Автор: Пилипенко Д.В., Коренев В.Д.

                   Донецкий национальный технический университет

    Ресурс: http://www.masters.donntu.ru/2009/kita/pilipenko/library/tez1.htm

 

МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД НА ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЯХ

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 V (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 ?V равна соответственно L(x) и L(x+dx), то очевидно за время  ?t>0 и ?x>0 масса реагента в объеме изменится наполучим дифференциальное уравнение процесса ,где  -объемная скорость движения жидкости вдоль оси реактора с площадью поперечного сечения S; L – концентрация реагента, подвергающегося превращению;  p(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.