₂ = _2maxS/(K_2m+S), (5)

На I ступени (при не лимитирующих концентрациях субстрата) скорости роста микроорганизмов и окисления близки к максимальным и отбор видов осуществляется в пользу развития микроорганизмов, растущих и окисляющих загрязнения с максимальной скоростью, на II ступени отбор видов направлен на уменьшение константы Михаэлиса, то есть на увеличение глубины окисления.

Таким образом, общие теоретические концепции закономерностей кинетики ферментативных реакций приводят к выводу, что для очистки высококонцентрированных сточных вод спиртзавода весьма перспективно применение биологической очистки в двухступенчатых аэротенках с илоотделителями на каждой ступени.

Глава 3. «Экспериментальные исследования».

В разделе 3.1 изложены поставленные задачи проводимых исследований.

В разделе 3.2 приведена методика экспериментальных исследований, описана модель экспериментальной установки по очистке сточных вод спиртзавода и изложены качественные характеристики поступающей на очистку воды.

Исследования проводились на натуральной производственной сточной воде спиртзавода на экспериментальной установке аэробной биологической очистки в режиме непрерывно-проточного культивирования.

Экспериментальная установка по очистке сточных вод представляла собой модель двухступенчатого аэротенка - смесителя с промежуточными отстойниками на каждой ступени (рис. 1). Эффективность процесса биологической очистки контролировалась по изменению в исходной и очищенной воде следующих показателей: БПК_полн, ХПК, азот нитратов, азот нитритов, аммонийный азот, органический азот, фосфаты, рН, взвешенные вещества, доза активного ила, иловый индекс.

Сточные воды - фугат спиртового завода ОАО «Астраханский спиртзавод» - поступали в модельную установку двухступенчатой биологической очистки после предварительной механической очистки. Подача воды и циркуляция активного ила в системе осуществлялась при помощи многоканального насоса - дозатора. В аэротенки через мелкопузырчатые аэраторы подавался воздух.

Рис. 1 Экспериментальная установка двухступенчатой биологической очистки сточных вод 1 - емкость для исходной воды, 2 - аэротенк I ступени, 3, 5 - вторичные отстойники, 4 - аэротенк II ступени, 6 - емкость для очищенной воды, 7 - многоканальный насос - дозатор, 8 - выпуски избыточного активного ила, 9 - компрессорная установка для подачи воздуха

В процессе исследований проводился микроскопический контроль состояния биоценоза активного ила. Очищенная вода сбрасывалась через выпуск. В ходе исследований период аэрации в аэротенках I и II ступеней изменялся от 17,3 до 27,4 часов, при изменении объемов аэротенков - от 8,6 до 13,6 л соответственно. Расход сточных вод оставался неизменным - 12 л/сут.

В сточной воде спиртзавода из соединений азота содержится только азот органических соединений. Аммонийный азот и фосфор отсутствуют. С целью создания необходимых условий для процессов ассимиляции, прироста биомассы, в сточную воду в течение эксперимента добавлялись биогенные элементы в виде минеральных солей: аммоний хлористый в концентрации (по азоту) до 148 мг/л и натрий фосфорнокислый однозамещенный в концентрации (по фосфору) до 30 мг/л.

Качественные характеристики поступающей на очистку воды по среднемесячным данным за период исследований приведены в таблице 1.

Таблица 1

Качественные характеристики поступающей на установку воды

(*) - после добавления в обрабатываемую воду

По данным таблицы построены графики динамики варьирования показателей качества сточных вод, поступающих на очистные сооружения за период проведения исследований (рис.2).

Рис. 2 показывает, что среднемесячная концентрация органического загрязнения по ХПК варьировала в пределах 8200 - 10800 мг/л, по БПК_полн - 4500 - 5400 мг/л. Соотношение БПК_полн к ХПК изменялось от 44% до 68% и в среднем составляло 54%, что и позволило для очистки данного вида сточных вод применить биологический метод.

Рис. 2 Динамика изменения среднемесячных значений показателей БПК_полн и ХПК

В разделе 3.3 представлены обобщенные данные по результатам исследований процесса очистки производственных сточных вод, эффективности очистки, найдены кинетические константы и коэффициенты. Доза ила в аэротенке I ступени поддерживалась на уровне 4-5 г/л, на II ступени - 2-2,8 г/л. Результаты работы установки за весь период испытаний по динамике снижения органического загрязнения по ХПК и БПК_полн представлены на рис. 3 и 4.

Рис. 3 Снижение показателя ХПК за период испытаний

Оценка работы установки показала высокую эффективность очистки от органических загрязнений по ХПК и БПК_полн в условиях стабильной работы системы в целом. При очистке производственного стока спиртзавода до БПК_полн 15 мг/л, эффективность удаления органических загрязнений составляла в аэротенке по ХПК - 69 и 93%, по БПК_полн 88 и 96%, по ступеням соответственно. Суммарный эффект очистки по соединениям азота составил 92%.

Рис. 4 Снижение показателя БПК_полн за период испытаний

По полученным экспериментальным данным графоаналитическим методом найдена взаимосвязь БПК_полн и ХПК для очищенной воды каждой ступени аэротенка (рис. 5, 6).

Рис. 5 Зависимость БПК_полн от ХПК для I ступени по ступеням очистки

Рис. 6 Зависимость БПК_полн от ХПК для II ступени по ступеням очистки

Остаточная предельная концентрация органических загрязнений на I ступени по ХПК составляет 1700 мг/л, на II ступени - 192 мг/л при БПК_полн - до 20 мг/л. На второй ступени аэротенка процесс очистки от органических загрязнений идет глубже, происходит окисление консервативных и трудноокисляемых веществ.

В результате процесса аммонификации, органический азот переходит в азот аммонийный, который в процессе нитрификации трансформируется в азот нитритов и нитратов и используется в процессах ассимиляции на прирост биомассы. Выполненный материальный баланс по азотсодержащим веществам показывает, что при очистке сточных вод в двухступенчатом аэротенке со сточной водой поступало азота 3,96 г/сут, с очищенной водой выходило 0,36 г/сут и тогда 3,3 г/сут использовалось в процессе ассимиляции, потреблялось на прирост активного ила. При этом в сутки удалялось органических загрязнений по БПК 61,2 г. Следовательно, на 100 мг снятого БПК требуется 5,4 мг азота, включая органической азот, присутствующий в исходной сточной воде.

Материальный баланс по соединениям фосфора показывает, что при очистке сточных вод в сутки поступало 336 мг фосфора, а 312 мг/сут использовалось на прирост активного ила, то есть на 100 мг снятого БПК потреблялось 0,5 мг фосфора.

В результате проведенных исследований для аэротенков I и II ступеней получены зависимости окислительной мощности и удельной скорости окисления от концентрации загрязнений в очищенной воде (рис.7-9). С увеличением концентрации органических загрязнений, окислительная мощность возрастает и на первой ступени по БПК_полн достигает значений 5600 г/м³_*сут, на второй ступени - 2500 г/м³_*сут. Наличие промежуточного отстойника на первой ступени позволяет повысить окислительную мощность аэротенка (его производительность) за счет увеличения дозы активного ила (на первой ступени до 5 г/л) и изменений условий селекции микроорганизмов.

Рис. 7 Зависимость окислительной мощности по ХПК и БПК_полн от качества очистки на I ступени

Рис. 8 Зависимость окислительной мощности по ХПК и БПК_полн от качества очистки на II ступени

При высокой концентрации субстрата скорость реакции максимальна, становится постоянной и не зависящей от концентрации субстрата. В этом случае реакция целиком определяется концентрацией фермента (т.е. концентрацией активного ила).

Зависимость удельной скорости окисления от концентрации загрязнений в очищенной воде может быть описана уравнением кинетики ферментативных реакций (уравнение (2)). Значения кинетических констант определены графоаналитическим методом двойных обратных величин (рис. 10, 11).

Рис. 9 Зависимость удельной скорости окисления в аэротенках от концентрации органических веществ в очищенной воде

Получено, что скорость процесса возрастает с увеличением концентрации субстрата. В связи с этим при полной биологической очистке, когда в сооружении поддерживается низкая концентрация субстрата, нельзя достичь высоких скоростей окисления. Деление процесса на ступени позволяет увеличить производительность процесса за счет перераспределения скоростей по ступеням.

Максимальная удельная скорость окисления (V_max) по БПК_полн в аэротенке I ступени составляет 59,5 мг/г*час, а в аэротенке II ступени - 32,3 мг/г*час. Тем самым на первой ступени аэротенка осуществляется неполная очистка с высокой концентрацией органических загрязнений по БПК, обеспечивающей максимальную скорость биохимической реакции, а на второй ступени - полное окисление оставшейся части органических веществ.

Наличие вторичного отстойника на первой ступени приводит к существенному снижению величины константы К_m. Константа К_m для аэротенка I ступени составляет 280 мг/л, для аэротенка II ступени - 15,5 мг/л. Поскольку константа K_m характеризует селективность фермента по отношению к субстрату, можно сделать вывод, что на первой ступени селективность фермента меньше, чем на второй, что и приводит к увеличению глубины очистки от трудноокисляемых органических веществ по ХПК.

Рис. 10 График двойных обратных величин зависимости уд. скорости окисления (по БПК_полн) от качества очищенной воды в аэротенке I ступени

Рис. 11 График двойных обратных величин зависимости уд. скорости окисления (по БПК_полн) от качества очищенной воды в аэротенке II ступени

Найденные кинетические константы позволяют произвести расчет аэротенков для любой заданной степени очистки и тем самым оптимизировать двухступенчатую схему и обоснованно выявить рациональные соотношения ступеней с определенной степенью очистки на первой ступени и заданной - на второй.

Активный ил из обеих ступеней характеризуется хорошими седиментационными свойствами, так как иловый индекс в широком диапазоне нагрузок на превышал 140 см³/г. На II ступени очистки седиментационные свойства активного ила лучше, иловый индекс не превышал 100 см³/г, оптимальная нагрузка на II ступени составляла 350-400 мгБПК/(г*сут). Оптимальная нагрузка на ил на I ступени (при величине илового индекса до 110 см³/г) - 900-1050 мгБПК/(г*сут).

На рис. 12 представлена зависимость окислительной мощности и удельной скорости окисления от дозы активного ила в аэротенке.

При возрастании концентрации активного ила наблюдается увеличение окислительной мощности аэротенка. В то же время с увеличением концентрации активного ила снижается удельная скорость окисления.

Снижение активности ила объясняется Иерусалимским Н.Д. и Скирдовым И.В. выделением продуктов метаболизма, ингибирующих процесс биохимического окисления. Найденный графоаналитическим путем коэффициент ингибирования продуктами метаболизма активного ила ц по ступеням очистки составляет 0,41 и 1,42.

Рис. 12 Зависимость окислительной мощности и удельной скорости окисления от дозы активного ила

Таким образом, проведенные экспериментальные исследования подтвердили перспективность двухступенчатых аэротенков для очистки высококонцентрированных сточных вод спиртовых производств. При этом реализуется очистка стоков как до нормативов сброса в горколлектор, так и до показателей полной биологической очистки, до БПК_полн 15 мг/л.

В разделе 3.4 приведены данные гидробиологических и микробиологических исследований активного ила в аэротенках I и II ступеней. Выявлено, что активный ил из аэротенка II ступени характеризуется большим видовым разнообразием микроорганизмов по сравнению с активным илом из I ступени. В первую очередь, это связано с концентрацией поступающих органических загрязнений и высокими нагрузками на ил на I ступени очистки.

Глава 4. «Расчет очистных сооружений и технико - экономическая оценка технологии».

Раздел 4.1 посвящен выбору исходных данных для расчета и оптимизации схемы. Для этого по экспериментальным данным выполнен статистический анализ показателей сточной воды, поступающей на очистку. Полученные на основании статистического анализа качественные показатели состава сточной воды ОАО «Астраханский спиртзавод» по диктующим ингредиентам представлены в таблице 2.

Таблица 2

Показатели качества сточных вод ОАО «Астраханский спиртзавод»

В разделе 4.2 представлен расчет оптимального технологического режима двухступенчатой схемы биологической очистки производственных сточных вод спиртзавода.

Цель оптимизации процесса биологической очистки в аэротенке состоит в том, чтобы при известных характеристиках стоков и заданных ограничениях на качество очищенной воды определить значения технологических параметров, при которых сумма объемов (или время обработки) аэротенка и вторичного отстойника будет минимальной.

На первом этапе графоаналитическим путем определена оптимальная доза активного ила по ступеням аэротенка, при которой будет достигаться минимальное суммарное время обработки воды в аэротенке и отстойнике. При расчете концентрация органических загрязнений по БПК_полн в исходном стоке принята 6000 мг/л (S₀) (табл. 2), в очищенной воде после первой ступени - 500 мг/л, после второй ступени - 15 мг/л. Скорость окисления и окислительная мощность аэротенка в данном случае определялась для каждого значения дозы ила при их варьировании. Гидравлическая нагрузка на илоотделители q_ms при разных дозах активного ила и илового индекса определена через безразмерный параметр a_iI_i по таблице 45 СНиП 2.04.03-85.

Полученные данные представлены графически зависимостью величины суммарного объема аэротенка и вторичного отстойника от дозы активного ила (рис. 13, 14).

Рис. 13 Зависимость суммарного объема аэротенка и вторичного отстойника от дозы активного ила в аэротенке I ступени

Рис. 14 Зависимость суммарного объема аэротенка и вторичного отстойника от дозы активного ила в аэротенке II ступени

Оптимальная концентрация активного ила в аэротенке I ступени составляет 4,5 г/л (рис. 13), во II ступени - 2,8 г/л (рис. 14).

Согласно полученным данным, с увеличением дозы активного ила окислительная мощность возрастает. При этом объем аэротенка уменьшается, но увеличивается объем вторичного отстойника, что приводит к увеличению суммарного времени обработки сточных вод.

Полученные величины оптимальной дозы ила по ступеням очистки позволяют произвести оптимизацию аэротенков. С этой целью произведен ряд последовательных расчетов сооружений первой и второй ступени, при которых качество исходной и очищенной воды остаются без изменений, а качество очистки после первой ступени последовательно изменяется с определенным шагом. При этом на второй ступени качество очистки регламентируется величиной установленных нормативов.

Технологические параметры работы сооружений при различном соотношении ступеней (при варьировании объемов аэротенков I и II ступеней) представлены в таблицах 3 и 4.

Таблица 3

Технологический расчет (схема 1 - предварительная очистка до сброса в горколлектор)

Таблица 4

Технологический расчет (схема 2 - полная биологическая очистка до БПК 15 мг/л)

Вследствие того, что концентрация субстрата в аэротенке II ступени принята как постоянная величина, окислительная мощность во всех вариантах для разных режимов очистки не изменяется. Полученные данные можно представить графически зависимостью величины времени аэрации в двухступенчатом аэротенке от качества очистки по БПК после каждой ступени ?Т=f(L_ex) (рис. 15).

Рис. 15 Зависимость суммарного времени пребывания сточных вод в системе очистки от качества очистки на I ступени

Из рис. 15 следует, что оптимальная степень очистки на I ступени при полной биологической очистке по БПК составляет 500 мг/л. При эксплуатации сооружений в режиме предварительной очистки, оптимальная степень очистки после аэротенка I ступени составляет 800 мг/л. Полученные результаты подтверждают, что в многоступенчатых аэротенках происходит перераспределение скоростей окисления по ступеням. На первой ступени очистка протекает с поддержанием высоких концентраций субстрата, обеспечивающих максимальную скорость биохимической реакции, на второй - происходит процесс глубокого окисления органических веществ с низкими скоростями окисления. Перераспределение скоростей позволяет снизить время пребывания воды в аэротенках, что отражается на снижении общего объема очистных сооружений.

Проведенные оптимизационные расчеты позволяют определить не только оптимальное соотношение ступеней и соответствующее качество очистки на первой ступени по всем нормируемым компонентам, но и произвести расчет технико-экономического обоснования схемы очистки.

В разделе 4.3 произведена технико - экономическая оценка двухступенчатой биологической очистки сточных вод спиртовых заводов, перерабатывающих зерно-картофельное сырье. Технико - экономический расчет представлен для схемы, приведенной на рис. 16.

Рис. 16. Схема очистки сточных вод 1-подающий насос, 2-циркуляционные насосы, 3 - дозатор хлористого аммония, 4 - дозатор натрия фосфорнокислого, 5 - емкость исходной воды, 6 - аэротенк I ступени, 7,9 - вторичные отстойники, 8 - аэротенк II ступени, 10 - емкость очищенной воды, 11 - компрессорная установка для подачи воздуха, 12 - выпуск очищенных стоков, 13 - выпуск избыточного активного ила, 14 - илоуплотнитель

Обобщенные технологические параметры для расчета очистных сооружений при полной биологической очистке приведены в таблице 5. Расчет экономических показателей произведен на основании технико-экономического сравнения двух вариантов.

Критерием сравнительной экономической эффективности является годовой экономический эффект, рассчитанный через показатель приведенных затрат. Расчёт-обоснование необходимого объёма инвестиций для реализации схемы двухступенчатой биологической очистки произведен на основании сметно - финансового расчета (в текущих ценах), составленного по территориальным единичным расценкам на строительные и монтажные работы в Астраханской области, и представлен в таблице 6.

Расчет эксплуатационных затрат произведен укрупнено и по элементам представлен в таблице 7.

В качестве альтернативного варианта очистки производственных сточных вод рассмотрена установка упаривания фугата послеспиртовой барды, предложенная ООО «Фирма ПромСтрой» (г. Новочебоксарск). Технические характеристики установки в номинальном режиме работы приведены в таблице 8.

Таблица 5

Данные технологического расчета сооружений

Таблица 6

Объем капиталовложений

Таблица 7

Расчет стоимости эксплуатационных затрат

В таблице 9 приведены общие данные по капитальным, эксплуатационным, приведенным затратам для сравниваемых вариантов. Технико-экономическая оценка предлагаемой технологии очистки производственных сточных вод спиртзавода, по сравнению с технологией упаривания фугата послеспиртовой барды, показала, что размер капиталовложений по первому варианту в 2 раза ниже, чем по второму варианту.

Экономический эффект в размере 7541,35 тыс. руб. достигается также за счет снижения ежегодных эксплуатационных затрат.

Таблица 8

Технические характеристики установки упаривания фугата

Таблица 9

Основные технико-экономические показатели по сравниваемым вариантам

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На основании проведенного аналитического обзора и данных экспериментальных исследований установлено, что сточные воды спиртовых заводов относятся к категории высококонцентрированных. Анализ тенденций развития способов биологической очистки сточных вод спиртовых заводов показал, что на современном этапе для данных сточных вод перспективно использование аэробных многоступенчатых схем очистки.

2. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили перспективность двухступенчатой схемы биологической очистки для очистки высококонцентрированных сточных вод спиртовых производств. При этом возможна очистка стоков как до нормативов сброса в горколлектор, так и до показателей полной биологической очистки, до БПК 15 мг/л.

3. Показана высокая эффективность очистки от органических загрязнений по ХПК и БПК, при очистке производственного стока спиртзавода до БПК 15 мг/л, эффективность удаления органических загрязнений составляет в двухступенчатом аэротенке по ХПК - 69 и 93%, по БПК 88 и 96%, по ступеням соответственно.

4. Деление процесса по ступеням позволяет осуществлять очистку сточных вод с поддержанием высоких концентраций субстрата на I ступени, обеспечивающих высокие значения окислительной мощности, а на II ступени - вести процесс на полное окисление органических загрязнений. Окислительная мощность по БПК на I ступени аэротенка достигает 5600 г/м³_*сут и на II ступени - 2500 г/м³_*сут.

5. Теоретически и экспериментально установлено, что процесс окисления органических веществ сточных вод спиртовых заводов в аэробных условиях подчиняется закономерностям ферментативной кинетики. Максимальная удельная скорость окисления (V_max) по БПК в аэротенке I ступени составляет 59,5 мг/г*час, а в аэротенке II ступени - 32,3 мг/г*час. Константа К_m для аэротенка I ступени и II ступени составляет соответственно, 280 и 15,5 мг/л. Для сточных вод спиртового производства при их очистке в аэробных условиях полученные коэффициенты ингибирования продуктами метаболизма активного ила ц по ступеням очистки составляют 0,41 и 1,42.

6. Найденные кинетические константы и коэффициенты позволяют оптимизировать аэробную схему очистки, найти оптимальную степень очистки на каждой ступени и, соответственно, соотношение объемов ступеней. При работе двухступенчатого аэротенка до показателей полной биологической очистки (по БПК 15 мг/л), оптимальная концентрация органических загрязнений по БПК в очищенной воде после аэротенка I ступени составляет 300-600 мг/л. При эксплуатации сооружений в режиме предварительной очистки (после аэротенка II ступени - 250 мг/л) оптимальная степень очистки после аэротенка I ступени составляет 800-1000 мг/л.

7. Установлены оптимальные технологические параметры работы двухступенчатого аэротенка: концентрация активного ила в аэротенке I ступени составляет 4,5 г/л, в аэротенке II ступени - 2,8 г/л. Оптимальная нагрузка на ил 1 ступени аэротенка (при величине илового индекса до 110 см³/г) составляет 900-1050 мгБПК/(г*сут), на II ступени - 350-400 мгБПК/(г*сут).

8. Наличие вторичного отстойника на первой ступени приводит к существенному снижению величины константы К_m и, следовательно, к увеличению глубины очистки от трудноокисляемых органических веществ по ХПК. При очистке сточной воды спиртзавода в одноступенчатом аэротенке предельная степень очистки по ХПК составляет 1600-1700 мг/л, а в двухступенчатом аэротенке - 150-170 мг/л. Активный ил из аэротенка II ступени характеризуется большим видовым разнообразием микроорганизмов по сравнению с активным илом из I ступени.

9. Выполнена технико-экономическая оценка двухступенчатой биологической очистки производственных сточных вод спиртзавода, по сравнению с технологией упаривания. Внедрение предлагаемого метода очистки позволит получить годовой экономический эффект 7541,35 тыс.руб.

10. На основании результатов проведенных исследований выданы рекомендации, по которым запроектированы очистные сооружения для спиртового завода ОАО «Астраханский спиртзавод». Разработанные рекомендации могут быть использованы при строительстве новых и реконструкции очистных сооружений действующих предприятий по производству спирта из зерно-картофельного сырья.

Публикации по теме диссертации

1. Вилявина (Аронова) Т.А. Скрининг способа очистки сточных вод спиртовых заводов, перерабатывающих зернокартофельное сырье//Наука: поиск 2003: Сб.науч.ст. Вып.2: в 2 т. Т2/АГТУ...