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.
|