Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Київський національний університет будівництва і архітектури

Моделювання і розрахунки параметрів глибокої очистки стічних вод на фільтрах в аеробних умовах

Олійник О.Я., чл-кор. НАНУ, професор

Рибаченко С.О., аспірант

м. Київ

Анотація

Приведена загальна математична модель і розроблена на її основі методика розрахунку технологічних параметрів глитбокої аеробної біологічної очистки стічних вод на фільтрах із завантаженням у вигляді сферичних часток (гранул)

General mathematical model is presented and on its base calculation method is developed to estimate technological parameters of enhanced aerobic biological wastewater treatment in filter bed filled with spheric particles (granules).

В багатьох випадках ступінь вилучення органічних і біогенних забруднень в існуючих спорудах механічної і біологічної очистки не задовольняє потрібним нормативним вимогам і тому необхідна їх додаткова доочистка. Провідна роль в такому доочищенні стічних вод належить процесу фільтрації через зернисті і інші типи завантаження (рис. 1) [1,2]. При цьому в загальному випадку забруднення стічних вод різними речовинами поряд з вилученням органічних речовин (БПК_повн) відбувається також вилучення завислих речовин (ЗР) і біогенних забруднень, що особливо важливо при очищенні промислових стічних вод.

В процесах глибокої очистки фільтруванням господарсько-побутових стічних вод, забруднених переважно легкоокислюваними речовинами, в основному відбуваються процеси біоокислення (деструкція) забруднень органічного походження. Високий ефект вилучення органічних забруднень в затоплених фільтрах пов'язана з утворенням високої концентрації біомаси в одиниці об'єму фільтра у вигаляді біоплівки, яка утворюється на поверхні часток завантаження. Для росту і життєдіяльності цієї біомаси необхідно забезпечити безперебійне постачання кисню і контролювати його споживання в кількості, яка необхідна для підтримки високої швидкості утилізації забруднень.

В доповіді розглядається утилізація органічних забруднень, які надходять на доочистку зі стічними водами з БПК_повн від 15…50 мг/л до 1…5 мг/л [1]. Для описання процесів вилучення таких забруднень на біоплівковій моделі необхідно встановити баланс зміни (утилізації) забруднень і (трансформації) кисню в біоплівці, рідинній плівці і в об'ємі фільтра. Враховуючи при цьому, що кисень переважно поступає в об'єм рідини у вигляді бульбашок повітря, то в моделі необхідно розглянути два одночасні шляхи(моделі) його надходження до біоплівки, а саме: у вигляді кисню, розчиненого в об'ємі рідини і у вигляді додаткового міжповерхневого переносу кисню при безпосередньому контакті бульбашки з поверхнею біоплівки (рис. 2).

В цьому випадку існує можливість оцінити суттєвий запас кисню, який є в затопленому фільтрі, що підтверджується лабораторними експериментами [3]. В об'ємі рідини забруднення і кисень переносяться фільтраційним потоком. Біля поверхні часток завантаження утворюється тонкий ламінарний пограничний шар (рідинна плівка). Рідинна плівкова дифузія відображає масопередачу (масоперенос) розчинених забруднень і кисню між фільтраційним потоком в об'ємі рідини фільтра і поверхнею біоплівки. Товщина пограничного шару і параметри дифузії залежать від гідравлічних характеристик потоку, який проходить через фільтр. При цьому передбачається, що на ділянці безпосереднього контакту бульбашки з біоплівкою рідинна плівка руйнується. Транспорт (перенос) забруднень і кисню в біоплівці контролюється молекулярною дифузією.

Рис. 1. Схема фільтра

Рис. 2. Схема притоку кисню до біоплівки

Потік А

В

Передбачається, що на її поверхні накопичення забруднень і кисню не відбувається. Таким чином з врахуванням наведених вище і існуючих в літературі уявлень про механізми процесу в умовах фільтрування з фіксованим на завантеженні біоценозом математично модель зводиться до опису процесів переносу (фільтрації) потоку забруднень і кисню у фільтрі (ємкості), рідинній плівці і біоплівці, тобто складається із рівнянь матеріального балансу, записаних відносно концентрацій забруднень і кисню у стічній воді, яка очищається у фільтрі, в біоплівці і рідинній плівці. При цьому приймається, що біоокислення органічних забруднень відбувається переважно в біоплівці. При побудові такої загальної математичної моделі прийнято ряд передумов, які, як показав послідуючий аналіз, цілком допустимі і не вносять суттєвих похибок в розрахунки [4]. Таким чином з врахуванням сказаного загальна математична модель вилучення органічних забруднень у фільтрах при біоокисленні буде складатись із слідуючої системи рівнянь: біологічний очистка стічний фільтр гранула

1. нестаціонарне рівняння матеріального балансу маси забруднень і кисню для відносно необмеженої ділянки тонкого активного шару біоплівки в умовах завантаження із сферичних зерен (гранул)

(1)

2. рівняння для потоку забруднень і кисню до поверхні біовплівки із об'єму рідини (фільтра) скрізь рідинну плівку (пограничний шар)

, (2)

; (3)

3. нестаціонарне рівняння матеріального балансу для кисню і забруднень в об'ємі фільтра

, (4)

. (5)

В наведених рівняннях:

- відповідно концентрації забруднень в біоплівці і фільтрі, ;

- теж концентрації кисню ;

- коефіцієнти молекулярної дифузії кисню і забруднень в біоплівці, м²/год; - швидкість кінетичної реакції споживання кисню і утилізації забруднень, ;

- коефіцієнти масопереносу кисню і забруднень в рідинній плівці, м/год;

- постійна швидкість фільтрації (, - витрата, - площа фільтра), м/год;

- площа поверхні біоплівки на одиницю висоти фільтра, м;

- розрахункова (середня) пористість завантаження;

- відповідно товщини активної (аеробної) біоплівки і рідинної плівки, м;

- відносні коефіцієнти, які характеризують параметри переносу кисню в стічній воді в порівнянні з переносом у чистій воді [5].

Швидкості для реакцій і описуються слідуючими відомими рівняннями

, (6)

. (7)

В формулах (6), (7) роз'яснення відповідних даних наведені в роботі [5].

Рішення наведеної системи рівнянь виконується при слідуючих початкових і гранични х умовах

(8)

(9)

, (10)

. (11)

Тут , , , - діаметр сферичної гранули, м;

- коефіцієнт способу упаковки гранул завантаження (для кубічної упаковки =1, а для інших упаковок <1),

- загальна площа поверхні біоплівки у фільтрі, яка контактує з бульбашками повітря, м²;

- загальна площа поверхні біоплівки у фільтрі висотою , м²,

- загальна площа бульбашок у фільтрі, м²,

- об'єм рідини у фільтрі, м³,

- об'ємний коефіцієнт масопереноса у чистій воді, год^-1.

Якщо кисень повністю знаходиться у розчиненому стані, то в рівняннях приймається , якщо процес не лімітується киснем, тобто в достатній кількості забезпечений киснем (мг/л), то рівняння з киснем не розглядаються. Опись і реалізація такої моделі, а також розробленная на її основі інженерна методика розрахунку параметрів доочистки на фільтрах із завантаженням, у вигляді сферичних часток (гранул) (рис.3), а також стержнів (волокон) (рис.4) приведені в роботі [4]. Зокрема для визначення зміни концентрацій органічних забруднень по висоті фільтра пропонується залежність

де , , , , .

Рис. 3. Схеми притоку органічних забруднень до біоплівки: а - сферичне завантаження, б - циліндричне (стержневе) завантаження

Таким чином, при маємо

(12)

а при маємо

(13)

На виході із фільтра маємо

(14)

Якщо записати залежність (14) відносно , то одержимо слідуючий вираз для визначення робочої висоти фільтра при відомих і

(15)

Параметр знаходиться на підставі рішення рівняння (1) для стаціонарних умов і враховує процеси, які відбуваються в біоплівці. Для визначення параметра побудовані розрахункові графіки , де , які приведені в роботі [4]. В цій же роботі наводяться рекомендації по вибору необхідних вихідних констант і коефіцієнтів, а також наведені приклади розрахунків.

Приведена загальна модель складена для завантаження із часток (гранул) сферичної форми, до якої відомими методами може бути приведений любий тип завантаження фільтра. Разом з тим наведені результати теоретичних досліджень можна використати при розрахунку параметрів доочистки, в яких в якості завантаження використовуються різні полімерни елементи, плаваюче завантаження із пінополістирола та ін. В практиці очистку стічних вод такі споруди одержали найменювання біореактори доочистки [1].

Бібліографія

1. Яковлев С.В., Воронов Ю.В. Водоотведение и очистка сточных вод - М.: АСВ., 2002 - 704 с.

2. Гироль Н.Н., Журба М.Г., Семчук Г.М., Якимчук Б.Н. Доочистка сточных вод на зернистых фильтрах - Ровно, Специальное издание СПООО «Типография левобережная», 1998 - 92 с.

3. Kun M.L., Stensel H.O. Aeration and substrate utilization in a sparged packed - biofilm reactor // WPCF, 1986, vol.58, №11 - P. 1065 - 1073.

4. Олейник А.Я., Василенко Т.В., Рибаченко С.А., Хамад Ихаб Ахмад. Моделирование процессов доочистки хозяйственно-бытовых сточных вод на фильтрах // НТЗ Проблеми водопостачання, водовідведення та гідравліки. - 2-6. - вип.7 - С.85-97.

5. Олейник А.Я., Тетеря А.И. Особенности моделирования процессов удаления органических загрязнений из сточных вод на установках малой производительности // Прикладная гидромеханика - 2001, т.3, №4 - С.20-27.

Размещено на allbest.ru