Двухступенчатая система (рис. 2.2а). Коэффициент прироста активного ила в двухступенчатой системе можно разложить на три составляющие:
Уl = Уl1+ Уl2 − 
; (3.53)
где Уl1, Уl2 − коэффициенты прироста на первой и второй ступенях очистки, соответственно, кг/кгБПК5, ∆В1/
− удельная величина самоокисления активного ила, выносимого с первой ступени очистки на вторую, кг/кгБПК5.
Коэффициент Уl1 рассчитывается так же, как и в одноступенчатых схемах. Из уравнений материального баланса в системе очистки и материально-энергетического баланса роста биомассы могут быть найдены формулы для расчета коэффициентов Уl2 и ∆В1/, которые достаточно громоздки и здесь не приводятся. К существенным отличиям закономерностей прироста активного ила в двухступенчатой схеме от одноступенчатых систем очистки относится зависимость коэффициента Уl от БПК5 сточной воды. По формуле (3.53) с увеличением , при прочих равных условиях, Уl возрастает и при ∆В1/<<1 достигает максимального значения, существенно превышающего коэффициент прироста ила в одноступенчатых системах полной биологической очистки. Другое отличие относится к влиянию эффекта очистки по БПК5. В двухступенчатой системе, когда обеспечены условия максимальной эффективности этой схемы (см. разд.2.1, 2.5), прирост ила возрастает с увеличением эффекта очистки, в то время как в одноступенчатых системах увеличение эффекта очистки сверх 85 − 90% приводит к уменьшение прироста ила. Вместе с тем, состав промстоков и тип аэротенков несущественно влияют на величину Уl в двухступенчатой системе.
При эффекте очистки по БПК5 на первой ступени 70 − 80% и выносе активного ила с первой ступени очистки в диапазоне 0,05 − 0,2 кг/м3 с достаточной для инженерных расчетов точностью коэффициент может быть найден по табл. 3.7.
Таблица 3.7
Значения коэффициента Уl в двухступенчатой системе
БПК5 сточной воды, кг/м3 | Эффект очистки по БПК5 в системе, % | |||
92 | 95 | 98 | 98,5х) | |
0,3 − 0,4 0,4 − 1,0 свыше 1,0 | 0,55 0,60 0,65 | 0,60 0,65 0,70 | 0,60 0,70 0,75 | 0,60 0,70 0,75 |
х) С доочисткой стоков в аэрируемых прудах.
Аэрируемые пруды доочистки. Прирост активного ила в прудах значительно меньше, чем в аэротенках, и в расчетах принимается равным нулю.
3.4. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ
СИСТЕМ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ
Очистка и доочистка промстоков ЦБП требует значительных средств. Затраты на строительство очистных сооружений составляют от 5 до 10% стоимости промышленного строительства предприятия в целом, а эксплуатационные расходы на очистку промстоков − от 4 до 20% себестоимости продукции. В связи с этим вопросы экономики и оптимизации систем биологической очистки имеют исключительно важное значение для отрасли.
Оптимизация систем биологической очистки включает оптимизацию на стадии проектирования и в процессе эксплуатации очистных сооружений.
При эксплуатации, исходя из фактических характеристик поступающих стоков, технологических параметров системы и требований к качеству очищенной воды, решается задача оптимизации данной технологической схемы. Задача оптимального проектирования заключается в выборе оптимальной технологической схемы из нескольких вариантов, для каждого из которых предварительно находится оптимальное решение.
В соответствии с указаниями Госстроя СССР, основным критерием оптимизации являются приведенные затраты на очистку промстоков:
ПЗ = С + Ен ·К; (3.54)
где ПЗ − приведенные затраты, тыс. руб./год; С − суммарные эксплуатационные затраты, тыс. руб./год; Ен − нормативный коэффициент экономической эффективности капиталовложений (принимается 0,15), год−1; К − капитальные затраты на строительство очистных сооружений, тыс. руб.
Задача технико-экономической оптимизации заключается в выборе технологии, обеспечивающей эффект очистки промстоков не менее заданного при минимуме приведенных затрат.
Сложность решения задачи оптимизации в значительной степени определяется числом факторов, влияющих на критерий оптимизации. Поэтому, с одной стороны, важно учесть все существенные для оптимизации переменные, а с другой − исключить переменные, мало влияющие на величину критерия оптимизации.
В системе биологической очистки приведенные затраты складываются из затрат на аэрацию сточных вед (П31), обработку и утилизацию образующихся осадков (ПЗ2), аэрационные сооружения (ПЗ3) и прочих затрат (ПЗ4), включающих приведенные затраты на отстойники, перекачку сточной воды и возвратного активного ила, вспомогательные объекты. Следовательно, можно записать:
ПЗ = ПЗ1+ ПЗ2 + ПЗ3 + ПЗ4 = 
1∙R* + 2∙Rизб + 3∙ V + 4 ∙Q; (3.55)
где 1, 2, 3 − укрупненные удельные приведенные затраты, соответственно, на подачу в сточную воду при стандартных условиях 1 кг кислорода, руб./кг О2, на обработку и утилизацию 1 кг осадков (активного ила), руб./кг, на строительство и эксплуатацию 1 м аэротенков, руб./(м3·год); 4 − прочие приведенные затраты на 1 м3 сточной воды, руб./м3; остальные обозначения приведены в разделах 3.2, 3.3.
Приведенные затраты на очистку 1 м3 сточной воды составят:
ПЗQ = 
; (3.56)
Коэффициент 4 в первом приближении постоянен. Поэтому при сравнении вариантов технологических схем последний член суммы (3.56) можно не учитывать.
Предполагая одинаковое значение 2 в сравниваемых вариантах и, учитывая, что, как правило, В0 >> B, произведение 2∙(В0 − В) будет практически постоянно в сравниваемых вариантах и может быть исключено из рассмотрения.
Учитывая только изменяемые при сравнении вариантов элементы приведенных затрат на очистку 1м3 сточной воды и соотношение (3.10), приходим к выражению:
ПЗQ1 = 1 ·Zl *∙lo + 2· Уl∙lo + 3 
; (3.57)
Так как все члены cуммы (3.57) пропорциональны БПК5 стоков, то в качестве критерия оптимизации систем биологической очистки целесообразно использовать приведенные затраты на 1 кг БПК5, т. е. выражение:
ПЗl = 1* ·Zl * + 2· Уl ; (3.58)
1* =1 + 
; (3.59)
Задача оптимизации примет вид:
ПЗl → min, El ≥ El* ; (3.60)
где El* − заданный эффект очистки промстоков по БПК5.
Значения коэффициентов 1 и 2 зависят, соответственно, от технико-экономических характеристик систем аэрации и способа обработки и утилизации избыточного ила. На величину 3 влияет конструкция и объем аэротенка. Если 1 и3 всегда больше нуля, то коэффициент 2 может иметь и отрицательные значения, когда прибыль от утилизации избыточного ила превосходит затраты на его обработку.
На действующих очистных сооружениях промстоков ЦБП в среднем 1 = 0,016 руб/кг О2, 2 = 0,13 руб./кг (обработка осадков по схеме: гравитационное уплотнение в илоуплотнителях, механическое обезвоживание, вывоз автотранспортом к месту складирования или захоронения), 3 = 2,77 руб./(м3∙год). С учетом возможного диапазона произведения KLa*·Co* , коэффициент 1* изменяется в пределах 0,018 − 0,024 руб./кг О2. Следовательно, в оценочных расчетах можно принять 1* = 0,02 руб./кг О2, а значение 2 = 0,13 руб./кг, принимая во внимание перспективы утилизации активного ила как ценного сырья, считать максимальным.
Выбор технологической схемы и решение оптимизационной задачи (3.60) сопряжены с многократным расчетом величины критерия оптимизации, зависящей от состава промстоков, глубины очистки и параметров системы. Поиск оптимального решения может осуществляться в следующей последовательности.
На предварительном этапе необходимо определить значения параметров состава промстоков (γо, А, , ho), используя известные величины для очистных сооружений предприятия – аналога или данные таблицы 3.2. .
На предварительном этапе производится выбор системы аэрации, типа аэротенка и способа обработки и утилизации избыточного ила. В результате находятся значения коэффициентов К1 wmin, 1* и 2.
Второй этап включает получение для рассматриваемых технологических схем зависимостей критерия оптимизации от эффекта очистки и окончательный выбор оптимального решения.
Выбор системы аэрации. Система аэрации оказывает влияние на величину критерия оптимизации П3l через коэффициенты 1 и К1 (коэффициент К1 входит в формулы для расчета Zl*). В целях минимизации П3l необходимо обеспечить максимальную величину К1 и минимальное значение 1.
Для сточных вод, содержащих промстоки сульфатно-целлюлозного производства, коэффициент К1 больше в системах очистки с механической или пневмомеханической аэрацией, чем в системах очистки с пневмоаэрацией (см. разд. 1.2). Эта закономерность наиболее существенно проявляется при низких эффектах очистки, т. е. в системах неполной биологической очистки. Отсюда следует, что в аэротенках неполной биологической очистки указанных стоков оптимальным является механическая или пневмомеханическая аэрация, а при полной биологической очистке на первый план выходят технико-экономические характеристики аэрационного оборудования.
Типовые пневмомеханические аэраторы конструкции ЛенНИИхиммаша имеют более высокую производительность по кислороду на единицу потребляемой мощности, т. е. экономичнее пневматических систем, но уступают им в надежности при эксплуатации, что требует установки дополнительных (резервных) аэраторов. С разработкой более совершенных конструкций пневмомеханических аэраторов (эта задача уже поставлена Минхиммашу) такая необходимость исчезнет. Соответственно, применение пневмомеханической аэрации станет оптимальным вариантом и для систем полной биологической очистки.
При биологической очистке в аэротенках промстоков сулъфитно - и бисульфитно-целлюлозного производства, а также промстоков сульфатно-целлюлозного производства, предварительно прошедших химическую очистку от щелочного лигнина, коэффициент К1 не зависит от способа аэрации (см. разд. 1.2). Выбор оптимального варианта системы аэрации производится из условия: 1 → min.
Выбор типа аэротенка. Как следует из анализа уравнений (3.50), (3.51), в одноступенчатых системах полной биологической очистки минимальное значение прироста активного ила достигается в аэротенке-смесителе. При неполной очистке тип аэротенка не влияет на прирост ила. Отсюда следует, что, если 2>0, то экономически целесообразно при полной очистке применять аэротенки-смесители, а при (2<0 выгоднее аэротенки-вытеснители.
В системах неполной биологической очистки, в частности, на первой ступени двухступенчатой схемы, приведенные затраты П3l не зависят от типа аэротенка. Вместе с тем, следует иметь в виду, что конструктивно пневмомеханические аэраторы более выгодные при неполной очистке, удобнее размещать в аэротенках-смесителях бескоридорного типа.
На второй ступени двухступенчатой системы тип аэротенка практически не влияет на величину критерия оптимизации.
Влияние эффекта очистки. В одноступенчатых системах влияние эффекта очистки промстоков по БПК5 на критерий оптимизации зависит от соотношения коэффициентов 1* и2.
При 2/1* >10, для всех рассматриваемых промстоков, типов аэротенков и систем аэрации, критерий оптимизации ПЗl монотонно возрастает в диапазоне эффекта очистки 0...80%. В области 85...90% приведенные затраты ПЗl максимальны, а при дальнейшем увеличении эффекта очистки вплоть до 98% величина ПЗl снижается.
При 2/1* < 2,5 приведенные затраты ПЗl монотонно возрастают с увеличением эффекта очистки во всем рабочем диапазоне.
При 2/1* 2,5 − 10,0, в зависимости от состава промстоков, типа аэротенка и системы аэрации, приведенные затраты ПЗl либо монотонно возрастают во всем диапазоне эффекта очистки, либо имеют только максимум в области 85 − 95%, либо и максимум (в области эффекта 85 − 95%), и минимум (в области 96 − 98%).
В двухступенчатой системе зависимость критерия оптимизации от эффекта очистки промстоков значительно сложнее, чем в одноступенчатых системах. Дополнительными технологическими параметрами, влияющими на величину ПЗl, являются эффект очистки по БПК5 на первой ступени и отношение В1/l0.
С увеличением В1/l0 и отклонением эффективности первой ступени очистки от области 70 − 80% снижается специфичность биоценозов по ступеням, коэффициент прироста ила падает, а ударный расход кислорода возрастает. При этом критерий оптимизации приближается к его величине для одноступенчатых систем.
В области наибольшей эффективности двухступенчатой системы (см. разд. 2.5) увеличение эффекта очистки промстоков сопровождается возрастанием приведенных затрат, если 2 > 0.
Выбор технологической схемы. Выбор оптимальной технологической схемы биологической очистки основан на сравнении приведенных затрат, соответствующих оптимальным решениям внутри каждой из схем.
Наиболее существенное влияние на соотношение приведенных затрат ПЗl оказывают коэффициенты/1* и 2.
При 2/1* >2, ПЗl минимальны в простой одноступенчатой системе, но их отличие от приведенных затрат в одноступенчатой схеме с доочисткой в пруде и биосорбционной системе не превышает, соответственно, 5 и 10 %.
С уменьшением отношения 2/1* в диапазоне 10...2 приведенные затраты ПЗl в различных очистных системах постепенно сближаются в области и в области 2/1* = 1,5 − 2,0 практически одинаковы.
При 2/1* <1,5 минимум критерия оптимизации достигается в двухступенчатой системе.
Таким образом, при проектировании очистных вооружений отношение приведенных затрат на обработку и утилизацию избыточного ила к затратам на аэрацию и аэротенки (2/1*) может служить критерием выбора оптимальной технологической схемы биологической очистки промстоков ЦБП.
При 2/1* > 1,5, что типично для действующих в отрасли очистных сооружений, между задачами повышения эффективности и экономичности систем биологической очистки имеется определенное противоречие: если заданный эффект очистки по БПК5 превышает 97%, то необходимо использовать многоступенчатые системы, но с экономических позиций, переход от одноступенчатых схем (в том числе биосорбционных и схем с доочисткой в пруде) к многоступенчатым не выгоден (приведенные затраты ПЗl возрастают в 1,3 −1,4 раза). С решением проблемы утилизации избыточного активного ила как ценного продукта отношение 2/1* значительно снизится, При 2/1*<1,5, отмеченное противоречие снимается: в широком диапазоне эффективности биологической очистки наиболее экономичными становятся многоступенчатые схемы. Более того, при 2 < 0,3 руб./кг, повышение эффективности очистки в двухступенчатой системе становится экономически выгодным. Все это свидетельствует о больших перспективах многоступенчатых схем для биологической очистки промстоков ЦБП.
ЛИТЕРАТУРА
, Брагинский биохимической очистки сточных вод. − Л.: Стройиздат, 1979.
Евилевич расчета и оптимизации систем биологической очистки при проектировании.- В кн.: Охрана окружающей среды от загрязнения промышленными выбросами ЦБП.: Межвуз. сб. научн. тр. − Л.: ЛТА, 1981, вып. 9, с.77 − 82.
, , Николаев баланс и оптимизация систем биологической очистки сточных вод. − Бумажная промышленность, 1983, №2, с.28−30.
Ерошин материально-энергетического баланса роста микроорганизмов. − В кн.: Лимитирование и ингибирование микробиологических процессов. − Пущино, 1980, с.34−35.
Иванов роста микроорганизмов. − Киев: Наукова Думка, 1981.
Канализация населенных мест и промышленных предприятий: Справочник проектировщика/ , , и др. − 2-е изд., перераб. и доп.− М.: Стройиздат, 1981.
, , Ивлева повышения эффективности работы сооружений биохимической очистки. − Водоснабжение и канализация: Обзорн. информ. ЦБНТИ.−М.: ЦБНТИ, 1980, вып.2.
, Зацепилин основы определения энергоемкости биологической очистки сточных вод. − Бумажная промышленность, 1979, №5, с.28−30.
Ломова повышения эффективности биологической очистки сточных вод. − М.: ВНИПИЭИлеспром, 1981, с. 1−48.
Моделирование аэрационных сооружений для очистки сточных вод /, , с соавт. − Л.: Химия, 1980.
, , Горбунов параметров в системе аэротенк-отстойник. − В кн.: Водопользование, очистка сточных вод и утилизация осадков: Сб. научн. тр. ВНИИБ. − Л.: ВНИИБ, 1979, с.79−35.
Николаев прироста активного ила и потребления кислорода как основа оптимизации систем биологической очистки промстоков целлюлозно-бумажного производства. − Дис. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. −Л.: ЛТИ ЦБП, 1983.
Основы экологии/ Пер. с англ. − М.: Мир, 1975.
Защита окружающей среды в целлюлозно-бумажной промышленности. − М.: Лесная промышленность, 1981.
, Шпирт для очистки сточных вод. − М.: Стройиздат, 1973.
, С, Савгира методы очистки сточных вод предприятий целлюлозно-бумажной промышленности. − Водоснабжение и санитарная техника, 1975, №6, с.9−13.
, Карюхина процессы в очистке сточных вод. − М.: Стройиздат, 1980.
Александр Владимирович Наумов
Алексей Николаевич Николаев
ОСНОВЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ПРОМСТОКОВ ЦБП
Учебное пособие
Редактор Б
Тех. редактор ____________________________________
Ленинград,
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 |
