Расчет биотехнологических процессов очистки воды с применением аэрот

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Кафедра химии и биотехнологии

РАСЧЕТ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

ОЧИСТКИ ВОДЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ АЭРОТЕНКОВ

Методические указания к самостоятельным работам

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2016

1

УДК 628.356.3(072.8) Р24

Рецензенты:

д-р биол. наук, заведующий лабораторией физиологии и генетики микроорганизмов О.Н. Октябрьский (Института экологии и генетики

микроорганизмов УрО РАН); канд. хим. наук, доцент А.В. Портнова

(Пермский национальный исследовательский политехнический университет)

Расчет биотехнологических процессов очистки воды Р24 с применением аэротенков : метод. указания к самостоятельным работам / Д.А. Казаков, В.В. Вольхин, Л.Д. Аснин. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та,

2016. – 34 с.

Приведены краткие теоретические сведения о биотехнологических процессах очистки воды с применением аэротенков. Рассмотрены методики расчета основных технологических параметров работы аэротенков. Даны индивидуальные задания для самостоятельной работы студентов, разобраны примеры проведения расчетов.

Предназначено для студентов очной формы обучения по направлению подготовки 19.03.01 «Биотехнология», магистерской программы «Экобиотехнология».

УДК 628.356.3(072.8)

© ПНИПУ, 2016

2

3

ВВЕДЕНИЕ

Всоответствии с федеральным государственным образовательным стандартом по направлению подготовки 19.03.01 «Биотехнология» (уровень магистратуры) при разработке методик по изучению дисциплин профессионального цикла уделяется большое внимание самостоятельной работе студентов.

Вданных методических указаниях представлены индивидуальные задания для самостоятельной работы студентов, выполнение которых поможет им в освоении компетенций, формируемых данной дисциплиной:

1) ПК-14 – способность использовать типовые и разрабатывать новые методы инженерных расчетов технологических параметров и оборудования биотехнологических производств;

2) ПК-15 – готовность обеспечивать стабильность показателей производства и качества выпускаемой продукции;

3) ПСК-2 – владение навыками поиска и реализации новых путей интенсификации массообменных процессов в гетерогенных системах, а также создания ресурсо- и энергосберегающих биотехнологий.

Индивидуальные задания направлены на формирование умений и навыков расчета основных технологических параметров процессов очистки воды в аэротенках в соответствии с требованиями действующей нормативно-технической документа-

ции: СП 32.13330.2012 [1] и СНиП 2.04.03–85 [2]. Перед инди-

видуальными заданиями кратко изложены основные теоретические сведения, рассмотрены методики проведения расчетов. Даны примеры заданий с решениями.

Данные методические указания направлены на формирование

устудентов навыков работы с нормативно-технической документацией. В связи с этим часть данных, необходимых для выполнения индивидуальных заданий, не приводится, а даются ссылки на соответствующие разделы в нормативных документах, где студентам самостоятельно следует найти необходимуюинформацию.

4

Индивидуальные задания выполняются в соответствии

сномером варианта, назначенным преподавателем.

Вконце методических указаний приведен список литературы, рекомендуемой студентам для прочтения при выполнении самостоятельных работ.

1.КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

ОПРОЦЕССАХ ОЧИСТКИ ВОДЫ В АЭРОТЕНКАХ

Аэротенк – реактор для биологической очистки сточной воды, представляющий собой открытый резервуар глубиной 4–6 м, через который пропускается сточная вода, содержащая органические загрязнения, подаются воздух и активный ил (рис. 1).

Рис. 1. Схема очистки сточной воды с применением аэротенка: СВ – сточная вода; А – аэротенк; О – вторичный отстойник; ОВ – очищенная вода; РАИ – рециркуляционный активный ил; ИАИ – избыточный активный ил

Активный ил представляет собой специфический для данной очистной экосистемы биоценоз, состоящий из бактерий, грибов, простейших, а также микроскопических животных. Активный ил образует хлопья размером от 0,1 до 3 мм и более, с плотностью в среднем 1,1–1,4 г/см3, состоящие из активных и отмерших организмов (в сумме около 70 мас. %) и твердых частиц неорганической природы (около 30 мас. %). В состав активного ила также входят высокомолекулярные соединения (внеклеточные полисахариды и белки), образуемые преимущественно бактериями. Эти высокомолекулярные соединения окружают бактериальные клетки и скрепляют частицы в хлопья,

5

поэтому лишь небольшая часть клеток остается вне хлопьев. Активный ил имеет развитую поверхность (до 100 м2/г сухой массы) и, следовательно, высокую адсорбционную способность.

Как правило, аэротенки изготавливают из железобетона. Для промышленных очистных сооружений используются также реакторы из нержавеющей или эмалированной стали.

Для очистки сточных вод с высокой концентрацией орга-

нических загрязнений (БПКполн > 150 мг/л) применяются аэротенки с регенераторами. Регенератор представляет собой резер-

вуар, в котором активный ил аэрируется без сточной воды. Как правило, под регенератор отводится часть объема аэротенка, также он может быть расположен отдельно. Аэрация активного ила в регенераторе в течение 30–60 мин приводит к восстановлению его свойств за счет окисления сорбированных органических веществ и частичного автолиза микроорганизмов.

По гидродинамической структуре потока жидкой фазы и способу смешения активного ила с очищаемой водой аэротенки подразделяютсяна аэротенки-смесителииаэротенки-вытеснители.

1.1.Аэротенки-смесители

Ваэротенк-смеситель сточная вода подается равномерно по всей его длине, активный ил и растворенный кислород распределяются равномерно по всему объему реактора (рис. 2).

Рис. 2. Схема аэротенка-смесителя

Рост микроорганизмов активного ила в такой системе подобен росту в условиях хемостата. Преимущество аэротенковсмесителей заключается в возможности очистки сильнозагряз-

6

ненных сточных вод, поскольку в реакторе они разбавляются уже очищенной водой, поэтому аэротенки-смесители устойчивы к залповым выбросам и токсичным компонентам стоков. Однако

вэтих реакторах сравнительно низкая скорость окисления, поскольку поддерживаемая концентрация органических загрязнений в иловой смеси находится на уровне значений, предъявляемых к очищенной воде, что, соответственно, снижает окислительную мощность этих реакторов.

1.2.Аэротенки-вытеснители

Ваэротенке-вытеснителе сточная вода и циркуляционный активный ил подаются сосредоточенно на вход реактора и отводятся в конце (рис. 3). При достаточно высоком отношении общей длины аэротенка к его ширине (более 30–40 м) гидродинамическая структура потока жидкости в аэротенке приближается к режиму идеального вытеснения. В аэротенках данного типа глубина очистки сточных вод является функцией расстояния, пройденного жидкостью от точки впуска, а рост микроорганизмов активного ила в таком режиме соответствует тубулярной культуре. Из-за высокой концентрации загрязнений

вначале аэротенка, где неразбавленная сточная вода контактирует с активным илом, наблюдается более высокая скорость биоокисления, чем в аэротенках-смесителях. Степень очистки сточной воды можно регулировать за счет изменения общей длины аэротенка.

Рис. 3. Схема аэротенка-вытеснителя

7

Подачу воздуха в аэротенк-вытеснитель осуществляют неравномерно по его длине: в начале потока аэрация должна быть более интенсивной, поскольку здесь концентрация загрязнений наиболее высокая и в первую очередь окисляются легкодоступные субстраты, что требует высокой скорости поступления кислорода. По мере продвижения потока жидкости к выходу концентрация загрязнений и, соответственно, скорость их окисления снижаются, что позволяет постепенно уменьшать интенсивность аэрации. В связи с этим современные системы аэрации аэротенков-вытеснителей включают несколько зон, в которых обеспечивается необходимое содержание растворенного кислорода за счет использования воздуходувок разной мощности.

Основным недостатком аэротенков-вытеснителей является неустойчивость их работы при залповых сбросах сточных вод, содержащих токсичные соединения, поскольку в реакторах этого типа не происходит разбавление поступающих стоков уже очищенной водой, как, например, в аэротенках-смесителях. Для устранения ингибирующего действия токсичных органических соединений при залповых сбросах сточную воду на входе в аэротенк необходимо разбавлять, что уменьшает окислительную мощность аэротенка, или устанавливать перед аэротенками резервуары-усреднители, чтобы избежать негативного влияния резких колебаний состава стоков на активный ил.

2. МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ АЭРОТЕНКОВ

2.1. Вводные замечания

Расчет аэротенка направлен на определение основных технологических параметров его работы (рабочий объем реактора, расход воздуха на аэрацию, объем регенератора активного ила (при необходимости) и прирост массы активного ила за счет роста микроорганизмов и поступающих со сточной водой взвешенных частиц), которые обеспечат заданную степень очистки сточной воды, посту-

8

пающей с известным расходом и установленной начальной концентрацией органических загрязнений. Определение этих параметров необходимо на этапе проектирования как при выборе типового проекта аэротенка, так и при разработке реактора оригинальной конструкции. Расчет технологических параметров аэротенка проводится всоответствии с действующей нормативно-технической документа-

цией: СП32.13330.2012 [1] иСНиП2.04.03–85 [2].

Методика расчета выбирается с учетом гидродинамической структуры потока жидкой фазы (смешение или вытеснение)

ваэротенке и концентрации органических загрязнений (БПКполн)

впоступающей на очистку сточной воде.

При поступлении на очистку сточной воды с БПКполн < < 150 мг/л принимают аэротенки без регенератора, при более высоких концентрациях органических загрязнений– срегенератором.

2.2. Методика расчета основных технологических параметров аэротенка-смесителя без регенератора

Аэротенк-смеситель без регенератора используют при очистке воды с относительно невысоким содержанием органиче-

ских соединений (БПКполн < 150 мг/л). Расчет параметров аэротенка проводят по следующей методике [3]:

1.Принимают дозу активного ила в аэротенке ai = 2–3 г/л.

2.Рассчитывают удельную скорость окисления органических загрязнений:

где ρmax – максимальная скорость окисления органических за-

грязнений, мгБПКполн/(г·ч); Lex – БПКполн очищенной сточной воды, мг/л; CO – концентрация растворенного в воде кислорода,

мг/л; Kl – константа, характеризующая свойства органических загрязнений, мгБПКполн/л; KO – константа, характеризующая влияние кислорода на скорость биодеградации, мгO2/л; φ – коэффициент ингибирования, л/г.

9

Параметры ρmax, Kl, KO, φ принимают в зависимости от вида поступающей на очистку сточной воды в соответствии с нормативами (табл. 40 в [2]). Концентрация растворенного в воде кислорода (CO), как правило, принимается равной 2 мг/л, что в большинстве случаев удовлетворяет условию отсутствия лимитирования скорости биодеградации кислородом.

3. Рассчитывают период аэрации:

где Len – БПКполн поступающей в аэротенк сточной воды, мг/л; s – зольность активного ила (принимается по табл. 40 в [2]).

4. Рассчитывают нагрузку на активный ил:

5.В соответствии с нормативами (табл. 41 в [2]) путем ин-

терполяции определяют иловый индекс Ji (показатель, характеризующий скорость седиментации активного ила, вычисляемый как объем, который занимает 1 г сухого вещества активного ила после отстаивания иловой смеси в течение 30 мин), соответствующий расчетной нагрузке qi.

6.Рассчитывают степень рециркуляции активного ила:

Минимально допустимое значение степени рециркуляции (Ri) зависит от типа вторичного отстойника, который планируется применять для отделения активного ила от иловой смеси, выходящей из аэротенка. Значение Ri должно быть не менее 0,3 при использовании вторичных отстойников с илососами, не менее 0,4 при использовании вторичных отстойников с илоскребами и не менее 0,6 при применении вторичных отстойников с самотечным удалением ила. Если значение Ri меньше мини-

10