Представлені математичні моделі аеробного і анаеробної биоло-ня очищення стічних вод. Проведено порівняльний аналіз роботи біо-логічної і біосорбційних системи очищення стічних вод.

Анотація наукової статті з екологічних біотехнологій, автор наукової роботи - Понкратова С. А., Ємельянов В. М., Сироткін А. С., Шулаев М. В.


The mathematical modeling of waste water aerobic and anaerobic biological treatment are presented. The comparative analysis of biological and biosorptional waste water system is carried out.


Область наук:

  • екологічні біотехнології

  • Рік видавництва: 2010


    Журнал: Вісник Казанського технологічного університету


    Наукова стаття на тему 'Математичне моделювання та управління якістю очищення стічних вод'

    Текст наукової роботи на тему «Математичне моделювання та управління якістю очищення стічних вод»

    ?С. А. Понкратова, В. М. Ємельянов, А. С. Сироткін,

    М. В. Шулаев

    МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ І УПРАВЛІННЯ ЯКІСТЮ ОЧИСТКИ СТІЧНИХ ВОД

    Світлої пам'яті нашого вчителя і колеги Нагаєва Валентина Васильовича

    П о с в я н я є т ь с я

    Ключові слова: біологічна очистка, біосорбційних очищення, аеротенк, комп'ютерна модель, комп'ютерне моделювання, екологічний моніторинг, очищення стічних

    вод.

    Представлені математичні моделі аеробного і анаеробної біологічної очистки стічних вод. Проведено порівняльний аналіз роботи біологічної та біосорбційних системи очищення стічних вод.

    Keywords: biological cleaning, biosorbtsionnaya cleaning, aerotank, computer model, computer simulations, ecological monitoring, waste water treatment.

    The mathematical modeling of waste water aerobic and anaerobic biological treatment are presented. The comparative analysis of biological and biosorptional waste water system is carried out.

    Стосовно до оцінки та управління якістю поверхневих і підземних вод як окремих міст і регіонів в цілому, основне значення має розвиток моніторингу джерел забруднення з урахуванням специфіки промислового виробництва та інших видів господарської діяльності. Важливою ланкою такої системи є автоматизована система моніторингу очисних споруд.

    Для успішного вирішення завдань, пов'язаних з прогнозуванням, оперативним управлінням і контролем за якістю процесу водоочищення, необхідно комплексне опис гідродинамічних, гідрохімічних і гідробіологічних процесів. Такий опис проводиться в даний час з використанням методів системного аналізу і математичного моделювання [1].

    До теперішнього часу запропоновані деякі агреговані показники якості води. Однак реальні моделі спираються, як правило, на кілька найпростіших фізико-хімічних її параметрів: розчинений кисень (РК), біохімічне споживання кисню (БПК), хімічне споживання кисню (ХСК), концентрація консервативної домішки. Відмінна риса цих параметрів - то, що вони відображають миттєве стан водного середовища, без якого важко оперативне управління та контроль її якості [2].

    У більшості випадків практично неможливо визначити концентрації органічних речовин, що містяться в стічній воді окремо, так само як і окремих видів мікроорганізмів в активному мулі. Тому при розгляді процесів биологиче-

    ської очищення досліджували як змінюється сумарна концентрація забруднювача і сумарна біомаса мікроорганізмів.

    Процес аеробного біологічного очищення можна представити у вигляді такої формалізованої схеми (рис. 1).

    Авторами роботи на основі детального аналізу чинних систем очищення стічних вод, експериментальних досліджень структури потоків в аеротенках, з урахуванням матеріального балансу і гідродинамічної структури потоків, стехиометрических співвідношень, кінетики ферментативних реакцій, массопередачи кисню розроблена адаптивна модель процесу аеробного біологічного очищення стічних вод.

    V, X t>° c 1 ^ QUt

    Q F Q

    і. и .

    Мал. 1 - Формалізована схема: L, n - концентрація надходить стічної води, мг / л; Lout - концентрація очищеної води, мг / л; V - об'єм реактора, м3; Q - витрата надходить стічної води, м3 / год; X - концентрація активного мулу в реакторі, г / л

    Вибір осередковою моделі відображає гідродинаміку в існуючих моделях процесів очищення. Для традиційних аеротенків такий підхід обгрунтований, так як відомі залежності між довжиною реактора і його гідродинамічними характеристиками.

    Математична модель процесу очищення стічних вод в аеротенках складена у вигляді системи диференціальних рівнянь матеріального балансу, що описують динаміку зміни концентрацій забруднень, активного мулу і розчиненого кисню:

    dL ^ out Qliq (і + Ri)

    (L out (i-1) - Lout (i)) + R JLi, (1)

    а Vі

    де І оіЦі) і І оіЦІ) - концентрація у-го компонента в розглянутій і - й осередку і в попередній, мг / л; VI = Va / N3 - обсяг і - й осередки, м3; Va - витрата надходить стічної води, м3 / год; й - коефіцієнт рециркуляції активного мулу; Й і - швидкість споживання! -Го субстрату в і - й осередку відповідно до адекватної моделлю, мг / л-ч;

    = О, * (1 + ред) (- х) +, (2)

    & V до и ~ 1 і > х 'у)

    де Хі і Х-1 - концентрація активного мулу в розглянутій і - й осередку і в попередній, г / л; ЙХі - швидкість накопичення активного мулу відповідно до адекватної моделлю, ГХ / л-ч;

    СС Оііа (1 + Й і) / \

    = -, ± (С 1 - С) + кіа Са - С,) +, (3)

    Сі V и

    де С / і См - концентрація кисню в розглянутій / - й осередки в попередньої, мг / л; КЬа - коефіцієнт масопередачі кисню, ч-1; Са - концентрація насичення води киснем при заданих температурі і тиску, мг / л; 1 ^ 0 / - швидкість споживання кисню, мгО2 / л-ч.

    Як крайових умов для вирішення рівнянь (1) - (3) прийняті параметри першого осередку:

    Х, _ 1 = Х ^, / (1 + Н /), (4)

    де ХГ - концентрація активного мулу в рециркуляційно потоці, г / л;

    ^ А-1) = (^ шн / +) / (1 + Н /), (5)

    де Цп - концентрація] -го компонента в надходить на очистку води, мг / л;

    З / -1 = (Сsv + С? / Н /) / (1 + Н /) '(6)

    де С ^, Су; - КРК в надходить на очистку води та рециркуляційно потоці активного

    мулу, мг / л. Зазвичай приймають С? / = 0 і при відсутності преаераціі З ^ = 0.

    Для вирішення моделі вибиралася найбільш адекватна модель біохімічної кінетики з визначенням відповідних швидкостей споживання субстрату зростання біомаси і споживання кисню Чи не.

    У структурі моделі модуль біохімічної кінетики є базовим і пропонує розрахунок процесу очищення по безлічі математичних моделей біохімічної кінетики, умовно розділених на 2 групи: типу Моно і фіксованого порядку. Для ідентифікації констант моделей і визначення найбільш адекватної моделі біохімічної кінетики використовувався наступний узагальнений критерій:

    2

    е =? (Х експ - х розр) +? (Цксп -1расч) (?)

    / = 1 / = 1

    На основі отриманої моделі розроблений програмний комплекс - імітатор, що складається з двох підсистем: моделює програма процесу водоочищення і моделює програма системи управління [3]. Імітаційний комплекс є інструментальним засобом при розробці систем управління процесами водоочищення на стадії передпроектної опрацювання, а саме, імітаційного відтворення в прискореному масштабі часу динаміки об'єктів управління, а також відпрацювання алгоритмів управління в режимі імітації об'єкта і системи управління.

    Розробка такого комплексу дозволила провести порівняльний аналіз процесу біологічної очистки стічних вод нафтохімічних підприємств: ВАТ «Нижнекамскнефтехим», ВАТ «Казаньоргсинтез», ВАТ «Казанський завод СК». Аеротенки очисних споруд перерахованих підприємств працюють в режимі рівномірно - розосередженої подачі стічної води і зосередженої подачі активного мулу, їм відповідає осередкова модель структури потоків. Число осередків визначалося кількістю точок введення стічної води.

    Проведення імітаційних експериментів з використанням програмного комплексу дозволило отримати адекватну модель процесу біологічної очистки стічних вод ВАТ «Нижнекамскнефтехим» (рис. 2). На імітаційної моделі було проаналізовано роботу системи очищення в режимах нормальної експлуатації та в режимі залпового скиду. Перевірка працездатності комплексу показала досить хорошу близькість розрахункових і експериментальних даних (рис. 2). Відносна похибка розрахунку склала 3% .

    номер ЕКЕП.

    а

    номер ЕКЕП.

    ________________________________________ б _________________________________________

    Мал. 2 - Динаміка БПК надходить і очищеної води (а); концентрації кисню і дози мулу (б) (^ - експериментальні дані)

    З точки зору практики біологічних очисних споруд визначальною є експертна роль комп'ютерного комплексу з аналізу екстремальних ситуацій, а також щодо забезпечення економічної експлуатації обладнання в номінальних режимах. Так, для промислових систем аерації, отримані оптимальні значення витрати повітря (в 2-2,5 рази нижче існуючих), що дозволяють значно знизити енерговитрати при збереженні якості очищеної води [4].

    Застосування імітаційної моделі дозволило найбільш точно визначити параметри роботи споруд з запропонованої технологією, включаючи не тільки якість очищеної води, а й витрати повітря, кількість надлишкового мулу, витрати рециркуляційних потоків для умов конкретного об'єкта (таблиця 1).

    Таблиця 1 - Технологічні показники процесу очищення стічних вод нафтохімічних підприємств

    Показники ВАТ «Нижнекамскнефтехим» ВАТ «Казаньоргсинтез» ВАТ «Казанський завод СК»

    Експл. Реком. Експл. Реком. Експл. Реком.

    Концентрація активного мулу, кг / м3 2 1,5 - 3 1,3 - 3 2-3 2,6 - 6,4 2 - 4

    Витрата повітря на аерацію, тис. М3 / год 3 - 5 3,2 3,2 2 5 - 8 3 - 4

    Концентрація розчиненого кисню, г / М3 6 5 - 8 5 - 8 4 - 8 6 -10 4 -8

    Концентрація рециркулюючого активного мулу, кг / м3 4 - 5 4 - 5 4 - 10 4 - 10 8 -12 8 -12

    У світовій практиці широко відоме застосування порошкоподібних адсорбентів в процесах аеробного і анаеробної очистки стічних вод. Вважається, що вони не тільки адсорбируют органіку, сприяючи біодеградації забруднень, але також створюють буферний ефект для біологічної системи проти токсикантів, що містяться в оброблюваної стічній воді.

    Авторами роботи проведено дослідження з вивчення можливості поліпшення показників біоочищення стічних вод нафтохімічних виробництв, зокрема, АТ «Нижнекамскнефтехим» шляхом використання порошкоподібних сорбентів на стадії аеробного обробки в аеротенках. Для моделювання біосорбційних процесу в якості адсорбенту використовували цеолитсодержащие породу (ЦСП) Татарсько - Шатраша-нського родовища (Республіка Татарстан). Цеолитсодержащие порода є активною завантаженням, так як має порівняно розвиненою системою пір і задовільними адсорбційними властивостями.

    Експериментальні дослідження біосорбційних очищення промислових стічних вод проводились на пілотній установці виконаної з неорганічного скла і представляє собою спрощену модель біологічних очисних споруд. На основі отриманих експериментальних даних з використанням комп'ютерного комплексу, що моделює роботу очисних споруд, були проведені імітаційні експерименти для отримання адекватної моделі біосорбційних процесу очищення стічних вод. В процесі моделювання очищення стічних вод були підтверджені наступні результати експериментальних досліджень: концентрація активного мулу 1-1,5 г / л, ГПК очищеної води 15-80 мг / л, концентрація розчиненого кисню від 4,5 мг / л до 7 мг / л.

    В якості найбільш адекватної моделі біохімічної кінетики біосорбційних моделі була прийнята модель Єрусалимського, що враховує інгібування мікроорганізмів продуктами метаболізму:

    р _ dL БО _ 1 Umax XL P (8)

    Rso _ ~ dT_ ~ y ~ kTTl 'KTTp; (8)

    р ай _ dLdn ^ _K i ^ L ~ c '^; (9)

    PЦП _ ~ 'dT _ K2 * L "L'20 °)

    = ~ P АІ ~ P ЦП ~ P БО, (11)

    де / Umax - максимальна питома швидкість росту, ч; KL - константа напівнасичення, рівна концентрації субстрату, при якій швидкість процесу дорівнює jumax / 2, мг / л; Y - економічний коефіцієнт; Кр - константа інгібування продуктом, мг / л; Р - концентрація продукту, мг / л; K1, K2 - коефіцієнти масопередачі субстрату з рідини, відповідно, в пластівці АІ і в ЦП, ч-1; L 1. L 2 - рівноважні концентрації для поглинання субстрату, відповідно, АІ і ЦП, мг / л; РБО - швидкість зміни концентрації забруднень в процесі біоокислення, мг / л-година; Раї - швидкість зміни концентрації забруднень, адсорбованих на пластівцях АІ, мг / л-година; РЦП - швидкість зміни концентрації забруднень, адсорбованих на ЦП, мг / л-година.

    Імітаційні експерименти біосорбційних процесу очищення стічних вод були проведені на підставі даних пілотних експериментів з використанням цеолитсодержащие породи (рис. 3).

    За результатами порівняльного аналізу роботи біологічної та біосорбційних системи очищення стічних вод, а також на підставі імітаційних експериментів було показано, що при біосорбційних методі очищення стічних вод з використанням цеолитсодержащие породи в нормальному режимі роботи згладжуються коливання концентрацій, що говорить про більшу стійкість цієї системи. Ефективність біосорбційних систем очищення стічних вод була забезпечена за низкою показників: глибшого видалення амонійного азоту в ході процесу нітрифікації - на 46%; значного зниження концентрації нафтопродуктів - на 75%; зниження мулового індексу - на 20%; більш стабільному протіканню процесу очищення в «залпових» режимах і забезпечення більш глибокого видалення ГПК і більш високих швидкостей біоокислення.

    Поряд з нефтехимическими підприємствами найбільшими джерелами забруднення водного середовища на сьогоднішній день є підприємства машинобудівної промисловості. Основними відходами машинобудування є стічні води гальванічних цехів, які містять іони важких металів (ІТМ), а також відпрацьовані мастильно-охолоджувальні рідини (МОР), шлаки, що утворюються при механічній обробці металевих виробів.

    Однак існуючі традиційні біологічні методи обробки стічних вод в аеробних умовах не дозволяють знешкоджувати концентровані стоки, що містять ІТМ і трудноокісляемие органічні речовини, що входять до складу МОР, через високу чутливості мікроорганізмів активного мулу до токсичної дії цих забруднень. Одним із способів підвищення ефективності біологічної очистки є впровадження методу біосорбції, заснованого на спільній в часі і просторі біологічної та адсорбційної очищення стічних вод.

    Мал. 3 - Динаміка ГПК надходить і очищеної води (а), дози активного мулу і концентрації кисню (б), (^ - експериментальні дані)

    Авторами проведено комплексне дослідження біосорбційних обробки рідких відходів машинобудівних підприємств в анаеробних умовах на стоках ФГУП «Казанське авіаційне виробниче об'єднання ім. С.П.Горбунова », ВАТ« Казанське моторобудівне виробниче об'єднання », ВАТ КамАЗ і ВАТ« гальванічних покриттів »(м Чистополь). У біосорбційних системі використовувався анаеробний мул, адаптований до ІТМ, як адсорбенту був обраний гранульований диатомит, що піддався термообробці.

    У структуру анаеробного мулу крім мікроорганізмів входить субстрат, що представляє собою колоїдну систему, що складається з продуктів їх життєдіяльності. Оброблювана стічна вода включають багатокомпонентні органічні і неорганічні домішки. Для біологічного очищення процес визначається наявністю трьох фаз: біогаз -рідина - пластівці анаеробного мулу (умовно тверда фаза), для біосорбції процес ускладнюється присутністю ще однієї твердої фази - адсорбенту (рис. 4). ефективність

    актів біохімічного відновлення в значній мірі визначається гідродинамічної обстановкою і масообмінних характеристиками апарату.

    Оскільки одним з елементів системи є адсорбент, то математична модель відображає поглинання субстратів його поверхнею. Таким чином, математична модель з урахуванням адсорбції виглядає наступним чином:

    БХ

    бі

    - - -кх (і бі хх

    ,ХІ

    (

    К, + і + - + і Кі

    ме

    - рХ

    З іс) КА

    бі З

    бі

    = До

    '(ІС - ІС) _'

    До Ме)

    (І - ІС

    МтХІС

    (12)

    (13)

    (14)

    до і + ІС

    І2 ^ іс

    К і

    бі

    А _

    КА (ІС ІС)

    (15)

    (16) (17)

    Мал. 4 - Схема процесів в біосорбере

    бі

    ІС - ІС (і)

    і - і (ІА)

    де: ІА - концентрація забруднень, адсорбованих на поверхні адсорбенту, мг / л; КА - коефіцієнт масопередачі забруднень до адсорбентів, ч-1.

    Для отримання найбільш повної математичної моделі процесу в біосорбере її доповнили для проточного режиму з урахуванням рециркуляції мулу.

    БХ

    бі

    - О (Xвх - X) |

    МтХі З

    К, + ІС + - і S До,

    2 Л

    - рх;

    = О (і ех -І) - Кх (ІС - і'с) Ка (і - іс);

    бі

    З - До X (ІС - ІС

    бі

    бІА бі

    ІС - ІС (і);

    і - и (і а);

    ГХ г

    ) - 'V

    МтХІ<

    У

    (

    и

    2 Л '

    К, + ІС + -

    V І С Кі)

    Ка (іс-іс);

    Х ех -

    и е

    1 + г гіг

    +

    гі

    1 + г 1 + г '

    (18)

    (19)

    (20)

    (21)

    (22)

    (23)

    (24)

    (25)

    2

    +

    D _

    пр

    t пр v (1 + r)

    (26)

    (27)

    Початкові умови:

    t = 0; L = L0; L0 = L00; LA = LAQ; Lf = L0; L00 = L00; X = X0; Xr = Xr0 (28)

    де Lf - концентрація забруднень на вході в систему, мг / л; Lex - концентрація забруднень на вході в апарат, мг / л; Хех - концентрація біомаси на вході в апарат (після рецикла), мг / л; ХГ - концентрація забруднень на вході в апарат, мг / л; D - швидкість вимивання, ч-1; tnp - час перебування, ч; r - коефіцієнт рециркуляції; v - об'ємна швидкість подачі стічної води в апарат, м3 / год; V - об'єм апарату, м3.

    За рівнянням (18 - 28) була складена комп'ютерна програма розрахунку процесів біосорбційних обробки відпрацьованих МОР в проточному режимі. Далі шляхом послідовного обнулення членів моделі, що відбивають розглянуті ефекти, виконувалася декомпозиція моделі і були отримані результати біосорбційних процесу для ГАУ СКТ-3 і діятимуть [5]. Результати імітаційних експериментів представлені на малюнках 5 і 6.

    Мал. 5 - Моделювання процесів в біосорбере з використанням ГАУ СКТ-3

    Проведені дослідно-промислові випробування біосорбційних методу для обробки стоків гальванічних цехів виробництв і МОР на декількох підприємствах Республіки Татарстан показали, що біосорбційних очищення перевершує біологічну очистку за ступенем очищення і по стабільності роботи системи протягом тривалого часу. Відзначено, що біосорбційних очищення здатна самостабілізіровать-ся при впливі на систему ззовні (наприклад, при залпових скидах та зміні часу перебування).

    1

    Мал. 6 - Моделювання процесів в біосорбере з використанням діятимуть

    Таким чином, результати імітаційного моделювання дозволили оцінити адекватність використаних математичних моделей для опису динаміки очищення реальних стічних вод з метою вироблення подальших рекомендацій і оптимального управління очисними спорудами при біологічної і біосорбційних технології.

    література

    1. Кафаров, В.В. Моделювання біохімічних реакторів / В.В. Кафарів, А.Ю. Винаров, Л.С. Гордєєв. - М.: Лісова пром-сть, 1979. - 344 с.

    2. Вавилин, В.А. Нелінійні моделі біологічної очистки та процесів самоочищення в річках / В.А. Вавилин. - М .: Наука, 1983. - 158 с.

    3. Нагаєв, В.В. Система імітаційного моделювання процесу водоочищення в промисловому аеротенку В.В.. Нагаєв, А.С. Сироткін, С.А. Понкратова // Масообмінні процеси і апарати хімічних. техн. - 1997. - С. 22-29

    4. Сироткін, А. С. Сучасні технологічні концепції аеробного біологічного очищення стічних вод / А.С.Сіроткін, С.А.Понкратова, М.В.Шулаев. - Казань: Изд-во Казан. держ. технол. ун-ту ,, 2002. - 160 с.

    5. Шулаев, М. В. Дослідно-промислові випробування біосорбційних методу обробки відпрацьованих МОР / М.В.Шулаев [и др.] / Актуальною. екол. пробл. РТ: Тези. VII Республ. наук. конф. Казань. - Казань: Отечество, 2007. - С. 231 - 232.

    6. Понкратова, С.А. Експертна роль комп'ютерного комплексу на очисних спорудах С.А.. Понкратова, В.М. Ємельянов, О.А. Дмитрієва // II Всеросійські наукові Зворикінского читання. - Муром: Вид.-поліграф. центр МІ ВлГУ, 2010. - С. 428.

    © С. А. Понкратова - канд. техн. наук, доц. каф. хімічної кібернетики КДТУ, Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.; В. М. Ємельянов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. хімічної кібернетики КДТУ, Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.; А. С. Сироткін - д-р техн. наук, проф., зав. каф. промислової біотехнології КДТУ, Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.; М. В. Шулаев - канд. техн. наук, доц. каф. хімічної кібернетики КДТУ, Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її..


    Ключові слова: БІОЛОГІЧНА ОЧИЩЕННЯ /біосорбційних ОЧИЩЕННЯ /аеротенків /КОМП'ЮТЕРНА МОДЕЛЬ /КОМП'ЮТЕРНЕ МОДЕЛЮВАННЯ /ЕКОЛОГІЧНИЙ МОНІТОРИНГ /ОЧИЩЕННЯ СТІЧНИХ ВОД /BIOLOGICAL CLEANING /BIOSORBTSIONNAYA CLEANING /AEROTANK /COMPUTER MODEL /COMPUTER SIMULATIONS /ECOLOGICAL MONITORING /WASTE WATER TREATMENT

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити