= 0,5; 3 − B1 /lо = 1,0.
В двухступенчатых системах прирост активного ила выше, чем в одноступенчатых,
что требует более высокой производительности блока обработки и утилизации осадков.
Не учет этого обстоятельства, как отмечалось в предыдущем разделе, приводит к
уменьшению эффекта очистки. Так, на одном из действующих в отрасли объектов, где
используется двухступенчатая система, недостаточный вывод избыточного ила явился
причиной снижения эффекта очистки по БПК5 до 93% против проектной величины 96,5%.
32
2.6. ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СИСТЕМ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ
Целью совершенствования систем биологической очистки является повышение
глубины окисления компонентов сточных вод, направленное на максимальное
сокращение их воздействия на водоемы с одновременным сокращением затрат на процесс
биологической
очистки.
В
этом
направлении
перспективным
является
дифференцированный подход к качественной и количественной оценке отдельных
потоков сточных вод ЦБП перед их объединением и сбросом на общие (внеплощадочные)
очистные сооружения, в частности, выделение и локальная очистка токсичных и наиболее
концентрированных потоков с одновременным получением биопродуктов.
К потокам, содержащим токсичные вещества (сернистые, хлорорганические
соединения и другие), относятся конденсаты варочного и выпарного цехов сульфатноцеллюлозного производства и стоки отбельных цехов. Выделение в отдельные потоки
токсичных стоков позволяет организовывать с помощью специализированной
микрофлоры, которая присутствует в активном иле внеплощадочных очистных
сооружений, но не является там доминирующей, локальную биологическую очистку с
высокой эффективностью удаления токсичных компонентов.
Локальная
биологическая
очистка
конденсатов
сульфат-целлюлозного
производства позволит переводить сероорганические вещества в нетоксичные окисленные
формы или накапливать их в виде растворенной серы в биомассе микроорганизмов.
Последний вариант делает возможным при сжигании образующейся биомассы
регенерировать серу, возвращая её в основное производство.
Для локальной очистки конденсатов могут использоваться аэротенки и
биофильтры с загрузкой из коры. Такие установки уже действуют в ряде зарубежных
стран (Швеция, Финляндия, Великобритания). Советскими специалистами (ЛТИ ЦБП)
создана и прошла успешные испытания на одном целлюлозном заводе опытнопромышленная установка по биологической очистке конденсатов от сернистых
соединений (диметилсульфид, диметилдисульфид, метилмеркаптан) и метанола.
Лабораторными исследованиями показана возможность биологической очистки
стоков с отбелки целлюлозы, в частности, от ступеней щелочения и гипохлоритной
отбелки. При очистке в аэротенках величина БПК5 этих стоков снижается на 80 − 90 %.
Исследованиями советских ученых (ВНПОбумпром) установлено, что
биологический метод пригоден для обработки таких высококонцентрированных потоков
(БПК5 до 30 кг/м3), как сульфатный и сульфитный щелока, последрожжевая бражка. По
скоростям биоокисления их можно расположить в ряд по возрастанию: сток сульфатного
производства, гидролизная последрожжевая бражка, сток сульфитного производства,
сульфитно-спиртовая последрожжевая бражка.
Для очистки высококонцентрированных стоков более эффективен аэротенксмеситель с пневмомеханической аэрацией. В этом аппарате ингибирующее действие на
микроорганизмы высоких концентраций субстрата минимально, а высокий уровень
массообмена и массопередачи кислорода позволяет в 20 − 25 раз увеличить скорость
биоокисления в сравнении с очисткой общего стока на внеплощадочных сооружениях.
Целесообразность выделения указанных концентрированных стоков определяется
рядом причин: возникает возможность утилизации специфических осадков и биомассы,
резко снижается нагрузка на внеплощадочные очистные сооружения при одновременной
стабилизации качественных и количественных характеристик общего стока. За счет более
высоких скоростей биоокисления на локальных установках снижается уровень
эксплуатационных и капитальных затрат. Суммарная экономическая эффективность
применения локальных очистных установок зависит от пути утилизации образующейся
биомассы.
Избыточный ил, несмотря на то, что он является биопродуктом, сильно загрязнен
механическими примесями − волокном, корой, минеральными веществами (до 30 − 40%),
33
а также в ряде случаев солями тяжелых металлов и углеводородами, в частности,
бензпиреном. Это ограничивает его применение в качестве кормовых продуктов и делает
дорогостоящим выделение из ила отдельных биопродуктов (витамин В12, аминокислоты и
т.д.).
Отечественными исследованиями установлено, что соли тяжелых металлов
сорбируются капсульными веществами активного ила и практически не проникают внутрь
микроорганизмов. Бензпирен, растворяясь в липидах, транспортируется внутрь клеток.
Для обезвреживания активного ила за рубежом разработан метод удаления ионов
тяжелых металлов с помощью электролиза. В связи с тем, что бензпирен обнаружен
внутри клеток, проводятся исследования по его деструкции с помощью микроорганизмов.
Но эффективных и экономических решений пока не найдено.
Практический интерес представляет способ утилизации избыточного активного
ила, основанный на выращивании кормовых организмов (зоопланктона). Такие
организмы, как дафнии и моины избирательно используют в пищу только микробные
клетки активного ила и образуют кормовую биомассу, пригодную для разведения рыб. В
результате на загрязненном активном иле получаются ценные сбалансированные корма
(стоимость товарных дафний около 500 рублей за 1 т), и в то же время остаточное
количество твердых отходов сокращается примерно в 3 раза.
В этом отношении интересен опыт работы сооружений биологической очистки
сточных вод Понинковской картонно-бумажной фабрики, где для очистки стоков
использована двухступенчатая схема аэрируемых прудов. Качество очищенных вод после
второй ступени очистки благоприятно для развития дафний и хирономид, кормом для
которых служит активный ил, выносимый из пруда первой ступени очистки. Опыты,
проводимые в течение несколько лет, показали, что в прудах второй ступени условия
(качество воды и кормовая база) благоприятны для разведения карпа. При количестве
посадочного материала (мальки, годовики и двухгодовики массой 2 − 200г) менее 50 кг
на 1га через 3,5 месяца получен урожай рыбы 1 т на 1 га. Это в 5 раз больше, чем в
рыбоводных прудах с естественной продуктивностью (без подкормки) для условий той же
климатической зоны.
Проведенными в ВНПОбумпром исследованиями выявлены новые способы
обработки избыточного активного ила, позволяющие получить определенные продукты с
заданными свойствами. Таким способом является водный гидролиз избыточного
активного ила в определенных режимах, позволяющий наряду с сокращением общего
количества (на 30 − 80%) и объема (в 2 − 5 раз) активного ила получить такие ценные
продукты как биостимуляторы для биохимических процессов, амины и т.д.
Накапливающиеся при водном гидролизе в жидкой фазе биостимуляторы способны ускорять различные микробиологические процессы, включая и биологическую очистку
сточных вод. Другие продукты водного гидролиза ила (амины) могут использоваться для
интенсификации процесса делигнификации в качестве аминосодержащих реагентов на
стадии варки целлюлозы. Гидролизат активного ила применим
как проклеивающее
вещество при производстве бумаги.
Рассмотренные технологические решения отражает принципиальная схема,
приведенная на рис.2.13.
В ряде случаев для обработки концентрированных стоков рациональным является
использование чистых культур микроорганизмов (дрожжей, грибов, хлореллы). В
частности, доокисление последрожжевой бражки с помощью определенных штаммов
низших грибов дает дополнительный кормовой белок при одновременном снижении БПК5
этих стоков на 90 %. Процесс впервые внедрен на Архангельском ЦБК и в перспективе
будет применен на других сульфитно-целлюлозных предприятиях. Наряду с сокращением
загрязнений это позволит промышленности получить для народного хозяйства десятки
тонн кормовой биомассы.
34
Рис.2.13. Перспективы применения биологических методов обработки стоков ЦБП и
получения биопродуктов: 1 − локальная биологическая очистка токсичных
стоков; 2 − твердые отходы; 3 − механическая обработка; 4 − биологическая
очистка с активным илом; 5 − пруды доочистки (1 и 2 ступени); 6 −
рыборазводные
пруды;
7
−
локальная
биологическая
очистка
концентрированных стоков (щёлока, бражка); 8 − биопродукты (корм, белок,
аминокислоты); 9 − гидролизатор; 10 − гидролизаты (биостимуляторы, амины);
11− биокультиваторы живых кормов для рыб; 12 − корма для рыб (дафнии,
моины); 13 − твердые отходы; 14 − рыба.
3. РАСЧЕТ И ОПТИМИЗАЦИЯ СИСТЕМ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ
3.1. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ РАСЧЕТА ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ
В СССР все сооружения биологической очистки рассчитываются на основе
общесоюзных строительных норм и правил (СНиП). Это не исключает, а напротив,
требует учета специфичности каждого вида сточных вод и каждой технологической
задачи. В частности, по действующему в настоящее время СНиП-11-32-74 выбор
технологии и расчет биологической очистки промстоков ЦБП производится на основе
экспериментальных данных. Поэтому в ЦБП и некоторых других отраслях
промышленности существуют ведомственные нормативы, соответствующие лишь в
общих положениях СНиПу.
Исходные данные для проектирования получают на основе математических
моделей и опыта эксплуатации очистных сооружений. К основным расчетным параметрам
относятся объем аэротенка (включая регенератор), коэффициент рециркуляции активного
ила, расход кислорода и прирост активного ила.
По новой редакции СНиП (СНиП 2.04.04.−84), вводимой в действие с 1985 года,
для сточных вод с концентрацией более 150 кг БПК полн./м3 (что типично для стоков
ЦБП) рекомендуется использование аэротенков с регенерацией активного ила. В
сравнении с действующим СНиП новая редакция имеет более широкую область
применения, в частности, регламентирует расчет одноступенчатых аэротенков для ряда
промстоков, включая сточные воды ЦБП. В некоторой степени учтена зависимость
скорости процесса от концентрации растворенного кислорода, уточнены расчетные
формулы для аэротенков-смесителей и вытеснителей. Общим является использование
уравнения типа Моно в расчетах удельной скорости окисления и уравнения реакции
первого порядка по субстрату при определении периода аэрации непосредственно в
аэротенке.
35
Значения параметров очистных сооружений, найденные по СНиПу,
ведомственным нормативам (ВСН-13-76 и его новой редакции, выходящей в 1985 году), а
также правилам расчета, действующим за рубежом, совпадают лишь в некоторой области,
отвечающей типичным условиям одноступенчатой очистки. Вместе с тем, по
приведенным затратам на биологическую очистку сточных вод вне зависимости от
принятых методов расчета наблюдаются близкие значения.
Сопоставление всех существующих методов расчета аэротенков является сложным
и громоздким. Целесообразно выделить два основных подхода. Первый из них берет
начало из классической ферментативной кинетики и основан на кинетических уравнениях
потребления субстрата, т.е. предполагает, что именно концентрация органических
загрязнений стоков является лимитирующим фактором процесса биологической очистки.
В основе второго подхода, развитого советскими учеными (ВНПОбумпром, Гипробум,
ЛТИ ЦБП), лежит лимитирующая роль массопередачи кислорода, т.е. учитываются
особенности биосистем с активным илом, рассмотренные в разд. 1.4.
Первый подход. За рубежом наибольшее распространение получили модели
Эккенфельдера, Маккини, Лоуренса-Маккарти, Гауди и метод Байотрит, расчет по
которому ведут с помощью ЭВМ.
В моделях Эккенфельдера и Маккини кинетика биоокисления описывается
уравнением реакции первого порядка по субстрату. В остальных упомянутых моделях
используется уравнение Моно, имеющее вид:
dl Kˆ 5  X  l

;
dt
K5  l
(3.1)
где X − концентрация активного ила (по модели Байотрит − активной биомассы ила),
кг/м3; l – БПК5 стоков, кг/м3; К^5 − константа скорости і c−1; К5 − константа Моно, кг/м3.
Другое важное отличие касается влияния концентрации активного ила. По
Эккенфельдеру, Лоуренсу-Маккарти и Гауди, скорость процесса пропорциональна
концентрации активного ила. В модели Байотрит отдельно рассматривается органическая
масса активного ила, которая разлагается на 4 фракции: биологически разлагаемые
органические вещества, биологически неразлагаемые органические вещества, активные
микроорганизмы, образовавшиеся в процессе очистки в аэротенке (активная биомасса),
бионеразлагаемый остаток, образовавшийся при самоокислении ила. Скорость
биоокисления принимается пропорциональной концентрации активной биомассы, которая
находится в результате решения шести балансовых уравнений. В модели Маккини
скорость потребления субстрата не зависит от концентрации активного ила.
По наиболее простым из этих моделей материальный баланс субстрата для систем
биологической очистки в аэротенке-смесителе задается уравнениями:
По Эккенфельдеру:
V
dl
 Q  lo  Q  l  Kе  X  l  V ;
dt
(3.2)
dl
 Q  lo  Q  l  Km  l  V ;
(3.3)
dt
где V − объем аэротенка, м3; Q − расход стоков, м3/с; Ке, Кm − константы скорости; lo,l
− БПК5 на входе и выходе системы, кг/м3.
В стационарном (установившемся) режиме очистки концентрация загрязнений в
аэротенке-смесителе неизменна во времени. Следовательно:
По Маккини:
V
dl
 0;
dt
(3.4)
36
Отсюда, решая уравнения (3.2), (З.З) относительно объема аэротенка, получим:
V 
По Эккенфельдеру:
V 
по Маккини:
(l0  l )  Q
;
Ke  X  l
(l0  l )  Q
;
Km  l
(3.5)
(3.6)
Близкая к модели Эккенфельдера формула, используемая в СССР при
проектировании очистных сооружений (в основном городских сточных вод), дана в
СНиП-11-32-74:
Т
l0  l
V
;

Q  (1  Зл)  Х
(3.7)
где ρ − удельная скорость снижения БПК, являющаяся функцией параметров lo,l и дозы
ила X; ЗЛ − зольность ила.
Общим недостатком таких моделей является игнорирование лимитирующей роли
массопередачи кислорода в системах с активным илом. Коэффициенты Ке, Кm, ρ прежде
всего зависят от интенсивности аэрации, как это показано в разделе 1.4 на примере модели
Маккини, но в рассмотренных моделях это не учитывается.
Второй подход. Объем аэротенка может быть выражен через удельный расход
кислорода и интенсивность аэрации:
R* = Q ∙ l0 ∙ Ze* ;
(3.8)
R* = KoL a· C0*·V = K·J·V;
(3.9)
V=
Q  l0  e *
K
0
La
 C0 *

Q  l0  e *
;
KJ
(3.10)
где R* − производительность по кислороду системы аэрации в стандартных условиях
(аэрация чистой воды с температурой 20 °С при дефиците растворенного кислорода 1),
кг/с; Ze* − удельный расход кислорода (производительность по кислороду системы аэрации в стандартных условиях на 1кг БПК5 сточной воды, поступающей в аэротенк), кг
О2/кг БПК5; KoLa − объемный коэффициент массопередачи кислорода "газ-жидкость" в
стандартных условиях, с−1; Co* − концентрация насыщения растворенного кислорода в
аэротенке в стандартных условиях, кг/м3; К − коэффициент использования кислорода
аэрирующего воздуха, кг/м3; J − интенсивность аэрации в аэротенке, м3 /(м 2∙с).
Удельный расход кислорода зависит от состава промстоков и глубины их очистки
(см. разд. 3.2). В первом приближении для одноступенчатых систем:
l0
;
(3.11)
l
Аналогичные формулы справедливы и для каждой из ступеней
двухступенчатой схемы, а также прудов доочистки промстоков (см. разд. 3.2.).
Значения параметров KoLa, J − ограничены: снизу − условием поддержания
активного ила во взвешенном состоянии, сверху − повышенным пенообразованием и
снижением коэффициента использования кислорода аэрирующего воздуха при высокой
Ze* = 0,5 ln
37
интенсивности аэрации. По этим причинам в типовых аэротенках с пневмоаэрацией
интенсивность аэрации составляет 10 − 12 м3/(м2·ч) при коэффициенте использования
кислорода К = 5,5 ∙ 10−3 кг/м3. Для систем пневмомеханической аэрации KoLa = 10 −15
ч−1, а величина Co* при глубине аэротенка 5 м составляет 11,25 ∙10−3 кг/м3.
В этих условиях приближенные формулы для расчета объема аэротенка
одноступенчатой системы примут вид:
Пневмоаэрация:
V = 8∙Q∙l0 ∙ln
l0
;
l
(3.12)
Пневмомеханическая аэрация:
V = (3…4,5) ∙Q∙l0 ∙ln
l0
;
l
(3.13)
где размерности величин следующие: V − м3; Q − м3/ч; l0,l − кг/м3.
На практике необходимый объем аэротенка обычно находят через величину
окислительной мощности:
М=
Q  l0  E Kla 0  C0 * E K  J  E
;


V
l *
 *l
l
Е=1− ;
l0
(3.14)
(3.15)
где: М − окислительная мощность, кг БПК5/(м3∙с); Е − эффект очистки по БПК5,
выраженный в долях единицы. С учетом приведенных соотношений имеем:
Пневмоаэрация:
3,1 Е
;
l0
ln
l
Пневмомеханическая аэрация:
М
М = (6,5…7,5)
(3.16)
E
;
l0
ln
l
(3.17)
где М имеет размерность кг/(м3·сут.).
При проектировании очистных сооружений используют табличные значения
окислительной мощности (табл. 3.1), полученные на основе изложенного подхода и
действующих в отрасли систем биологической очистки.
Таблица 3.1
Параметры работы аэротенков
Технологическая
схема очистки
промстоков ЦБП
Рекомендуемый
диапазон окислительной мощности,
кг/(м3∙сут.)
Эффект очистки по
БПК5, не более,
%
Период
аэрации в
аэротенке, не
менее, ч
Одноступенчатая
1,2 − 1,6
97
2,0
38
Двухступенчатая
3,5 −5,0
98
−
первая ступень
3,5 − 5,0
80
1,5
вторая ступень
0,8 − 1,2
−
2,0
По выбранному на таблицы значению окислительной мощности находят период
аэрации:
V l E
Т=  0
;
(3.18)
Q
M
Если найденная величина Т меньше минимально допустимой, то принимают
минимальный период аэрации по табл. 3.1. Затем по заданному расходу стоков находят
объем аэротенка.
Доза активного ила, коэффициент рециркуляции и объем регенератора
рассчитываются, исходя из оптимальной нагрузки по БПК5 на активный ил, которая для
одноступенчатых аэротенков полной биологической очистки составляет 0,2 − 0,3 кг
БПК5/(кг·сут.), а для аэротенков неполной очистки (первой ступени двухступенчатой
системы) − около 1 кг БПК5/(кг·сут.). Расчет ведут по формулам:
Х=
М

 Xa(1  ) ;
EN

(3.19)
Xa 
  X
;
1
(3.20)

V
X  Xa

;
V
X  Xa
(3.21)
где обозначения те же, что в разд. 2.1.
Концентрация возвратного ила Xτ может быть принята из диапазона 6 − 10 кг/м3
или рассчитана по математической модели вторичного отстойника в зависимости от
заданной величины выноса активного ила. Расчетные формулы, предложенные
Евилевичем и Брагинским, имеют вид:
Хτ = 0,25 ∙ Хв (2 + Ре)2;
Ре =
cр  h
DT
Hoт.
h=
;
1
DT =
0,08  Qoт.

;
h
;
( Rо  h / 2) 4
(3.22)
(3.23)
(3.24)
(3.25)
где: Хв – вынос активного ила из вторичного отстойника, кг/м3; Ре – число
Пекле; ω ср. – средняя скорость осаждения частиц ила в отстойнике, м/с (составляет
около 5 – 10−3 м/с); DT – коэффициент турбулентной диффузии, м2/с; H отс. – глубина
39
отстойника, м; h – высота надилового слоя жидкости в отстойнике, м; R отс. – радиус
отстойника, м; Q – расход сточной воды на один отстойник, мЗ/с.
Коэффициент рециркуляции τ выбирают в диапазоне 0,25 – 1,0 с учетом условия: Ха ≤ 3
кг/м3.
3.2. РАСХОД КИСЛОРОДА
Расход кислорода R* служит основой для расчета расхода аэрирующего воздуха в
аэротенках с пневмоаэрацией и количества механических или пневмомеханических
аэраторов:
R*
Qв =
;
(3.26)
K  Ha
n=
R*
*
(3.27)
где: Qв − расход аэрирующего воздуха при пневмоаэрации, м3/с; К − коэффициент
использования кислорода, кг/м4; На − глубина погружения аэраторов (дырчатых труб), м;
n − количество турбоаэраторов; τ* − кислородная производительность одного
турбоаэратора в стандартных условиях (паспортная характеристика аэратора), кг/с.
Так как расход и БПК5 промстоков на стадии проектирования очистных
сооружений известны, то задача сводится к расчету удельного расхода кислорода:
Z*l =
R*
;
Q  l0
(3.28)
Одноступенчатая система (рис. 2.1. а, б). Количество кислорода, потребленного
активным илом на 1 кг БПК5 исходных промстоков, и удельный расход кислорода
связаны соотношением:
Zl =
Сw * Cw
1,024 (T 20)  K1   l *
C0 *
(3.29)
где: Zl − удельное потребление кислорода активным илом, кг О2/ кг БПК5; Сw*, Сw −
концентрация насыщения и действительная концентрация растворенного кислорода в
сточной воде аэротенка в реальных условиях, кг/м3; С0* − концентрация насыщения
растворенного кислорода в стандартных условиях, кг/м3; Т − температура стоков в
аэротенке, °С; К1 − безразмерный коэффициент качества стоков, равный отношению
объемных коэффициентов массопередачи кислорода в сточную и чистую воду (К1= КLa/
КвLa).
Для стоков ЦБП вплоть до их концентрации по БПК5 2 кг/м3 концентрация
насыщения растворенного кислорода равна таковой для чистой воды:
Сw* = С*;
(3.30)
где: С* − концентрация насыщения растворенного кислорода в чистой воде (с учетом
гидростатического давления в аэротенке) при температуре Т.
Так как
40
С* ∙1,024 (Т−20) ≈ С0* ;
(3.31)
то выражение (3.29) упрощается:
Zl = d·K1∙Zl*;
(3.32)
Сw
;
(3.33)
Cw *
где d − дефицит растворенного кислорода в аэротенке, принимаемый в расчетах равным
0,8.
Как следует из материала раздела 1.3, коэффициент Zl можно выразить через
удельное потребление кислорода на 1 кг снятого ХПК стоков:
d = 1
l0
l Z ;
Zl =
(3.34)
l
A  ln 0
l
Значения параметров состава стоков γо, А приведены в табл. 3.2.
Коэффициент Z возрастает с увеличением глубины очистки промстоков ЦБП
согласно уравнению:
2,5
Z = Z0 + 0,6 еxp [−
];
(3.35)
l
(ln 0  1) 2
l
 0  ln
где Zo = 0,4 кг О2/кг ХПК − минимальное удельное потребление кислорода, отвечающее
величине энергетического выхода биомассы активного ила 0,6 (см. разд. 1.3).
Для основных промстоков ЦБП возможный диапазон значений коэффициента К1,
входящего в формулу (3.32), составляет 0,5 − 1. Он зависит от способа аэрации, состава
стоков и глубины их очистки по сложному уравнению:
К1 = К1 wmin + (1 − К1 wmin)·exp(−m∙lτэф);
lτэф =
l0
[1 
1

а  X а  ln l0 / l
ln l / l
(1 
)  (1  0 )
h0 o   0  l0
A
(3.36)
];
(3.37)
Параметры состава стоков находятся по табл. 3.2.
Таблица 3.2
Значения параметров, характеризующих состав основных промстоков ЦБП
Сточная вода
γ0
А
h0

СФА
3
2
0,37
СФИ
5−6
5 −10
СФА + СФИ
3,5 − 4,5
4−5
ПА
МА, ПМА
m
К1 wmin
0,75
4
w
0,3
К1 min
0,5
m
15
0,10
0,05
0,8
3,5
0,8
3,5
0,26
0,15
0,6
8
0,8
8
41
Обозначения: СФА − сточная вода сульфатно-целлюлозного производства; СФИ − то же
сульфитно-целлюлозного производства; СФА + СФИ − смешанный сток целлюлознобумажного комбината, выпускающего сульфатную и сульфитную целлюлозы; ПА −
пневмоаэрация; МА, ПМА − механическая м пневмомеханическая аэрация.
При значениях технологических параметров, типичных для действующих
очистных сооружений (l0 ≈ 0,3 кг/м3, Xa ≈ 2 кг/м3, τ ≈ 0,5), коэффициент
К1
рассчитывается по более простому уравнению:
К1 = К1 wmin + 0,25 (1 − К1 wmin) ln
l0
;
l
Из приведенных соотношений следует:
l
Z*l = α* ln 0 ;
l
α* =
1,25   0 {0,4  0,6exр[2,5(ln
l
K1 ( A  ln 0 )
l
(3.38)
(3.39)
l0
 1) 2 ]}
l
;
(3.40)
Расчеты по формулам (3.40), (3.36) − (3.38) показывают, что коэффициент α* в
первом приближении (с точностью до 10%) не зависит от глубины очистки. Это позволяет
на практике находить величину Z*l по уравнению (3.39), используя табличные значения
коэффициента α* (см. табл.3.3).
Таблица 3.3
Значения коэффициента α* в одноступенчатой системе
БПК сточной
воды, кг/мЗ
0,1 − 0,4
0,4 − 1,0
свыше 1,0
СФА
СФА + СФИ
ПА
МА, ПМА
ПА
МА, ПМА
0,6
0,75
1,0
0,55
0,6
0,6
0,5
0,6
0,75
0,45
0,5
0,55
СФИ
0,45
0,5
0,55
Пример: Найти расход кислорода и количество турбоагрегатов АПМ−55 τ* = 110
кг/ч, расход воздуха на один аэратор 1300м3/ч) при расходе СФА-стоков Q = 20000м3/ч,
БПК5 стоков l0 = 0,3 кг/м3 и БПК5 очищенных стоков l = 0,02 кг/м3.
Решение. По табл.3.3. находим: α* = 0,55. Из формулы (3.39):
0,3
Z*l = 0,55 ln
= 1,49 кг О2/кг БПК5.
0,08
Согласно (3.28) расход кислорода составит:
R* = 20000 · 0,3∙1,49 = 8940 кг О2/ч.
Необходимое количество турбоаэраторов АПМ−55:
42
8940
= 81 шт.
110
Исходя из условия рациональной расстановки аэраторов, в аэротенке может быть
принято 80 шт. При этом расход воздуха на аэраторы должен составлять: 1300·80 =
104000м3/ч.
n=
Биосорбционная одноступенчатая система (см. рис. 2.1.в).
В биосорбционной системе очистки часть растворенных и коллоидных веществ
удаляется в результате абсорбции на активном иле в первичных отстойниках и далее не
поступает в аэротенк, где возможно их биоокисление кислородом, В результате при той
же глубине очистки по БПК5 расход кислорода ниже, чем в простой одноступенчатой
системе, рассмотренной выше. Но учитывая, что эти различия не превышают 20%, а также
возможность перехода в процессе эксплуатации очистных сооружений от
биосорбционной схемы к простой одноступенчатой (без подачи избыточного ила в
первичные отстойники), расход кислорода рассчитывается по тем же зависимостям (ур.
3.39, табл. 3.3).
Двухступенчатая система (рис. 2.2.а). Расчет расхода кислорода на 1 ступени
двухступенчатой системы ничем не отличается от расчета для одноступенчатых схем. На
второй ступени расход кислорода складывается из его затрат на биоокисление
растворенных органических веществ стоков и самоокисление активного ила, выносимого
с первой ступени очистки. В области наибольшей эффективности двухступенчатых
систем (эффект очистки по БПК5 на первой ступени 70 − 80%) и выносе активного ила с
первой ступени 0,05 − 0,2 кг/м3, удельный расход кислорода на второй ступени может
быть найден по формуле:
l
Zl 2* = α2 * ln 1 ;
(3.41)
l
где α2 * − коэффициент, определяемый по табл. 3.4; l1 − БПК5 стоков на выходе первой
ступени (входе второй ступени) кг/м3; l − БПК5 стоков на выходе системы очистки, кг/м3.
Таблица 3.4
Значения коэффициента α2
Эффект очистки
по БПК5 на
первой ступени,
%
70 − 75
80
*
БПК5 сточной воды, кг/м3
0,1 − 0,4
0,4 −1,0
свыше 1,0
1,0
1,5
0,85
1,2
0,75
1,0
Общий расход кислорода составит:
R* = R*1 + R*2 = Q∙l0· Zl1*+ Q∙l1∙ Zl 2*
Zl1*= α1* ln
l0
;
l1
(3.42)
(3.43)
где коэффициент α1* находится по табл. 3.3.
В двухступенчатой системе расход кислорода меньше, чем в одноступенчатой, что
связано с меньшей глубиной самоокисления активного ила. При значительной величине
выноса активного ила с 1 ступени и отклонении эффективности первой ступени от
43
оптимальной области эти различия сглаживаются (двухступенчатая система вырождается
в одноступенчатую − см. разд. 2.1,2.5.).
Пример. Найти расход кислорода, количество турбоаэраторов и расход
аэрирующего воздуха для двухступенчатой системы (первая ступень − аэротенксмеситель с пневмомеханической аэрацией, вторая − аэротенк-вытеснитель с пневмоаэрацией) при очистке смешанного стока ЦБК (сульфатно-сульфитный сток) с расходом
Q = 15000 м3/ч; l0 = 0,45 кг/м3 и БПК5 очищенных стоков 0,015 кг/м3.
Решение. Для первой ступени по табл. 3.3 находим: α1* = 0,45. В силу
сравнительно низкой величины БПК5 стоков для обеспечения достаточной специфичности
биоценоза второй ступени (см. разд. 2.1) принимаем эффект очистки по БПК5 на 1 ступени
минимальным − 70%. Тогда по табл. 3.4: α2* = 0,85.
Находим l1:
l1 = (1 − 0,7) ∙ 0,45 = 0,135 кг/м3.
По формуле (3.43) удельный расход кислорода на первой ступени составит:
0,45
Zl1* = 0,45·ln
= 0,54 кг О2/кг БПК5.
0,135
Расход кислорода на первой ступени:
R*1 = 15000∙0,45·0,54 = 3645 кг/ч.
При использовании аэраторов АПМ−40 (τ = 100 кг/ч, расход воздуха на один
аэратор 1200 м3/ч) их число составит:
3645
n=
= 36 шт.
100
Расход воздуха на турбоаэраторы первой ступени:
Ql1 = 1200∙36 = 43200 м3/ч.
Удельной расход кислорода на второй ступени по формуле (3.41):
0,135
= 1,87 кг О2/кг БПК5.
0,015
Расход кислорода на второй ступени:
Zl 2* = 0,85 ln
R*2 = 15000·0,135∙1,87 = 3787 кг/ч.
При использовании дырчатых труб, установленных на глубине 5м (К = 5,5·10−3
кг/м3, На = 5м), расход воздуха на второй ступени составит:
3787  10
= 137710 м3/ч.
5,5  5
Общий расход воздуха (необходимая производительность воздуходувной станции)
в двухступенчатой системе:
3
Ql 2 =
Ql = Ql1 + Ql 2 = 43200 + 137710 = 180910 м3/ч.
Общий расход кислорода:
R* = R*1+ R*2 = 3645 + 3787 = 7432 кг/ч.
Если бы для очистки указанных стоков использовалась одноступенчатая система с
пневмомеханической аэрацией, то расход кислорода составил бы (по формулам 3.39, 3.28)
10331 кг/ч, т.е. в 1,39 раза больше, чем в рассмотренной двухступенчатой системе.
Аэрируемые пруды доочистки. В прудах доочистки применяются механические
аэраторы. Расход кислорода рассчитывается по формулам:
44
R*пр = Q∙ la· Zl*пр ;
Zl*пр = α*пр∙ln
(3.44)
la
;
l
(3.45)
где la − БПК5 стоков на выходе аэротенков (входе прудов доочистки), кг/м3; α*пр
определяется по табл.3.5 в зависимости от состава промстоков и эффекта биологической
очистки в аэротенках (в системе до прудов).
Таблица 3.5
Значения коэффициента α*пр
Эффект очистки по БПК5 в аэротенках, %
Сточная вода
СФА
СФА + СФИ
СФИ
80
90
92
95
97
98
1,2
1,2
1,2
2,1
2,4
2,7
2,5
3,1
3,4
3,8
4,9
5,7
5,8
8,1
9,7
6,5
9,6
11,8
Пример. Заданы БПК5 исходных стоков сульфитно-целлюлозного производства l0
= 0,4 кг/м3, стоков на выходе аэротенков la = 0,018 кг/м3 и очищенных стоков l = 0,15
кг/м3. Найти расход кислорода и необходимое число всасывающих аэраторов (τ* = 84кг/ч)
в прудах доочистки при расходе стоков 10000м3/ч.
Решение. Находим эффект очистки стоков в аэротенках:
Еа =
0,4  0,018
 100  95,5% .
0,4
По табл. 3.5 путем экстраполяции принимаем: α*пр = 6,5. По формуле (3.45):
Zl*пр = 6,5 ln
0,018
= 1,185 кг О2/кг БПК5.
0,015
Расход кислорода в пруде составит:
R*пр = 10000·0,018∙1,185 = 213 кг/ч.
Необходимое количество всасывающих аэраторов:
n=
213
 3 шт.
84
3.3. ПРИРОСТ АКТИВНОГО ИЛА
На очистных сооружениях общее количество избыточного активного ила
определяется его приростом как за счет взвешенных веществ промстоков (принимается,
45
что взвешенные вещества не биоокисляются), так и за счет утилизации микроорганизмами
растворенных и коллоидных веществ:
Rизб = Q∙Пр = Q (∆Х + В0 − В);
(3.46)
где Rизб. − массовый расход избыточного ила, кг/с; Пр − общий прирост активного ила в
системе на 1 м3 сточной воды, кг/м3, ∆Х − прирост биомассы в результате потребления
микроорганизмами растворенных и коллоидных веществ промстоков, кг/м3; В0, В −
концентрация взвешенных веществ в исходной и очищенной сточной воде,
соответственно, кг/м3.
Величиной выноса активного ила с очищенной водой обычно пренебрегают:
Rизб = Q (∆Х + В0);
(3.47)
Прирост биомассы выражают через БПК5 стоков:
∆Х = Уl ∙l0;
(3.48)
где У l - коэффициент прироста активного ила, кг/кгБПК5.
Коэффициент Уl и удельное потребление кислорода взаимосвязаны через
уравнение материально-энергетического баланса (см. разд.1.3). Эта взаимосвязь и
является основой расчета прироста активного ила в различных системах биологической
очистки.
Одноступенчатая система (рис. 2.1.а, б). Как следует из формул (1.14) − (1.17),
коэффициент Уl зависит от глубины очистки промстоков и экономического коэффициента
по уравнению:
lo
о ln
l у;
Уl =
(3.49)
lo
A  ln
l
где y − экономический коэффициент прирост активного ила на 1 кг снятого ХПК
промстоков), кг/кг ХПК.
Для систем неполной биологической очистки экономический коэффициент равен
0,45. В общем случае он зависит от удельного потребления кислорода и типа аэротенка:
аэротенк-смеситель:
у = 0,73 − 0,7 Z ;
(3.50)
аэротенк-вытеснитель:
у = 0,69 − 0,6 Z .
(3.51)
Коэффициент Z рассчитывается по уравнению (3.35) или принимается по табл.3.6.
Таблица 3.6.
Значения коэффициента Z
Эффект
очистки по
БПК5, %,
40 − 80
85
88
90
92
94
95
97
Z
кг О2/кг ХПК
0,40
0,43
0,48
0,54
0,60
0,68
0,72
0,80
46
Пример. Найти общее количество избыточного ила в одноступенчатой системе
биологической очистки в аэротенке - вытеснителе промстоков сульфатно-целлюлозного
производства, если заданы расход и концентрация стоков (Q = 10000 м3/ ч, l0 = 0,25 кг/м3,
В0 = 0,2кг/м3) и эффект их очистки по БПК5 (94 %).
Решение. По табл. 3.6 находим: Z = 0,68. Тогда экономический коэффициент
составит (по формуле (3.51)):
у = 0,69 − 0,6·0,68 = 0,28 кг/кг ХПК.
По табл. 3.2. параметры состава стоков имеют значения: γо = 3; А = 2.
По формуле (3.49) рассчитываем коэффициент прироста ила:
0,25
0,25(1  0,94)
Уl =
 0,28  0,52 кг/кгБПК5,
0,25
2  ln
0,25(1  0,94)
3 ln
согласно соотношениям (3.47), (3.48), количество избыточного ила составит:
Rизб =10000 (0,52 ∙ 0,25 + 0,2) = 3300 кг/ч.
Биосорбционная система
рассчитывается по формуле:
(рис.
2.1.в).
Экономический
lo
l у;
у ls =
lo
1  у ln
l
коэффициент
1  0,5 ln
(3.52)
где коэффициент у определяется по уравнениям (3.50), (3.51).
Коэффициент прироста активного ила находится по формуле (3.49), где вместо у
следует подставить значение у ls .
Пример. Найти коэффициент прироста в биосорбционной системе при тех же
условиях, что в предыдущем примере.
Решение. Параметр  для стоков сульфатно-целлюлозного производства по
табл.3.2. составляет 0,3. При у = 0,28 расчет по формулам (3.52) и (3.49) дает:
0,25
0,25(1  0,94)
 0,28  0,33 ;
у ls =
0,25
1  0,28  0,3  ln
0,25(1  0,94)
1  0,5  0,3  ln
0,25
0,25(01  0,94)
Уl =
 0,33  0,61 кг/кгБПК5 .
0,25
2  ln
0,25(1  0,94)
3 ln
Как видно из приведенного примера, в биосорбционной схеме прирост активного
ила выше, чем в традиционной одноступенчатой системе (в данном примере увеличение
коэффициента прироста ила составило 17%).
47
Эти различия возрастают с увеличением глубины очистки по БПК5 и зависят от
состава стоков, точнее, параметра  . Для сточных вод сульфитно-целлюлозного
производства параметр  значительно меньше, чем для сульфатных стоков (см. табл. 3.2),
по этой причине прирост активного ила в биосорбционной и простой одноступенчатой
системах практически одинаков. При очистке сульфатных промстоков введение
биосорбции может привести к существенному увеличению коэффициента прироста ила
(максимально в 1,3 раза).
Двухступенчатая система (рис. 2.2а). Коэффициент прироста активного ила в
двухступенчатой системе можно разложить на три составляющие:
Уl = Уl1+ Уl2 −
В1
;
lo
(3.53)
где Уl1, Уl2 − коэффициенты прироста на первой и второй ступенях очистки,
соответственно, кг/кгБПК5, ∆В1/ lo − удельная величина самоокисления активного ила,
выносимого с первой ступени очистки на вторую, кг/кгБПК5.
Коэффициент Уl1 рассчитывается так же, как и в одноступенчатых схемах. Из
уравнений материального баланса в системе очистки и материально-энергетического
баланса роста биомассы могут быть найдены формулы для расчета коэффициентов Уl2 и
∆В1/ lo , которые достаточно громоздки и здесь не приводятся. К существенным отличиям
закономерностей прироста активного ила в двухступенчатой схеме от одноступенчатых
систем очистки относится зависимость коэффициента Уl от БПК5 сточной воды. По
формуле (3.53) с увеличением lo , при прочих равных условиях, Уl возрастает и при
∆В1/ lo <<1 достигает максимального значения, существенно превышающего коэффициент
прироста ила в одноступенчатых системах полной биологической очистки. Другое
отличие относится к влиянию эффекта очистки по БПК5. В двухступенчатой системе,
когда обеспечены условия максимальной эффективности этой схемы (см. разд.2.1, 2.5),
прирост ила возрастает с увеличением эффекта очистки, в то время как в одноступенчатых
системах увеличение эффекта очистки сверх 85 − 90% приводит к уменьшение прироста
ила. Вместе с тем, состав промстоков и тип аэротенков несущественно влияют на
величину Уl в двухступенчатой системе.
При эффекте очистки по БПК5 на первой ступени 70 − 80% и выносе активного ила
с первой ступени очистки в диапазоне 0,05 − 0,2 кг/м3 с достаточной для инженерных
расчетов точностью коэффициент может быть найден по табл. 3.7.
Таблица 3.7
Значения коэффициента Уl в двухступенчатой системе
БПК5
сточной
воды, кг/м3
92
0,3 − 0,4
0,4 − 1,0
свыше 1,0
0,55
0,60
0,65
Эффект очистки по БПК5 в системе, %
95
0,60
0,65
0,70
х)
98
98,5х)
0,60
0,70
0,75
0,60
0,70
0,75
С доочисткой стоков в аэрируемых прудах.
Аэрируемые пруды доочистки. Прирост активного ила в прудах значительно
меньше, чем в аэротенках, и в расчетах принимается равным нулю.
48
3.4. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ
СИСТЕМ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ
Очистка и доочистка промстоков ЦБП требует значительных средств. Затраты на
строительство очистных сооружений составляют от 5 до 10% стоимости промышленного
строительства предприятия в целом, а эксплуатационные расходы на очистку промстоков
− от 4 до 20% себестоимости продукции. В связи с этим вопросы экономики и
оптимизации систем биологической очистки имеют исключительно важное значение для
отрасли.
Оптимизация систем биологической очистки включает оптимизацию на стадии
проектирования и в процессе эксплуатации очистных сооружений.
При эксплуатации, исходя из фактических характеристик поступающих стоков,
технологических параметров системы и требований к качеству очищенной воды, решается
задача оптимизации данной технологической схемы. Задача оптимального
проектирования заключается в выборе оптимальной технологической схемы из
нескольких вариантов, для каждого из которых предварительно находится оптимальное
решение.
В соответствии с указаниями Госстроя СССР, основным критерием оптимизации
являются приведенные затраты на очистку промстоков:
ПЗ = С + Ен ∙К;
(3.54)
где ПЗ − приведенные затраты, тыс.руб./год; С − суммарные эксплуатационные затраты,
тыс.руб./год; Ен − нормативный коэффициент экономической эффективности
капиталовложений (принимается 0,15), год−1; К − капитальные затраты на строительство
очистных сооружений, тыс. руб.
Задача технико-экономической оптимизации заключается в выборе технологии,
обеспечивающей эффект очистки промстоков не менее заданного при минимуме
приведенных затрат.
Сложность решения задачи оптимизации в значительной степени определяется
числом факторов, влияющих на критерий оптимизации. Поэтому, с одной стороны, важно
учесть все существенные для оптимизации переменные, а с другой − исключить
переменные, мало влияющие на величину критерия оптимизации.
В системе биологической очистки приведенные затраты складываются из затрат на
аэрацию сточных вед (П31), обработку и утилизацию образующихся осадков (ПЗ2),
аэрационные сооружения (ПЗ3) и прочих затрат (ПЗ4), включающих приведенные затраты
на отстойники, перекачку сточной воды и возвратного активного ила, вспомогательные
объекты. Следовательно, можно записать:
ПЗ = ПЗ1+ ПЗ2 + ПЗ3 + ПЗ4 =  1∙R* +  2∙Rизб +  3∙ V +  4 ∙Q;
(3.55)
где  1,  2,  3 − укрупненные удельные приведенные затраты, соответственно, на подачу
в сточную воду при стандартных условиях 1 кг кислорода, руб./кг О2, на обработку и
утилизацию 1 кг осадков (активного ила), руб./кг, на строительство и эксплуатацию 1 м
аэротенков, руб./(м3·год);  4 − прочие приведенные затраты на 1 м3 сточной воды,
руб./м3; остальные обозначения приведены в разделах 3.2, 3.3.
Приведенные затраты на очистку 1 м3 сточной воды составят:
ПЗQ =
ПЗ
V
  1  Z l * lo   2 (У l  lo  Bo  B)   3   4 ;
Q
Q
49
(3.56)
Коэффициент  4 в первом приближении постоянен. Поэтому при сравнении
вариантов технологических схем последний член суммы (3.56) можно не учитывать.
Предполагая одинаковое значение  2 в сравниваемых вариантах и, учитывая, что,
как правило, В0 >> B, произведение  2∙(В0 − В) будет практически постоянно в
сравниваемых вариантах и может быть исключено из рассмотрения.
Учитывая только изменяемые при сравнении вариантов элементы приведенных
затрат на очистку 1м3 сточной воды и соотношение (3.10), приходим к выражению:
l *
;
o
K La  Co *
ПЗQ1 =  1 ·Zl *∙lo +  2· Уl∙lo +  3
(3.57)
Так как все члены cуммы (3.57) пропорциональны БПК5 стоков, то в качестве
критерия оптимизации систем биологической очистки целесообразно использовать
приведенные затраты на 1 кг БПК5, т.е. выражение:
ПЗl =  1* ·Zl * +  2· Уl ;
 1* =  1 +
2
K La  C 0 *
0
;
(3.58)
(3.59)
Задача оптимизации примет вид:
ПЗl → min, El ≥ El* ;
(3.60)
где El* − заданный эффект очистки промстоков по БПК5.
Значения коэффициентов  1 и  2 зависят, соответственно, от техникоэкономических характеристик систем аэрации и способа обработки и утилизации
избыточного ила. На величину  3 влияет конструкция и объем аэротенка. Если  1 и  3
всегда больше нуля, то коэффициент  2 может иметь и отрицательные значения, когда
прибыль от утилизации избыточного ила превосходит затраты на его обработку.
На действующих очистных сооружениях промстоков ЦБП в среднем  1 = 0,016
руб/кг О2,  2 = 0,13 руб./кг (обработка осадков по схеме: гравитационное уплотнение в
илоуплотнителях, механическое обезвоживание, вывоз автотранспортом к месту
складирования или захоронения),  3 = 2,77 руб./(м3∙год). С учетом возможного диапазона
произведения KLa*·Co* , коэффициент  1* изменяется в пределах 0,018 − 0,024 руб./кг
О2. Следовательно, в оценочных расчетах можно принять  1* = 0,02 руб./кг О2, а
значение  2 = 0,13 руб./кг, принимая во внимание перспективы утилизации активного
ила как ценного сырья, считать максимальным.
Выбор технологической схемы и решение оптимизационной задачи (3.60)
сопряжены с многократным расчетом величины критерия оптимизации, зависящей от
состава промстоков, глубины очистки и параметров системы. Поиск оптимального
решения может осуществляться в следующей последовательности.
На предварительном этапе необходимо определить значения параметров состава
промстоков (γо, А,  , ho), используя известные величины для очистных сооружений
предприятия – аналога или данные таблицы 3.2.
.
На предварительном этапе производится выбор системы аэрации, типа аэротенка и
способа обработки и утилизации избыточного ила. В результате находятся значения
коэффициентов К1 wmin,  1* и  2.
50
Второй этап включает получение для рассматриваемых технологических схем
зависимостей критерия оптимизации от эффекта очистки и окончательный выбор
оптимального решения.
Выбор системы аэрации. Система аэрации оказывает влияние на величину
критерия оптимизации П3l
через коэффициенты  1 и К1 (коэффициент К1 входит в
формулы для расчета Zl*). В целях минимизации П3l необходимо обеспечить
максимальную величину К1 и минимальное значение  1.
Для сточных вод, содержащих промстоки сульфатно-целлюлозного производства,
коэффициент К1 больше в системах очистки с механической или пневмомеханической
аэрацией, чем в системах очистки с пневмоаэрацией (см. разд. 1.2). Эта закономерность
наиболее существенно проявляется при низких эффектах очистки, т.е. в системах
неполной биологической очистки. Отсюда следует, что в аэротенках неполной
биологической очистки указанных стоков оптимальным является механическая или
пневмомеханическая аэрация, а при полной биологической очистке на первый план
выходят технико-экономические характеристики аэрационного оборудования.
Типовые пневмомеханические аэраторы конструкции ЛенНИИхиммаша имеют
более высокую производительность по кислороду на единицу потребляемой мощности,
т.е. экономичнее пневматических систем, но уступают им в надежности при
эксплуатации, что требует установки дополнительных (резервных) аэраторов. С
разработкой более совершенных конструкций пневмомеханических аэраторов (эта задача
уже поставлена Минхиммашу) такая необходимость исчезнет. Соответственно,
применение пневмомеханической аэрации станет оптимальным вариантом и для систем
полной биологической очистки.
При биологической очистке в аэротенках промстоков сулъфитно- и бисульфитноцеллюлозного производства, а также промстоков сульфатно-целлюлозного производства,
предварительно прошедших химическую очистку от щелочного лигнина, коэффициент К1
не зависит от способа аэрации (см. разд. 1.2). Выбор оптимального варианта системы
аэрации производится из условия:  1 → min.
Выбор типа аэротенка. Как следует из анализа уравнений (3.50), (3.51), в
одноступенчатых системах полной биологической очистки минимальное значение
прироста активного ила достигается в аэротенке-смесителе. При неполной очистке тип
аэротенка не влияет на прирост ила. Отсюда следует, что, если  2>0, то экономически
целесообразно при полной очистке применять аэротенки-смесители, а при (  2<0
выгоднее аэротенки-вытеснители.
В системах неполной биологической очистки, в частности, на первой ступени
двухступенчатой схемы, приведенные затраты П3l не зависят от типа аэротенка. Вместе с
тем, следует иметь в виду, что конструктивно пневмомеханические аэраторы более
выгодные при неполной очистке, удобнее размещать в аэротенках-смесителях
бескоридорного типа.
На второй ступени двухступенчатой системы тип аэротенка практически не влияет
на величину критерия оптимизации.
Влияние эффекта очистки. В одноступенчатых системах влияние эффекта очистки
промстоков по БПК5 на критерий оптимизации зависит от соотношения коэффициентов
 1* и  2.
При  2/  1* >10, для всех рассматриваемых промстоков, типов аэротенков и
систем аэрации, критерий оптимизации ПЗl монотонно возрастает в диапазоне эффекта
очистки 0...80%. В области 85...90% приведенные затраты ПЗl максимальны, а при
дальнейшем увеличении эффекта очистки вплоть до 98% величина ПЗl снижается.
При  2/  1* < 2,5 приведенные затраты ПЗl монотонно возрастают с увеличением
эффекта очистки во всем рабочем диапазоне.
При  2/  1* 2,5 − 10,0, в зависимости от состава промстоков, типа аэротенка и
системы аэрации, приведенные затраты ПЗl либо монотонно возрастают во всем
51
диапазоне эффекта очистки, либо имеют только максимум в области 85 − 95%, либо и
максимум (в области эффекта 85 − 95%), и минимум (в области 96 − 98%).
В двухступенчатой системе зависимость критерия оптимизации от эффекта
очистки промстоков значительно сложнее, чем в одноступенчатых системах.
Дополнительными технологическими параметрами, влияющими на величину ПЗl,
являются эффект очистки по БПК5 на первой ступени и отношение В1/l0.
С увеличением В1/l0 и отклонением эффективности первой ступени очистки от
области 70 − 80% снижается специфичность биоценозов по ступеням, коэффициент
прироста ила падает, а ударный расход кислорода возрастает. При этом критерий
оптимизации приближается к его величине для одноступенчатых систем.
В области наибольшей эффективности двухступенчатой системы (см. разд. 2.5)
увеличение эффекта очистки промстоков сопровождается возрастанием приведенных
затрат, если  2 > 0.
Выбор технологической схемы. Выбор оптимальной технологической схемы
биологической очистки основан на сравнении приведенных затрат, соответствующих
оптимальным решениям внутри каждой из схем.
Наиболее существенное влияние на соотношение приведенных затрат ПЗl
оказывают коэффициенты/  1* и  2.
При  2/  1* >2, ПЗl минимальны в простой одноступенчатой системе, но их
отличие от приведенных затрат в одноступенчатой схеме с доочисткой в пруде и
биосорбционной системе не превышает, соответственно, 5 и 10 %.
С уменьшением отношения  2/  1* в диапазоне 10...2 приведенные затраты ПЗl в
различных очистных системах постепенно сближаются в области и в области  2/  1* =
1,5 − 2,0 практически одинаковы.
При  2/  1* <1,5 минимум критерия оптимизации достигается в двухступенчатой
системе.
Таким образом, при проектировании очистных вооружений отношение
приведенных затрат на обработку и утилизацию избыточного ила к затратам на аэрацию и
аэротенки (  2/  1*) может служить критерием выбора оптимальной технологической
схемы биологической очистки промстоков ЦБП.
При  2/  1* > 1,5, что типично для действующих в отрасли очистных сооружений,
между задачами повышения эффективности и экономичности систем биологической
очистки имеется определенное противоречие: если заданный эффект очистки по БПК5
превышает 97%, то необходимо использовать многоступенчатые системы, но с
экономических позиций, переход от одноступенчатых схем (в том числе биосорбционных
и схем с доочисткой в пруде) к многоступенчатым не выгоден (приведенные затраты ПЗl
возрастают в 1,3 −1,4 раза). С решением проблемы утилизации избыточного активного
ила как ценного продукта отношение  2/  1* значительно снизится, При  2/  1*<1,5,
отмеченное противоречие снимается: в широком диапазоне эффективности биологической
очистки наиболее экономичными становятся многоступенчатые схемы. Более того, при
 2 < 0,3 руб./кг, повышение эффективности очистки в двухступенчатой системе
становится экономически выгодным. Все это свидетельствует о больших перспективах
многоступенчатых схем для биологической очистки промстоков ЦБП.
52
ЛИТЕРАТУРА
Евилевич М.А., Брагинский Л.Н. Оптимизация биохимической очистки сточных
вод. − Л.: Стройиздат, 1979.
Евилевич М.А. Методика расчета и оптимизации систем биологической очистки
при проектировании.- В кн.: Охрана окружающей среды от загрязнения промышленными
выбросами ЦБП.: Межвуз. сб. научн. тр. − Л.: ЛТА, 1981, вып. 9, с.77 − 82.
Евилевич М.А., Наумов А.В., Николаев А.Н. Энергетический баланс и оптимизация
систем биологической очистки сточных вод. − Бумажная промышленность, 1983, №2,
с.28−30.
Ерошин
В.К.
Основы
материально-энергетического
баланса
роста
микроорганизмов. − В кн.: Лимитирование и ингибирование микробиологических
процессов. − Пущино, 1980, с.34−35.
Иванов В.Н. Энергетика роста микроорганизмов. − Киев: Наукова Думка, 1981.
Канализация населенных мест и промышленных предприятий: Справочник
проектировщика/ Лихачев И.И., Ларин И.И., Хаскин С.А. и др. − 2-е изд., перераб. и доп.−
М.: Стройиздат, 1981.
Карпухина Р.И., Кузнецова Л.Ф., Ивлева О.А. Пути повышения эффективности
работы сооружений биохимической очистки. − Водоснабжение и канализация: Обзорн.
информ. ЦБНТИ.−М.: ЦБНТИ, 1980, вып.2.
Коровин Л.К., Зацепилин А.И. Методологические основы определения
энергоемкости биологической очистки сточных вод. − Бумажная промышленность, 1979,
№5, с.28−30.
Ломова М.А. Пути повышения эффективности биологической очистки сточных
вод. − М.: ВНИПИЭИлеспром, 1981, с. 1−48.
Моделирование аэрационных сооружений для очистки сточных вод /Л.Н.
Брагинский, М.А. Евилевич, В.И. Бегачев с соавт. − Л.: Химия, 1980.
Наумов А.В., Касьяник И.М., Горбунов П.Н. Взаимовлияние параметров в системе
аэротенк-отстойник. − В кн.: Водопользование, очистка сточных вод и утилизация
осадков: Сб. научн. тр. ВНИИБ. − Л.: ВНИИБ, 1979, с.79−35.
Николаев А.Н. Взаимосвязь прироста активного ила и потребления кислорода как
основа оптимизации систем биологической очистки промстоков целлюлозно-бумажного
производства. − Дис. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. −Л.: ЛТИ ЦБП, 1983.
Одум Р. Основы экологии/ Пер. с англ. − М.: Мир, 1975.
Ситтиг М. Защита окружающей среды в целлюлозно-бумажной промышленности.
− М.: Лесная промышленность, 1981.
Худенко В.М., Шпирт Е.А. Аэраторы для очистки сточных вод. − М.: Стройиздат,
1973.
Цветков И.Д., Варфоломеев П.С, Савгира Н.Е. Современные методы очистки
сточных вод предприятий целлюлозно-бумажной промышленности. − Водоснабжение и
санитарная техника, 1975, №6, с.9−13.
Яковлев С.В., Карюхина Т. А. Биохимические процессы в очистке сточных вод. −
М.: Стройиздат, 1980.
53
Александр Владимирович Наумов
Алексей Николаевич Николаев
ОСНОВЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ПРОМСТОКОВ ЦБП
Учебное пособие
Редактор Дмитриева Е.Б
Тех. редактор Тимчук О.Е.____________________________________
196092, Ленинград, ул. Ивана Черных, 4
54