Пилипенко Дмитрий Вадимович

Факультет компьютерных информационных технологий и автоматики
Кафедра электронной техники
Специальность: Электронные системы
Тема работы: Обоснование и исследование структуры электронной системы контроля растворенного кислорода аэротенка очистных сооружений
Руководитель: доцент Коренев Валентин Дмитриевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД НА ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЯХ

Пилипенко Д.В., Коренев В.Д.
Донецкий национальный технический университет

Источник: Інформатика та комп'ютерні технології — 2008 / Матеріали 4 науково-технічної конференції студентів аспірантів та молодих учених — 25-27 листопада 2008,ДонНТУ, Донецьк — 2008 — 530с.; с іл.

   На современных сооружениях очистки канализационных стоков осуществляются этап биологической очистки для освобождения осветленных вод от минеральных и органических загрязняющих веществ, находящихся во взвешенном, коллоидном и растворенном состоянии. Технологическая схема очистных сооружений приведена на рис.1.

Рис.1. Технологическая схема работы очистных сооружений

Основная трудность заключается в том, что удовлетворительную работу очистных сооружений необходимо обеспечить в постоянно изменяющихся условиях их эксплуатации (изменение состава, объема сточных вод, возникающие неполадки в оборудовании и т.д.). В таких условиях работы необходимо опираться на модель работы биологической очистки и вести непрерывный расчет сложных технологических параметров и прогнозировать поведения системы.

Процесс биологической очистки загрязняющих веществ ведется в аэротенках. В них происходит непосредственный контакт сточных вод с организмами активного ила в присутствии соответствующего количества растворенного кислорода и последующим отделением активного ила от очищенной воды в отстойниках. Активный ил — искусственно выращиваемый биоценоз населенный бактериями, простейшими и многоклеточными животными, которые трансформируют загрязняющие вещества и очищают сточные воды в результате биосорбции, биохимического окисления. Насыщение кислородом происходит путем барборации стоков кислородом воздуха, подаваемого через сеть перфорированных труб на дне аэротенка. 

Наиболее важными факторами, влияющими на развитие и жизнеспособность активного ила, а также качество биологической очистки, являются: температура, наличие питательных веществ, содержание растворенного кислорода в иловой смеси, значение рН, присутствие токсинов. Биологическая очистка- самый энергоемкий этап, расходующий 85% электроэнергии всех очистных сооружений для аэрации стоков. Роль активного ила состоит в проведении биологического окисления органики в сточных водах до простейших соединений и сорбции. В простейшем виде этот процесс можно описать схемой вида [1]:

Решающим фактором в работе очистных сооружений является контроль концентрации растворенного кислорода в аэротенках. Нормированное значение концентрации кислорода составляет 2мг/л в любой точке аэротенка. Для объективного анализа процесса насыщения кислородом необходимо учитывать конструкцию системы аэрации и процессы массопереноса в сечении аэротенка и по его длине. Насыщение кислородом происходит во время подъема пузырьков воздуха к поверхности и возникающим газлифтовым эффектом, создающим восходящий поток жидкости, который создает циркуляцию жидкости по сечению аэротенка. В связи с неравномерностью аэрации возникает задача создания и исследования модели аэротенка для установления законов распределения кислорода в пространственных координатах. Исследование модели необходимо для определения эффективных мест расположения датчиков концентрации растворенного кислорода.

Аэротенк, по существу, представляет собой реактор для проведения биохимического процесса окисления загрязнений. Для расчета реактора необходимо, с одной стороны, иметь данные о кинетике элементарного акта процесса биоокисления, а с другой — знать характер движения жидкости в реакторе. Для моделирования большинства конструкций эксплуатируемых сооружений подходит проточный реактор идеального вытеснения- в нем отсутствует перемешивание (диффузия) вдоль оси потока и жидкость проходит через аппарат компактной массой. Время пребывания в реакторе одинаково для всех ее компонентов. В реакторе состав жидкости изменяется длине реактора, поэтому материальный баланс по реагирующе­му веществу необходимо составлять для элементарного объема ΔV (рис.2).

Рис.2- К уравнению материального баланса реактора идеального вытеснения

Рассмотрим такой элементарный реактор, который расположен в расстоянии х от входа реактора. Если концентрация реагента на входе и выходе элементарного объема ΔV равна соответственно L(x) и L(x+Δx), то очевидно за время  Δt→0 и Δx→0 масса реагента в объеме изменится на получим дифференциальное уравнение процесса ,где -объемная скорость движения жидкости вдоль оси реактора с площадью поперечного сечения S; L- концентрация реагента, подвергающегося превращению;  ρ(L) - скорость химического превращения. Дальнейшие преобразования уравнения позволяют получить выражение для определения времени (периода аэрации), необходимое на превращение реагента с концентрацией Lo до концентрации Le [2]

            Для изучения процессов превращения загрязнений необходимо знать интенсивность перемешивания среды реактора, а наилучшим показателем будет являться локальная скорость течения жидкости относительно центра её вращения. На рис.3 представлено сечение аэротенка и схема движения жидкости.

Рис.3- Схема движения жидкости в сечении аэротенка

Вращательный момент создает восходящая газожидкостная струя из барботера. Расход жидкости удается рассчитать выражением

,

где Vп -расход воздуха; H-глубина погружения

Проведя диффиренциирование можно получить значение линейной скорости восходящего потока Vmax . В первом приближении центром вращения является пересечение диагоналей аэротенка (точка 0). Для определения скорости течения в любой точке сечения, отстающей от центра на расстоянии r, можно воспользоваться выражением

,

где , H-глубина погружения; и В- ширина аэротенка.[1]

Анализ модели процессов массопереноса и газообмена позволит в дальнейшем обосновать точки контроля технологических параметров и оценки качества работы аэротенков, он сократит объем комплекса технических средств, повысит его информативность. Учитывая тот факт, что объем и состав стоков меняется непрерывно и зависит от времени суток, то оперативный контроль за работой аэротенков может снизить энергоемкость и повысить качество очистки стоков.

Литература

[1] Брагинский Л. Н. Моделирование аэрацнонных сооружений для очистки сточных вод. -Л.: Химия, 1980.

[2] Вавилнн В. А. Математическое моделирова­ние процессов биологической очистки сточных вод активным илом.- М.: Наука, 1979.