microbik.ru
1
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ С УЧЕТОМ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ПОТОКА.

Баженов В.И.

ЗАО «Водоснабжение и водоотведение, Москва, Россия
Постараемся сформулировать задачу очистки сточных вод с учетом гидродинамических условий для аэротенков различных геометрических конфигураций. Решение такой аналитической задачи поспособствовало бы оценке реальных процессов очистки сточных вод в аэротенках различного типа:

определенных (требуемых и заданных) гидродинамических структур потока в промежутке между вытеснителем и смесителем;

с продольной рециркуляцией иловой смеси по «карусельному» принципу;

с управлением интенсивности рециркуляционных потоков (межзонных и внутренних «карусельных») в зависимости от технологических параметров.

Реализация задачи важна как для грамотного проектирования объектов очистки сточных вод, так и для их оперативного технологического управления.

Существуют два варианта режима вытеснения в аэротенках: в сооружениях большой длины (отношение ширины к длине b/l  1/30) и при секционировании аэротенков. Аэротенки – вытеснители большой длины получили у нас в стране наибольшее распространение.

Процесс конвективной диффузии вещества  в направлении продольной оси для не стационарных условий (- время, ч) в большинстве случаев описывается законом Фика [1,2]:

, (1)

где - коэффициент диффузии вещества, описывающий гидродинамические режимы сооружения, м2/ч.

Представим изменения веществ в нестационарных условиях с учетом баланса масс:

, (2)

или

, (3)

где R - скорость превращения (изъятия, окисления, выделения, роста и отмирания) веществ в зависимости от концентрации веществ Si; X - продольная координата по длине аэротенка, м; U - продольная скорость по длине потока иловой смеси, м/ч;

В стационарном случае при безразмерной координате по длине сооружения  (где l - размерная длина сооружения) путем деления всех членов уравнений на U преобразуется в

. (4)

Умножая уравнение на l, запишем следующим образом:

. (5)

Учитывая, что  (где - диффузионный критерий Пекле) и, уравнение получает вид:

 (6)

По мере приближения гидродинамической структуры потока в аэротенке к режиму идеального вытеснения величина . В реальных аэротенках - вытеснителях < . Решение дифференциального уравнения второго порядка (6) с обеспечением соответствующих R позволило бы справиться с задачей очистки сточных вод в аэротенках различных гидродинамических структур потока.

О кинетике процессов превращения веществ

В основе модели для описания скоростей по i - тым субстратам принят современный подход с применением ХПК как основной балансовой величины, относительно которой составляется баланс для всех остальных субстратов и биомасс. Для описания процессов можно выбрать за основу, например, одну из наиболее простых моделей ASM1. Матрица модели представлена в табл.1.

Однако, данная модель использует 4 фракции ХПК: растворенное бионеокисляемое, растворенное биоокисляемое, взвешенное биоокисляемое, взвешенное инертное. Определение этих фракций и уточнение кинетических коэффициентов для них требует проведения достаточно сложных экспериментов, что иногда затрудняет использование такого подхода на практике. В модели используется кроме концентрации азота аммонийного, понятие растворенного биоокисляемого азота и биоокисляемого азота, содержащегося во взвешенных веществах. Определение этих величин, как правило, не производится на станциях очистки сточных вод в отечественной практике. Таким образом, описание концентрации азота для использования модели также требует проведения дополнительных анализов. Поэтому, при написании матрицы предлагаемой модели были использованы величины, которые могут определяться с помощью анализов, традиционно используемых на станции очистки сточных вод, и с проведением полного респирометрического эксперимента.

В предлагаемой модели, в отличии от ASM 1, используются следующие величины:

1. Общая биоокисляемая ХПК – SS – может быть определена путем определения общих затрат кислорода в респирометрическом эксперименте с подавлением нитрификации и определения коэффициента прироста гетеротрофов YH в распирометрическом эксперименте с подавлением нитрификации со стандартным биоокисляемым субстратом с известным ХПК. Кроме того, в первом описанном эксперименте может быть уточнен коэффициент KS путем линиаризации обратных величин скоростей по отношению к респирометрически определенному субстрату.

2. Общая бионеокисляемая ХПК – Sin- представляет собой разницу между ХПК сточных вод и биоокисляемым ХПК.

3. Общий биоокисляемый азот SN – определяется как разница потребления кислорода в респирометрических экспериментах без подавления и с подавлением нитрификации, и в дальнейшем пересчитывается из потребленного кислорода в азот с использованием стехиометрических коэффициентов, применяемых в модели (4,57 и YА).

Величина биоокисляемого азота соответствует сумме всех трех перечисленных в модели ASM 1 форм азота и была впервые введена А. Клавпайком.

При помощи этих же респирометрических экспериментов и соответсвующих линиаризации скоростей может быть уточнена величина KN.

Таким образом, в предлагаемом варианте упрощения модели ASM 1 все основные концентрации субстрата и величины коэффициентов полунасыщения могут быть определены экспериментально, путем постановки анализа на ХПКобщий и трех респирометрических кривых: общей для сточной воды, для сточной воды с подавлением нитрификации и со стандартным биоокисляемым субстратом с известным ХПК.

Матрица предлагаемой модели представлена в табл.2.

Стехиометрические коэффициенты, представленные в матрице, соответствуют модели ASM 1. Для раскрытия матрицы по скорости изменения субстрата необходимо перемножить соответствующие стехиометрические коэффициенты, стоящие на пересечении субстрата и реакции на скорость данной реакции и сложить все полученные формулы в общее уравнение.

Для более глубокого понимания вышеобозначенного, снизу матрицы (табл.2) представлена расшифровка скорости по кислороду.

О влиянии рециркуляции на гидродинамическую структуру потока

Принцип рециркуляции иловой смеси в аэротенках и биоокислителях, конструктивно поддерживается с помощью исполнительных механизмов (рециркуляторов потока), являющихся сердцем самого крупного емкостного сооружения станции очистки сточных вод. Рабочий диапазон коэффициента рециркуляции, рис. 1, в технологических схемах биоочистки варьируется в широких пределах KR = 1,5 – 1500. Причем его величины менее 1,5 технологически не обоснованы для практического применения, а KR = 1,5 – 4,0 в основном реализуются в рециркуляционных контурах схем для удаления биогенных элементов. Средние величины KR = 3,0 – 700 в большей степени обоснованы для использования в аэротенках- вытеснителях, а 700 – 1500 реализуются самопроизвольно при внедрении рециркуляторов- аэраторов для перемешивания иловой смеси в аэротенках- смесителях.



Рис. 1. Схема аэротенка - вытеснителя с рециркуляцией иловой смеси.

В качестве механических рециркуляторов потока рекомендуются к использованию: насосы (по мере возможности осевые), мешалки низко- и высокоскоростные, механические аэраторы с вертикальным и горизонтальным валом, эрлифтные аэраторы – рециркуляторы.

Зависимость дисперсионного критерия аэротенков с продольной рециркуляцией иловой смеси хорошо апроксимируется следующим соотношением [3]:

(7)

Таблица 1. Матрица модели ASM 1

Реакции

Si

SS

XI

XS

XB,H

XB,A

XU

SO

SNO

SNH

SND

XND

SALK

Скорость реакции, R

Аэробн. рост гетеротр.












1












- iXB









µmH

Рост гетеротр. в анокс. усл.












1












- iXB









*



Аэробн. рост автотр.
















1





















µmA(

Отмирание гетеротр.










1 - fp

- 1




fp













iXB - fpixp




bHXB,H

Отмирание автотр.










1 - fp




- 1

fp













iXB - fpixp




bAXB,A

Нитриф-ция




























1

- 1






KaSNDXB,H

Гидролиз органич. компонента




1




- 1




























kH

Гидролиз орган. азота








































ρ7()




Общ. бионеокисл.ХПК(г/м3)

Общая биоокисляемая ХПК (г/м3)

Взвешенная инертная фракция (г/м3)

Медленно разлагаемый органический субстрат(г/м3)

Активная гетеротрофная биомасса (г/м3)

Активная автотрофная биомасса (г/м3)

Инертная фракция, образующаяся в результате распада биомассы (г/м3)

Кислород (г/м3)

Азот нитратов (г/м3)

Аммонийный азот (г/м3)

Растворенный биоокисл.органический азот (г/м3)

Взв. биоокисл. органический азот(г/м3)

Щелочность (моль/м3)




Таблица 2. Матрица предлагаемой модели

Реакции

Si

SS

SN

SO

SNO

SXH

SXA

Скорость реакции, R

Аэробный рост гетеротрофов






- iXB






1




µmH

Рост гетеротрофов в аноксидных условиях






- iXB






1






Аэробный рост автотрофов







- iXB -








1

µmA (

Отмирание гетеротрофов

fp

1 - fp

iXB - fp iXP







- 1




SXH bH

Отмирание автотрофов

fp

1 - fp

iXB - fp iXP










- 1

SXA bA

Аэрация










1










KLa (CP(So) - SO)




Общ. бионеокисл. ХПК

Общ. биоокисл. ХПК

Азот биоокисляемый

Кислород

Азот нитратов

Биомасса гетеротрофов

Биомасса автотрофов




RSo = - () (

где: - дисперсионный критерий аэротенка без рециркуляции (KR=1);

A - коэффициент, характеризующий место расположения узла рециркуляции по длине аэротенка.

Сравнение различных расположений рециркулярных узлов по длине аэротенка показало, что с приближением узла рециркуляции к концу аэротенка общая структура потока ближе к вытеснителю. Таким образом, посредством изменения коэффициента рециркуляции возможно изменять структуру потока любого реактора, кроме реактора с идеальным смещением. Практический же интерес представляют реакторы - вытеснители. При первоначальном  равном 0,03, соответствующей незначительному продольному смещению с увеличением коэффициента рециркуляции (KR) до 5 увеличивается  до 0,34, что уже соответствует интенсивному продольному смешению.

Предложенная система уравнений, включая дифференциальное уравнение второго порядка, решается численным методом интегрирования. Это позволит рассматривать биологические процессы в жесткой связи с различными гидродинамическими структурами потока в аэротенках. Новизна объясняется использованием аналитической диффузионной модели взамен традиционной «ячеечной или секционной» для совместного решения с системой дифференциальных уравнений, описывающих процессы превращения (изъятия, окисления, выделения, роста и отмирания) веществ. Реализация задачи важна как для грамотного проектирования объектов очистки сточных вод, так и для их оперативного технологического управления.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Левеншпиль О. //Инженерное оформление химических процессов// Издательство «Химия», - М, 1969.

2. Репин Б.Н., Баженов В.И. //Моделирование кислородного режима в аэротенках- вытеснителях//Водные ресурсы АН СССР, №1, - М, 1991.

3. Хантимиров Т.М.//Исследование и разработка аэротенка с управляемой рециркуляцией иловой смеси// Диссертация на соискание ученой степени к.т.н.//МИСИ, -М, 1981.