ВОДОВІДВЕДЕННЯ

УДК 625:36:15

О.Я. ОЛІЙНИК, доктор технічних наук О.М. ЯГОДОВСЬКА, кандидат технічних наук С.В. ВЕЛИЧКО, кандидат технічних наук

Київський національний університет будівництва і архітектури

МОДЕЛЮВАННЯ І РОЗРАХУНОК РЕГЕНЕРАТОРА В СИСТЕМІ ОЧИЩЕННЯ СТІЧНИХ ВОД

Запропонована математична модель і методика розрахунку параметрів регенератора, який працює в системі «аеротенк-відстійник- регенератор». Проведено аналіз і оцінка впливу різних факторів в процесі

вилучення неочищених забруднень різного походження (продуктів автолізу, важкоокислюваних речовин та інших), які поступають для доочищення в регенератор.

Ключові слова: математична модель; регенератор; аеротенк; окислення; автоліз; активний мул.

Предложена математическая модель, и методика расчета параметров регенератора, который работает в системе «аэротенк-

отстойник-регенератор». Проведен анализ и оценка влияния разных факторов на процесс удаления загрязнений разного происхождения (продукты автолиза, трудноокисляемые органические вещества и др.), которые поступают для доочистки в регенератор.

Ключевые слова: математическая модель, регенератор, аэротенк, окисление, автолиз, активный ил.

Mathematical model and its implementation are proposed for calculation of regenerator parameters which works in the system of «aeration tank-secondary settler-regenerator». It was carried out the analysis and estimation of the various factors influence on the process of organic pollutants removal (products of autolysis, difficult oxidizable substances and others) which come into the regenerator for oxidation.

Key words: mathematical model; regenerator; aeration tank; oxidation; autolysis; active sludge.

В класичній системі біологічної очистки міських стічних вод «аеротенк- відстійник» може додатково влаштовуватись спеціальна споруда – регенератор [1,2,3]. Активний мул з сорбованими неокисленими

65

забрудненнями виділяється у відстійнику і подається не безпосередньо в аеротенк, а деякий час витримується в регенераторі, звільнюючись від накопичених в аеротенку неокислених забруднень, і відновлює свою метаболічну активність.

Вважається, що в аеротенку неокислені забруднення складають продукти автолізу та високомолекулярні і важкоокислювані сполуки, які не

встигають окислитись в аеротенку. Зазначимо, що додаткове окислення цих сполук відбувається і в аеротенку при окисленні основної маси забруднень, проте при значному зменшенні концентрації забруднень подальше окислення продуктів автолізу безпосередньо в аеротенку по ряду причин економічно є невигідним [1,2]. Для подальшого окислення потік циркуляційного активного мулу спрямовується після відстійника в регенератор, де при низькій концентрації органічних забруднень і значній концентрації активного мулу піддається інтенсивній аерації, в результаті чого вміст мертвих клітин, продуктів автолізу, і інших не окислених речовин знижується до заданого рівня, і рециркуляційний мул відновлює свою попередню активність.

Тривалість перебування мулу в регенераторі є більшою ніж тривалість окислення в аеротенку, проте загальний час очистки залишається таким самим як і в разі класичної технологічної схеми (без регенератора). Відповідно до вимог [4] регенерацію активного мулу необхідно передбачити при БПКпов більше 150 мг/л, а також при наявності у воді шкідливих виробничих домішок. Рекомендації щодо визначення необхідного об’єму і конструктивних особливостей регенератора наведені в спеціальній літературі

[2,3].

Так в [4] при проектуванні аеротенків з регенератором тривалість окислення органічних забруднень, tO, год, пропонується визначати за

формулою:

		L				L
tO 			en					ex	,	(1)
		Riar (1s)
a a (					1			1).		(2)
r		i		2Ri
Тривалість обробки води в аеротенку, tat, пропонується визначати за
формулою:
	2,5						L
tat 						lg		en .		(3)
			ai				Lex
Тривалість регенерації, tr, визначається за формулою:
tr  tO tat .										(4)
Місткість аеротенка, Wat, визначається за формулою:
Wat	tat (1Ri )qw .									(5)
Місткість регенератора, Wr, визначається за формулою:
Wr tr Riqw ,										(6)

66

де Len, Lex – початкова і кінцева концентрації органічних забруднень по БПК, мг/л, Ri – ступінь рециркуляції активного мулу, ai, ar – доза активного мулу в аеротенку та в регенераторі, г/л, s – зольність активного мулу, ρ – питома швидкість окислення, qw – розрахункова витрата стічних вод, м3/год.

В спеціальній літературі по біологічному очищенню стічних вод відсутнє наукове обґрунтування наведених рекомендацій. Крім того зазначимо, що згідно з [2,3,5] формулу (2) необхідно записати наступним чином:

a  a ( 1					1) .				(7)
r		i	Ri
В роботі [6] наявність і об’єм регенератора кількісно враховується
величиною ефективного навантаження на мул n*, кг/(кгдоб):
n* 					1			,	(8)
			1			1
		na *				np *

де na*, np* – відповідно, навантаження на активний мул в аеротенку і в регенераторі, кг/(кг·добу).

Значення na*, np* визначаються за виразами:
	Q S (1		)
na * 	n n	n		,	(9)
	XaVa
np *  QnSn (1n )r ,					(10)
	XpVp (1r )

де Xa, Xp – концентрації активного мулу в аеротенку та регенераторі, кг/м3, Va,

Vp – об’єм аеротенка і регенератора, м3,						q			R
					r 		W			i – коефіцієнт рециркуляції,
								Qn
 	S	k – відносна остаточна	концентрація				забруднень,				Qn – витрата, яка
n	Sn
надходить у систему.
		Нагадаємо, що за [4] навантаження в аеротенку, кг/(г·добу),
визначається:
				24(L	L		)
			qi 	en	ex			,			(11)
				ai (1s)tat
			ai (1s)  Xa .

Якщо в загальному випадку окислювальна потужність N визначається за формулою:

N  24KcaC * (1n )  nX(1n ) ,	(12)

то в системі аеротенк-регенератор будемо мати:
N  n * Xa A ,	(13)
де А – коефіцієнт регенерації, який визначається:

67

	Vp	1r		Xp	
					
A 1					1 .	(14)
					
Va Vp 			r	Xa	

Із рівнянь (13) і (14) випливає, що влаштування окремої регенерації активного мулу дозволить в 4-7 разів підвищити окислювальну потужність аеротенка при збереженні оптимального навантаження на мул. При цьому збільшується витрата на очистку, що може бути оцінено підвищенням інтенсивності аерації наступним чином:

	*SO			
			1
K aС* 				1 ,	(15)
c	Vp		(1r )n	
				
	(1Va Vp )

де a* – енергетичний коефіцієнт [6].

Відповідно до [6] при об’ємі регенератора більше 50% загального об’єму системи аеротенк-регенератор, система потребує значного підвищення інтенсивності аерації. Нагадаємо, що загальний об’єм, V, об’єм аеротенку, Va, та об’єм регенератора, Vp, визначаються:

	V Va Vp , Va TaQa ,	Vp TpQp ,
де Qa Qn (1r) ,	Qp Qnr .

Не зважаючи на відносно поширене впровадження технології зазначеної системи біологічної очистки з регенератором, досконалі і надійні методи розрахунку технологічних і конструктивних параметрів такої системи розроблені переважно емпірично. Надійне наукове обґрунтування процесів, які відбуваються в системі очистки з регенератором з метою подальшого їх використання для розробки оптимальних методів розрахунку кожної складової цих систем, в тому числі і регенератора, можливо на основі широкого використання методів математичного і фізичного моделювання.

Деякі спроби складання математичних моделей сумісної роботи «аеротенка-відстійника-регенератора» і «аеротенка-регенератора» наведені

вроботах [5,7]. Найбільш загальна математична модель очистки стічних вод

всистемі «аеротенк-відстійник-регенератор» розроблена і представлена в роботі [3]. Модель дозволяє оцінити вплив процесів, які відбуваються в аеротенку і відстійнику, на роботу регенератора. Математична модель процесів, які відбуваються безпосередньо в регенераторі розглянуті також в роботі [8].

Як уже зазначалось вище, в регенераторі відбувається доокислення сорбованих на частинках мулу неокислених органічних забруднень, і інтенсивне окислення продуктів автолізу та інших речовин, які виникають в результаті розпаду мікроорганізмів [5,9].

В результаті аналізу існуючих моделей, які описують процеси очистки в регенераторі, модель регенератора можна описати такими рівняннями матеріального балансу, записаного у відносних концентраціях [3]:

68

						
					Lr	Lp  Yp XpTp 0 ,					(16)
					Xr  Xp Tp (p Хp K2 XpSp ) 0 ,						(17)
					Sr	Sp K2 XpSpTp 0 ,					(18)
			V
	де	Tp 	p	–	тривалість	перебування	активного	мулу	в	регенераторі,
			Qp
	p	 KpLp , Lr, Xr, Sr –				концентрації неокислених		органічних			забруднень

(субстрату), активної частини біомаси і продуктів автолізу на вході в регенератор; Lр, Xр, Sр – концентрації неокислених органічних забруднень (субстрату), активної частини біомаси і продуктів автолізу на виході із регенератора, Vp – об’єм регенератора, Кр – константа швидкості реакції окислення першого порядку, К2 – константа швидкості окислення продуктів автолізу.

З рівняння (16) видно, що в регенераторі відбувається також доочищення розчинених органічних забруднень. В зв’язку з незначною концентрацією цих забруднень в регенераторі процеси їх доочистки відбуваються за реакцією першого порядку. Так як практично у відстійнику концентрація неочищених в аеротенку органічних забруднень майже не змінюється, в розрахунках на вході в регенератор приймаємо Lr = Le – концентрація органічних забруднень на виході із аеротенка.

Розрахункова концентрація активного мулу на виході із відстійника, і на вході в регенератор, Xr, визначається за існуючими методиками [3,10]. Для вторинного вертикального відстійника найбільш надійна і досконала методика розрахунку технологічних параметрів, зокрема вихідних концентрацій активного мулу, Xr, і концентрацій забруднень в очищеній воді, Xc, наведена в роботах [3,11].

Із рівняння слідує, що збільшення концентрації активного мулу в регенераторі відбувається за рахунок приросту в результаті додаткового окислення органічних забруднень і продуктів автолізу. Оскільки в регенераторі процес окислення продуктів автолізу і інших неокислених речовин значно переважує їх утворення, то в рівнянні (18) врахована тільки кінетика швидкості їх окислення. Концентрація зазначених продуктів і речовин на вході в регенератор (на виході із відстійника), Sr, визначається із наступного балансового рівняння, записаного відносно зміни концентрації S у відстійнику [11,12]:

(1r )QSa (r w)QSr (1w)QSc 	d H
		SAdh ,	(19)
	dt 0

де Q – витрата стічної води на вході в систему очисних споруд, А, Н – відповідно площа поверхні і висота відстійника, r – коефіцієнт рециркуляції активного мулу, w – коефіцієнт вилучення осаду.

69

Слід зазначити, що під параметрами Хr та Хр розуміється загальна концентрація активного мулу, яка складається із пластівців і дисперсних (вільно плаваючих) мікроорганізмів. Спроба окремо врахувати при побудові моделі регенератора дію пластівців і дисперсних мікроорганізмів розглянута в роботі [8].

На основі реалізації запропонованої математичної моделі пропонується наступна методика розрахунку технологічних і конструктивних параметрів регенератора.

Із рівняння (16) одержимо:

		Lp		Le		.	(20)
				1Kp XpTp
	Із рівняння (17) одержимо:
	Xp 			Xr		 Xr (Le Lp )Y Sr Sp .	(21)
		1Tp (p K2Sp )
	Із рівняння (18) одержимо:
				Sr
		Sp		1K2 XpTp .			(22)

При виконанні практичних розрахунків по запропонованим залежностям в результаті проведеного аналізу і оцінки впливу окремих складових з деяким наближенням можна рекомендувати:

1. Значення концентрації Хr , яка поступає із відстійника в регенератор, визначається для вторинного вертикального відстійника за методикою, викладеною в роботі [11]. В першому наближенні можна приймати:

	Xr 	(1r )	Xa .	(23)
		r

2.Якщо Le>>Lp, Sr>>Sp, то, визначаючи концентрацію Хр, формулу

(22)можна спростити до вигляду:

				Xp  Xr Le Sr .		(24)
3.	Приймаючи Se=Sc, концентрацію Sr можна знайти в результаті
вирішення рівняння (20):
			S (r w) K X T		K X T
	Sr		e	1 S S Se 	1 S S ,	(25)
				r w	r w
V	h
де TS  Q S	 vS , vH, hS – розрахункова гідравлічна швидкість та висота зони
r w	H

суттєвого ущільнення мулу у нижній частині відстійника, Qr+w – витрата активного мулу. На підставі дослідних даних [13] і наших численних

розрахунків [11] можна приймати:
hS = (0,30…0,35)H,	XS = 0,5(Xe+Xr),	(26)
де Н – робоча висота вертикального відстійника.

70

TS 	hS			1,2	 2,4 год,
	vH			0,5
XS  0,5(Xe  Xr )  0,5(2123 8670) 5396,5 мг/л,
Sr Se		 K1XSTS				8,1	0,015396,5 2,4	 378,1мг/л,
				r w			0,3 0,05

Xp  Xr LeY Sr  8670 15 0,65 378,19057,9 мг/л.

Згідно формули (22) або за графіком рис.2, концентрація на виході із регенератора, Sp, буде складати:

Sp				Sr			378,1	13,4 мг/л.
			1K2 XpTp				10,0019057,9 3
Значення концентрації Sa на вході в аеротенк по формулі (31) буде
складати:
S 		r		S 	0,3		13,4 3,1мг/л.
a	1r			p	10,3

Таким чином тривалість обробки води в системі «аеротенк-відстійник» буде складати Т = Та + Тр = 2 + 3 = 5 год.

Виконаємо приклад розрахунку по рекомендаціям [4], в якому, як відомо визначення таких важливих при розрахунку регенератора величин як концентрації на виході із регенератора продуктів автолізу, Sp, та активного мулу на виході з регенератора, Хр, не приводяться.

По формулам (1), (3), (4) маємо:

tO 

Len Lex



270 15

 4,04

год,

Riar (1s)

0,3 8670 24,4

2,5

L

2.5

270

tat 

lg

en



lg

1,87 год,

ai

Lex

2,86

15

tr tO tat

 4,04 1,87  2,17 год.

Таким чином, тривалості обробки води в аеротенку за запропонованою методикою та за формулами [4] майже співпадають, але тривалість регенерації,Тр, в даному випадку буде більшою ніж по рекомендації СНиП приблизно на 30 %. Проте, тривалість регенерації можна змінити, якщо прийняти на виході дещо більшу концентрацію Sr.

Запропонована методика дозволяє визначити розрахункові концентрації необхідні для розрахунку регенератора.

На рис.3 схематично показано характер розподілу цих концентрацій і їх граничні значення в залежності від часу перебування в системі. При цьому в аеротенку концентрація неокислених речовин, S, зростає. У відстійнику в наслідок відсутності аерації відбувається накопичення неокислених речовин, переважно продуктів автолізу, відмерлих мікроорганізмів, та збільшення їх концентрації до максимального значення, а в регенераторі при невисокій інтенсивності аерації відбувається різке зменшення концентрації неокислених речовин.

73

Рис. 3. Схематичне зображення зміни концентрацій неокислених органічних забруднень, активної частини біомаси і продуктів автолізу при розрахунку регенератора в системі аеротенк-відстійник-регенератор.

Запропоновані в даній статті розрахункові рекомендації в порівнянні з існуючими дозволяють більш надійно і достовірно встановити і прогнозувати основні технологічні і конструктивні характеристики регенератора, який працює в системі «аеротенк-відстійник-регенератор». Знаючи потрібну для нормальної роботи системи концентрацію Sp, можна встановити тривалість роботи регенератора і при заданій витраті підібрати його конструктивні параметри.

Список літератури

1.Яковлев С.В., Воронов Ю.В. Водоотведение и очистка сточных вод. –

М.: АСВ, 2002. – 704 с.

2.Яковлев С.В. Биологическая очистка сточных вод. – М.: Стройиздат, 1985. – 209 с.

3.Олійник О.Я., Зябликов С.В. Особливості моделювання очистки стічних вод у системі аеротенк-відстійник-регенератор. // Проблеми водопостачання,водовідведення та гідравліки, 2005. – Вип.4. – С. 46–53.

4.СНиП 2.04.03-85. Канализация, наружные сети и сооружения. – М.: Гостстрой СССР, 1985. – 73 с.

74

5. Вавилин В.А., Васильев В.В. Математическое моделирование процессов биологической очистки сточных вод активным илом. – М.: Наука, 1979. –116 с.

6.Брагинский Л.Н. Моделирование аерационных сооружений для очистки сточных вод. – Л.: Химия, 1980 – 144 с.

7.Шарифуллин В.Н., Зиятдинов Н.Н. , Конончук Т.Р. Моделирование систем аеробной биологической очистки сточных вод. – Биотехнологии, 1999.

–№5. – С. 55–60.

8.Горносталь С.А., Созник А.П. Анализ математической модели процессов, происходящихврегенератореиаэротенке. // Проблеминадзвичайних ситуацій. Збірка наукових праць. – Харков, УНЗЧ, 2008. – Вип. 8 – С. 69–74.

9.Henze M, Harremoes, Jansen G., Arwin E. Wastewater treatment – Springer. – Berlin, New York, 2002. – Р.430.

10.Олійник О.Я., Маслун Г.С. Розрахунок аеротенка-змішувача разом з вертикальним вторинним відстійником. 1. Моделювання і розрахунок аеротенк-змішувач. // Проблеми водопостачання, водовідведення та гідравліки – 2009. – Вип.12. – Сс. 57–66.

11.Олійник О.Я., Маслун Г.С. Розрахунок аеротенка-змішувача разом з вертикальним вторинним відстійником. 1. Обґрунтування методів розрахунку вторинного вертикального відстійника. // Проблеми водопостачання, водовідведення та гідравліки – 2009. – Вип.13. – С. 49–62.

12.Cho S.H. Chang H.N., Prost C. Steady state analysis of the coupling aerator and secondary settling tank in activated sludge process. – Wat. Res. – 1996. – Vol.30. №11. – Р. 2601–2606.

13.Gionas D.L., Kim Y., Parasnevas P.A., Paleologob E.K., Lekkas T.D. A simple empirical model for activated sjudge thickening in secondary clarifies. – Wat. Res. – 2002. – Vol.36, №13. – P. 3246–3262.

75