Размещено на http://www.allbest.ru/

Дослідження впливу концентрації розчиненого кисню на швидкість про-цесу нітрифікації амонійного азоту стічних вод

Охримюк Б.Ф., к.т.н., доцент, Грицина О.О., аспірант, Фурманець С.П., студент ФВГ (Національний університет водного господарства та природокористування, м. Рівне)

Ефективність очищення стічних вод від амонійного азоту на багатьох каналізаційних очисних спорудах є недостатньою. Збільшити швидкість процесу нітрифікації амонійного азоту в аеротенках можна шляхом підвищення концентрації розчиненого кисню у муловій суміші.

Efficacy sewage treatment from nitrogen on many sewer clearing constructions is insufficient. Increasing speed of process nitrification nitrogen in aerotank may be done by concentration soluble oxygen in mule mixes.

очищення стічний амонійний азот

Амонійний азот входить у склад стічних вод, що утворюються у побуті та на виробництві. Кількість амонійного азоту в стічній воді в розрахунку на одного жителя на добу згідно будівельних норм [1] становить 8 г. При існуючих нормі водовідведення 125 - 350 л/(люд . добу) його концентрація в стічних водах складає 23 - 64 мг/л.

У відповідності з чинними нормативними документами [2,3,4] вміст амонійного азоту (по азоту) у водоймах господарсько - питного та комунально - побутового користування не повинен перевищувати 2,0 мг/л; а у воді рибогосподарських об'єктів - 0,39 мг/л. Враховуючи незадовільний стан природних водойм в Україні природоохоронні органи вимагають здійснювати очищення стічних вод на каналізаційних очисних спорудах до концентрацій, що відповідають гранично-допустимим вимогам для водойм.

В зв'язку з цим актуальною задачею є інтенсифікація процесів окислення амонійного азоту стічних вод на каналізаційних очисних спорудах. Як відомо під час аеробної біологічної очистки стічних вод відбувається окислення - нітрифікація амонійного азоту з утворенням спочатку нітритів, а потім нітратів

Основними параметрами, які впливають на швидкість процесу нітрифікації є: температура, рН, концентрація амонійного азоту, наявність токсичних компонентів і концентрація розчиненого кисню у муловій суміші. Серед цих параметрів тільки концентрацію розчиненого кисню можна оперативно змінювати під час біологічної очистки стічної води. Інші параметри характеризують стічні води, і залежать від якості води, що надходить на очистку.

Як і для будь якого іншого виду біологічного окислення, для нітрифікації запропоновано багато математичних моделей, які описують цей процес. І тільки в окремих з них враховується вплив концентрації кисню на швидкість процесу. Так у США [5] швидкість росту культури мікроорганізмів изначається за виразом:

, (1)

де: мах - максимальна швидкість; С - поправочні коефіцієнти, які враховують відповідно температуру, рН і концентрацію розчиненого кисню; D - поправочний коефіцієнт, який враховує, що в реальних умовах розвивається суміш мікроорганізмів, а не чиста культура.

Величина поправки С при концентрації кисню 2-3 мг/л приймається рівною 1, а при зміні концентрації від 1 до 5 мг/ становить від 0,6 до 1,25. Це свідчить, що при збільшені концент рації кисню до 5 мг/л слід очікувати збільшення швидкості процесу до 25%.

Ша і Кульман грунтуючись на рівнянні кінетики Моно, запропонували двохсубстратну модель: для нітрифікації в якості лімітуючих субстратів прийняли азот аміаку S1 і розчинений кисень S2. Рівняння росту мікробної культури в цьому випадку запишеться в вигляді [5]

, (2)

де КS1 і КS2 - константи напівнасичення відповідно по азоту аміаку та кисню, мг/л. Значення константи КS2 = 1 - 2 мг/л.

За цим рівнянням при підвищені концентрації кисню з 2 до 5 мг/л швидкість процесу збільшиться на 42%.

В Росії (НДІ ВОДГЕО) розроблена методика розрахунку аеротенків-змішувачів з врахуванням процесу нітрифікації амонійного азоту [6]. Питому швидкість росту мікроорганізмів рекомендується визначати за формулою:

µ = µмакс.. КрН .КТ .Кос .Кс .N/(Кп +N), (3)

де µмакс - максимальна питома швидкість росту мікроорганізмів-нітрифікаторів, яка при температурі 20 оС та рН + 8,4 дорівнює 1,77 доба-1; КрН- коефіцієнт, який враховує вплив рН; КТ - температурний коефіцієнт; Кос -коефіцієнт, який враховує вплив концентрації розчиненого кисню; Кс - коефіцієнт, який враховує вплив токсичних компонентів; N - концентрація амонійного азоту; Кп - константа напівнасичення.

Коефіцієнт, що враховує вплив концентрації розчиненого кисню визначається подібно до моделі Ша і Кульмана:

Кос =С0/(К0 + С0) (4)

де К0 - константа напівнасичення, яка дорівнює 2 мг О2 /л.

Наведені вище залежності не дають можливості в повній мірі оцінити вплив концентрації розчиненого кисню в муловій суміші на швидкість процесу нітрифікації. Тому актуальним є визначення впливу концентрації розчиненого кисню у муловій суміші на швидкість процесу окислення амонійного азоту.

Метою цих досліджень було визначення ефективності процесу нітрифікації амонійного азоту при різних концентраціях розчиненого кисню у муловій суміші. Враховуючи, що на швидкість процесу нітрифікації значний вплив має концентрація амонійного азоту дослідження проводили при його різних початкових концентраціях.

Процес нітрифікації моделювали в лабораторній установці (рис. 1), яка складалася з ємкості об'ємом 10 дм3 (1), компресора (2), трубки (3) по якій подавалося повітря в перфоровану трубу-аератор (4). Регулювання подачі повітря здійснювали за допомогою регулюючого крана (5), розташованого на компресорі.

Рис.1 Схема лабораторної установки

Дослідження проводилися при сталій температурі t = 19°С з використанням активного мулу і стічної води, зі станції нітри-денітрифікації РВО "Азот". Під час досліджень концентрацію амонійного азоту у вихідній стічній воді приймали рівною 20, 30, 40, 50 мг/л. Тривалість процесу становила 2,5 год, а концентрація активного мулу у муловій суміші становила 2 г/л. що відповідало реальним умовам нітрифікації у виробничому аеротенку-нітрифікаторі. Кількість повітря, що подається в ємкість змінювали таким чином, щоб концентрація кисню в муловій суміші становила відповідно 2, 4, 6 та 8 мг/л.

Послідовність проведення досліджень була наступною. З використанням активного мулу і стічної води з виробничих споруд готувалася суміш з концентрацією активого мулу 2 г/л і відповідною концентрацією амонійного азоту, яку заливали в ємкість лабораторної установки. Далі включали в роботу компресор і регулятором регулювали подачу повітря так щоб масова концентрація кисню становила відповідно 2, 4, 6 або 8 мг/л. Концентрацію кисню контролювали під час кожного досліду. Через 2,5 години виключали компресор та відбирали пробу в якій визначали вміст амонійного азоту. Результати досліджень наведені в таблиці 1 та на рис 2.

Паралельно з проведенням лабораторних досліджень нами були відібрані проби мулової сумі на виході з зони нітрифікації виробничого аеротенка нітри-денітрифікатора. Температура мулової суміші була 190 С, а тривалість перебування її в цій зоні становила 2,5 години, що відповідало умовам проведення лабораторних досліджень. Фактична концентрація розчиненого кисню на час досліджень становила 0,5 -1,0 мг/л. Результати цих досліджень наведені у таблиці 2.

Таблиця 1

Результати досліджень процесу нітрифікації в лабораторних умовах

Таблиця 2.

Результати досліджень процесу нітрифікації в виробничих умовах

Швидкість хімічної реакції нітрифікації визначали за формулою:

, мг/ (г · год.) (5)

де, Сі С - початкова і кінцева концентрація амонійного азоту, мг/л; С1 - концентрація активного мулу, мг/л. t - тривалість процесу.

Результати розрахунку швидкості нітрифікації амонійного азоту в лабораторних і натурних умовах наведені в таблицях 3 та 4.

На рис. 3 та 4 наведені графіки залежності .швидкості процесу нітрифікації від концентрації розчиненого кисню і початкової концентрації амонійного азоту у муловій суміші.

На рис. 5 наведений графік зміни коефіцієнта підвищення швидкості процесу нітрифікації з підвищенням концентрації розчиненого кисню при різних початкових концентраціях амонійного азоту. Коефіцієнт підвищення швидкості це є відношення швидкості процесу нітрифікації при дійсній концентрації до швидкості процесу при концентрації кисню 2 мг/л.. Як видно з графіка зміна швидкості процесу нітрифікації є різною при різних початкових концентраціях. Залежність коефіцієнта підвищення швидкості від концентрації має експоненціальний вигляд:

К = А ln S2 +1,0 (6)

де S2 - концентрація кисню, мг/л; А - коефіцієнт, який залежить від концентрації амонійного азоту у муловій суміші і визначається за рівнянням:

А = 0,06 (S2 )2- 0,046 S2 + 1,675(7)

де - концентрація амонійного азоту у муловій суміші, мг/л.

Таблиця 3. Результати розрахунку швидкості процесу нітрифікації в лабораторних умовах

Рис. 3. Залежність швидкості нітрифікації від концентрації розчиненого кисню в муловій суміші при початковому вмісті амонійного азоту: 1- 20 мг/л; 2 -30 мг/л; 3 - 40 мг/л; 4 -50 мг/л.

Рис. 4. Залежність швидкості нітрифікації амонійного азоту від початкової концентрації амонійного азоту в муловій суміші при концентраціях розчиненого кисню: 1- 8 мг/л; 2 -6мг/л; 3 - 4 мг/л; 4 - 2 мг/л; 5 - 1,0 мг/л (виробничі умови)

Рис.5. Зміна швидкості нітрифікації амонійного азоту в залежності від концентраціях розчиненого кисню в муловій суміші при початковому вмісті амонійного азоту: 1- 20 мг/л; 2 -30 мг/л; 3 - 40 мг/л; 4 -50 мг/л

За аналогічною методикою були проведені лабораторні дослідження з використанням активного мулу і стічної води, зі каналізаційної очисної станції м. Рівне. Досліди проводилися при початковій концентрації амонійного азоту в муловій суміші 10,20, 30 і 40 мг/л. Концентрацію розчиненого кисню в муловій суміші підтримували в межах 4,5…6,8 мг/л, а тривалість аерації становила 30 хв.

Таблиця 4 Результати лабораторних досліджень

Рис. 6 Залежність швидкості нітрифікації від початкової концентрації амонійного азоту в муловій суміші

Результат досліджень ефективності роботи аеротенків каналізаційних очисних споруд м. Рівне при нормативній концентрації розчиненого кисню (2,0…2,5 мг/л) [7] свідчать, що з зміною початкової концентрації амонійного азоту від 14 до 43 мг/л швидкість окислення становить лише 0,3 - 1,7 мг/(г.год.). Порівняння цих даних з результатами проведених лабораторних досліджень показує, що з збільшенням концентрації розчиненого кисню у муловій суміші в 2…3 рази швидкість окислення зростає у 4 - 11 разів.

Результати досліджень свідчать, що швидкість хімічної реакції нітрифікації при збільшенні концентрації кисню у муловій суміші з 2 до 4…8 мг/л збільшується при очищені виробничих стічних вод у 1,5 - 3 рази . При очищені побутових стічних вод швидкість збільшується у 4 - 11 разів. Тому підвищити ефективність окислення азоту амонійного на каналізаційних очисних спорудах можна шляхом підвищенням концентрації кисню в аеротенку-нітрифікаторі .

В результаті обробки даних лабораторних досліджень отримана залежність коефіцієнта підвищення швидкості нітрифікації при збільшенні концентрації амонійного азоту, яка враховує вплив концентрації амонійного азоту.

Порівняння результатів лабораторних і виробничих досліджень свідчить, що при однакових умовах швидкість окислення амонійного азоту є досить близькими, тому слід очікувати що в виробничих умовах при збільшенні концентрації розчиненого кисню, який подається в аеротенки для нітрифікації, ефективність очистки стічних вод від амонійного азоту суттєво підвищиться.

Література

1. СНиП 2.04.03-85. Канализация. Наружные сети и сооружения/ Госстрой СССР. - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986. - 72с.

2. СанПин №4630-88. Санитарные правила и нормы охраны поверхностных вод от загрязнений. - М.: Минздрав СССР, 1988. - 70с.

3. Загальний перелік ГДК і ОБРВ шкідливих речовин для води рибогосподарських водойм 12-04-11 від 9.08.1990р.

4. Додатковий перелік №1 ГДК шкідливих речовин для води рибогосподарських водойм 12-04-11 від 28.12.1990р.

5. C.В.Яковлев, Т.А.Карюхина. Биологические процессы в очистке сточных вод. - М.:Стройиздат, 1985. - 200с.

Размещено на Allbest.ru