Споруда для скиду зворотних вод з біоставком та біоплато "Водоскидний ківш"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

УДК 628.35

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

СПОРУДА ДЛЯ СКИДУ ЗВОРОТНИХ ВОД

З БІОСТАВКОМ ТА БІОПЛАТО

«ВОДОСКИДНИЙ КІВШ»

Спеціальність 05.23.04 - Водопостачання, каналізація

Пономарьов Костянтин Сергійович

Харків - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор ШЕРЕНКОВ ІГОР АРКАДІЙОВИЧ, Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, завідувач кафедри „Безпека життєдіяльності та інженерна екологія”.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Душкін Станіслав Станіславович, Харківська національна академія міського господарства, завідувач кафедри водопостачання, водовідведення і очищення вод;

кандидат технічних наук, доцент Нездоймінов Віктор Іванович, Донбаська національна академія будівництва та архітектури, завідувач кафедри водопостачання, водовідведення і охорони водних ресурсів.

Захист відбудеться « 17 » лютого 2010 р. об 11⁰⁰ годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д 64.056.03 у Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури за адресою: 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури за адресою: 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40.

Автореферат розісланий « 15 » січня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, к.т.н., доцент О.В. Гвоздецький

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Забруднення поверхневих водних джерел промисловими та комунально-побутовими скидами набуває загрозливого характеру. За даними “Національної доповіді про стан навколишнього природного середовища в Україні у 2006 році ” у поверхневі водні джерела щороку скидається більше 8,5 млрд. м³ зворотних вод, із них більше 3,9 млрд. м³ скидається без очистки.

Погіршення якості поверхневих вод під впливом цілого ряду факторів, потребує удосконалення існуючих і створення нових ефективних і малоенергоємних очисних споруд, які дозволяють очищувати та змішувати зворотну воду з водою водотоку без утворення локальних зон підвищеної концентрації нормованих домішок в зоні їх змішування з водою водотоку.

З цього витікає, що в рішенні проблеми охорони водних ресурсів України від забруднення головна роль належить очистці зворотних вод. Серед існуючих методів очистки зворотних вод біологічна є найбільш дешевою і доступною, а на практиці нерідко і єдино можливою. Сучасні біологічні методи очистки зворотних вод розроблені як правило з використанням бактерій штучних біоценозів аеротенків і біофільтрів. В останній час природні біоценози за участю водоростей та вищих водних рослин також знаходять все більшого застосування для очистки стоків в штучних спорудах - біоставках та біоплато, як за кордоном так і на Україні.

Головним приймачем зворотних вод і забрудненого поверхневого стоку в Україні є малі і середні ріки, загальною довжиною 210 тис. км (ріки довжиною менше 100 км). В заплавах малих і середніх рік є багато заболочених ділянок (біля 700 тис. га), вкритих вищими водними рослинами. Чисельні дослідження виконані на протязі останніх десятиліть, переконливо свідчать про високу здатність вищих водних рослин очищувати воду від багатьох домішок (від органічних забруднень і нафтопродуктів до важких металів і радіонуклідів). Таким чином, прибережні заболочені ділянки поверхневих водних джерел, вкриті вищими водними рослинами, по-перше, мають великий потенціал очистки зворотних вод, по-друге, дозволяють здійснювати, організований, розосереджений вздовж берегової лінії, скид очищених зворотних вод.

Очистка зворотних вод з використанням природних біоценозів є однією з найбільш перспективних технологій, яка відрізняється високою ефективністю і потребує мінімальні експлуатаційні та енергетичні витрати.

У рішенні питання підвищення ефективності очистки зворотних вод одним із напрямків є створення економічної очисної біоінженерної споруди. Біоінженерна споруда з біоставком і біоплато «Водоскидний ківш» забезпечує очистку зворотних вод з використанням головних компонентів біологічної очистки (бактерій, водоростей, вищих водних рослин), а також дозволяє розосереджувати скидний потік вздовж берегової лінії, що забезпечує ефективне змішування цього потоку з водою водотоку для зниження концентрації забруднення до припустимого рівня.

Розробка споруди «Водоскидний ківш» є дуже актуальною задачею, по-перше, для очистки та скиду зворотних вод малих населених пунктів, агропромислових підприємств, по-друге, для доочистки зворотних вод в системах очисних споруд. Така споруда може бути одним із елементів інженерного і технологічного забезпечення у рішенні проблеми охорони поверхневих водних джерел і може служити подальшому розвитку і удосконаленню систем очистки зворотних вод в Україні.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в рамках обласної програми охорони довкілля, раціонального використання природних ресурсів та забезпечення екологічної політики з урахуванням регіональних пріоритетів Полтавської області на період до 2010 року (№ держреєстрації 188/98-ВР).

Мета і задачі роботи. Наукове обґрунтування підвищення ефективності очистки зворотних вод від органічних та мінеральних забруднень за рахунок використання природних біоценозів біоставка і біоплато та розробки комплексної біоінженерної споруди „Водоскидний ківш ” для очистки і скиду зворотних вод.

Для досягнення поставленої мети розв'язувались такі задачі:

1. Проведення аналітичного дослідження, на основі існуючого літературного матеріалу, питання очистки зворотних вод природними біоценозами.

2. Проведення аналізу гідробіологічних основ очистки зворотних вод біоценозами вищих водних рослин (ВВР).

3. Розробка конструкції комплексної біоінженерної споруди «Водоскидний ківш» для очистки і скиду зворотних вод.

4. Проведення комплексу експериментальних натурних та лабораторних досліджень здатності біоценозів вищих водних рослин очищувати зворотну воду.

5. Визначення ефективності очистки зворотних вод біоценозами ВВР і факторів що впливають на ступінь очистки.

6. Розробка математичної моделі біологічної очистки зворотних вод як основи методу інженерного розрахунку споруди „Водоскидний ківш”.

7. Розробка методів інженерного розрахунку споруди „Водоскидний ківш”.

8. Розробка рекомендацій з проектування і експлуатації споруди „Водоскидний ківш”.

Об'єкт дослідження - зворотні води з органічними і мінеральними забрудненнями.

Предмет дослідження - методи і споруди для підвищення ефективності очистки зворотних вод.

Методи дослідження - проведено теоретичне дослідження очистки зворотних вод природними біоценозами і гідробіологічних основ очистки зворотних вод в біоставках і біоплато з ВВР. Експериментальне дослідження виконано в натурних і лабораторних умовах на об'єкті (заболочена ділянка із ВВР), який приймає очищені зворотні води. Дослідження проводились з використанням сучасних методів і обладнання. Хімічний аналіз зворотної води за санітарними показниками якості води (колір, запах, прозорість, завислі речовини, сухий залишок, рН, розчинений кисень, ХСК, БСК, лужність, аміак, нітрити, нітрати, залізо, хлориди, сульфати, фосфати) проводились в хімічній лабораторії за методиками розробленими УкрНЦОВ, ГОСТ 3351-74, ГОСТ 4245-72, ГОСТ 4389-72, Лур'є. Статистична обробка даних і визначення емпіричних коефіцієнтів для розрахунку споруди «Водоскидний ківш» проведені за допомогою методів математичної статистики.

Наукова новизна одержаних результатів:

Науково обґрунтована і розроблена технологія біологічної очистки та скиду зворотних вод „Водоскидний ківш” з комплексним використанням біоценозів біоставка та ВВР біоплато.

Експериментально визначено ефективність очистки зворотних вод за основними санітарними показниками з урахуванням впливу зовнішніх факторів (освітлення, температура), і особливості експлуатації, що має наукове значення для подальшого використання комплексу біоставок - біоплато в галузі очистки зворотних вод.

Розроблена математична модель біологічної очистки зворотних вод в споруді „Водоскидний ківш”, з урахуванням впливу зовнішніх факторів (освітлення, температура), та алгоритм розрахунку для подальшого використання в інженерних розрахунках споруди.

Практичне значення одержаних результатів. На підставі наукового аналізу, теоретичних і експериментальних досліджень розроблена нова технологія біологічної очистки і скиду зворотних вод «Водоскидний ківш» з комплексним використанням біоценозів біоставка і ВВР біоплато разом з береговим розсіювальним випуском, яка дозволяє ефективно очищувати і змішувати зворотну воду з водою водотоку без створення локальних зон підвищеної концентрації нормованих домішок в зоні їх змішування з водою водотоку.

Розроблено конструкцію вдосконаленого пристрою, для скиду стічних вод на базі патенту України №32985А від 17.05.1999р., що забезпечує підвищення ефективності очистки зворотних вод.

Розроблені новий метод інженерного розрахунку і рекомендації з проектування та використання комплексної біоінженерної споруди «Водоскидний ківш».

Розроблена і захищена патентом України на винахід нова схема комплексної біоінженерної споруди для доочистки і скиду зворотних вод з біоставком і біоплато «Водоскидний ківш».

Матеріали дисертаційної роботи використано в проектно-конструкторській діяльності Гадяцького ВУЖКГ в Полтавській області.

Особистий внесок автора. Наукові результати які викладено в дисертації отримано особисто автором на підставі теоретичних і експериментальних досліджень направлених на підвищення ефективності очистки зворотних вод від органічних та мінеральних забруднень за рахунок використання комплексної біоінженерної споруди з біоставком і біоплато разом з береговим розсіювальним випуском.

Автором розроблена конструкція споруди «Водоскидний ківш». Автору належить організація і проведення комплексу експериментальних натурних і лабораторних досліджень здатності біоценозів ВВР біоплато ефективно очищувати зворотну воду. Визначена ефективність очистки зворотних вод за основними санітарними показниками з урахуванням впливу зовнішніх факторів (освітлення, температура), виявлено особливості експлуатації природного біоплато.

Автором розроблена математична модель біологічної очистки зворотних вод в споруді «Водоскидний ківш».

Автором розроблені новий метод інженерного розрахунку, рекомендації з проектування і експлуатації споруди «Водоскидний ківш» і виконано техніко-економічне обґрунтування і зіставлення розробленої і існуючих очисних споруд при рівних ступенях очистки.

Апробація результатів дисертації. Основні результати і головні положення дисертації докладались на науково-технічних конференціях Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури (1996-2009рр.), на VIII всеукраїнській науковій конференції аспірантів і студентів у Донецькому державному університеті (1998р.), на науково-технічній конференції “Екологія і здоров'я людини. Охорона водного і повітряного басейнів. Утилізація відходів” (м. Щьолкіно, АР Крим, 2000р.), на ІV міжнародній науковій конференції «Ресурс і безпека експлуатації конструкцій, будівель і споруд» (м. Харків, 2009р.).

Публікації. Загальні положення і результати дисертаційної роботи викладено у 12 друкованих працях у тому числі 8 в спеціалізованих виданнях, регламентованих ВАК України, 1 патент України.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, 5 розділів, загальних висновків, 5 додатків, списку використаних джерел. Повний обсяг дисертації складає 248 сторінок, обсяг ілюстрацій 11 сторінок, обсяг таблиць 16 сторінок, обсяг 5 додатків 61 сторінка, обсяг списку використаних літературних джерел, що вміщує 215 найменувань складає 22 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульовано мету і задачі роботи, об'єкт та предмет дослідження, приведені методи дослідження, наукова новизна, практичне значення, визначено особистий внесок автора, наведено відомості про апробацію результатів досліджень та публікації.

У першому розділі виконано аналітичний огляд стану питання і вибір напрямку досліджень. Розглянуто використання процесів очистки зворотних вод природними біоценозами. В роботах відомих вчених, спеціалістів та інженерів Удод В.М., Запольського А.К., Яковлєва С.В., Ласкова Ю.М., Лукіних Н.А., та ін. розглянуті загальні питання процесів біологічного очищення води. Наведена класифікація методів і споруд біологічної очистки зворотних вод.

Проведено аналіз вітчизняних та зарубіжних робіт відомих вчених в яких розглянуто практичне застосування біоставків різних типів для очистки зворотних вод, скидів харчової, паперової, нафтової та інших промисловостей. Ці питання розглянуто в роботах Юнусова І.І., Маркова П.П., Русіної О.Н., Репіна Б.Н., Афанасьєвої А.Ф., Унгуряну Д. В., Вінберг Г.Г., Остапеня П. В., Сивко Т.Н., Левиної Р.І. та інш. Наведено типи біологічних ставків за характером процесів, що в них протікають та за способом експлуатації.

Визначено роль ВВР у процесах очистки зворотних вод і виявлено, що ВВР є потужним фактором самоочищення водних об'єктів за рахунок поглинання та накопичення органічних і мінеральних речовин. Проведено аналіз існуючих методів та споруд очистки зворотних вод з використанням ВВР. Головні питання вивчення процесів очистки води біоценозами ВВР та їх практичне застосування розглянуто в роботах Стольберга Ф.В., Ладиженського В.Н., Мережко А.І., Оксіюк О.П., Кроткевича П.Г., Кокіна К.А., Францева А.В., Магмедова В.Г., Захарченко М.А. та інш.

На основі загального аналітичного огляду літературних джерел зроблено такі висновки: 1) найбільш дешевою та доступною, а часто і єдиною можливою є біологічна очистка зворотних вод; 2) усі інженерні рішення біологічної очистки використовують біологічні процеси, які проходять в природних умовах; 3) в існуючих спорудах біологічної очистки зворотних вод найчастіше використовуються біоценози бактерій активного мулу та біоплівки; 4) біоценози водорості та ВВР в інженерних спорудах почали використовуватись порівняно недавно і біологічні процеси в їх середовищах недостатньо вивчені.

Встановлена перспективність удосконалення біологічних очисних споруд за рахунок використання максимальної кількості агентів самоочищення (біоценозів біоставка і біоплато) та розосередження потоку зворотних вод, що забезпечує якісне змішування скидного потоку очищених зворотних вод з водою водотоку.

Напрямок дослідження дисертації полягає у вивченні біоценозів водорості і ВВР та їх впливу на ступінь очистки. Визначення залежностей проходження процесу очистки від природних факторів (температура, світло, рН та інш.).

Рішення задачі оптимізації та використання всього спектру природних біоценозів біоставка і біоплато в одній комплексній споруді дозволить в певній мірі вирішити загальну задачу охорони річок водного басейну України.

У другому розділі наведено подальше обґрунтування напрямку досліджень. Проведено аналіз гідробіологічних основ очистки зворотних вод в біоставках і біоплато з ВВР. Виявлено головні види ВВР, що беруть участь у процесі очищення води. Розглянуто склад водної фітоекосистеми біоставка і біоплато. Розглянуто вплив перифітона та бактеріофітобентоса на самоочисну здатність заростів ВВР. В результаті було визначено, що перифітон складає значну частину біомаси підводної частини ВВР в біоплато і є головним елементом в біохімічній деструкції органічних забруднень. ВВР не можна розглядати як інертний носій біоплівки перифітону, як нейтральну загрузку біофільтру, тому необхідно враховувати роль ВВР.

Проведено аналіз здатності ВВР очищати воду від завислих речовин, легко та важко-окислюваних органічних забруднень, поверхнево-активних речовин, нафтопродуктів, фенолів, важких металів, пестицидів, а також здатність біоценозів ВВР очищувати воду від радіонуклідів шляхом накопичення їх в біомасі.

Розглядаючи роль ВВР в самоочищенні було виявлено їх двояку роль: по-перше, ВВР, має велику очищувальну здатність, перш за все від органічних забруднень асимілюючи в процесі фотосинтезу біогенні елементи, акумулюючи і частково засвоюючи специфічні забруднення ксенобіотиками (важкі метали, пестициди, нафтопродукти, феноли та інш.); по-друге, при відмиранні ВВР заносить у воду другорядне забруднення органікою та акумульованими в ній специфічними забрудненнями - ксенобіотиками.

Проаналізувавши дослідження багатьох гідробіологів та екологів було визначено, що біоценози ВВР добре справляються з асиміляцією забруднень які надходять та з другорядним забрудненням при відмиранні біомаси. При цьому ВВР має чудову здатність - наприкінці вегетативного періоду „перекачувати” засвоєні біогенні елементи в кореневу частину рослини, яка не відмирає і безперервно розвивається. А якщо організувати прибирання верхньої частини рослин що знаходяться над водою, то другорядне забруднення органікою відмерлої біомаси рослин значно знизиться і цей фактор взагалі може буди незначним.

Розглянуто сезонні зміни здатності біоценозів ВВР очищувати воду.

Головна ідея робочої гіпотези дисертаційної роботи - це створення комплексної біоінженерної споруди, яка забезпечить додаткову очистку зворотних вод біоценозом біоставка, біоценозом ВВР біоплато, а також розосередженням скидного потоку зворотних вод вздовж берегової лінії і ефективне змішування цього потоку з водою водотоку для зниження концентрації забруднюючих речовин до ГДК.

Споруда „Водоскидний ківш” працює наступним чином: зворотна вода по колектору-розподілювачу - 7, через оголовки - 8, подається в біоставок - 1, де відбувається осадження завислих часток і часткова очистка води від забруднення в результаті життєдіяльності водної екосистеми біоставка. Під дією перевищення рівня води біоставка, вода з нього надходить до біоплато з ВВР - 2 і при проходженні розосередженого потоку води через нього відбувається очистка в результаті життєдіяльності перифітону, ВВР і донної мікрофлори. Після чого очищена зворотна вода розосереджено надходить у водний об'єкт. Для підвищення ефективності очистки ВВР скошується і знаходиться у стадії активного росту на протязі вегетативного періоду. Споруду „Водоскидний ківш” можна секціонувати і перериваючи подачу зворотної води в одну із секцій проводити скошування ВВР. Для більш глибокої очистки зворотної води можна чергувати декілька біоставків і біоплато.

У третьому розділі визначено особливості, ціль та задачі експериментальних досліджень. Ціль експериментальних досліджень - визначення кількісних характеристик очистки зворотних вод в умовах природних заболочених слабо проточних водойм з ВВР, та можливість проведення подальших теоретичних досліджень, розробки методу розрахунку і рекомендацій щодо проектування споруди „Водоскидний ківш”.

У якості натурного об'єкту дослідження була вибрана заболочена ділянка із заростями ВВР (переважно рогіз широколистий) яка розташована поблизу м. Гадяч Полтавської області. Ця ділянка є характерним для центральної частини України зразком природного біоплато, тому найбільше підходить для проведення натурних досліджень. У цю водойму надходять очищені побутові зворотні води м. Гадяч з населенням 25000 мешканців, та від сирзаводу АТ „Надія”.

В ході досліджень вивчалась ефективність доочистки зворотних вод. Було визначено головні гідродинамічні параметри досліджуваного потоку: швидкість руху, витрата води, час перебування.

Виконано статистичну обробку і аналіз результатів досліджень. Ефективність доочистки за деякими показниками представлена в табл. 1. Результати представлені в межах max-min, тому що ефективність доочистки залежить від погодних умов і вхідної величини забруднюючої речовини.

Результати натурних досліджень показали, що на природному біоплато відбувається достатньо інтенсивна доочистка зворотних вод від комплексу забруднюючих вуглець та азотовмісних речовин органічного та неорганічного походження як у літній так і у зимовий період.

Натурні дослідження природного комплексу біоставок - біоплато показали, що дана споруда має багато застійних зон, що знижує інтенсивність водообміну і як наслідок - зниження сумарної ефективності використання споруди. Для зменшення впливу застійних зон треба проводити інженерну підготовку акваторії для досягнення руху потоку наближеного до ідеального витіснення.

Таблиця 1. Ефективність доочистки зворотної води на природному біоплато при часі перебування 1,52 доби

Показник	Значення показника, мг/л	Ефективність доочистки, %
	Вхід	Вихід
	Середнє	Межі коливань	Середнє	Межі коливань	Середнє	Межі коливань
Завислі речовини	44±8,6	20-84	15,5±3	8,2-42,4	61±7	19-86
Амонійний азот	6,8±2,6	0,6-21,9	1,3±0,7	0-8,0	78±8	28-100
Залізо	0,9±0,4	0,2-4,0	0,5±0,1	0,14-1,0	39±11	5-82
Нітрати	9,6±9,1	0,2-57	1,5±0,9	0-5	56±19	0-100
Нітрити	1,5±1,3	0-12	0,4±0,2	0-1,8	42±16	0-100
БСКповн	27±15	8,5-171	9,3±2,5	4,5-32,7	63±9	19-95
ХСК	132±60	41-540	59±8	26-86	35±14	5-90
ДРК	9±1	5-13	3±0,6	0,7-7,0	68±5	42-92

У четвертому розділі запропоновано математичну модель в якій розглянуто три головні взаємодіючі складові: 1) розчинений у воді кисень (РК); 2) органічні забруднення (БСК). Для деталізації моделі можна розглядати концентрацію органічних забруднень за вуглецем (БСК_C) і за азотом (БСК_N); 3) сукупність, приймаючих участь в асиміляції органічних забруднень, водних рослин як плаваючих у воді (фітопланктон), так і прикріплених до стебел та листків ВВР (перифітон). Концентрацію фітопланктону і перифітону позначено як (ВР).

Процеси очистки в споруді „Водоскидний ківш” є достатньо складними, що не дає можливості достатньо точно визначити внесок в процес очистки окремо фітопланктону, перифітону, бентосу, кореневої системи ВВР і їх надводної частини, тому нами прийнято наступні припущення: по-перше, в аеробних біоставках головна роль в очистці від біогенної органіки належить фітопланктону; по-друге, в біоплато головна роль в процесі очистки належить перифітону; по-третє, в біоплато ріст ВВР забезпечується її кореневою системою, живлення якої відбувається за рахунок розчинених біогенних елементів які фільтруються в шар донних відкладень до коренів. Це дозволяє при оцінюванні ефективності очистки зворотних вод в біоплато орієнтуватись на очисну здатність перифітону, а вклад кореневої системи ВВР брати в «запас» оцінки, яка повністю проявлятиме себе в холодний період року, коли коренева система продовжує функціонувати, якщо не промерзає ґрунт.

Процес очистки в споруді відбувається приблизно на протязі 14 діб, за цей час зовнішні фактори (температура, сонячна радіація, витрата води) будуть змінюватись, тому і режим роботи теж буде змінюватись, тобто процеси очистки будуть неустаткованими. Але якщо задати наперед сприятливі, середні та несприятливі умови роботи споруди, то можна перейти до стаціонарної задачі при обов'язково заданих зовнішніх діючих факторах, що відповідають цим умовам.

В споруді «Водоскидний ківш» рух потоку відбувається в основному в одному напрямку, тому розглянуто одномірну постанову задачі по осі х. Запишемо рівняння масового балансу для елементарного об'єму з урахуванням переносу величини.

Рівняння динаміки розчиненого кисню в споруді при нестаціонарному режимі:

+К^С_РК(БСК_С)-К^N_РК(БСК_N)+

+К_РК^реаер[(РК_нас)-(РК)]+К_РК^фон(РК)-К_РК^респ(РК)+ К_РК^дон(РК) (1)

Швидкість зміни розчиненого кисню в елементарному об'ємі води залежить від конвективного переносу, повздовжньої дисперсії, споживання на окислення органічних забруднень, від реаерації води, фотосинтезу та респірації водних рослин, а також від споживання РК донними відкладеннями.

Одномірне рівняння динаміки органічних забруднень по загальному БСК:

- К_БСК^розкл(БСК)+

+К_БСК^пр(БСК) (2)

Швидкість зміни БСК в елементарному об'ємі води залежить від конвективного переносу, повздовжньої дисперсії, біохімічних процесів і відмирання водних рослин.

Рівняння динаміки водних рослин (ВР) (плаваючих у воді і тих, що переносяться потоком - загальний фітопланктон) має вигляд:

+К_ВР^ріст(ВР)-

-К_ВР^зменш(ВР)-К_ВР^поїд (3)

Швидкість зміни біомаси ВР в елементарному об'ємі води залежить від конвективного переносу, повздовжньої дисперсії, розмноження, респірації, виділення, природного відмирання, осідання, поїдання.

Для прикріпленого перифітону, та водних макрофітів рівняння динаміки запишеться аналогічно (3) але без складових конвективного переносу та дисперсії. А замість осідання відмерлої біомаси буде присутня швидкість зміни біомаси за рахунок замулення і збільшення позначки дна.

Прийнявши, що витрата води Q=const, а переріз щ постійний маємо U=Q/щ=const. Запишемо рівняння динаміки РК, БСК, та ВР для біоінженерної споруди «Водоскидний ківш», окремо для біоставка та біоплато, тому що значення D та U в них різні.

Індекс 1 позначає біоставок, а індекс 2 - біоплато. Отже отримано систему 6 рівнянь.

Рівняння динаміки РК1 - (4)	Рівняння динаміки РК2 - (5)
Рівняння динаміки БСК1 - (6)	Рівняння динаміки БСК2 - (7)
Рівняння динаміки ВР1 - (8)	Рівняння динаміки ВР2 - (9)

де рівняння мають вигляд:

-К_РК1(БСК₁)+ К^?_РК1(РК₁) (4)

-К_РК2(БСК₂)+ К^?_РК2(РК₂) (5)

-К^?_БСК1(БСК₁) (6)

-К^?_БСК2(БСК₂) (7)

-К^?_ВР1(ВР₁) (8)

=-К^?_ВР2(ВР₂) (9)

де РК - концентрація розчиненого кисню, мг/л;

БСК - концентрація БСК, мг/л;

ВР - концентрація водних рослин (фітопланктону в біоставку та перифітону в біоплато), мг/л;

U - середня швидкість потоку води, м/с;

D - коефіцієнт повздовжньої дифузії, м²/с;

К_РК - загальна константа швидкості споживання РК в результаті окислення органічних забруднень (по вуглецю та азоту), 1/доба;

К^?_{РК -} загальна константа швидкості реаерації, фотосинтезу, респірації ВР, та зменшення РК за рахунок донних відкладень, 1/доба;

К^?_БСК - загальна константа швидкості розщеплення та приросту БСК, 1/доба;

К^?_ВР - загальна константа швидкості росту, зменшення і поїдання ВР, 1/доба.

Для рішення системи рівнянь представленої на рис. 4 сформульовано початкові умови при розгляданні несталого процесу і граничні умови.

Початкова умова для (4) при t₁ = 0: (РК₁)_t1=0=(РК₁)_t=0.

Граничні умови для рішення рівняння (4):

(РК₁)_x1=0=(РК₁)_t=0;

(d(РК₁)/dx₁)₀=(1/U₁*d(РК₁)/dt₁)₀

де (РК₁)_t=0 - значення РК у воді що надходить на очистку, мг/л;

(d(РК₁)/dx₁)₀ - градієнт концентрації РК (питомий потік концентрації на одиницю ширини живого січення на кордоні), залежить від гідродинамічних характеристик споруди.

Початкова умова для (5) при

t₂ = 0: (РК₂)_t2=0=(РК₂)_t1=ф1.

де (РК₁)_t1=ф1- значення РК знайдене в результаті рішення (4) при t₁₌ф₁, мг/л;

ф₁ - час перебування зворотної води в біоставку, доба: ф₁₌l₁/U₁,

l₁ - довжина біоставка, м;

Граничні умови для рішення рівняння (5):

(РК₂)_x2=0=(РК₁)_x1=l1;

(d(РК₂)/dx₂)₀=(1/U₂*d(РК₂)/dt₂)₀=(d(РК₁)/dx₁)_x1=l1

Початкова умова для (6) при

t₁ = 0: (БСК₁)_t1=0=(БСК₁)_t=0.

де (БСК₁)_t=0 - значення БСК зворотної води що надходить на очистку, мг/л.

Граничні умови для рішення рівняння (6):

(БСК₁)_x1=0=(БСК₁)_t=0;

(d(БСК₁)/dx₁)₀=(1/U₁*d(БСК₁)/dt₁)₀.

Початкова умова для (7) при

t₂ = 0: (БСК₂)_t2=0=(БСК₂)_t2=0.

де (БСК₁)_t1=ф1- значення БСК на виході з біоставка, одержане за формулою (6).

Граничні умови для рішення рівняння (7):

(БСК₂)_x2=0=(БСК₁)_x1=l1;

(d(БСК₂)/dx₂)₀=(1/U₂*(БСК₂)/dt₂)₀=(d(БСК₁)/dx₁)_x1=l1

Початкова умова для (8) при

t₁ = 0: (ВР₁)_t1=0=(ВР₁)_x1=0 ,

де (ВР₁)_t1=0 - мінімальна концентрація фітопланктону в біоставку, мг/л.

Граничні умови для рішення рівняння (8):

(ВР₁)_t1=0=(ВР₁)_x1=0;

(d(ВР₁)/dx₁)₀ = (1/U₁*d(ВР₁)/dt₁)₀.

Початкова і прикордонна умова для (9) при

t₂ = 0: (ВР₂)_t2=0=(ВР₂)_x2=0,

де (ВР₂)_t2=0 - мінімальна концентрація перифітону в біоплато, мг/л.

Рівняння (4), (5), (6), (7), (8) формально ідентичні до випадку устаткованого процесу мають однаковий вигляд:

-UdФ/dx+Dd²Ф/dx²-КФ=0 (10)

де Ф - концентрація субстанції РК, або БСК, або ВР.

Рівняння приводиться до відомого однорідного лінійного диференціального рівняння. Після деяких перетворень та введення лінійних масштабів для переходу до безрозмірних змінних рівняння має вигляд:

d² /d²-Ped/ d-Kl²/D=0 (11)

Рішення рівняння (11) має вигляд:

, (12)

де =Ф/Ф₀ - безрозмірна величина;

Ф₀ - початкова концентрація субстанції;

=х/l - безрозмірна величина;

- потік концентрації (зміна концентрації на кордоні) задано;

Pe=Ul/D - дифузійний безрозмірний критерій Пекле;

для спрощення рівняння:

, (13)

де К - константа швидкості перетворення субстанції Ф;

В рішеннях рівнянь (4), (5), (6), (7), (8), (9) індекс «int1» позначає вхід в біоставок, «int2» - вхід в біоплато, «exit1» - вихід з біоставка, «exit2» - вихід з біоплато. Рішення рівняння (4) має вигляд:

(14)

де для спрощення:

, а також

,

- потік концентрації РК на вході в біоставок.

Рішення рівняння (5) має вигляд:

(15)

де для спрощення:

, а також

,

- потік концентрації РК на вході в біоплато.

Аналогічно запишуться рішення рівнянь (6) та (7) відповідно:

(16)

(17)

де для спрощення:

, а також

,

, а також

.

Рішення рівняння (8) для ВР₁:

(18)

де для спрощення:

, а також

.

Рішення рівняння (9) для ВР₂:

ВР_exit2=ВР_int2exp(-K^?_ВР2*l₂/U₂) (19)

ВВР є головною складовою яка визначає здатність біоплато очищувати зворотну воду, тому при аналізі біоплато необхідно також моделювати зміну біомаси ВВР і прикріпленої до підводної частини ВВР мікрофлори (перифітон) у зв'язку з надходженням біогенних елементів із зворотною водою. Так як біомаса перифітону дуже мала по відношенню до біомаси ВВР, будемо розглядати узагальнену модель «перифітон + підводна і коренева частина ВВР» і використовувати в даному розумінні термін «біомаса ВВР».

Рівняння динаміки «біомаси ВВР» в загальному вигляді запишемо так:

dM/dt=(-r-e_x-s-m)M-G (20)

де М - «біомаса ВВР» виражена через суху масу біомаси, або через вміст хлорофілу а, еквівалентну масу вуглецю, азоту або фосфору, маса/об'єм.

- загальна швидкість росту [1/час];

r - швидкість дихання [1/час];

e_x - швидкість виділення [1/час];

s - швидкість зменшення біомаси ВВР і перифітону за рахунок замулення, та збільшення позначки дна [1/час];

m - швидкість природного вимирання [1/час];

G - втрата біомаси при збиранні «врожаю» або «поїданні» ВВР [маса/об'єм-час].

Початкова умова для (20) при t = 0: М = М₀ ,

де М₀ - початкова «біомаса ВВР», виражена через суху масу.

Після інтегрування та проведення деяких перетворень отримано рівняння в безрозмірному вигляді:

M/M₀=exp[(-r-e_x-s-m)t](1-G/(-r-e_x-s-m)M₀)+G/(-r-e_x-s-m)M₀ (21)

Для перевірки моделі динаміки РК, БСК, та ВР в біоінженерній споруді «Водоскидний ківш», та моделі динаміки «біомаси ВВР» в біоплато на реальних даних складено алгоритми розрахунку динаміки РК, БСК, ВР, «біомаси ВВР» на прикладі натурного об'єкту дослідження - заболоченої ділянки із ВВР (рис. 2). Результати розрахунків за даними алгоритмами показали гарне співставлення їх з даними експериментальних лабораторних досліджень. Порівняння експериментальних даних і результатів рішення математичної моделі динаміки БСК_повн і РК представлено на рис. 5. Розкид точок в початковому і кінцевому створах зумовлюється тим, що досліди проводились на протязі декількох днів при різних погодних умовах, така картина відповідає реальним умовам експлуатації споруди.

Використовуючи ці моделі можна виконувати повний розрахунок усіх характеристик споруди «Водоскидний ківш».

Представлене рівняння динаміки коліформних бактерій дозволяє оцінити їх динаміку в біоплато.

У п'ятому розділі приведені рекомендації на проектування і техніко-економічні показники споруди «Водоскидний ківш».

Детально розглянуто концепцію та головні положення розрахунку біоплато. В методі розрахунку прийнято до уваги неминучий розкид та відхилення кінцевого результату, що зумовлено зміною розрахункових коефіцієнтів рівнянь в певному інтервалі. Тому розрахунки представлені з урахуванням оптимістичного та песимістичного сценаріїв. При розрахунку біоплато визначаються головні характеристики: площа біоплато по водному дзеркалу, глибина води, якість зворотної води на виході та ефективність очистки. З урахуванням можливого діапазону розрахункових характеристик біоплато, запропонована методика розрахунку біоплато передбачає паралельний розрахунок за трьома варіантами: 1) за питомим гідравлічним навантаженням; 2) за питомим навантаженням з головних видів забруднення; 3) за ефективністю очистки досягнутою в натурних умовах на реальних очисних спорудах біоплато і aquaculture wetlands (США).

Гідравлічне навантаження q_г знаходиться з формули:

F=Q/q_г (22)

де q_г - гідравлічне навантаження, в межах від 0,00001 до 0,057 м³/(м²·доба);

Q - витрата води, м³/доба;

F - площа біоплато, м²;

Визначення площі біоплато за питомим навантаженням з головних видів забруднення відбувається за формулою:

F=Q(C_int-C_exit)/q (23)

де q - питоме навантаження, тобто здатність ВВР очищувати від забруднення, г/(м²·доба);

C_int - концентрація забруднюючої речовини на вході, г/м³;

C_exit - концентрація забруднюючої речовини на виході, г/м³.

Розрахунок площі біоплато за ефективністю очистки досягнутою в натурних умовах на реальних очисних спорудах біоплато і aquaculture wetlands (США) виконується у відповідності до матриці (рис. 6).

Результати натурних спостережень та вимірювань здатності ВВР очищувати зворотну воду від забруднень, а також ефективність очистки залежать від температури (пори року), прибирання біомаси в кінці вегетаційного періоду. За даними натурних досліджень ефективності очистки в біоплато вибирається діапазон ефективності, підставляється в матрицю, та проводиться розрахунок площі біоплато за формулою (23), з урахуванням ступеня очистки.

При роботі споруди весь рік необхідно вибирати із варіантів площу з самими несприятливими умовами експлуатації, тобто в холодний період року.

Розроблено рекомендації з розрахунку та проектування споруди «Водоскидний ківш», складені на основі літературних джерел з улаштування та проектування споруд aquaculture wetland (США), на основі СНиП 2.04.03-85, а також на основі аналізу експлуатації натурного об'єкту дослідження здобувача. біоінженерний забруднення розсіювальний

В результаті техніко-економічного розрахунку визначено, що вартість споруди «Водоскидний ківш» до 200 м³/добу складає 74-192 тис. грн, до 500 м³/добу складає 200-423 тис. грн, що на порядок нижче вартості традиційних очисних споруд. Чистий річний економічний ефект від впровадження споруди «Водоскидний ківш» при витраті зворотної води 50-500 м³/добу складає 86-769 тис. грн/рік.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Аналіз літературних і патентних матеріалів, а також досвід досліджень і проектування показали, що очистка зворотних вод природними біоценозами є однією з найбільш перспективних, яка відрізняється високою ефективністю, потребує мінімальні експлуатаційні і енергетичні витрати.

2. Підвищення ефективності очистки зворотних вод від органічних та мінеральних забруднень можна досягти поєднанням в одній споруді біоставка і біоплато з вищими водними рослинами разом з береговим розсіювальним випуском очищених зворотних вод.

3. Розроблена конструкція комплексної біоінженерної споруди «Водоскидний ківш» дозволяє підвищити ефективність очистки від органічних і мінеральних забруднень при скиді зворотних вод шляхом додаткової очистки біоценозами біоставка і біоценозами вищих водних рослин біоплато а також розосередити скидний потік вздовж берегової лінії і ефективно змішати цей потій з водою водотоку для зниження концентрації до припустимого рівня.

4. Вибрано натурний об'єкт дослідження - заболочена ділянка із вищими водними рослинами, розташована поблизу м. Гадяч Полтавської області, яка є характерною для центральної частини України природною заболоченою ділянкою що приймає зворотні води. Дослідження якої представляє інтерес так як аналогічні дослідження на Україні практично не проводились. Проведені натурні і лабораторні дослідження.

5. Результати натурних експериментальних досліджень показали, що на природному біоплато відбувається інтенсивна очистка зворотних вод від комплексу забруднюючих вуглець- і азотовмісних речовин органічного і неорганічного характеру як в літній так і в зимовий період.

6. На основі теоретичного аналізу існуючих рівнянь збереження мас складена модель динаміки РК, БСК і ВР як головних взаємодіючих складових біоінженерної споруди «Водоскидний ківш». Рівняння динаміки РК, БСК і ВР дозволяють отримати значення розрахункових параметрів розчиненого кисню, органічних забруднень за БСК, водних рослин (в біоставку - фітопланктона, в біоплато - перифітона) при заданих зовнішніх умовах. Рішення рівнянь для практичних розрахунків реалізується у вигляді алгоритмів рішення рівнянь РК, БСК і ВР.

7. Використовуючи рівняння динаміки «біомаси ВВР» (підводна, коренева частина ВВР і перифітон) можна оцінити динаміку «біомаси ВВР» в біоплато при заданому вмісті біогенних елементів у зворотній воді і інтенсивності світла. Рішення рівняння реалізується у вигляді алгоритму.

8. Використовуючи рівняння динаміки коліформних бактерій можна оцінити їх динаміку в біоплато.

9. Розроблено новий метод інженерного розрахунку споруди «Водоскидний ківш».

10. Рекомендації з розрахунку і проектування споруди «Водоскидний ківш», складено на підставі літературних даних з улаштування і проектування споруд aquaculture wetland (США), СНиП 2.04.03-85, і на підставі аналізу експлуатації натурного об'єкту дослідження. Проведено аналіз і виявлена галузь практичного використання скошеної ВВР.

11. Виконано техніко-економічний розрахунок в результаті якого було отримано, що вартість споруди «Водоскидний ківш» до 200 м³/добу складає 74-192 тис. грн, до 500 м³/добу складає 200-423 тис. грн, що на порядок нижче вартості традиційних очисних споруд. Чистий річний економічний ефект від впровадження споруди «Водоскидний ківш» при витраті 50-500 м³/добу складає 86-769 тис. грн/рік.

12. У результаті виконаних досліджень споруди «Водоскидний ківш» є доцільним удосконалення споруди за рахунок пристрою для зміни глибини, та рециркуляції води, для більш ефективної роботи споруди.

Список опублікованих праць

1. Шеренков І. А. Биоинженерные сооружения для очистки нефтесодержащих сточных вод / І. А. Шеренков, К. С. Пономарьов // Науковий вісник будівництва. - Харків: ХДТУБА-ХОТВ АБУ, 1998. - Вип. 4. - С. 146-148.

Особистий внесок автора: аналіз літературних джерел з питання здатності вищої водної рослинності очищувати зворотні води забруднені нафтопродуктами.

2. Шеренков І. А. Биоинженерные сооружения для очистки сточных вод при сбросе в водный объект / І. А. Шеренков, К. С. Пономарьов // Науковий вісник будівництва. - Харків: ХДТУБА-ХОТВ АБУ, 1999. - Вип. 6. - С. 125-129.

Особистий внесок автора: проведено аналіз існуючих методів біологічної очистки зворотних вод. Запропоновано нову біоінженерну споруду, яка забезпечує додаткову очистку зворотних вод водним біоценозом біоставка та біоценозом ВВР біоплато, а також розосереджує скидний потік зворотних вод вздовж берегової лінії, та забезпечує ефективне змішування цього потоку з водою водотоку.

3. Пономарьов К.С. Моделирование и расчет гидродинамического режима в устройстве для сброса сточных вод с биопрудом, биоплато / К.С. Пономарьов // Науковий вісник будівництва. - Харків: ХДТУБА-ХОТВ АБУ, 2000. - Вип.11. - С. 176-181.

4. Пономарьов К. С. Нова споруда для очистки і скиду стічних вод / К. С. Пономарьов // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. - Кременчук, 2002. - Вип. 5. - С. 79-81.

5. Sherenkov I. A. The flow and the purification of the waste water in bioplateau by higher water plants / I. A. Sherenkov, K. S. Ponomarev // Flow and transport processes in complex obstructed geometries: from cities and vegetative canopies to industrial problems. - Kyiv: NATO advanced study institute, May 2004. - P. 181-182.

Особистий внесок автора: запропоновано нову біоінженерну споруду.

6. Шеренков І. А. Метод розрахунку біоплато-водоскидного ковша / І. А. Шеренков, К. С. Пономарьов // Науковий вісник будівництва. - Харків: ХДТУБА-ХОТВ АБУ, 2005. - Вип. 34. - С. 203-207.

Особистий внесок автора: представлено розрахунок біоплато.

7. Шеренков І. А. Математическая модель биологической очистки сточных вод в сооружении „Биопруд-Биоплато” / І. А. Шеренков, К. С. Пономарьов // Науковий вісник будівництва. - Харків: ХДТУБА-ХОТВ АБУ, 2006. - Вип. 35. - С. 242-250.

Особистий внесок автора: розроблено математичну модель біологічної очистки зворотних вод в споруді „Біоставок - Біоплато”.

8. Пономарьов К. С. Алгоритм розрахунку біотехнологічного пристрою для очистки стічних вод малих міст / К. С. Пономарьов // Науковий вісник будівництва. - Харків: ХДТУБА-ХОТВ АБУ, 2006. - Вип. 38. - С. 133 - 136.

9. Пономарев К. С. Потенциал энергоматериальных ресурсов очистных сооружений биопруд-биоплато / К. С. Пономарев // Науковий вісник будівництва. - Харків: ХДТУБА-ХОТВ АБУ, 2009. - Вип. 54. - С. 338 - 343.

10. Пат. UA 32985 А Україна, МПК 6Е 03F 5/12. Пристрій для скиду стічних вод / Шеренков І. А., Стольберг Ф. В., Пономарьов К. С.; заявник та власник патенту Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури. - № 98095081; заявл. 29.09.1998; опубл. 17.05.1999 бюл. № 1.

Особистий внесок автора: розробка робочих креслень, проведення досліджень, обробка отриманих результатів.

11. Шеренков І. А. Водосбросной ковш для очистки сточных вод / І. А. Шеренков, К. С. Пономарьов // Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів: VIII всеукраїнська наукова конференція аспірантів та студентів, 14-16 квітня 1998 р.: тези допов. - Т. 1. - Донецьк: ДДТУ-ДДУ-ДДАУ-ДУЕБДО, 1998. - С. 54-55.

Особистий внесок автора: проведено аналіз існуючих традиційних випусків зворотної води в поверхневі водні об'єкти та запропоновано нову біоінженерну споруду для скиду зворотних вод „Водоскидний ківш”.

12. Пономарьов К. С. Здатність вищої водної рослинності очищати природні та стічні води / К. С. Пономарьов // Екологія і здоров'я людини. Охорона водного і повітряного басейнів. Утилізація відходів: Науково-технічна конференція, 12-16 червня 2000 р.: праці конференції - Т.ІІІ. - Щьолкіно, АР Крим, 2000. - С. 589-592.

Анотація

Пономарьов К. С. Споруда для скиду зворотних вод з біоставком та біоплато «Водоскидний ківш». - Рукопис.

...