Full Text

Как и для любого процесса очистки воды или сточных вод, математическая модель биологической очистки связывает между собой исходные и конечные концентрации компонентов, дозы подаваемых реагентов, продолжительность обработки сточных вод, скорость процесса. В большинстве случаев основным определяемым параметром является необходимая продолжительность процесса, так как именно по этому параметру, наряду с расходом обрабатываемых сточных вод, определяется необходимый объем реактора для реализации процесса. При проектировании сооружений биологической очистки сточных вод расчетными параметрами являются концентрации органических соединений, определяемые показателем БПК, а также концентрации биогенных элементов - азота и фосфора. Реагентами процесса служат активный ил (рабочая микрофауна) и воздух. Скорость процесса является величиной, зависимой от многих параметров: состава очищаемых сточных вод, требуемой степени очистки, количества и режима подачи воздуха, количества и состава активного ила. В настоящее время отсутствует узаконенная и обязательная к применению методика расчета основного сооружения биологической очистки - аэротенка. Методы расчета аэротенков, предлагаемые в нормативных документах (СНиП 2.04.03-85, СП 32.13330.2012) и в научных статьях [1-8], носят только рекомендательный характер. Возможно, это связано с их несовершенством: в ряде статей отмечается, что сооружения биологической очистки, рассчитанные по существующим методикам, работают недостаточно эффективно [2, 3]. Важным достоинством любой методики является оптимальное соотношение двух факторов - универсальности и достаточной степени точности расчетов. Вероятно, большинство существующих методик этого оптимума не обеспечивает. В сложившихся условиях проектировщики, выбирая методику расчета сооружений биологической очистки, всю ответственность за их будущую работу вынуждены брать на себя. Поэтому интересно и актуально выявить оптимальные области применения существующих методик, ограничения в применении отдельных методик, достоинства и недостатки каждой из них. Анализ научных работ, посвященных данному вопросу, позволил подразделить все существующие методики на две группы. К первой группе относятся методики, базирующиеся на рекомендациях СНиП 2.04.03-85, в качестве основных расчетных показателей используются скорость окисления органических соединений ρ (мг/г·ч) и скорость окисления аммонийного азота ρni (мг/г·ч). СНиП 2.04.03-85 в качестве исходной расчетной величины предлагает скорость окисления органических соединений. В статьях [4-6] предлагается вести расчет по скорости окисления лимитирующего соединения, т.е. того, для окисления которого необходима бóльшая продолжительность обработки сточных вод. Для городских сточных вод таким лимитирующим показателем обычно является аммонийный азот. Величины скоростей биохимического окисления, указанные в СНиП 2.04.03-85 и статьях, определены на основе обширных статистических и экспериментальных данных, т.е. для некоего обобщенного, среднестатистического состава сточных вод. Сведения статей [4-6] хорошо согласуются с данными СНиП 2.04.03-85. Вторая группа методик применяет показатель «скорость биохимического окисления» не прямо, а опосредованно, через ряд других параметров биологической очистки. В разных методиках перечень и количество этих параметров различаются. В связи с этим вторую группу методик можно разделить на две подгруппы: 1. Методики, где количество параметров относительно невелико и возможен «ручной» расчет, только с применением компьютерных программ общего назначения. В качестве примеров можно привести методику справочного пособия «Проектирование сооружений для очистки сточных вод», Техническое руководство по расчету аэрационных систем ATV (Германия), Китайский национальный стандарт H576-2010 (Китай)1. В качестве основных расчетных параметров в кинетические уравнения исследуемых процессов входят удельная скорость роста микроорганизмов m (сут-1) и связанный с ней возраст ила θ (сут). В расчете учитывается влияние на процесс конкретного состава сточных вод и внешних условий: рН и температуры сточных вод, концентрации растворенного кислорода, содержания токсичных примесей. Качество ила в моделях процесса учитывается физиологическими коэффициентами. 2. Методики с использованием большого ряда исходных параметров, расчет по которым возможен только с применением специализированных программных продуктов. В качестве примера можно привести пока единственную отечественную программу компьютерного моделирования биологической очистки сточных вод - «ЭкоСим 3Р» [8], разработанную на основе моделей активного ила ASM Международной водной ассоциации [9]. Также в России получили распространение зарубежные программные комплексы BioWin [10, 11] и GPS-X2 [12]. Данные продукты позволяют моделировать множество технологических процессов очистки сточных вод на основе моделей активного ила ASM1, ASM2d, ASM3 [9]. Применение специализированных компьютерных программ позволяет учесть влияние на процесс очистки многих параметров. Кроме уже названных величин, в качестве расчетных используются концентрации разных групп микроорганизмов: гетеротрофов, автотрофов, фосфат-аккумулирующих микроорганизмов, концентрации отмершей биомассы (по группам) и взвешенных веществ, а также скорость отмирания микроорганизмов kd (сут-1). При этом расчетные скорости реакций окисления отдельных примесей определяются в соответствии с фракциями ХПК, формами азота и фосфатов и относятся к концентрациям соответствующих групп микроорганизмов. Количество учитываемых факторов, влияющих на процесс очистки, - важный показатель методики. Но главным показателем все же является наличие или отсутствие в составе методики математических моделей извлечения всех основных биогенных элементов - углерода, азота и фосфора. Тем не менее методики «ручного» расчета ориентированы на извлечение только органических примесей и соединений азота. Уравнения, отражающие кинетику удаления фосфора и кинетические параметры процесса, в методиках не приводятся. Дело в том, что биологическое извлечение фосфора по своим параметрам: оптимальному возрасту ила, кислородному режиму и др. - значительно отличается от процесса удаления соединений азота. При «ручном» расчете эти параметры сложно согласовать, трудно подобрать оптимальную схему очистки и циркуляции технологических потоков. Поэтому, с учетом уровня экологической опасности элементов, составлены математические модели только процесса удаления азота. СП 32.13330.2012 «Канализация. Наружные сети и сооружения» не требует вести расчет аэротенков по кинетической модели удаления фосфора, а требует только определять предельную эффективность биологического удаления фосфора в принятых условиях процесса. Возможная степень извлечения соединений фосфора определяется проектировщиками обычно по статистическим данным работы аналогичных очистных сооружений. В отличие от «ручных» методик, в большинстве специализированных компьютерных программ представлены и согласованы между собой математические модели извлечения всех основных примесей бытовых сточных вод: органических примесей, соединений азота и фосфора. Несомненно, перспектива - за компьютерными технологиями расчета. Благодаря большому количеству учитываемых факторов обеспечивается высокая точность расчета, возможность запроектировать сооружения для конкретного расхода и состава сточных вод. Программы дают возможность просчитать эффект очистки при колебаниях исходных показателей сточных вод, при разных вариантах проектных решений, в частности при разных схемах циркуляции водно-иловых потоков. Тем не менее нельзя не учитывать и недостатки методик, основанных на компьютерном расчете. Это сложность и/или технологическая невозможность получения большого количества исходных параметров для расчета, особенно в лабораториях реальных очистных станций, отсутствие оборудования и реактивов, отсутствие продолжительной многофакторной статистики работы действующих станций - аналогов проектируемых очистных сооружений, высокая (для многих очистных станций - недоступная) стоимость программного продукта. В связи с этим в ряде случаев является обоснованным, а иногда необходимым, применение методик, основанных на «ручном» расчете. Основным достоинством этих методик является унификация расчета: в качестве исходных величин для проектирования принимаются параметры, полученные обобщением данных работы большого количества очистных станций. Расчет по этим методикам проще, так как допускает значительно меньшее количество исходных расчетных параметров. Тем не менее унификация обычно предполагает определенную неточность расчетов, что ограничивает область применения данных методик. Целью данного проектного исследования является сравнительный анализ методик расчета сооружений биологической очистки на примере двух очистных станций: - канализационные очистные сооружения города с удельным водоотведением 250 л/сут·чел. Сточные воды близки по составу к бытовым. Концентрации извлекаемых примесей: БПК20 = 195 мг/л, аммонийный азот - 43 мг/л. Показатели, оказывающие влияние на процесс очистки: реакция среды - слабощелочная, температура - 18 °С, токсичные примеси отсутствуют (расчетный объект № 1); - канализационные очистные сооружения небольшого поселка с удельным водоотведением 120 л/сут·чел. Показатели бытовых сточных вод: БПК20 = 380 мг/л, концентрация аммонийного азота - 70 мг/л, реакция среды - нейтральная, температура - 14 °С, производственные сточные воды поступают только от предприятий общественного питания, токсичные примеси отсутствуют (расчетный объект № 2). Сброс сточных вод обоих объектов производится в водоемы рекреационного назначения. Расчет каждого объекта выполнялся по двум методикам: - методика, основанная на положениях СНиП 2.04.03-85, с изменениями и дополнениями [4-6] - метод расчета А; - методика справочного пособия «Проектирование сооружений для очистки сточных вод», адаптированная для расчета схем с циркуляцией водно-иловой смеси [7] - метод расчета Б. (1) где Сen и Сex - соответственно начальная и конечная концентрация компонента до и после биологической очистки, мг/л; ai - концентрация (доза) ила в сооружении, г/л; S - зольность ила; ρ - удельная скорость биохимического окисления компонента, мг/г·ч. Скорости окисления органических соединений и аммонийного азота по формулам СНиП 2.04.03-85 и данным [4-6] составляют соответственно 8,2 мг/г·ч и 2,1 мг/г·ч. По справочному пособию к СНиП 2.04.03-85 «Проектирование сооружений для очистки сточных вод» удельная скорость окисления органических веществ в аэротенке-нитрификаторе определяется по экспериментальной формуле: (2) где численные составляющие - это физиологические показатели активного ила, характерного для городских сточных вод; q - возраст активного ила - величина, обратная удельной скорости роста микроорганизмов-нитрификаторов (сут-1). При определении этого показателя учитывается конкретный состав сточных вод: (3) В формуле (3) 1,77 - максимальная скорость роста нитрифицирующих микроорганизмов (сут-1), возможная в оптимальных для ила условиях; понижающие коэффициенты учитывают отличие реальных условий от оптимальных, соответственно: рН и температуру сточных вод, концентрацию растворенного кислорода в аэротенке, наличие токсикантов и требуемую конечную концентрацию аммонийного азота. Результаты расчетов, полученные для сточных вод с разными концентрациями основных примесей и разными внешними условиями процесса, представлены в таблице. Результаты расчета хорошо согласуются со статистическими данными эксплуатации действующих очистных станций. Анализ методик показывает, что на результаты расчета влияют две группы параметров: - условия протекания процесса, в основном: активная реакция сточных вод рН, их температура, наличие или отсутствие токсикантов; - начальные концентрации извлекаемых примесей в сточных водах. Параметры работы аэротенков The parameters of the aeration tanks Параметры процесса Результаты расчета объектов № 1 № 2 по методу А по методу Б по методу А по методу Б Средняя удельная скорость окисления органических примесей 8,2 7,3 8,2 5,1 Необходимая продолжительность обработки сточных вод tat, ч 14,2 15,9 28 45 Доза ила в сооружении ai = 2,5…3 г/л; концентрация растворенного кислорода Со = 2 мг/л Анализ влияния на расчет условий протекания процесса. Для объекта № 1 - городских сточных вод - результаты расчета по двум методикам практически совпадают (разница составляет около 10 %). Это значит, что условия протекания процесса очистки близки к среднестатистическим, для которых характерна скорость процесса, заложенная в методике А. Действительно, понижающие коэффициенты, учитывающие влияние реальных условий процесса очистки, включенные в методику Б, для данных показателей сточных вод были близки к 1. Показатели сточных вод поселка (объект № 2): рН, температура и др. - заметно отличались от среднестатистических городских (объекта № 1); коэффициенты, учитывающие их влияние в формуле для определения скорости биопроцесса, были значительно меньше 1. Это сказалось на результате расчета: скорость биохимического процесса очистки сточных вод № 2, определенная по методике Б, в 1,6 раза меньше данного показателя, вычисленного по методике А. Соответственно, требуемая продолжительность обработки этих вод по методике Б в 1,6 раза больше, чем по методике А. Анализ влияния на расчет начальных концентраций извлекаемых примесей. По обеим методикам скорости процессов определяются вне зависимости от начальных концентраций извлекаемых примесей. Продолжительность обработки, определяемая по формуле (1), с учетом низких остаточных концентраций очищенных сточных вод, находится практически в прямо пропорциональной зависимости от начальных концентраций. Тем не менее известно, что график снижения БПК и аммонийного азота в процессе аэрации представляет собой не прямую линию, а гиперболу. В начальный период аэрации скорость окисления весьма велика, особенно если обработке подвергаются сточные воды с высокими начальными концентрациями. Поэтому средние за весь период аэрации скорости окисления, по логике, должны для высококонцентрированных сточных вод быть несколько выше, чем для воды «среднестатистического» состава, за счет начального периода высоких скоростей. В рассматриваемом примере таким является период снижения концентраций объекта № 2: БПК - с 400 до 200 мг/л, аммонийного азота - с 70 до 40 мг/л. За счет начального периода высоких скоростей реально требуемая продолжительность обработки сточных вод несколько ниже расчетной. Точный учет данного фактора позволил бы уменьшить объем аэротенка, но, с другой стороны, некоторый запас объема увеличивает надежность работы системы. Выводы 1. Перспективными являются компьютерные технологии расчета. Представляется, что путями совершенствования компьютерных методик на сегодняшний день являются: - оптимизация программ, создание программ, учитывающих реальное состояние лабораторной базы действующих очистных станций; - адаптация иностранных программ к условиям России; - унификация программ с выявлением оптимального набора параметров расчета; - понижение стоимости программного продукта. 2. При невозможности использования специализированных программных продуктов вполне допустимо применение «ручного» расчета, только с применением компьютерных программ общего назначения. Результаты расчета хорошо согласуются со статистическими данными эксплуатации действующих очистных станций. Для сточных вод, близких к среднестатистическим бытовым по составу примесей, определяющих внешние условия процесса: рН - слабощелочная (8,2-8,6), температура - 18-20 °С, отсутствие токсикантов, хорошо подходит несложная унифицированная методика расчета по скорости биохимического процесса. Если эти показатели заметно отличаются от указанных «стандартных», например из-за наличия в стоках специфических производственных примесей, то необходимо применять более точные методики, учитывающие эти отличия. Одной из таких методик является расчет по справочному пособию к СНиП 2.04.03-85, рассмотренный в настоящей статье. Скорость биохимического процесса, вычисленная по «многофакторной» методике, ниже, чем по «универсальной». Значит, требуемая продолжительность очистки и, следовательно, объем аэротенка должны быть больше. 3. Исходные концентрации извлекаемых компонентов на выбор методики расчета не влияют, так как они не входят в формулы определения скоростей биопроцесса ни в одной из рассмотренных методик. Необходимая продолжительность биологической обработки сточных вод находится практически в прямо пропорциональной зависимости от исходных концентраций извлекаемых компонентов.

About the authors

L. V Bartova

Perm National Research Polytechnic University

M. A Avdeeva

Perm National Research Polytechnic University

Ja. S Luferchik

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 240

Refbacks

• There are currently no refbacks.