Основы биологической очистки промстоков ЦБП (стр. 10 )

В этом отношении интересен опыт работы сооружений био­логической очистки сточных вод Понинковской картонно-бумажной фабрики, где для очистки стоков использована двухступенчатая схема аэрируемых прудов. Качество очищенных вод после второй ступени очистки благоприятно для развития дафний и хирономид, кормом для которых служит активный ил, выносимый из пруда первой ступени очистки. Опыты, проводимые в течение несколь­ко лет, показали, что в прудах второй ступени условия (качество воды и кормовая база) благоприятны для разведения карпа. При количестве посадочного материала (мальки, годо­вики и двухгодовики массой  2 − 200г) менее 50 кг на 1га через 3,5 месяца получен урожай рыбы 1 т на 1 га. Это в 5 раз больше, чем в рыбоводных прудах с естественной продуктив­ностью (без подкормки) для условий той же климатической зоны.

Проведенными в ВНПОбумпром исследованиями выявлены но­вые способы обработки избыточного активного ила, позволяющие получить определенные продукты с заданными свойствами. Таким способом является водный гидролиз избыточного активного ила в определенных режимах, позволяющий наряду с сокращением общего количества (на 30 − 80%) и объема (в 2 − 5 раз) активного ила получить такие ценные продукты как биостимуляторы для биохимических процессов, амины и т. д. Накапливающиеся при водном гидролизе в жидкой фазе биостимуляторы способны ус­корять различные микробиологические процессы, включая и биологическую очистку сточных вод. Другие продукты водного гидролиза ила (амины) могут использоваться для интенсифи­кации процесса делигнификации в качестве аминосодержащих реагентов на стадии варки целлюлозы. Гидролизат активного ила применим  как проклеивающее вещество при производстве бумаги.

Рассмотренные технологические решения отражает прин­ципиальная схема,  приведенная на рис.2.13.

В ряде случаев для обработки концентрированных стоков раци­ональным является использование чистых культур микроорганизмов (дрожжей, грибов, хлореллы). В частности, доокисление последрожжевой бражки с помощью определенных штаммов низших грибов дает дополнительный кормовой белок при одновременном снижении БПК5 этих стоков на 90 %. Процесс впервые внедрен на Архангельском ЦБК и в перспективе будет применен на других сульфитно-целлюлозных предприятиях. Наряду с сокращением загрязнений это позволит промышленности получить для народного хозяйства десятки тонн кормовой биомассы. 

Рис.2.13. Перспективы применения биологических методов об­работки стоков ЦБП и получения биопродуктов: 1 − локальная биологическая очистка токсичных стоков; 2 − твердые отходы; 3 − механическая обработка; 4 − биологичес­кая очистка с активным илом; 5 − пруды доочистки (1 и 2 ступени); 6 − рыборазводные пруды; 7 − локальная биологичес­кая очистка  концентрированных стоков (щёлока, бражка); 8 − биопродукты (корм, белок, аминокислоты); 9 − гидролизатор; 10 − гидролизаты (биостимуляторы, амины); 11−  биокультиваторы живых кормов для рыб;  12 − корма для рыб (дафнии, моины); 13 − твердые отходы; 14 − рыба.

3. РАСЧЕТ И ОПТИМИЗАЦИЯ СИСТЕМ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ

3.1. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ РАСЧЕТА ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ

В СССР все сооружения биологической очистки рассчитываются на основе общесоюзных строительных норм и правил (СНиП). Это не исключает, а напротив, требует учета специфичности каждого вида сточных вод и каждой технологической задачи. В частности, по действующему в настоящее время СНиП-11-32-74 выбор технологии и расчет биологической очистки промстоков ЦБП производится на осно­ве экспериментальных данных. Поэтому в ЦБП и некоторых других отраслях промышленности существуют ведомственные нормативы, со­ответствующие лишь в общих положениях СНиПу.

Исходные данные для проектирования получают на основе ма­тематических моделей и опыта эксплуатации очистных сооружений. К основным расчетным параметрам относятся объем аэротенка (вклю­чая регенератор), коэффициент рециркуляции активного ила, расход кислорода и прирост активного ила.

По новой редакции СНиП (СНиП 2.04.04.−84), вводимой в дей­ствие с 1985 года, для сточных вод с концентрацией более 150 кг БПК полн./м3 (что типично для стоков ЦБП) рекомендуется исполь­зование аэротенков с регенерацией активного ила. В сравнении с действующим СНиП новая редакция имеет более широкую область применения, в частности, регламентирует расчет одноступенчатых аэротенков для ряда промстоков, включая сточные воды ЦБП. В некоторой степени учтена зависимость скорости процесса от концентра­ции растворенного кислорода, уточнены расчетные формулы для аэротенков-смесителей и вытеснителей. Общим является использование уравнения типа Моно в расчетах удельной скорости окисления и уравнения реакции первого порядка по субстрату при определении периода аэрации непосредственно в аэротенке.

Значения параметров очистных сооружений, найденные по СНиПу,  ведомственным нормативам (ВСН-13-76 и его новой редакции, выходя­щей в 1985 году), а также правилам расчета, действующим за рубе­жом, совпадают лишь в некоторой области, отвечающей типичным условиям одноступенчатой очистки. Вместе с тем, по приведенным зат­ратам на биологическую очистку сточных вод вне зависимости от принятых методов расчета наблюдаются близкие значения. 

Сопоставление всех существующих методов расчета аэротенков является сложным и громоздким. Целесообразно выделить два основ­ных подхода. Первый из них берет начало из классической фермен­тативной кинетики и основан на кинетических уравнениях потребле­ния субстрата, т. е. предполагает, что именно концентрация орга­нических загрязнений стоков является лимитирующим фактором про­цесса биологической очистки. В основе второго подхода, развито­го советскими учеными (ВНПОбумпром, Гипробум, ЛТИ ЦБП), лежит лимитирующая роль массопередачи кислорода, т. е. учитываются особенности биосистем с активным илом, рассмотренные в разд. 1.4. 

Первый подход. За рубежом наибольшее распространение получили модели Эккенфельдера, Маккини, Лоуренса-Маккарти, Гауди и метод Байотрит, расчет по которому ведут с помощью ЭВМ. 

В моделях Эккенфельдера и Маккини кинетика биоокисления описывается уравнением реакции первого порядка по субстрату. В остальных упомянутых моделях используется уравнение Моно, имею­щее вид:

  ;  (3.1)

где  X − концентрация активного ила (по модели Байотрит − актив­ной биомассы ила), кг/м3;  l – БПК5 стоков, кг/м3; К^5 − константа скорости і c−1; К5 − константа Моно, кг/м3.

Другое важное отличие касается влияния концентрации актив­ного ила. По Эккенфельдеру, Лоуренсу-Маккарти и Гауди, скорость процесса пропорциональна концентрации активного ила. В модели Байотрит отдельно рассматривается органическая масса активного ила, которая разлагается на 4 фракции: биологически разлагаемые органические вещества, биологически неразлагаемые органические вещества, активные микроорганизмы, образовавшиеся в про­цессе очистки в аэротенке (активная биомасса), бионеразлагаемый остаток, образовавшийся при самоокислении ила. Скорость биоокисления принимается пропорциональной концентрации активной био­массы, которая находится в результате решения шести балансовых уравнений. В модели Маккини скорость потребления субстрата не зависит от концентрации активного ила.

По наиболее простым из этих моделей материальный баланс су­бстрата для систем биологической очистки в аэротенке-смесителе задается уравнениями:

По Эккенфельдеру:  ;  (3.2) 

По Маккини:  ;  (3.3)

где  V  − объем аэротенка, м3;  Q − расход стоков, м3/с; Ке, Кm −  константы скорости; lo, l  − БПК5 на входе и выходе сис­темы, кг/м3.

В стационарном (установившемся) режиме очистки концентра­ция загрязнений в аэротенке-смесителе неизменна во времени. Следовательно:

  ;  (3.4)

Отсюда, решая уравнения (3.2),  (З. З) относительно объема аэротенка, получим:

       По Эккенфельдеру:  ;  (3.5)

по Маккини:  ;  (3.6)

Близкая к модели Эккенфельдера формула, используемая в СССР при проектировании очистных сооружений (в основном город­ских сточных вод), дана в СНиП-11-32-74:

  ;  (3.7)

где  с −  удельная скорость снижения БПК, являющаяся функцией параметров lo, l  и дозы ила X; Зл  − зольность ила.

Общим недостатком таких моделей является игнорирование лимитирующей роли массопередачи кислорода в системах с активным илом. Коэффициенты Ке, Кm, с  прежде всего зависят от интен­сивности аэрации, как это показано в разделе 1.4 на примере мо­дели Маккини, но в рассмотренных моделях это не учитывается.

Второй подход. Объем аэротенка может быть выражен через удельный расход кислорода и интенсивность аэрации:

  R* = Q ∙ l0  ∙ Ze* ;  (3.8)

  R* = KoL a· C0*·V = K·J·V;  (3.9)

  V =;  (3.10)

где R* − производительность  по кислороду системы аэрации в стандартных условиях (аэрация чистой воды с температурой 20 °С при дефиците растворенного кислорода 1), кг/с;  Ze* − удельный  расход кислорода (производительность по кислороду системы аэра­ции в стандартных условиях на 1кг БПК5 сточной воды, поступающей в аэротенк), кг О2/кг БПК5;  KoLa − объемный коэффициент массопередачи кислорода "газ-жидкость" в стандартных условиях, с−1; Co* − концентрация насыщения растворенного кислорода в аэротенке в стандартных условиях, кг/м3; К − коэффициент использо­вания кислорода аэрирующего воздуха, кг/м3; J  − интенсивность аэрации в аэротенке, м3 /(м 2∙с).