ВЛИЯНИЕ КОЛИЧЕСТВА КИСЛОРОДА НА ДИНАМИКУ САУ ПРОЦЕССОМ БИОХИМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

Общая постановка проблемы.

Основными сооружениями биохимической очистки на Донецких очистных сооружениях служат аэротенки и вторичные отстойники. Как правило, на очистных сооружениях применяют аэротенки с рассредоточенным впуском сточных вод и аэротенки —смесители.

Для очистных сооружений больших городов, на которых осуществляется биохимическая очистка сточных вод в аэротенке, до сих пор важной практической задачей остается оптимизация процесса технологического процесса водоочистки. Совершенствование систем аэрации сточных вод позволяет в значительной мере интенсифицировать процессы биохимической очистки, снизить эксплуатационные расходы и затраты электроэнергии.

Построение эффективной системы автоматического управления становится невозможной без глубокого исследования характеристик и процессов, которые протекают в аэротенке (объекте управления). Особое внимание небходимо уделить управлению подачей воздуха в аэротенк.

Постановка задач исследования.

Описать основные этапы изъятия органических веществ из сточной воды и их потребление микроорганизмами.
Выделить фазы развития активного ила в контакте с загрязненной жидкостью в условиях аэрации.
Проанализировать результаты моделирования при различных условиях попадания кислорода в аэротенк.

Биохимическая очистка сточных вод в аэротенках происходит в результате жизнедеятельности микроорганизмов активного ила. Сточная вода непрерывно перемешивается и аэрируется до насыщения кислородом воздуха. Активный ил представляет собой суспензию микроорганизмов, способную к флокуляции.

Механизм изъятия органических веществ из сточной воды и их потребление микроорганизмами может быть представлено тремя этапами [1]:

1 этап – массопередача органического вещества из жидкости к поверхности клетки. Скорость протекания этого процесса определяется законами молекулярной и конвективной диффузии веществ и зависит от гидродинамических условий в аэротенке. Оптимальные условия для подведения загрязнений и кислорода создаются посредством эффективного и постоянного перемешивания содержимого аэротенка. Первый этап протекает быстрее последующего процесса биохимического окисления загрязнений.

2 этап – диффузия через полупроницаемые мембраны в клетке или самого вещества или продуктов распада этого вещества. Большая часть вещества поступает внутрь клеток при помощи специфического белка-переносчика, который образует комплекс, диффундирующий через мембрану.

3 этап – метаболизм органического вещества с выделением энергии и образованием нового клеточного вещества. Превращение органических соединений носит ферментативный характер.

Определяющими процессами для технологического оформления очистки воды являются скорости изъятия загрязнений и скорость разложения этих загрязнений. Активный ил в контакте с загрязнённой жидкостью в условиях аэрации проходит следующие фазы развития [1]:

Лаг-фазу I, или фазу адаптации ила к составу сточной воды. Прироста биомассы практически не происходит.
Фазу экспоненциального роста II, в которой избыток питательных веществ и отсутствие продуктов обмена способствуют максимальной скорости размножения клеток.
Фазу замедленного роста III, в которой скорость роста биомассы начинает сдерживаться недостатками питания и накоплением продуктов метаболизма.
Фазу нулевого роста IV, в которой наблюдается практически стационарное состояние в количестве биомассы.
Фазу эндогенного дыхания (или фазу самоокисления) V, в которой из-за недостатка питания начинаются отмирание и распад клеток, ведущие к снижению общего количества биомассы.

Рисунок 1. Зависимость прироста биомассы в аэробных условиях от концентрации питательных веществ [1].

Из рисунка 1 видно, что отмеченным фазам роста микробиальной массы соответствует и динамика изменения концентрации питательных веществ, выраженных через БПК, и, следовательно, можно сделать следующие весьма важные для технической реализации процесса заключения:

при биохимической очистке значительная часть загрязнений, содержащихся в сточных водах, трансформируется в биологическую массу или, иными словами, растворенные и инертные взвешенные органические вещества в результате метаболической активности микроорганизмов и сорбционной способности активного ила превращаются в биологическую массу, сравнительно легко отделимую от очищенной воды;
длительность изъятия и окисления, содержащихся в сточной воде органических загрязнений будет тем короче, чем дольше масса микроорганизмов будет в контакте с ними;
при падении содержания органических веществ в очищаемой жидкости ниже определенного предела жизнедеятельность микроорганизмов продолжается, но уже либо за счет накопленных питательных веществ, либо за счет их собственной массы, т.е. отмирания и окисления микроорганизмов со снижением общей их массы (процесс самоокисления).

Суммарные реакции биохимического окисления в аэробных условиях схематично можно представить в следующем виде [2]:

где C_x H_y O_z N – все органические вещества сточных вод, C₅ H₇ NO₂ – среднее соотношение основных элементов в клеточном веществе бактерий.

Реакция (1) соответствует окислению вещества на энергетические потребности клетки, реакция (2) – на синтез клеточного вещества. Затраты кислорода на эти реакции составляют БПК_полн сточной воды. Если процесс окисления проводится дальше, то начинается превращение клеточного вещества:

Общий расход кислорода на четыре реакции приблизительно вдвое больше, чем на реакции (1) и (2).

Как видно из уравнений реакций, химические превращения являются источником необходимой для микроорганизмов энергии.

Скорость биохимического окисления зависит от концентрации органического вещества и равномерности поступления загрязнений на очистку. Основными факторами, влияющими на скорость биохимических реакций, являются концентрация органического вещества, содержание кислорода в сточной воде, температура и величина рН, содержание биогенных элементов, а также тяжёлых металлов и минеральных солей.

Для окисления органических веществ микроорганизмами необходим растворённый в воде кислород. Для насыщения сточной воды кислородом проводят процесс аэрации, разбивая воздушный поток на пузырьки, которые по возможности равномерно распределяются в сточной воде. Из пузырьков воздуха кислород.

Обеспечение иловой смеси кислородом должно соответствовать скорости его потребления. В свою очередь, концентрация активного ила в аэротенке обуславливает необходимую скорость подачи кислорода в аэротенк. Скорость потребления кислорода свидетельствует о степени активности активного ила и степени его регенерации. На рис.2,а приведена зависимость скорости потребления кислорода от изменения относительной нагрузки на ил. Аналитически данная зависимость может быть описана следующим выражением (для условий очистных сооружений г. Донецка) [3]:

Рисунок 2 – Зависимость скорости потребления кислорода (а) и удельного прироста активного ила (б) от изменения относительной нагрузки на ил.

Рассмотрим поведение системы автоматического управления процессом биохомической очистки сточных вод при различных условиях попадания кислорода в объект управления – аэротенк.

Проанализировав поведения САУ в различных условиях и выполнив моделирование динамического режима объекта управления – аэротенка без подачи воздуха и ила, но с заданными начальными условиями, можно сделать вывод о поведении кислорода в аэротенке[4].

а) микроорганизмы гибнут без кислорода, необходимого для их жизнедеятельности;

б) концентрация кислорода уменьшается, так как нет подачи воздуха.

Если увеличить поток сточных вод и посмотреть, как будет реагировать система на изменения через 10 с, то можно сказать, что скорость потребления кислорода в пределах допустимого до 3 мг/г∙БПК.

Если увеличить концентрацию загрязнений во входном потоке и проанализировать поведение системы через 10 с, можно сказать следующее:

— концентрация кислорода немного уменьшилась;

— увеличилась скорость потребления кислорода, поскольку увеличилась концентрация микроорганизмов.

Выводы.

Были описаны основные этапы изъятия органических веществ из сточной воды и их потребление микроорганизмами и выделены фазы развития активного ила в контакте с загрязненной жидкостью в условиях аэрации.
Так как суточные колебания величины потребления кислорода зависят от исходной концентрации растворенного кислорода, которое может изменяться в течение суток, то при проектировании системы САУ необходимо особое внимание уделит управлению подачей воздуха в аэротенк.
Были проанализированы результаты моделирования при различных условиях попадания кислорода в аэротенк.

Список использованной литературы

Жмур Н.С. Технологические и биохимические процессы очистки сточных вод на сооружениях с аэротенками /Н.С.Жмур.–М.:АКВАРОС,2003. – 512с.
Моделирование аэрационных сооружений для очистки сточных вод / Брагинский Л.Н., Евилевич М.А. – Л.: Химия, 1980. – 144 с.
Федюн Р.В., Попов В.О., Найденова Т.В. Принципы построения динамической модели процесса биохимической водоочистки/ Р.В. Федюн, В.А. Попов, Т.В. Найденова// Наукові праці ДонНТУ. Серія «Обчислювальна техніка та автоматизація». Випуск 18(169).-Донецьк, 2010 – С. 172-179.
Федюн Р.В., Найденова Т.В. Синтез САУ процессом биохимической водоочистки/ Р.В. Федюн, Т.В. Найденова// Наукові праці Донецького національного технічного університету. Сер. обчислювальна техніка та автоматизація, випуск 1 (26). – Донецьк: ДонНТУ. – 2014.[schema type=»book» name=»ВЛИЯНИЕ КОЛИЧЕСТВА КИСЛОРОДА НА ДИНАМИКУ САУ ПРОЦЕССОМ БИОХИМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД» description=»Т.В. Найденова, Р.В. Федюн, В.А. Попов. Влияние количества кислорода на динамику САУ процессом биохимической очистки сточных вод. Описаны основные этапы изъятия органических веществ из сточной воды и их потребление микроорганизмами. Выделены фазы развития активного ила в контакте с загрязненной жидкостью в условиях аэрации. Проанализированы результаты моделирования при различных условиях попадания кислорода в аэротенк.» author=»Т.В. Найденова, Р.В. Федюн, В.А. Попов» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-03-29″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_30.04.2015_04(13)» ebook=»yes» ]

euroasia

Похожие записи