ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД В БИОЛОГИЧЕСКИХ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО
ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ УРАЛЬСКИЙ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
И. Н. ЛИПУНОВ
ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
В БИОЛОГИЧЕСКИХ РЕАКТОРАХ
С БИОПЛЕНКОЙ И АКТИВНЫМ ИЛОМ
( расчет биофильтров и аэротенков)
Екатеринбург 2015
1
УДК 628.35
Рецензенты:
кафедра химической технологии топлива и промышленной
экологии Уральского федерального университета имени первого президента России Б.Н. Ельцина;
Никифоров А.Ф., доктор химических наук, профессор кафедры водного хозяйства и технологии воды Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н.
Ельцина
Липунов И.Н.
Очиска сточных вод в биологических реакторах с биопленкой и активным илом (расчет биофильтров и аэротенков):
учебное пособие. – Екатеринбург: Урал. гос. лесотехн. университет, 2015. 110 с.
ISBN
В учебном пособии приведены расчеты основных технологических характеристик работы аэрационных сооружений
биологической очистки сточных вод, работающих с биопленкой и активным илом. Даны примеры рассчета различных типов биофильтров, аэротенков и аэрационнх систем. Учебное
пособие предназначено для студентов направлениий подготовки бакалавров и магистров 280700 ”Техносферная безопасность” и 241000 ”Энерго– и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии”
при подготовке к практическим занятиям по дисциплине ”Основы микробиологии и биотехнологии”, а также при выполнении курсовых проектов и выпускных квалификационных
работ.
Печатается по решению редакционно-издательского совета Уральского государственного лесотехнического университета
УДК 628.35
ISBN
© Уральский государственный
лесотехнический университет, 2015
© Липунов И.Н., 2015
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение………………………………………………………… 5
1. Основы биологической очистки сточных вод………….. 6
1.1. Биоценозы активного ила и биопленки ……. ………
6
1.2. Закономерности биохимического окисления
органических веществ………………………………………
7
1.3. Метаболизм некоторых веществ ……………………. … 11
1.4. Зависимость скорости биологической очистки
сточных вод от различных факторов …………………….. 12
2. Расчет биологических реакторов с биопленкой……… 14
2.1. Аэрационная очистка сточных вод на биофильтрах ….
14
2.2. Классификация биофильтров ………………………...
17
2.3. Расчет биофильтров ………………………………... ...
19
2.3.1. Расчет капельных биофильтров………………….. 19
2.3.2. Расчет высоконагружаемых биофильтров……….. 20
2.3.3. Расчет биофильтров с плоскостной загрузкой…… 21
2.3.4. Расчет дисковых погружных биофильтров…. …. 23
2.3.5. Примеры расчета биофильтров ………………….. 24
3. Расчет биологических реакторов с активным илом…. 31
3.1. Аэрационная очистка сточных вод в аэротенках ……… 31
3.2. Технологические характеристики работы реакторов
с активным илом …………………………………………
34
3.3. Классификация аэротенков по гидравлической схеме
работы и нагрузке ……………………………………
35
3.4. Технологические системы реакторов активным илом … 37
3.4.1. Одноступенчатая система без регенерации ……
37
3.4.2. Одноступенчатая система с регенерацией ………. 37
3.4.3. Двухступенчатая система без регенерации …….. 38
3.5. Конструкции аэротенков ……………………………
39
3.5.1. Аэротенки с отдельными отстойниками …
39
3.5.2. Аэротенки – отстойники …………………
40
3.5.3. Биологическая очистка сточных вод в окситенках.. 40
3.6. Системы аэрации в реакторах с активным илом ….. … 42
3.6.1. Пневматическая система аэрации …………….
42
3.6.2. Механическая система аэрации ………………
43
3.6.3 Комбинированная система аэрации …………….
44
3.6.4. Струйная система аэрации …………………….
44
3.7. Расчет реакторов с активным илом ………………….
45
3.7.1. Расчет аэротенков – смесителей без регенераторов 45
3
3.7.2. Расчет аэротенков – смесителей с регенераторами... 46
3.7.3. Расчет аэротенков-вытеснителей без регенераторов 47
3.7.4. Расчет аэротенков-вытеснителей с регенераторами.. 48
3.7.5. Расчет комбинированных окситенков ………. .
50
3.7.6. Примеры расчета аэротенка ……………………
52
3.8. Расчет систем аэрации коридорных аэротенков . .……. 67
3.8.1. Аэротенки – смесители …………………………… 67
3.8.2. Аэротенки – вытеснители без регенераторов …… 68
3.8.3. Аэротенки – вытеснители с регенераторами …… 70
3.8.4. Примеры расчета систем аэрации коридорных
аэротенков ………………………………………………. 70
4. Биохимическое удаление азотсодержащих веществ
из сточных вод………………………………………………
74
4.1. Биологическое удаление из сточных вод соединений
азота …………………………………………………………
75
4.2. Расчет аэротенков нитри–денитрификаторов ………
79
4.2.1. Расчет аэротенков – нитрификаторов …………… 79
4.2.2. Расчет аэротенков – нитрификаторов с добавкой
биоразлагаемых органических веществ ………………… 81
4.2.3. Расчет денитрификаторов проточного типа ……
82
4.2.4. Примеры расчета аэротенков нитрификаторов и
денитрификаторов ………………………………………
83
4.3. Примеры возможных вариантов схем нитрификации–
денитрификации ……………………………………
88
5. Задачи для самостятельного решения ……………
99
5.1. Биофильтры ……………………………………………
99
5.2. Аэротенки ……………………………………………
101
5.3. Аэротенки нитрификаторы – денитрификаторы …
103
Приложение ……………………………………………
105
Список использованных источников ………………
110
4
ВВЕДЕНИЕ
В процессе использования воды в хозяйственной деятельности
человека подавляющая ее часть в процессе конкретного производства
загрязняется различными химическими веществами и возвращается в
природные водные экологические системы в виде сточных вод.
Наиболее распространенными загрязняющими веществами природных вод являются нефтепродукты, фенолы, легко окисляемые органические вещества, синтетические поверхностно–активные вещества,
пестициды, ионы тяжелых металлов. Основными источниками загрязнения воды являются предприятия промышленности, сельского и
коммунального хозяйства.
Сброс загрязненных сточных вод в природные водные системы
приводит к нарушению гидрохимического и гидрологического режима водоемов, что отрицательно сказывается на жизнедеятельности
гидробионтов. Техническая политика в области охраны водных ресурсов нашей страны сочетает их рациональное использование с минимизацией отрицательного воздействия техногенного производства
на качество природных вод. Минимизация заключается в использовании эффективных методов очистки сточных вод перед сбросом их в
природные водоемы с целью предотвращения загрязнения поверхностных вод.
Одним из наиболее распространенных и эффективных способов
очистки сточных вод является биологическая очистка. Этот метод
нашел широкое применение для очистки сточных вод предприятий
целлюлозно-бумажной, гидролизной, коксохимической, химической,
пищевой промышленности и хозяйственно–бытовых сточных вод.
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся
по направлениям подготовки бакалавров и магистров 241000 ”Энерго– и ресурсосберегающие процессы в химической технологии,
нефтехимии и биотехнологии” и 280700 ”Техносферная безопасность”, при изучении дисциплины ”Основы микробиологии и биотехнологии”, а также при выполнении курсовых проектов и выпускных
квалификационных работ.
При подготовке методического пособия использован материал,
опубликованный в следующих изданиях: А.Г. Гудков. Биологическая
очистка сточных вод: учебное пособие. Вологда: ВоГТУ. 2002. 127 с.;
М.П. Лапицкая, Л.И. Зуева, Н.М. Балаескул и др. Очистка сточных
вод (примеры расчетов): учебное пособие. Минск: Выш. школа. 1983.
225 с.; Г.Т Абросимова, О.П. Цветкова, О.В. Ксенофонтова и др.
5
Очистные сооружения канализации. Расчет нитрификаторов–
денитрификаторов: методические указания. Новосибирск. НГАСУ.
2005. Ч. 5. 28 с.; Проектирование сооружений для очистки сточных
вод. Всесоюзный комплексный НИКТИ водоснабжения, канализации
и инженерной гидрогеологии. М.: Стройиздат, 1990. 192 с.; СНиП
2.04.03–85. Канализация. Наружные сети и сооружения. М.: Госстройиздат. 1986. 72 с.
1. ОСНОВЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
Процесс биологической очистки основан на способности микроорганизмов использовать загрязняющие вещества сточных вод для
своего питания. Контактируя с органическим веществом, микроорганизмы частично разрушают его, превращая в воду, СО2 и другие простые вещества. Разрушение органических веществ с помощью микроорганизмов называется биохимическим окислением. Для этой цели
используют, преимущественно, аэробные процессы биохимического
окисления органических веществ, растворенных в жидкой фазе сточных вод [1].
Такие процессы осуществляются как в естественных условиях
(поля фильтрации или орошения и биологические пруды), так и в искусственно созданных очистных сооружениях – биологических реакторах (биофильтры и аэротенки). Действующим началом биологической очистки в аэротенках является активный ил, а в биофильтрах –
биопленка, представляющие собой частицы органического вещества,
населенные различными группами микроорганизмов.
Методы биологической очистки по типу дыхания микроорганизмов, обеспечивающих протекание процессов биохимического
окисления, подразделяются на анаэробные и аэробные. При аэробном
методе очистки микроорганизмы культивируются в активном иле или
в биопленке.
1.1. Биоценозы активного ила и биопленки
Сообщество микроорганизмов, населяющих активный ил и
биопленку, называется биоценозом. Активный ил является амфотерной коллоидной системой и по внешнему виду представляет собой
комочки и хлопья размером от 3 до 150 мкм и высокой удельной поверхностью, порядка 1200 м2 на 1 м3 ила. Элементный химический
состав активного ила для хозяйственно–бытовых сточных вод может
6
быть выражен следующей формулой – C54H212O82N8S7. Сухое вещество активного ила состоит на 70÷90 % из органического и на 10÷30
% – минерального вещества.
Биоценоз активных илов состоит из бактерий, простейших,
плесневых грибов, дрожжей, актиномицет, личинок насекомых, рачков, водорослей и др.
Основное разрушение органических загрязнений осуществляется
бактериями, количество которых в 1 м3 ила составляет 2∙1014 единиц.
Бактерии представлены видами псевдомонас, бациллус, нитробактер,
нитросомонас и др.
В активных илах встречается 4 вида простейших: саркодовые,
жгутиковые, ресничные и сосущие инфузории, которые поглощают
бактерии, поддерживая их оптимальное количество. Простейшие способствуют осаждению ила.
Качество активного ила определяется скоростью его осаждения
и характеризуется величиной илового индекса. Иловым индексом
называется объем сухого ила, выраженный в см3, который занимает
1 г ила после 30 мин его отстаивания [2].
Видовой состав биопленки более разнообразен, чем активного ила.
Биопленка состоит из бактерий, грибов, личинок насекомых, червей,
клещей, дрожжей и других организмов. В 1 м3 биопленки содержится
2∙1012 бактерий. Существуют формы микробной биопленки в виде
слоя, прикрепленного к клеткам эпителия, или отдельно расположенных конгломератов клеток.
1.2. Закономерности биохимического окисления органических веществ
Основную роль в очистке сточных вод играют процессы биохимического окисления вещества, протекающие внутри клеток микроорганизмов. Проникновение вещества внутрь клеток микроорганизмов осуществляется за счет диффузионных механизмов. К поверхности клеток вещества поступают путем конвективной и молекулярной
диффузии, а внутрь клеток – диффузией через полупроницаемые цитоплазматические мембраны, возникающей вследствие разности концентраций окисляемого вещества в клетке и в сточной жидкости.
Эти процессы, как правило, заканчиваются окислением вещества с выделением энергии и синтезом новых веществ с поглощением
энергии. Внутри клеток микроорганизмов происходит непрерывный и
сложный комплекс химических превращений. В клетках в строгой по7
следовательности протекает большое количество химических реакций
с большой скоростью. Последовательность и скорость протекания
биохимических реакций зависит от наличия ферментов, которые выделяются клетками бактерий.
Ферменты – это сложные белковые соединения, ускоряющие
биохимические реакции. Ферменты бывают одно – и двухкомпонентные. Однокомпонентные ферменты состоят только из белковой части,
а двухкомпонентные – из белковой (апофермент) и небелковой (кофермент) части. Каталитической активностью обладает кофермент, а
белковый носитель увеличивает его активность.
Различают ферменты, вырабатываемые бактериями для внеклеточного расщепления органического вещества, которые легко выделяются из клетки в окружающую среду. Такие ферменты, получившие название экзоферменты, расщепляют крупные молекулы за пределами клетки на более мелкие осколки, тем самым способствуя проникновению их через клеточную мембрану в клетку.
Ферменты, которые прочно связаны с микробной клеткой и выделяются в окружающую среду только после ее разрушения, называются эндоферментами. Эти ферменты катализируют реакции, связанные с синтезом или освобождением энергии (дыхание или биологическое окисление), протекающие внутри клетки.
Особенность ферментов заключается в их высокой каталитической активности и специфичности, каждый из ферментов катализирует только одно из многих превращений. Согласно современной классификации и номенклатуре ферменты на основании механизма осуществляемых ими реакций подразделяются на шесть классов: гидролазы, оксиредуктазы, трансферазы, лиазы, лигазы, изомеразы.
Ферменты играют важную роль в жизни любого живого организма. Они принимают участие во всех биологических процессах,
связанных с жизнедеятельностью микробной клетки. Ферменты синтезируются живой клеткой, представляют собой белковые комплексы, обладают свойствами гидрофобных коллоидов и имеют высокую
поверхностную энергию. На активность ферментов оказывают влияние посторонние вещества. Вещества, которые ускоряют действия
ферментов, называются активаторами (витамины, катионы Mg2+,
Ca2+, Mn2+), а которые замедляют – ингибиторами (антибиотики, соли
тяжелых металлов).
Ферменты, которые постоянно присутствуют в клетках, независимо от природы субстрата, называются конститутивными. Фермен8
ты, которые синтезируются клеткой в ответ на изменение внешней
среды, называются адаптивными.
Процесс биохимического окисления является многостадийным
процессом и начинается расщеплением органического вещества с отрывом от молекулы органического субстрата активного водорода. В
этом процессе участвуют ферменты класса оксиредуктазы: дегидрогеназы (отнимающие водород от молекулы субстрата), каталазы
(расщепляющие пероксид водорода) и пероксидазы (использующие
активированную перекись для окисления органических соединений).
Внутри клетки химические соединения подвергаются различным анаболическим и катаболическим превращениям. Анаболические
превращения приводят к синтезу новых клеточных компонентов, а
катаболические являются источником необходимой для клетки энергии. Серия химических изменений внутри клетки называется метаболизацией, а последовательность изменений – метаболическим путем.
Суммарные реакции биохимического окисления в аэробных
условиях схематично можно представить в следующем виде [1]:
ферменты
CxHyOzN + O2
CO2 + H2O + NH3 + ΔH
ферменты
C5H7NO2 + CO2 + ΔH
CxHyOzN + NH3 + O2
Первая реакция соответствует окислению вещества на энергетические потребности клетки, а вторая представляет реакцию синтеза
клеточного вещества. Затраты кислорода на эти реакции составляют
величину БПКполн. сточной воды.
Если процесс окисления идет дальше, то начинается превращение клеточного вещества и процессы нитрификации аммиака:
ферменты
C5H7NO2 + 5O2
ферменты
NH3 + O2
5CO2 + NH3 + 2H2O + ΔH
ферменты
HNO2 + O2
HNO3,
где CxHyOzN – все органические вещества сточных вод, C5H7NO2 –
среднее соотношение основных элементов в клеточном веществе
микроорганизмов.
Как видно из уравнений реакций, биохимические превращения
являются источником необходимой для жизнедеятельности микроорганизмов энергии. Живые организмы способны использовать только
связанную химическую энергию.
9
Большое количество биохимических реакций происходит с помощью кофермента А (КоА, КоА–SH, кофермент ацилирования), который является производным β – меркаптоэтиламина пантотеновой
кислоты и нуклеотида – аденозин-3,5-дифосфата.
Химический состав кофермента достаточно сложен, отметим
только одну его составляющую, а именно β – меркаптоэтиламин. Активной группой кофермента А является конечная группировка β–
меркаптоэтиламина ― тиоловая группа (SH), поэтому кофермент А
обычно обозначается КоА–SH. Функция КоА–SH состоит в переносе
остатков некоторых органических кислот, в том числе уксусной кислоты, на различные соединения. Благодаря конечной SH–группировке
кофермент А активирует карбоновые кислоты, образуя с ними
ацилпроизводные КоА:
СН3–СООН + НS–КоА → СН3СО– S–КоА + Н2О
Схему расщепления жирных кислот с образованием ацилированных производных можно представить в следующем виде:
СН3(СН2)nСООН + КоА-SH + АТФ→ СН3(СН2)nСО-S-КоА + АДФ + Р(н)
Ацилированное производное последовательно подвергается
процессам дегидрирования, гидратации и вновь дегидрирования, в
результате чего образуется β – кетокислота:
СН3(СН2)nСО–S–КоА → СН3(СН2)n-2СН = СНСО–S–КоА →
→ СН3(СН2)n-2СНОНСН2СО–S–КоА → СН3(СН2)n-2СОСН2СО–S–КоА
Далее β – кетокислота вступает в реакцию со второй молекулой
кофермента А и подвергается расщеплению по схеме:
СН3(СН2)n-2СОСН2СО–S–КоА+ КоА–SH →
→ СН3(СН2)n-2СО–S–КоА + СН3СО–S–КоА
В дальнейшем процесс повторяется, и в конце концов молекула
жирной кислоты расщепляется до СО2 и Н2О.
10
1.3. Метаболизм некоторых веществ
Углеводы. Окисление углеводов описывается следующей схемой биохимического процесса:
ферменты
С6Н12О6
ферменты
СН3СОСООН
СН3СОS–КоА→ ЦКТ→ СО2 → Н2О
Метан и метанол. Метан окисляется по схеме:
СН4 → СН3ОН → НСНО → НСООН → СО2
Этиловый спирт микроорганизмы превращают в уксусную кислоту, котрая после реакции с ацетил–КоА включается в ЦТК:
СН3СН2ОН → СН3СНО → СН3СООН → Ацетил–КоА → ЦТК
Окисление углеводородов. Процесс окисления углеводородов происходит по следующей схеме:
СН3(СН2)nСН3 → СН3(СН2)nСН2ОН → СН3(СН2)nСНО →
→ СН3(СН2)nСООН → β–окисление → Ацетил–КоА → ЦТК
Аммонификация, нитрификация и денитрификация. Азотсодержащие
органические
соединения
подвергаются
бактериями–
аммонификаторами гидролитическому расщеплению с образованием
аммиака. Процесс минерализации органического азота получил
название процесса аммонификации:
R–СН–NН2–СООН + Н2О → R–СН–ОН–СООН + NH3
СО (NН2)2 + 2Н2О → (NН4)2СО3 ↔ 2NН3 + СО2 + Н2О
Нитрифицирующие бактерии окисляют аммонийный азот до
нитритов, а затем до нитратов. Этот процесс называется нитрификацией и является конечной стадией минерализации азотсодержащих
органических веществ:
2NH3 + 3O2 = 2HNO2 + 2H2O
2HNO2 + O2 = 2HNO3
11
Под действием денитрифицирующих бактерий происходит восстановление нитритов и нитратов до молекулярного азота:
5С6Н12О6 + 24KNO3 = 24KHCO3 + 6CO2 + 12N2 + 18 H2O
1.4. Зависимость скорости биологической очистки сточных вод
от различных факторов
Скорость биохимического окисления зависит от концентрации
органического вещества и равномерности поступления загрязнений
на сооружения биологической очистки. Основными факторами, влияющими на скорость протекания биохимических реакций, являются
концентрация органического вещества, концентрация кислорода в
сточной воде, ее температура и величина рН, содержание биогенных
элементов, а также тяжелых металлов и минеральных солей.
Оптимум температуры сточной воды лежит в пределах 20÷30
0
С. Повышение температуры воды в данном температурном интервале увеличивает скорость биологического окисления в 2‒ 3 раза. Увеличение температуры требует повышение интенсивности процесса
аэрации, поскольку растворимость кислорода с увеличением температуры уменьшается.
При более низких температурах замедляется процесс адаптации
бактерий к новым видам загрязнений, при этом ухудшаются процессы нитрификации, флокуляции и осаждения активного ила.
Биогенные элементы (N, P, K) являются необходимыми компонентами для успешного протекания биохимических реакций при
окислении органических соединений сточных вод. Недостаток азота
приводит к снижению скорости биологического окисления органических загрязнителей и к образованию трудно оседающего ила. Недостаток фосфора является причиной интенсивного развития нитчатых
бактерий и, как следствие, вспухания активного ила.
Ориентировочное соотношение БПКполн : N : P при продолжительности очистки до 3 суток составляет 100 : 5 : 1. При продолжительности очистки до 20 суток следует поддерживать данное соотношение на уровне 200 : 5 : 1.
Соли тяжелых металлов. Активный ил хорошо адсорбирует
ионы тяжелых металлов, при этом снижается его биологическая активность и происходит вспухание ила из-за интенсивного развития
нитчатых форм бактерий. Соли токсичных металлов снижают скорость биохимической очистки. Допустимая концентрация солей для
12
различных тяжелых металлов, при которой возможно биохимическое
окисление загрязняющих сточные воды веществ, колеблется в пределах 0,1÷10,0 мг/л. По степени токсичности тяжелые металлы располагаются в следующем порядке:
Sb > Ag > Cu > Hg > Co ≥ Ni ≥ Pb > Cr (III) > V ≥ Cd > Zn > Fe .
Отрицательное влияние на скорость биологической очистки
сточных вод может оказать и повышение содержания минеральных
веществ, превышающее значение максимально допустимых концентраций.
Концентрация кислорода. Для окисления органических веществ
микроорганизмами в сточной воде необходимо наличие растворенного кислорода. 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 абсорбируется водой, а затем переносится к
микроорганизмам. Таким образом, в ходе очистки протекают два
процесса – абсорбция кислорода сточной водой и потребление кислорода микроорганизмами.
Растворенный в воде кислород потребляется микроорганизмами.
Скорость потребления кислорода микроорганизмами не может превышать скорость его абсорбции, в противном случае ухудшается обмен веществ микробной клетки и снижается скорость окисления загрязнений. Величина концентрации кислорода в сточной воде зависит
от соотношения скоростей его абсорбции и потребления микроорганизмами.
Скорость потребления кислорода зависит от скорости роста и
физиологической активности микроорганизмов, величины биомассы,
вида и концентрации питательных веществ, концентрации биогенных
веществ и содержания в воде растворенного кислорода.
С увеличением концентрации кислорода в сточной воде скорость его потребления увеличивается. Однако это происходит до
определенной концентрации кислорода, при достижении которой
скорость потребления кислорода перестает изменяться. Концентрация
кислорода, при которой скорость его потребления становится постоянной, называется критической концентрацией (Скр). Критическая
концентрация кислорода всегда меньше его равновесной концентрации (Ср) и зависит от класса микроорганизмов и температуры сточной
воды.
13
Признаком достаточной аэрации сточной воды является положительная разность между концентрацией кислорода в воде и его
критической концентрацией.
Турбулизация сточных вод в очистных сооружениях способствует распаду хлопьев активного ила на более мелкие и быстрому
обновлению поверхности раздела фаз, увеличивает скорость поступления питательных веществ и кислорода к микроорганизмам и тем
самым увеличивает скорость очистки. Турбулизация потока достигается интенсивным перемешиванием сточной воды и активного ила, в
результате чего активный ил находится во взвешенном состоянии, что
обеспечивает равномерное распределение его в сточной воде.
К аэрационным сооружениям биологической очистки сточных
вод относятся два основных типа биологических реактора – биофильтры и аэротенки. В осуществлении биологической очистки сточных вод в таких реакторах участвуют самые разнообразные группы
микроорганизмов, заселяющих биопленку или активный ил. Все организмы, обитающие в очистном сооружении, попадают в реактор из
какого-либо внешнего источника: вместе со сточной водой, из воздуха и почвы, или же заносятся различными насекомыми, птицами или
животными. Существенная часть таких организмов может размножаться непосредственно в очистном сооружении, что указывает на
важность процессов селекции микроорганизмов.
При аэробной очистке сточных вод в биологических реакторах
происходит гетеротрофная конверсия органического вещества. Органические вещества при этом могут окисляться до оксида углерода
(IV) и различных N-, P- и S-содержащих веществ, ассимилироваться в
биомассе, проходить сквозь реактор, не претерпевая изменений и
превращаться в другие органические вещества.
Искусственные аэрационные биологические системы, предназначенные для очистки сточных вод от загрязняющих веществ, имитируют процессы самоочищения воды в природных условиях, но интенсивность процессов в них гораздо выше.
2. РАСЧЕТ БИОЛОГИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ С БИОПЛЕНКОЙ
2.1. Аэрационная очистка сточных вод на биофильтрах [3]
Биофильтр представляет собой резервуар прямоугольной или
цилиндрической формы, в котором находятся фильтрующая загрузка
и распределительные устройства для сточной воды и воздуха (рис.
14
2.1). В качестве загрузки используются материалы с высокой пористостью, малой плотностью и большой удельной поверхностью. В основном это щебень, шлак, галька или керамзит. Размер кусков загрузочного материала возрастает сверху вниз. Верхний слой содержит
загрузочный материал с размерами кусков 10-20 мм, средний – 20-40
мм, нижний – 50-70 мм.
Рис. 2.1. Разрез биофильтра: 1– подача сточных вод; 2 – водораспределительное устройство; 3 – фильтрующая загрузка; 4 – дренажное устройство; 5 – очищенная сточная вода; 6 – воздухораспределительное устройство
Сточная жидкость подается на биофильтр через специальные
водораспределительные устройства, которые обеспечивают равномерное орошение всей поверхности загрузочного материала. Равномерное орошение водой поверхности биофильтров является важным
условием его надежной работы. Существуют две основные группы
распределительных устройств, осуществляющих орошение:
• неподвижные: дырчатые желоба, трубы и спринклеры или разбрызгиватели (рис. 2.2);
Рис. 2.2. Схема спринклерной водораспределительной сети:
1 – дозирующий бак; 2 – магистральная труба; 3 – разводящие трубы;
4 – спринклеры
15
• подвижные: качающиеся желоба, движущиеся наливные колеса и вращающиеся реактивные оросители (рис. 2. 3)
Рис. 2.3. Реактивный вращающийся ороситель
На поверхности загрузочного материала развиваются микроорганизмы, образующие биопленку. Биофильтр относится к аэробным
очистным сооружениям, и подавляющее большинство его биоценозов
нуждается в кислороде. Аэрация биофильтра может быть естественной и искусственной. В случае искусственной аэрации воздух в биофильтр нагнетается вентиляторами.
Микроорганизмы биопленки окисляют органические вещества,
содержащиеся в сточной воде, используя их как источники питания и
энергии. Таким образом, из сточной воды удаляются органические
вещества, а масса активной биопленки увеличивается. В верхних слоях биофильтра наиболее интенсивно протекают процессы прироста
биопленки, окисления органических веществ и потребления кислорода. Доминирующая роль в биоценозе верхних слоев биофильтра принадлежит организмам, питающимися растворенными органическими
веществами, а именно бактериям, грибам, некоторым видам бесцветных жгутиковых.
Средние слои биофильтра характеризуются меньшим накоплением биомассы и большим разнообразием встречающихся форм микроорганизмов. Здесь снижается количество грибов и нитчатых бактерий и появляются спиралересничные и круглоресничные инфузории.
В нижних слоях биофильтра наблюдается большое разнообразие
видов микроорганизмов при низкой их общей массе. Преимущественное развитие получают круглые и щетинконогие черви. Из простейших преобладают представители брюхо – и круглоресничных
инфузорий, грибы и нитчатые бактерии почти полностью отсутствуют.
Распределение физиологических групп микроорганизмов в биофильтре зависит от химического состава сточных вод. Особенностью
работы биопленки является то, что с очищаемой сточной водой кон16
тактирует только ее поверхностный слой. Поэтому наиболее активные
клетки микроорганизмов находятся в наружных слоях биопленки, а
внутренние слои, обращенные к фильтрующему материалу, испытывают недостаток кислорода, с меньшей скоростью окисляют адсорбированные вещества и в них развиваются анаэробные процессы.
Сточная жидкость, проходя через загрузочный материал, оставляет на нем примеси не осевшие в первичных отстойниках, а так же
коллоидные и растворенные органические вещества, которые сорбируются биопленкой. Биоценозы биопленки используют органические
вещества сточных вод в качестве источника питания и энергии. Таким
образом, из сточной жидкости удаляются загрязняющие вещества и
увеличивается масса активной биопленки.
Вследствие дефицита кислорода и питательных веществ биопленка постепенно отмирает и смывается током жидкости с поверхности фильтрующего материала. Она поступает в нижележащие слои,
где частично перерабатывается, а частично выносится из биофильтра.
2.2. Классификация биофильтров
Биофильтры классифицируются по ряду признаков.
По степени очистки: на полную и неполную биологическую
очистку.
По способу подачи воздуха: с искусственной аэрацией (аэрофильтры) и с естественной подачей воздуха.
По режиму работы: с рециркуляцией сточной воды, т.е. с возвратом части очищенной жидкости в биофильтр или без нее.
По технологической схеме: одно- и двухступенчатые биофильтры.
По пропускной способности: биофильтры малой пропускной
способности (капельные) и большой (высоконагружаемые).
По типу загрузочного материала: биофильтры с объемной загрузкой (гравий, шлак, керамзит, щебень) и с плоскостной загрузкой
(пластмассы, ткани, асбоцемент, керамика, металл).
Биофильтры с объемной загрузкой подразделяются по высоте
загрузки на капельные (1÷2 м); высоконагружаемые (2÷4 м) и башенные (8÷16 м).
Биофильтры с плоскостной загрузкой подразделяются на биофильтры:
• с жесткой засыпной загрузкой (керамические, пластмассовые или
металлические насыпные элементы);
17
• с жесткой блочной загрузкой (гофрированные или плоские листы
или пространственные элементы);
• с мягкой или рулонной загрузкой, выполненной из металлических
или пластмассовых сеток, синтетических тканей, которые крепят на
каркасах или укладывают в рулонах;
• погружные биофильтры, состоящие из пакетов дисков, насаженных
на горизонтальную ось вращения.
Капельные биофильтры рекомендуется применять при полной
биологической очистке сточных вод при их расходе не более 1000 м3 в
сутки. Гидравлическая нагрузка на капельных биофильтрах составляет 1÷3 м3 на 1м2 поверхности загрузки в сутки. Рециркуляцию сточной воды на капельных биофильтрах применяют при значении
БПКполн сточной воды более 220 мг/л. Недостатками капельных биофильтров являются низкая производительность и частые заиления поверхности загрузочного материала.
Высоконагружаемые биофильтры применяют для полной и неполной биологической очистки сточных вод на станциях производительностью до 50000 м3 в сутки. Допустимое значение БПКполн сточных вод без рециркуляции составляет 300 мг/л, а гидравлическая
нагрузка – 10÷30 м3 на 1 м2 поверхности загрузки в сутки.
Башенные биофильтры применяются для очистных сооружений
с производительностью до 50000 м3 в сутки и при БПКполн очищенных
сточных вод до 20÷25 мг/л.
Биофильтры с плоскостной загрузкой компактны, имеют малую
энергоемкость, надежны в эксплуатации, не подлежат заилению.
Плотность загрузки составляет 10÷250 кг/м3, удельная площадь поверхности 60÷250 м2/м3. Гидравлическая нагрузка на 1 м3 объема
биофильтра в сутки составляет 6÷18 м3.
Погружные биофильтры представляют собой комбинированные
сооружения для биологической очистки сточных вод, имеющие признаки биофильтров и аэротенков. По виду пространственных конструкций погружные фильтры бывают дисковые, шнековые, трубчатые, барабанные.
Применяются для полной и неполной биологической очистки
бытовых и производственных сточных вод с расходами от 1 м3 в сутки до 150 тыс. м3 в сутки. Оптимальная область применения – комплексы сооружений пропускной способностью 500 ÷ 1000 м3 в сутки
по очистке сточных вод от отдельно стоящих зданий, малых населенных пунктов, кемпингов, санаторий, домов отдыха и т.п.
18
В технологической схеме станции очистки погружные биофильтры занимают место между сооружениями предварительной механической очистки и вторичными отстойниками.
2.3. Расчет биофильтров
2.3.1. Расчет капельных биофильтров
Без рециркуляции
1. Определяется коэффициент Кbf = Len / Lex, (2.1)
где Len и Lex – БПКполн поступающей и очищенной сточной воды, мг/л.
2. Находится высота биофильтра Нbf и гидравлическая нагрузка qbf исходя из среднезимней температуры сточной воды Tw и значения Кbf по табл. 2.1.
3. По суточному расходу сточной воды Qw, м3/сут, рассчитывается общая площадь биофильтров Fbf = Qw / qbf, м2.
(2.2)
4. Подбирается количество секций nbf и размеры типовых биофильтров. Число и размеры секций зависят от способа распределения
сточной воды по поверхности. Обычно количество секций должно
быть не менее 2 и не более 6÷8. Все секции рабочие.
В практике проектирования применяют биофильтры прямоугольной формы в плане с размерами сторон 3х3; 3,6х4; 9х12;
12х12; 15х15; 12х18 и др., с высотой загрузки 2,3; 3 и 4 м, а также
круглой формы в плане диаметром 6, 12, 18, 24, 30 м, с высотой
слоя загрузки 2, 3 и 4 м.
Таблица 2.1 – Параметры для расчета капельных фильтров [3, с.16]
Гидравлическая нагрузка
qbf,
3
м /(м2∙сут)
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
Hbf=
=1,5
8,0
5,9
4,9
4,3
3,8
Коэффициент Кbf при температурах Tw 0C и высоте Нbf, м
Tw = 8
Tw = 10
Tw = 12
Tw = 14
Hbf=2 Hbf = Hbf=2 Hbf = Hbf=2
Hbf=
Hbf=2
=1,5
=1,5
=1,5
11,6
9,8
12,6
10,7
13,8
11,4
15,1
10,2
7,0
10,9
8,2
11,7
10,0
12,8
8,2
5,7
10,0
6,6
10,7
8,0
11,5
6,9
4,9
8,3
5,6
10,1
6,7
10,7
6,0
4,4
7,1
6,0
8,6
5,9
10,2
5. Рассчитывается объем загрузки
Vbf = nbf ∙ F1 ∙ Нbf, м3, (2.3)
где F1 – площадь одной секции биофильтра, м2.
6. Определяется объем избыточной биопленки Vmud, выносимой
во вторичные отстойники:
19
𝑽𝒎𝒖𝒅 =
𝟏𝟎𝟎 ∙ 𝒒𝒎𝒖𝒅 ∙ 𝑸𝒘 ∙ 𝑳𝒆𝒏
, м𝟑 /сут, (2.4)
𝟔
(
)
𝟏𝟎 ∙ 𝟏𝟎𝟎 − 𝑷𝒎𝒖𝒅 ∙ 𝜶
где qmud – удельное количество избыточной биопленки, принимается из расчета
8 г/(чел∙сут); Pmud – влажность биопленки, равная 96 %; α – количество БПК в
сточной воде на одного жителя в сутки, г/(чел∙сут).
С рециркуляцией
1. По формуле (2.1) определяется коэффициент Кbf, причем вместо значения Len подставляется максимально допустимое значение
БПКполн (220 мг/л).
2. По табл. 2.1 определяется гидравлическая нагрузка qbf и высота биофильтра Нbf.
3. Рассчитывается среднее значение БПКполн в смеси стоков перед биофильтром
Lmix = Lex ∙ К𝐦𝐢𝐧
𝐛𝐟 , мг/л,
(2.5)
где К𝐦𝐢𝐧
𝐛𝐟 – наименьшее ближнее к Kbf значение в табл. 2.1.
4. Определяется коэффициент рециркуляции Кrec:
Кrec = (Len - Lmix) / (Lmix - Lex)
(2.6)
5. Определяется площадь биофильтров Fbf:
Fbf = Qw(Кrec + 1) / qbf, м2
(2.7)
6. Подбираются количество и размеры типовых биофильтров,
рассчитывается объем загрузки Vbf и количество избыточной биопленки Vmud по формулам (2.3) и (2.4).
2.3.2. Расчет высоконагружаемых биофильтров
Без рециркуляции
1.
При заданной среднезимней температуре сточной воды Tw
и коэффициенте Кaf = Len / Lex по табл. 2.2 находятся высота биофильтра Нaf, гидравлическая нагрузка qaf и удельный расход воздуха
qa.
2. В формулу (2.2) подставляется найденное значение qaf и рассчитывается общая площадь Faf.
3. Подбирается количество секций naf и размеры типовых биофильтров.
4. По формулам (2.3) и (2.4) определяется объем загрузки Vaf и
количество избыточной выносимой биопленки Vmud. При этом
удельное количество биопленки qmud принимается равным 28
г/(чел∙сут), влажность биопленки Pmud равна 96 %.
5. Определяется расход воздуха Qair = qa∙Qw, м3/сут, (2.8)
20
а затем по табл. 7 Приложений подбирается марка и количество вентиляторов низкого давления.
С рециркуляцией
1. По формуле (2.1) определяется коэффициент Кaf, причем
вместо значения Len подставляется максимально допустимое значение
БПКполн (300 мг/л).
2. По табл. 2.2 определяется гидравлическая нагрузка qaf , высота биофильтра Нaf и удельный расход воздуха qa.
8
10
12
Haf, м
qa,м3/м3
Таблица 2.2 – Параметры для расчета высоконагружаемых биофильтров
[3, с.18]
2
3
4
2
3
4
2
3
4
10
3,02
5,25
9,05
3,69
6,1
10,1
4,32
7,25
12
Коэффициент Kaf при Tw, 0С, Haf, м и qaf, м3/(м2∙сут)
Tw = 8
Tw = 10
Tw = 12
Tw = 14
3
2
Гидравлическая нагрузка, qaf, м /(м ∙сут)
20
30
10
20
30
10
20
30
10
20
30
2,32 2,04 3,38 2,5 2,18 3,76 2,74 2,36 4,3 3,02 2,56
3,53 2,89 6,2 3,96 3,22 7,32 4,64 3,62 8,95 5,25 4,09
5,37 4,14 10,4 6,25 4,73 11,2 7,54 5,56 12,1 9,05 6,54
2,89 2,58 4,08 3,11 2,76 4,5 3,36 2,93 5,09 3,67 3,16
4,24 3,56 7,08 4,74 3,94 8,23 5,31 4,36 9,9 6,04 4,84
6,23 4,9 12,3 7,18 5,68 15,1 8,45 6,88 16,4 10 7,42
3,88 3,01 4,76 3,72 3,28 5,31 3,98 3,44 5,97 4,31 3,7
5,01 4,18 8,35 5,55 4,78 9,9 6,35 5,14 11,7 7,2 5,72
7,35 5,83 14,8 8,5 6,2 18,4 10,4 7,69 23,1 12 8,83
3. По формуле (2.5) рассчитывается среднее значение БПКполн в
смеси стоков перед биофильтром Lmix, при этом в формулу подставляется наименьшее ближнее значение к Кaf значение из табл. 2.
4. По формуле (2.6) определяется коэффициент рециркуляции
Кrec.
5. По формуле (2.7) определяется общая площадь биофильтров
Fаf, подбираются количество и размеры типовых биофильтров, объем
загрузки и количество избыточной биопленки.
6. Рассчитывается объем воздуха Qair = qa(Кrec + 1)Qw, м3/сут
(2.9) и подбираются марка и количество вентиляторов по табл. 7
Приложений.
2.3.3. Расчет биофильтров с плоскостной загрузкой
Биофильтры с пластмассовой загрузкой пористостью 93÷96 % и
удельной поверхностью 90÷110 м2/м3
В качестве загрузки принимаются блоки из поливинилхлорида,
полистирола, полиэтилена, полипропилена, полиамида, гладких или
21
перфорированных пластмассовых труб диаметром 50÷100 мм или засыпные элементы в виде обрезков труб длиной 50÷150 мм, диаметром
30÷75 мм с перфорированными, гофрированными или гладкими стенками.
1. В зависимости от среднезимней температуры сточной воды
Tw, требуемого эффекта очистки (Э) и принятой высоты загрузки
биофильтра Hpf по данным табл. 2.3 находится допустимая гидравлическая нагрузка qpf.
2. Рассчитывается необходимый объем загрузочного материала
Vpf и площадь биофильтров Fpf:
Vpf = Qw / qpf, м3;
(2.10)
2
Fpf = Vpf / Hpf, м , (2.11)
где Qw – суточный расход сточной воды, м3/сут.
3. Подбираются размер и количество типовых биофильтров.
Биофильтры с плоскостной загрузкой имеют круглую, прямоугольную и восьмигранную форму в плане с высотой загрузки 3÷6 м.
Таблица 2.3 – Допустимая гидравлическая нагрузка на биофильтры с
плоскостной пластмассовой загрузкой [3, с.19]
Эффект
очистки
Э, %
90
85
80
Гидравлическая нагрузка qpf, м3 / (м3∙сут) при высоте загрузки Hpf, м
Hpf = 3 м
Hpf = 4 м
0
Температура сточных вод Tw, С
8
10
12
14
8
10
12
14
6,3
6,8
7,5
8,2
8,3
9,1
10
10,9
8,4
9,2
10
11
11,2
12,3
13,5
14,7
10,2
11,2
12,3
13,3
13,7
15
16,4
17,9
Биофильтры с любой плоскостной загрузкой
1. В зависимости от требуемого значения БПК5 очищенной
сточной воды Lex по таблице 2.4 находится критериальный комплекс
η.
Таблица 2.4 – Значение η при различном значении Lex [3, с.19]
Lex, мг/л
η
10
3,3
15
2,6
20
2,25
25
2
30
1,75
35
1,6
40
1,45
45
1,3
50
1,2
2. В зависимости от среднезимней температуры сточной воды
Tw рассчитывается температурная константа потребления кислорода
Кт:
Кт = 0,2∙1,047Тw - 20 (2.12)
22
3. Выбирается загрузочный материал и его характеристика (пористость Р, %, удельная поверхность Sуд, М2/м2). Принимается высота
слоя загрузки Hpf.
4. Определяется допустимая нагрузка на поверхность по органическим загрязнениям Mpf:
Mpf = РНpfKT / η, г/(м2∙сут). (2.13)
5. Рассчитывается допустимая гидравлическая нагрузка qpf:
qpf = Mpf Sуд / Len, м3/(м3∙сут), (2.14)
где Len – БПК5 поступающей на биофильтр сточной воды, мг/л.
6. По формулам (2.10) и (2.11) рассчитывается необходимый
объем загрузочного материала Vpf и площадь биофильтра Fpf.
7. Подбираются размер и количество типовых биофильтров.
2.3.4. Расчет дисковых погружных биофильтров
1. В зависимости от БПК5 поступающей Len и очищенной Lex
сточной воды, а также от среднезимней температуры сточной воды Tw
по графикам (рис. 2.4) находится допустимая нагрузка по БПК5 на 1
м2 площади поверхности дисков в сутки Mdf и температурный коэффициент KT (при температуре Tw > 20 0С, коэффициент KT = 1).
2. Определяется общая площадь поверхности дисков Fобщ:
𝐋𝐞𝐧 ∙ 𝐐𝐰
𝐅общ =
, м2 (2.15)
𝐌𝐝𝐟 ∙ 𝐊 𝐓
Рис. 2.4. Графики для расчета дисковых погружных биофильтров [3, рис.
2.6, с. 20]: а – зависимость допустимой нагрузки по БПК5 на 1 м2 площади поверхности дисков в сутки Мdf от БПК5 поступающей Len и очищенной Lex сточной воды; б – зависимость температурного коэффициента Кt от нагрузки Mdf и
среднезимней температуры сточной воды Tw при Len: 1–100÷200 мг/л; 2–
200÷300; 3–300÷400; 4–400÷500 мг/л и при Tw: 5– 70С; 6–10; 7–13; 8–160С
23
3. Принимается конструктивно диаметр диска Ddf, м и рассчитывается его рабочая поверхность с обеих сторон Fdf:
Fdf = πDdf2 / 2, м2.
(2.16)
4. Определяется необходимое количество дисков биофильтра
ndf:
ndf = Fобщ / Fdf.
(2.17)
5. Принимается количество секций ns, ступеней в каждой секции
nss и определяется число дисков в одной ступени n:
n = ndf / (ns ∙ nss).
(2.18)
6. Рассчитывается ширина секции В:
В = 0,1 + δ1n + δ2(n-1), м,
(2.19)
где δ1 – толщина диска, зависит от материала, м; δ2 – расстояние между дисками, м, принимается равным 0,015÷0,03 м.
7. Рассчитывается длина секции L = nss(0,2 + Ddf), м (2.20)
8. Принимается рабочая глубина секции Н = (0,4÷0,5) Ddf, м,
частота вращения вала с дисками n0, мин-1, и расстояние от нижней
части дисков до дна секции δ3 = 0,03÷0,05 м.
2.3.5. Примеры расчета биофильтров
Пример 1.
Исходные данные. Суточный расход сточных вод Qw = 780
3
м /сут; БПКполн поступающей сточной воды Len = 185 мг/л; БПКполн
очищенной сточной воды Lex = 15 мг/л; среднезимняя температура Tw
= 13 0С; количество БПКполн в сточной воде на одного жителя в сутки
α = 40 г/(чел∙сут).
Задание. Рассчитать капельный биофильтр.
Расчет. Так как значение БПКполн поступающей сточной воды
меньше допустимого значения (220 мг/л), принимаем капельные биофильтры без рециркуляции.
По формуле (2.1) рассчитываем коэффициент Kbf:
Кbf = Len / Lex = 185 / 15 = 12,3.
По табл. 2.1 в соответствии со среднезимней температурой Tw и
рассчитанным значением Кbf подбираем высоту загрузки биофильтра
Нbf = 2 м и гидравлическую нагрузку qbf = 1,5 м3/(м2∙сут).
По формуле (2.2) определяем общую площадь биофильтров:
Fbf = Qw / qbf = 780 / 1,5 = 520 м2.
24
Принимаем биофильтры круглой формы в плане диаметром D =
12 м с количеством секций nbf = 5 и площадью одной секции F1 = 113
м2.
Рассчитаем по формуле (2.3) объем загрузки:
Vbf = nbf ∙ F1 ∙ Нbf = 5∙113∙2 = 1130 м3.
По формуле (2.4) рассчитаем объем избыточной биопленки:
Vmud =
100 ∙ qmud ∙ Q w ∙ Len
100 ∙ 8 ∙ 780 ∙ 185
=
= 0,72 м𝟑 /сут
6
6
10 ∙ (100 − Pmud ) ∙ α
10 ∙ (100 − 96) ∙ 40
Пример 2.
Исходные данные. БПКполн поступающей сточной воды Len = 255
мг/л, остальные данные из примера 1.
Задание. Рассчитать капельный биофильтр.
Расчет. Так как значение БПКполн поступающей сточной воды
больше допустимого значения (220 мг/л), принимаем капельные биофильтры с рециркуляцией сточной воды.
По формуле (2.1) рассчитываем Кbf = Len / Lex = 220 / 15 = 14,7.
По табл. 2.1 в соответствии со среднезимней температурой Tw и
рассчитанн6ым значением Кbf подбираем высоту загрузки биофильтра
Нbf = 2 м и гидравлическую нагрузку qbf = 1 м3/(м2∙сут).
Наименьшее ближнее к Кbf значение в табл. 2.1:
Кmin
bf = (13,8 + 15,1) / 2 = 14,45
По формуле (2.5) рассчитаем среднее значение БПКполн в смеси
стоков перед биофильтром:
Lmix = Lex ∙ Кmin
bf = 15∙14,45 = 217 мг/л.
Определим коэффициент рециркуляции по формуле (2.6):
Кrec = (Len - Lmix) / (Lmix - Lex) = (255 - 217) / (217 - 15) = 0,19.
По формуле (2.7) находим общую площадь биофильтра:
Fbf = Qw(Кrec + 1) / qbf = 780(0,19 + 1) / 1 = 928 м2.
25
Принимаем биофильтры прямоугольной формы в плане с размером сторон 12х18 м, количеством секций nbf = 5 и площадью одной
секции F1 = 216 м2.
Находим объем загрузки по формуле (2.3):
Vbf = nbf ∙ F1 ∙ Нbf = 5∙216∙2 = 2160 м3.
По формуле (2.4) рассчитаем объем избыточной биопленки:
Vmud =
100 ∙ qmud ∙ Q w ∙ Len
100 ∙ 8 ∙ 780 ∙ 255
=
= 1 м𝟑 /сут
6
6
10 ∙ (100 − Pmud ) ∙ α
10 ∙ (100 − 96) ∙ 40
Пример 3.
Исходные данные. Суточный расход сточных вод Qw = 13600
3
м /сут; БПКполн поступающей сточной воды Len = 203 мг/л; БПКполн
очищенной сточной воды Lex = 21 мг/л; среднезимняя температура Tw
= 12 0С; количество БПКполн в сточной воде на одного жителя в сутки
α = 40 г/(чел∙сут).
Задание. Рассчитать высоконагружаемый фильтр.
Расчет. Так как значение БПКполн поступающей сточной воды
меньше допустимого значения (220 мг/л), рециркуляция сточной воды
не нужна. Находим коэффициент Каf = Len / Lex = 203/21 = 9,7.
По табл. 2.2 подбираем высоту загрузки биофильтра Haf = 4 и
удельный расход воздуха qa = 8 м3/м3 (при температуре воды 12 0С).
Затем по табл. 2.1 рассчитываем гидравлическую нагрузку при значении Каf = 9,7:
qaf = (11,2 + 7,54) / 2 = 9,37 м3/(м2∙сут).
Определяем по формуле (2.2) общую площадь биофильтра:
Fаf = Qw / qаf = 13600 / 9,37 = 1451,4 м2.
Принимаем биофильтры круглой формы в плане диаметром D =
18 м с количеством секций naf = 5 и площадью одной секции F1 = 291
м2.
26
Объем загрузки, определенный по формуле (2.3) составит:
Vаf = nаf ∙ F1 ∙ Наf = 5∙291∙4 =5820 м3.
По формуле (2.4) рассчитываем объем избыточной биопленки:
Vmud =
100 ∙ qmud ∙ Q w ∙ Len
100 ∙ 28 ∙ 13600 ∙ 203
=
= 48,3 м𝟑 /сут
6
6
10 ∙ (100 − Pmud ) ∙ α
10 ∙ (100 − 96) ∙ 40
Определяем расход воздуха для биофильтра по формуле (2.8):
Qair = qa∙Qw = 8∙13600 = 108800 м3/сут.
Для подачи этого количества воздуха принимаем два рабочих и
один резервный вентилятор низкого давления марки ЭВР-3 производительностью 2500 м3/ч и напором до 60 мм по табл. 7 Приложений.
Пример 4.
Исходные данные. Те же, что приведены в примере 3.
Задание. Рассчитать высоконагружаемый биофильтр с рециркуляцией воды.
Расчет. Рассчитаем коэффициент Kaf = 203 / 21 = 9,7.
По таблице (2.2) подбираем высоту загрузки биофильтра Haf = 3
м и удельный расход воздуха qa = 10 м3/м3. При гидравлической
нагрузке qaf = 10 м3/(м2∙сут) табличный коэффициент Kaf составляет
8,23. Поскольку это значение меньше рассчитанного (9,7), необходима рециркуляции сточной воды.
По формуле (2.5) находим среднее значение БПКполн в смеси
стоков перед биофильтром:
Lmix = Lex ∙ Кmin
af = 21∙8,23 = 173 мг/л.
Определяем коэффициент рециркуляции Кrec по формуле (2.6):
Кrec = (Len - Lmix) / (Lmix - Lex) = (203 - 173) / (173 - 21) = 0,197.
По формуле (2.7) находим общую площадь биофильтров Fаf:
Fаf = Qw(Кrec + 1) / qаf = 13600∙(0,197 + 1) / 10 = 1628 м2.
27
Принимаем биофильтры круглой формы в плане диаметром D =
24 м с количеством секций naf = 4 и площадью одной секции F1 = 452
м2.
Объем загрузки Vаf по формуле (2.3) составит:
Vаf = nаf ∙ F1 ∙ Наf = 4∙452∙3 = 5424 м3.
По формуле (2.4) рассчитываем объем избыточной биопленки
Vmud:
Vmud =
100 ∙ qmud ∙ Q w ∙ Len
100 ∙ 28 ∙ 13600 ∙ 203
=
= 48,3 м𝟑 /сут
6
6
10 ∙ (100 − Pmud ) ∙ α
10 ∙ (100 − 96) ∙ 40
Определяем расход воздуха Qair для биофильтров по формуле
(2.9):
Qair = qa∙(Кrec + 1)∙Qw = 10∙(0,197 + 1)∙13600 = 162790 м3/сут.
Для подачи воздуха принимаем два рабочих и один резервный
вентиляторы низкого давления марки ЦЧ-70 № 3 производительностью 3500 м3/ч и напором до 90 мм по табл. 7 Приложений.
Пример 5.
Исходные данные. Суточный расход сточных вод Qw = 25500
3
м /сут; БПКполн поступающей сточной воды Len = 130 мг/л; БПКполн
очищенной сточной воды Lex = 16 мг/л; среднезимняя температура Tw
= 14 0С.
Задание. Рассчитать биофильтр с плоскостной загрузкой.
Расчет. Выбираем пластмассовую загрузку: блоки из поливинилхлорида.
Определяем эффективность очистки в биофильтрах по БПКполн:
Э = (Len - Lex)∙100 / Len = (130 - 16)∙100 / 130 = 88 %.
Принимаем высоту загрузки биофильтра Hpf = 3 м и по таблице
2.3 находим допустимую гидравлическую нагрузку qpf:
qpf = (11,0 + 8,2) / 2 = 9,6 м3/(м3∙сут).
28
По формуле (2.10) находим необходимый объем загрузочного
материала Vpf:
Vpf = Qw / qpf = 25500/9,6 = 2656 м3,
и площадь биофильтров Fpf по формуле (2.11):
Fpf = Vpf / Hpf = 2656 / 3 = 885 м2.
Принимаем два биофильтра npf = 2 круглой формы в плане и
рассчитываем их диаметр D:
D= √
4Fpf
4 ∙ 914
= √
= 24,1, м (2.21)
πnpf
2∙π
Назначаем диаметр биофильтров D = 24 м и размещаем их в
отапливаемом помещении.
Пример 6.
Исходные данные. БПК5 поступающей сточной и очищенной воды Len = 130 мг/л и Lex = 10 мг/л, остальные данные такие же, что в
примере 5.
Задание. Рассчитать биофильтр с плоскостной загрузкой.
Расчет. По таблице (2.4) находим критериальный комплекс η,
равный 3,3.
Определяем температурную константу потребления кислорода
KT при среднезимней температуре сточной воды 14 0С по формуле
(2.12):
KT = 0,2∙1,047Тw‒ 20 = 0,2∙1,04714 ‒ 20 = 0,152.
В качестве загрузки биофильтра принимаем асбестоцементные
листы (пористость Р = 85 % и удельная поверхность Sуд = 80 м2/м2)
высотой Нpf = 4 м.
Рассчитаем допустимую нагрузку на поверхность по органическим загрязнениям по формуле (2.13):
Mpf = рНpfKT / η = 85∙4∙0,152 / 3,3 = 15,7 г/(м2∙сут).
Затем по формуле (2.14) определяем допустимую гидравлическую нагрузку:
qpf = Mpf Sуд / Len = 15,7∙80 / 130 = 9,64 м3/(м3∙сут).
29
По формуле (2.10) находим необходимый объем загрузочного
материала:
Vpf = Qw / qpf = 25500 / 9,64 = 2645 м3.
Площадь биофильтров определяем по формуле (2.11):
Fpf = Vpf / Hpf = 2654 / 4 = 661 м2.
Принимаем два биофильтра (npf = 2) восьмиугольной формы в
плане и рассчитываем их диаметр по формуле (2.22):
D= √
Fpf
npf ∙ 2 − √2
= √
661
2 ∙ 2√2
= 10,8 м
Назначаем диаметр D = 12 м, тогда длина одной стороны биофильтра составит:
α = 0,5D√2 − √2 = 0,5∙ 12 ∙ √2 − √2 = 4,6 м
Пример 7.
Исходные данные. Суточный расход сточных вод Qw = 800
3
м /сут; БПК5 поступающей сточной воды Len=210 мг/л; БПК5 очищенной сточной воды Lex = 20мг/л; среднезимняя температура Tw = 10 0С.
Задание. Рассчитать дисковый погружной биофильтр.
Расчет. По графику рис. 2.4”а” находим допустимую нагрузку
по БПКполн Mdf = 16,5 г/(м2∙сут), затем по графику рис. 2.4 ”б” находим температурный коэффициент КТ = 0,975.
По формуле (2.15) рассчитываем общую площадь поверхности
дисков:
Len ∙ Q w
210 ∙ 800
Fобщ =
=
= 10442 м𝟐
Mdf ∙ K T
16,5 ∙ 0,975
Принимаем диаметр одного диска биофильтра Ddf = 2 м и определяем его рабочую поверхность по формуле (2.16):
Fdf = πD2df / 2 = 3,14 ∙ 22 / 2 = 6,3 м2.
30
Рассчитываем необходимое количество дисков биофильтра ndf
по формуле (2.17):
ndf = Fобщ / Fdf = 10442 / 6,3 = 1658,
затем принимаем две секции ns = 2 по восемь ступеней в каждой nss =
8 и по формуле (2.18) определяем число дисков в одной ступени:
n = ndf / (ns ∙ nss) = 1658 / (2∙8) = 104.
В качестве материала дисков принимаем полистирол толщиной
δ1 = 0,01 м, расстояние между дисками δ2 = 0,015 м. Согласно формуле (2.19) находим ширину секции:
В = 0,1 + δ1n + δ2(n-1) = 0,1 + 0,01∙104 + 0,015∙(104 - 1) = 2,7 м.
По формуле (2.20) рассчитаем длину секции биофильтра:
L = nss(0,2 + Ddf) = 8(0,2 + 2) = 17,6 м.
Рабочая глубина секции составляет H = 0,5∙2 = 1 м, принимаем
частоту вращения вала с дисками nо = 2 мин‾1 и расстояние от нижней
части дисков до дна секции δ3 = 0,05 м.
3. РАСЧЕТ БИОЛОГИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ С АКТИВНЫМ
ИЛОМ
3.1. Аэрационная очистка сточных вод в аэротенках [1]
Аэротенк представляет собой технологический аппарат, в котором очистка сточных вод осуществляется активным илом, состоящим
из скоплений микроорганизмов. Смесь сточной воды и ила (иловая
смесь) протекает через аэротенк и аэрируется. Подача воздуха в аэротенк производится воздухонагнетательными машинами (воздуходувками, компрессорами, вентиляторами). Кислород воздуха способствует жизнедеятельности сапрофитных микроорганизмов, частично подавляя развитие патогенных. Аэрация способствует также большему
контакту активного ила с загрязнениями сточной воды.
Активный ил в аэротенке образуется за счет суспензии сточной
воды, адсорбции коллоидов и размножения на этом субстрате микроорганизмов. В состав активного ила входит весь комплекс микробов
31
сточной воды, включая и патогенную флору человека. Основная часть
активного ила–это бактерии, количество которых на 1 г активного ила
составляет 1∙1012 с суммарной поверхностью 1200 м2. Бактерии представлены α- и β-мезосапробными группами. Кроме одноклеточных
бактерий в активном иле развиваются в небольшом количестве нитчатые бактерии, дрожжи и отдельные нити плесневых грибов.
Важным моментом в работе аэротенка является то, что масса активного ила поддерживается во взвешенном состоянии за счет перемешивания или аэрации. Кроме живой биомассы, во взвешенном состоянии находятся также частицы неорганических и органических
веществ.
Количество взвешенных веществ в аэротенке регулируется с
помощью рециркуляции и удаления избыточного ила. Органическое
вещество, попадающее в биологический реактор, может покинуть систему только в виде СО2, избыточного ила или вместе с выходящим
стоком. Основные стадии процесса очистки в реакторе с активным
илом представлены на схеме (рис. 3.1).
Сточная вода, прошедшая предварительное осветление в первичном отстойнике, поступает в аэротенк, сюда же поступает часть
избыточного ила из вторичного отстойника. После завершения процесса биологической очистки иловая смесь поступает во вторичный
отстойник, где происходит разделения гетерогенной системы.
Рис. 3.1. Схема очистки сточной воды в реакторе с активным илом
Осветленная биологически очищенная вода проходит стадию обезвреживания и сбрасывается в водоем. Осажденный ил выгружается из вторичного отстойника и делится на два потока. Одна его часть возвращается
в аэротенк на регенерацию (циркулирующий ил), а вторая часть направляется на илоуплотнитель и дальнейшую переработку (избыточный ил).
32
Механизм биологической очистки сточной воды включает в себя три этапа.
Первым этапом является массоперенос органического вещества
из ядра потока к поверхности клетки микроорганизма, который осуществляется за счет процессов молекулярной и конвективной диффузии.
Второй этап связан с процессом диффузии загрязняющего вещества или продуктов распада этого вещества через цитоплазматическую мембрану внутрь клетки микроорганизма.
Третий этап – это метоболизм органического вещества с выделением энергии и образованием нового клеточного вещества. Минерализация органических соединений носит ферментативный характер.
Конечными продуктами биохимических превращений являются оксид
углерода (IV), вода, нитраты, сульфаты.
Активный ил в процессе биохимического окисления органических веществ в аэрационных условиях проходит соответствующие
фазы развития (рис. 3.2).
1. Лаг–фазу I, или фазу адаптации ила к химическому составу
сточной воды. В этой фазе прироста биомассы практически не
наблюдается.
2. Фазу экспоненциального роста II (фаза ускоренного роста), в
которой избыток питательных веществ и отсутствие продуктов обмена способствуют максимальной скорости размножения клеток.
3. Фазу замедленного роста III, в которой скорость роста биомассы начинает сдерживаться недостатком питания и накоплением
продуктов метаболизма.
4. Фазу нулевого роста IV, в которой наблюдается практически
стационарное состояние количества биомассы.
5. Фазу эндогенного дыхания V (или фазу самоокисления), в которой из-за недостатка питания начинаются процессы отмирания и
распада клеток, ведущие к снижению общего количества биомассы.
В фазах II и III идут процессы интенсивного роста биомассы, в
фазе IV наблюдается равновесие между процессами роста живых и
распада отмерших клеток, а в фазе V преобладают процессы отмирания клеток над процессами их роста.
Для успешной работы таких аэрационных сооружений для поступающих сточных вод предъявляются требования к их составу, которые заключаются в следующем. Сточная вода перед подачей в
аэротенк должна содержать:
33
• взвешенных веществ не более 150 мг/л;
• нефтепродуктов не более 25 мг/л;
• значение рН воды должно быть в интервале 6,8÷8,5;
• температура воды должна быть не ниже 6 и не выше 30 0С.
Рис. 3.2. Зависимость прироста биомассы и снижения БПК
от продолжительности аэрации
3.2. Технологические характеристики работы реакторов с активным илом
Доза активного ила (ai), г/л – количество активного ила в единице объема иловой смеси, г/л. Доза активного ила зависит от величины нагрузки на ил и составляет в среднем 2÷5 г/л.
Нагрузка на активный ил (qi), мг/(г∙сут) – это количество загрязнений, поданных в аэротенк в пересчете на единицу активного
ила за час:
24 ∙ Len
qi =
, мг БПКполн /(г ∙ сут),
αi (1 − s) ∙ t αt
где Len – БПКполн поступающей в аэротенк сточной воды, мг/л; s – зольность активного ила, доли; tat – длительность аэрации, ч.
Удельная скорость окисления загрязнений (ρ) – величина снятой
БПКполн (т.е. разница между БПКполн поступающей в аэротенк сточной
воды и выходящей из него), отнесенная к массе ила и длительности
аэрации:
ρ=
Len − Lex
, мгБПКполн /(г ∙ ч),
αi ∙ (1 − s) ∙ αat
где Lex – БПКполн сточной воды на выходе из аэротенка, мг/л.
34
Нагрузка на активный ил и удельная скорость окисления связаны между собой. При высоких нагрузках на активный ил последний
может с ней не справиться и требуемое качество очистки не будет
обеспечено. Если же нагрузка на ил мала, то ил будет испытывать
недостаток питания и может произойти самоокисление активного ила
и, как следствие, падение рабочей дозы ила в аэротенке.
Различают аэротенки с высокими нагрузками–свыше 500 мг
БПКполн/(г∙сут), средними нагрузками–в пределах 150÷500 мг
БПКполн/(г∙сут) и низконагруженные–в пределах 65÷150 мг
БПКполн/(г∙сут).
Иловый индекс (Ji), см3/г – объем в см3, который занимает 1 г сухого вещества активного ила после 30-минутного его отстаивания.
Этот показатель характеризует способность активного ила к процессу
седиментации. Хорошо оседающий активный ил имеет иловый индекс от 60÷90 до 120÷150 см3/г. Перегрузка или недогрузка активного
ила приводит к резкому увеличению илового индекса (”вспухший
ил”).
Возраст активного ила – продолжительность его пребывания в
аэрационной системе, сутки.
3.3. Классификация аэротенков по гидравлической схеме работы и
нагрузке
По гидравлической схеме работы аэротенки подразделяются на
аэротенки – вытеснители, аэротенки – смесители и аэротенки с рассредоточенным вдоль сооружения впуском сточной воды (рис. 3.3).
Аэротенки – вытеснители (I) представляют собой сооружения с
сосредоточенным впуском воды и активного ила и со сниженной
нагрузкой на активный ил вдоль сооружения. Такой тип аэротенка
позволяет обеспечить высокое качество очистки. Недостатком этого
аэротенка является его высокая чувствительность к резким колебаниям расхода и состава сточных вод.
Аэротенки – вытеснители рекомендуется применять для очистки
городских и близких к ним по составу промышленных сточных вод с
БПКполн не более 150 мг/л (без регенераторов) и при БПКполн до 300
мг/л (с регенераторами).
Аэротенки – смесители (II) являются сооружениями с подводом
воды и активного ила равномерно вдоль одной из длинных сторон
аэротенка. Для данного типа аэротенка характерна одинаковая
нагрузка на активный ил по всему его объему. Достоинством аэротен35
ка–смесителя является сглаживание залповых нагрузок на активный
ил.
Рис. 3.3. Типы аэротенков: I – вытеснитель; II – смеситель;
III – с рассредоточенным впуском сточной воды:
1 – сточная вода; 2 – активный ил; 3 – иловая смесь
Такой тип аэротенков без регенераторов целесообразно применять для очистки промышленных сточных вод при относительно небольших колебаниях их состава и наличие в воде преимущественно
органических веществ. При значительных колебаниях состава и расхода промышленных сточных вод необходимо использовать аэротенки – смесители с регенераторами.
Аэротенки с рассредоточенным вдоль сооружения впуском
сточной воды (III) занимают промежуточное положение между двумя предыдущими. Нагрузка на активный ил меняется циклически по
длине сооружения. Применяется такой тип аэротенка для очистки
смесей бытовых и промышленных сточных вод.
По нагрузке на активный ил аэротенки делятся на 3 типа:
• аэротенки с высокими нагрузками – более 500 мг
БПКполн/(г∙сут);
• аэротенки классической (обычной) аэрации – нагрузка на активный ил составляет свыше 150 мг БПКполн/(г∙сут);
• аэротенки продленной аэрации (полного окисления) – нагрузка
на активный ил составляет 65÷150 мг БПКполн/(г∙сут).
Независимо от типа и конструкции биологический реактор с активным илом состоит их двух основных элементов – аэротенка с известным объемом и известной концентрацией активного ила и вторичного отстойника или другого разделительного устройства иловой
смеси, из которого очищенная вода сливается сверху, а отработанный
36
активный ил отводится снизу. В некоторых технологических системах оба эти элемента объединены в один реактор, выполняющий обе
указанные функции.
Существуют одно и двухступенчатые системы реакторов с рециркуляцией активного ила и без рециркуляции, системы с совмещенным аэротенком и отстойником, системы с комбинированными и
секционированными окситенками.
3.4. Технологические системы реакторов с активным илом
3.4.1. Одноступенчатая система без регенерации
В такой системе активный ил подается сосредоточенно на вход в
аэротенк вместе со сточной водой (рис. 3.4). Иловая смесь в условиях
аэрации протекает к выходу из аэротенка и далее во вторичный отстойник, для разделения гетерогенной системы на очищенную воду и
отработанный активный ил. Активный ил далее разделяется на избыточный ил, который направляется в илоуплотнитель и далее на иловые поля и циркулирующий ил, который возвращается в один из коридоров аэротенка.
Особенностью такой схемы, работающей в режиме вытеснения,
является снижение нагрузки на активный ил по длине аэротенка и потребности активного ила в кислороде. Модификациями такой системы может служить применение переменной подачи воздуха по длине
аэротенка или применение продольного секционирования объема
аэротенка перегородками.
Рис. 3.4. Одноступенчатая схема очистки в аэротенках без регенерации
1 – сточная вода; 2 – аэротенк; 3 – вторичный отстойник; 4 – очищенная вода;
5 и 6 – циркуляционный и избыточный активный ил
3.4.2. Одноступенчатая система с регенерацией
В такой системе реализуется раздельное протекание двух этапов
биологической очистки (рис. 3.5). Процесс адсорбция загрязняющих
веществ на поверхности активного ила происходит непосредственно
в аэротенке, а процесс окисления этих загрязняющих веществ микроорганизмами протекает в регенераторе. Регенератором является от37
дельное аэрационное сооружение, в котором активный ил аэрируется
без сточной жидкости.
Рис. 3.5. Одноступенчатая схема очистки в аэротенках с регенерацией
1 – сточная вода; 2 – аэротенк; 3 – вторичный отстойник; 4 – очищенная
вода; 5 и 6 – избыточный и циркулирующий активный ил; 7 – регенератор
ила
3.4.3. Двухступенчатая система без регенерации
Двухступенчатая система биологической очистки применяется
при высокой концентрации органических веществ, а также тогда, когда содержащиеся в сточной воде органические вещества отличаются
удельной скоростью окисления (рис. 3.6).
Разновидностями двухступенчатой системы биологической
очистки является система с регенераторами на каждой ступени, а
также система с перекрестной подачей циркулирующего активного
ила, когда ил с I ступени подается на аэротенк II ступени, а ил со II
ступени направляется в аэротенк I ступени.
Рис. 3.6. Двухступенчатая схема очистки в аэротенках без регенерации
2 и 2а – аэротенки I и II ступени; 3 и 3а – вторичный отстойник I и II ступени;
4 и 4а – очищенная вода после I и II cтупени; 5 и 5а – циркулирующий актив
ный ил I и II ступени; 6а – избыточный активный ил II ступени
38
3.5. Конструкции аэротенков [3]
Конструкции аэротенков определяются рядом факторов, таких
как производительность, состав сточных вод, тип системы аэрации.
Для высокопроизводительных станций широкое применение нашли
прямоугольные в плане аэротенки с пневматической аэрацией. Для
небольших очистных сооружений применяют как прямоугольные, так
и круглые в плане аэротенки с пневматической, механической или
комбинированной системой аэрации.
Различают аэротенки с отдельными отстойными сооружениями
и аэротенки–отстойники, в которых оба эти сооружения связаны и
взаимозависимы.
3.5.1. Аэротенки с отдельными отстойниками
В таких системах иловая смесь из аэротенка направляется в отдельные отстойные сооружения, в качестве которых могут быть использованы различные типы отстойников: вертикальные, горизонтальные и др. Из отстойников принудительный возврат циркулирующего активного ила осуществляется перекачивающими устройствами.
Аэротенк представляет собой прямоугольный в плане резервуар,
разделенный на 2÷4 коридора продольными перегородками (рис. 3.7).
Ширина коридора составляет 4,5÷9 м, глубина–до 6 м. Длина аэротенка достигает нескольких десятков метров. Коридорной устройство
позволяет производить регенерацию активного ила с различной степенью: от 25 до 75 %.
При работе без регенерации сточные воды проходят через все
коридоры. При 25 % регенерации активного ила в качестве регенератора работает коридор I, а сточная вода подается из верхнего канала в
коридор II. При 50 % регенерации под регенератор отводятся коридоры I и II, а при 75 % – коридоры I, II и III.
Рис. 3.7. План типового четырех коридорного аэротенка: I…IV – коридоры
аэротенка: 1 – верхний распределительный канал; 2 – средний канал; 3 – шиберная заслонка; 4 – нижний распределительный канал; 5 – канал сбора очищенной
воды; 6 – циркулирующий активный ил
39
3.5.2. Аэротенки – отстойники
Конструкция такого аэротенка представляет системы, в которой совмещены аэрационная и отстойная зоны. Часть такого аэротенка, в которой
осуществляется аэрация иловой смеси, называется аэрационная зона, а та
часть, в которой происходит осаждение ила, называется отстойная зона.
Примером такого аэротенка служит установка ”Оксиконтакт” фирмы ”Degremon” (рис. 3.8.).
Рис. 3.8. Аэротенк – отстойник: 1 – впуск сточной воды; 2 – отвод очищенной воды; 3 – отстойная зона; 4 – удаление избыточного активного ила;
5 – подача воздуха
В таком сооружении с обеих сторон центральной аэрационной
зоны расположены отстойные зоны. Которые имеют переливные окна
в верхней части и продольные щели – в нижней части. Через эти отверстия активный ил осаждается и циркулирует в аэротенке.
За рубежом такие конструкции аэротенков называются аэроокислители. Достоинством таких сооружений биологической очистки
сточных вод являются рециркуляция активного или без насосных
установок и повышение дозы ила в аэротенке.
3.5.3. Биологическая очистка сточных вод в окситенках
Сооружения, осуществляющие биологическую очистку сточной
воды с использованием кислорода вместо воздуха, называются окситенками. Использование технического кислорода вместо атмосферного воздуха повышает значительно интенсивность биологической
очистки сточной воды.
Преимущества такого способа заключаются в увеличении концентрации кислорода в воде до 6÷12 мг/л, что существенно повышает
устойчивость при резких колебаниях состава и расхода сточной воды,
повышении окислительной мощности сооружения в 5÷6 раз, уменьшении прироста активного ила на 25÷35 %, интенсификации процессов нитрификации.
40
Окситенки могут использоваться как самостоятельные сооружения биологической очистки, так и в составе двухступенчатой системы
совместно с аэротенками. Окситенки бывают двух конструкций. Комбинированный окситенк – смеситель, работающий по принципу аэротенка–отстойника и секционированный окситенк – вытеснитель с отдельным вторичным отстойником.
Комбинированный окситенк представляет собой в плане круглый резервуар с цилиндрической перегородкой, разделяющей его на
зону аэрации в центре и илоотделитель по перефирии (рис. 3.9). Зона
аэрации оборудована герметическим перекрытием с установленным
сверху электроприводом механического аэратора. Илоотделитель
имеет перемешивающий механизм со скребком снизу. Циркуляционный активный ил поступает в зону аэрации через окна внизу. Очищенная вода дополнительно осветляется, проходя через взвешенный
слой активного ила.
Рис. 3.9. Комбинированный окситенк: 1 – аэратор; 2 – подача кислорода; 3 – зона аэрации; 4 – зона отстаивания; 5 – скребок; 6 – подача сточной
воды; 7 – отвод очищенной воды; 8 – избыточный активный ил
Секционированный окситенк является герметически перекрытым прямоугольным в плане резервуаром, поделенным на секции поперечными перегородками с отверстиями для прохождения иловой
смеси и газа (рис. 3.10).
Рекомендуется применять комбинированный окситенк при
строительстве новых сооружений, а секционированный при реконструкции существующих сооружений биологической очистки. Доза
активного ила в окситенках составляет 6÷10 г/л, период аэрации –
2,5÷3 ч, эффективность использования кислорода – до 95 %. Окситенки оборудуются системой автоматизации для подачи кислорода с це41
лью обеспечения заданной его концентрации в иловой смеси при любых изменениях состава и расхода сточной жидкости.
Рис. 3.10. Секционированный окситенк: 1 – аэратор; 2 – подача кислорода; 3 – подача циркулирующего ила; 4 – подача сточной воды; 5 – перегородка; 6 – отверстие для пропуска газа; 7 – отверстие для пропуска иловой смеси; 8 – отвод иловой смеси
3.6. Системы аэрации в реакторах с активным илом [3]
В аэротенках используются пневматические, механические,
комбинированные (смешенные) и струйные (эжекторные) системы
аэрации.
3.6.1. Пневматическая система аэрации
При реализации пневматической системы аэрация воды осуществляется путем подачи воздуха на поверхность воды. В качестве
аэратора используют фильтросные пластины, изготавливаемые из
пористого стекловидного материала, пористые трубы, выполненные
из керамики или полимерных материалов, тканевые аэраторы различной конструкции с использованием синтетических тканей, позволяющие диспергировать воздух до пузырьков размерами 1÷4 мм
(мелкопузырчатая аэрация), 5÷10 мм (среднепузырчатая аэрация) и
более 10 мм (крупнопузырчатая аэрация).
В ряде стран распространение получил низконапорный аэратор
системы ИНКА (рис. 3.11), представляющий собой решетку из легких
трубок из нержавеющей стали с отверстиями 1÷7 мм.
Решетка устанавливается вдоль одной из продольных стен аэротенка на глубине 0,6÷0,9 м от поверхности воды. Для создания поперечной циркуляции в аэротенке устанавливают продольную перегородку из стекловолокна. В зоне выхода воздуха создается зона высокой турбулентности, благодаря которой воздух диспергируется.
42
Рис. 3.11. Аэратор системы ИНКА: 1 – воздуховод;
2 – решетка; 3 – перегородка; 4 – коридор аэротенка
3.6.2. Механическая система аэрации
Принцип работы механических аэраторов заключается в нагнетании воздуха в аэротенк из атмосферы ротором аэратора и перемешивании его со сточной водой и активным илом. По принципу действия механические аэраторы бывают импеллерные (кавитационные)
и поверхностные, по плоскости расположения оси вращения ротора –
горизонтальные и вертикальные, по конструкции ротора – конические, дисковые, цилиндрические, колесные, турбинные и винтовые.
Широкое распространение получили аэраторы поверхностного типа с
незначительным погружением, например аэратор ”Симплекс”, который представляет собой усеченный полый конус, с внутренней стороны которого прикреплено несколько лопастей специальной формы
(рис. 3.12). Верхняя часть конуса выступает над водой на 5÷20 см,
внизу под конусом устанавливается полая труба, через которую вода
разбрызгивается наружу и аэрируется.
Рис. 3.12. Аэратор ”Симплекс”: 1 – электродвигатель; 2 – конус с лопастями; 3 – полая труба; 4 – коридор аэротенка
43
3.6.3. Комбинированная система аэрации
Такая система аэрации сочетает элементы пневматической и механической аэрации. Вращающийся ротор используется для эффективного дробления пузырьков сжатого воздуха, подводимого под него, а также для перемешивания иловой смеси. Среди комбинированных систем аэрации практическое применение получили турбинные
аэраторы фирм ”Дорр-Оливер” и ”Пермутит”, а среди отечественных
– пневмомеханические аэраторы типа ПМ (рис. 3.13).
Рис. 3.13. Пневмомеханический аэратор типа ПМ: 1 – подача воздуха;
2 – кольцевой воздухораспределитель; 3 – турбины с лопатками
3.6.4. Струйная система аэрации представлена струйными или
эжекторными аэраторами различных конструкций, которые имеют в
своем составе сопло для пропускания жидкости, патрубок для вовлечения воздуха из атмосферы и диффузор (рис. 3.14).
Рис. 3.14. Струйный аэратор: 1 – сточная вода; 2 – подача воздуха;
3 – сжатое сечение
Принцип действия аэратора основан на эжектирующем действии
водной струи в сужении, благодаря чему вода насыщается пузырьками воздуха.
44
3.7. Расчет реакторов с активным илом [3, 4]
3.7. 1. Расчет аэротенков–смесителей без регенераторов
1. Принимается доза активного ила в аэротенке аi = 2÷3 г/л.
2. Рассчитывается удельная скорость окисления ρ:
𝛒 = 𝛒𝐦𝐚𝐱
𝐋𝐞𝐱 ∙ 𝐂𝐨
𝐋𝐞𝐱 ∙ 𝐂𝐨 + 𝐊 𝟏 ∙ 𝐂𝐨 + 𝐊 𝐨 ∙ 𝐋𝐞𝐱
𝟏
∙
, мг БПКполн /(г ∙ ч) (3.1)
𝟏 + 𝛗 ∙ 𝛂𝐢
где ρmax – максимальная скорость окисления органических загрязнений, мг
БПКполн/(г∙час); Lex – БПКполн очищенной сточной воды, мг/л; Co – концентрация
растворенного кислорода = 2 мг/л); К1 – константа, характеризующие свойства
загрязнений, мг БПКполн/л,; Ко – константа, характеризующая влияние кислорода, мг О2/л,; φ – коэффициент ингибирования, л/г, принимаются по табл. 1 Приложений.
3. Рассчитывается период аэрации tatm:
𝐭 𝐚𝐭 =
𝐋𝐞𝐧 − 𝐋𝐞𝐱
, ч (3.2)
𝛂𝐢 (𝟏 − 𝐬) ∙ 𝛒
где Len – БПКполн поступающей в аэротенк сточной воды, мг/л; s – зольность активного ила, (табл. 1 Приложений).
4. Рассчитывается нагрузка на активный ил qi:
𝐪𝐢 =
𝟐𝟒 ∙ (𝐋𝐞𝐧 − 𝐋𝐞𝐱 )
, мг БПКполн /(г ∙ сут) (3.3)
𝛂𝐢 ∙ (𝟏 − 𝐬) ∙ 𝐭 𝐚𝐭
5. По таблице 3.1 методом интерполяции принимается иловый
индекс Ji, см3/г, соответствующий нагрузке qi.
6. Рассчитаем степень рециркуляции активного ила Ri:
𝐑𝐢 =
𝛂𝐢
(3.4)
𝟏𝟎𝟎𝟎/(𝐉𝐢 − 𝛂𝐢 )
Рассчитанное значение Ri должно быть не менее 0,3 для отстойников с илососами, 0,4 – с илоскребами. 0,6 – при самотечном удалении ила. Если значение Ri меньше минимальной величины, то степень
рециркуляции принимается равной минимальной величине.
7. Определяем объем аэротенка Watm:
Watm = qw∙ tatm, м3,
(3.5)
45
где qw – расчетный расход сточной воды, м3/ч.
Таблица 3.1. – Значение илового индекса [3, с.43]
Сточные воды
Городские
Производственные:
- нефтеперерабатывающих заводов
- синтетического каучука
- искусственного волокна
- целлюлозно-бумажных
- азотной промышленности
100
130
Ji, см3/г, при нагрузке на ил qi, мг/(г∙сут)
200
300
400
500
600
100
70
80
95
130
–
–
–
–
–
110
100
300
220
90
70
40
200
150
60
80
70
250
170
75
120
100
280
200
90
160
130
400
220
120
8. По табл. 5 Приложений выбирается типовой проект аэротенка, подбирается число секций nat (не менее двух, при суточном расходе до 50000 м3/сут – 4÷6, при большем расходе – 6÷8). Длина аэротенка lat определяется по формуле:
lat = Watm / (nat∙ncor∙bcor∙Hat), м,
(3.6)
где ncor – число коридоров в одной секции; bcor – ширина коридора, м; Hat – рабочая глубина аэротенка, м.
9. Рассчитаем прирост активного ила Pi:
Pi = 0,8Ccdp + Kg Len, мг/л,
(3.7)
где Ccdp – концентрация взвешенных веществ в сточной воде, поступающей в
аэротенк, мг/л; Kg – коэффициент прироста, принимаемый для городских сточных вод равным 0,3.
3.7.2. Расчет аэротенков – смесителей с регенераторами
1. Принимается средняя доза активного ила ai mix = 2,5÷4,5 г/л и
степень регенерации (доля объема, занятая регенератором) Rr (например, равная 0,3).
2. Рассчитывается удельная скорость окисления ρ по формуле
(3.1) при дозе ai mix.
3. Рассчитывается период аэрации tatm по формуле (3.2) при дозе
mix
ai .
4. Рассчитывается нагрузка на активный ил qi по формуле (3.3)
при дозе ai mix.
5. По таблице 3.1 принимается иловый индекс Ji, соответствующий нагрузке qi.
46
6. Рассчитывается степень рециркуляции активного ила Ri по
формуле (3.4) при дозе активного ила ai mix. Значение Ri проверяется
на соответствие вышеуказанным условиям.
7. Определяем общий объем аэротенка Watm и объем регенератора Wr:
(Watm + Wr) = qw∙ tatm, м3.
(3.8)
8. Определяется объем аэротенка Watm и объем регенератора Wr:
𝐖𝐚𝐭𝐦 =
𝐖𝐚𝐭𝐦 + 𝐖𝐫
, м3
𝐑𝐫
𝟏+(
)
𝟏 − 𝐑𝐫
(3.9)
Wr = (Watm + Wr) - Watm, м3
(3.10)
9. Определяются размеры аэротенка с регенератором, подбираются типовые аэротенки-смесители по табл. 5 Приложений по общему объему (Watm + Wr). Под регенератор отводится либо целиком одна
секция аэротенка, либо часть одного коридора в каждой секции.
10. Рассчитывается доза активного ила в аэротенке ai:
𝛂𝐢 =
(𝐖𝐚𝐭𝐦 + 𝐖𝐫 ) ∙ 𝛂𝐢 𝐦𝐢𝐱
, г/л (3.11)
𝟏
𝐖𝐚𝐭𝐦 + (
+ 𝟏) ∙ 𝐖𝐫
𝟐𝐑 𝐢
11. Рассчитывается прирост активного ила Pi по формуле (3.7).
3.7.3. Расчет аэротнков– вытеснителей без регенераторов
1. Принимается доза активного ила в аэротенке аi = 3÷5 г/л и
первоначальное значение илового индекса Ji (например, 100 см3/г).
2. Рассчитаем степень рециркуляции активного ила Ri по формуле (3.4). Значение Ri проверяется на соответствие вышеуказанным
условиям.
3. Определяется БПКполн поступающей в аэротенк сточной воды
с учетом разбавления рециркуляционным расходом Lmix:
𝐋𝐦𝐢𝐱 =
𝐋𝐞𝐧 + 𝐋𝐞𝐱 ∙ 𝐑 𝐢
, мг/л (3.12)
𝟏 + 𝐑𝐢
4. Рассчитаем период аэрации tatv:
47
𝐭 𝐚𝐭𝐯 =
𝟏 + 𝛗𝛂𝐢
[(𝐂𝐨 + 𝐊 𝟎 )(𝐋𝐦𝐢𝐱 – 𝐥𝐞𝐱 )
𝛒𝐦𝐚𝐱 𝐂𝐨 𝛂𝐢 (𝟏– 𝐬)
𝐋𝐦𝐢𝐱
+ 𝐊 𝟏 𝐂𝐨 𝐈𝐧
] 𝐊 𝐩 , ч (3.13)
𝐋𝐞𝐱
где Кр – коэффициент, учитывающий влияние продольного перемешивания, равный 1,5 при очистке до Lex = 15 мг/л и 1,24 при очистке при Lex > 30 мг/л.
5. Рассчитывается нагрузка на активный ил qi по формуле (3.3)
при значениях Lmix (вместо Len) и tatv.
6. По табл. 3.1 проверяется соответствие предварительно заданного илового индекса Ji полученной нагрузке qi.
Если иловый индекс отличается от табличного значения более
чем на 10 %, расчет повторяется снова с пункта 2, принимая новый
иловый индекс, соответствующий нагрузке qi.
7. Определяется объем аэротенка с учетом рециркуляционного
расхода Wat:
Wat = qw∙(1 + Ri)∙ tatv, м3.
(3.14)
8. По табл. 6 Приложений выбирается типовой проект аэротенка-вытеснителя, выписываются все необходимые данные, по формуле
(3.6) определяется длина секции аэротенка.
9. Рассчитывается прирост активного ила Pi по формуле (3.7).
3.7.4. Расчет аэротенков – вытеснителей с регенераторами
1. Принимается доза активного ила в аэротенке аi = 2÷4,5 г/л и
первоначальное значение илового индекса Ji (например, 100 см3/г).
2. Рассчитаем степень рециркуляции активного ила Ri по формуле (3.4). Значение Ri проверяется на соответствие вышеуказанным
условиям.
3. Определяется БПКполн поступающей в аэротенк сточной воды
с учетом разбавления рециркуляционным расходом Lmix по формуле
(3.12).
4. Рассчитывается продолжительность обработки воды в аэротенке tatv:
𝟐, 𝟓 𝐋𝐦𝐢𝐱
𝐭 𝐚𝐭𝐯 =
𝐥𝐠
, ч (3.15)
√𝛂𝐢 𝐋𝐞𝐱
5. Рассчитывается доза активного ила в регенераторе ar:
48
𝟏
+ 𝟏) , г/л (3.16)
𝟐𝐑 𝐢
6. Рассчитывается удельная скорость окисления ρ по формуле
(3.1) при дозе air.
7. Определяется общая продолжительность окисления органических загрязнений t0:
𝐋𝐞𝐧 − 𝐋𝐞𝐱
𝐭𝐨 =
, ч (3.17)
𝐑 𝐢 𝛂𝐫 (𝟏 − 𝐬) ∙ 𝛒
𝛂𝐫 = 𝛂𝐢 (
8. Определяется продолжительность регенерации tr:
tr = t0 - tatv, ч.
(3.18)
9. Определяется продолжительность пребывания в системе
аэротенк–регенератор ta-r:
ta-r = (1 + Ri)∙ tatv + Ri∙ tr, ч
(3.19)
10. Рассчитывается средняя доза активного ила в системе аэротенк–регенератор ai mix:
(𝟏 + 𝐑 𝐢 )𝐭 𝐚𝐭𝐯 𝛂𝐢 + 𝐑 𝐢 𝐭 𝐫 𝛂𝐫
𝛂𝐢 𝐦𝐢𝐱 =
, г/л (3.20)
𝐭 𝛂–𝐫
11. Рассчитывается нагрузка на активный ил qi:
𝐪𝐢 =
𝟐𝟒(𝐋𝐞𝐧 − 𝐋𝐞𝐱 )
, мг БПКполн /(г ∙ сут) (3.21)
𝛂𝐢 𝐦𝐢𝐱 (𝟏 − 𝐬)𝐭 𝛂–𝐫
12. Проверяется соответствие илового индекса Ji полученной
нагрузке qi. Если иловый индекс отличается от табличного значения
более чем на 10 %, расчет повторяют снова с пункта 2, принимая новый иловый индекс, соответствующий нагрузке.
13. Определяется объем аэротенка Wat по формуле (3.14) и объем регенератора Wr:
Wr = qw Ri tr, м3.
(3.22)
14. По общему объему аэротенка и регенератора (Wat + Wr) выбирается типовой проект аэротенка-вытеснителя аналогично предыдущему расчету. Под регенератор отводится один или несколько коридоров каждой секции аэротенка.
15. Рассчитывается прирост активного ила Pi по формуле (3.7).
49
3.7.5. Расчет комбинированных окситенков
1. Принимается концентрация кислорода Со в иловой смеси в
пределах 6÷12 мг/л и доза активного ила αi – 6÷10 г/л.
2. Рассчитывается удельная скорость окисления ρ, мг
БПКполн/(г∙ч) по формуле (3.1) и продолжительность пребывания
сточной воды в зоне аэрации tatm, ч по формуле (3.2).
3. Определяется суммарный объем зоны аэрации Wo:
Wo = qw∙ tatm, м3,
(3.23)
3
где qw – расчетный расход воды, м /ч.
4. Принимается диаметр Dо, м и глубина Но, м окситенков (типовые проекты окситенков имеют диаметр 10, 22 и 30 м), рассчитывается общий объем W0l и объем зоны аэрации Wαl одного окситенка:
Wol = 0,785∙ D2о∙ Но, м3
(3.24)
Wαl = Wot / 2, м3
(3.25)
5. Рассчитывается диаметр зоны аэрации Dα:
𝐃𝛂 = √
𝐖𝛂𝐥
,м
𝟎, 𝟕𝟖𝟓𝐇𝐨
(3.26)
6. Определяется число окситенков no:
no = Wo / Wαl
(3.27)
7. По формуле (3.3) рассчитывается нагрузка на активный ил qi,
мг БПКполн/(г∙сут). По табл. 3.1 методом интерполяции принимается
иловый индекс Ji, cм3/г, соответствующий нагрузке qi, причем затем
величина Ji снижается в 1,3÷1,5 раза.
8. По табл. 3.2 в зависимости от произведения αi∙Ji определяется
допустимая гидравлическая нагрузка на илоотделитель qms, м3/(м2∙ч).
Таблица 3.2 – Гидравлическая нагрузка на илоотделители для окситенков
[3, табл.5.1, с. 72]
αi∙Ji
3
2
qms, м /(м ∙ч)
100
5,6
200
3,3
300
1,8
400
1,2
500
0,8
600
0,7
9. Определяется необходимая площадь илоотделителей Fms:
50
Fms = qw /qms, м2
(3.28)
Затем значение Fms сравнивается с фактической площадью илоотделителей Foi, которая рассчитывается по формуле:
Foi = 0,5∙ no∙ Wol / Но, м2
(3.29)
Если величины Fms и Foi различаются более чем на 5÷10%, производится изменение дозы активного ила αi и расчет повторяется,
начиная с п. 2. Дозу активного ила увеличивают, если Foi > Fms, в противном случае ее значение необходимо уменьшить.
10. Принимается тип механического аэратора и рассчитывается
скорость потребления кислорода в одном окситенке υо:
𝛖𝐨 =
(𝐋𝐞𝐧 − 𝐋𝐞𝐱 ) ∙ 𝐪𝐰
, кг/ч (3.30)
𝟏𝟎𝟎𝟎 ∙ 𝐧𝐨
где Len и Lex – БПКполн поступающих и очищенных сточных вод, мг О2/л.
11. Рассчитывается производительность аэратора по кислороду
Qmα, которая при использовании технического 95%-ного кислорода
может быть определена по формуле:
𝐂𝛂 ∙ 𝛎𝐨
𝐐𝐦𝛂 =
, кг/ч (3.31)
𝟏 − 𝛈𝐤
𝐂𝐨
𝟏𝟎𝟎𝟎𝐊 𝐓 𝐊 𝟑 (𝟎, 𝟏𝟕𝟒 ∙
−
)
𝛈𝐤
𝟏𝟎𝟎𝟎
где Сα – растворимость кислорода в воде, мг/л; КТ – коэффициент, учитывающий
температуру сточных вод; К3 – коэффициент качества воды, принимаемый для
городских сточных вод 0,85, а для производственных сточных вод, при отсутствии опытных данных К3 = 0,7; ηк – коэффициент использования в окситенке
кислорода, принимаемый в пределах 0,85÷0,95
С𝛂 = (𝟏 +
𝐡𝐨
𝟐𝟎,𝟔
) ∙ 𝐂𝐓 , мг/л (3.32)
где ha – глубина погружения аэратора, м (ha = Hat – 0,3); Hat – рабочая глубина
аэротенка, м; СТ – растворимость кислорода в воде в зависимости от температуры и давления, мг/л, принимается по табл. 3.3.
Таблица 3.3 – Растворимость кислорода в чистой воде при давлении 0,1 МПа
[3, табл. 3.2, с.46]
Температура,
0
С
Ст, мг/л
5
10
12
14
16
12,79
11,27
10,75 10,26 9,82 9,4
51
18
20
22
24
26
28
9,02 8,67 8,33 8,02 7,72
КТ = 1 + 0,02∙(Tw – 20),
(3.33)
где Тw – среднемесячная температура сточной воды за летний период, 0С.
12. Исходя из рассчитанного значения Qmα по таблицам 8, 9, 10
Приложений подбирается тип аэратора с производительностью по
кислороду Qm, кг/ч, мощностью Nm, кВт, диаметром dα, м, частатой
вращения турбины nm, мин–1.
13. Определяется объемный расход кислорода Qo:
𝐐𝐨 =
(𝐋𝐞𝐧 − 𝐋𝐞𝐱 ) ∙ 𝐪𝐰 3
, м /ч (3.34)
𝟏𝟎𝟎𝟎 ∙ 𝛈э ∙ 𝛄𝐨
где ηэ – КПД передачи, принимаемый 0,7; γо – плотность кислорода при нормальном давлении (1,43 кг/м3).
3.7.6. Примеры расчета аэротенков
Пример 1.
Исходные данные. Расчетный расход городских сточных вод qw
= 2370 м3/ч; суточный расход Q = 80000 м3/сут; БПКполн поступающей
сточной воды Len = 135 мг/л; БПКполн очищенной сточной воды Lex =
15 мг/л; концентрация взвешенных веществ в поступающей сточной
воде Ccdp = 120 мг/л.
Задание. Рассчитать аэротенки-смесители.
Расчет. Поскольку значение Len < 150 мг/л, принимаем аэротенки-смесители без регенераторов. Вторичные отстойники принимаем
радиальными с илососами.
Принимаем дозу активного ила в аэротенке ai = 2 г/л, концентрацию растворенного кислорода C0 = 2 мг/л. По таблице 1 Приложений назначаем константы, необходимые для расчета:
• максимальную скорость окисления ρmax = 85 мг БПКполн/(г∙ч);
• константу, характеризующую свойства загрязнений К1 = 33 мг
БПКполн/л;
• константу, характеризующую влияние кислорода К0 = 0,625 мг О2/л;
• коэффициент ингибирования φ = 0,07 л/г;
• зольность активного ила s = 0,3.
По формуле (3.1) рассчитаем удельную скорость окисления:
Lex ∙ Co
1
ρ = ρmax
∙
=
Lex ∙ Co + K1 ∙ Co + K o ∙ Lex 1 + φ ∙ αi
52
= 85 ∙
15 ∙ 2
1
∙
15 ∙ 2 + 33 ∙ 2 + 0,625 ∙ 15 1 + 0,07 ∙ 2
= 21,2 мг БПКполн /(г ∙ ч)
По формуле (3.2) определяем период аэрации:
(135 − 15)
Len − Lex
t αt𝑚 =
=
= 4,04 ч
α i (1 − s )ρ
2 ∙ (1 − 0,3) ∙ 21,2
По формуле (3.3) определяем нагрузку на активный ил:
qi =
24 ∙ (Len − Lex )
24 ∙ (135 − 15)
=
αi ∙ (1 − s) ∙ t atm
2 ∙ (1 − 0,3) ∙ 4,04
= 508 мг БПКполн /(г ∙ сут)
По табл. 3.1 интерполяцией находим иловый индекс, который
соответствует рассчитанной нагрузке на активный ил:
Ji = 95 + (95-130)(508-500) / (500-600) = 97,8 см3/г.
Рассчитываем степень рециркуляции активного ила по формуле
(3.4):
Ri =
αi
2
=
= 0,24
1000/(Ji − αi )
1000/(97,8 − 2)
Поскольку рассчитанное значение Ri меньше минимального для
принятых отстойников с илососами, то назначаем Ri = 0,3.
По формуле (3.5) определяем объем аэротенков-смесителей:
Watm = qw∙ tatm = 2370∙4,04 = 9575 м3
По табл. 5 Приложений подбираем типовой проект аэротенка–
смесителя № 902-2-217/218 со следующими характеристиками:
• число секций nat = 8; • число коридоров ncor = 2; • рабочая глубина
Hat = 4,5 м; • ширина коридора bcor = 4 м; • объем одной секции =
1296 м3
По формуле (3.6) определяем длину секции аэротенка:
53
lat = Watm / (nat∙ncor∙bcor∙Hat) = 9575 / (8∙2∙4∙4,5) = 33,3 = 33 м.
Рассчитываем прирост активного ила по формуле (3.7):
Pi = 0,8Ccdp + Kg Len = (0,8∙120) + (0,3∙135) = 136,5 мг/л.
Пример 2.
Исходные данные. Расчетный расход городских сточных вод qw
= 1190 м3/ч; суточный расход Q= 45000 м3/сут; БПКполн поступающей
сточной воды Len = 175 мг/л; БПКполн очищенной сточной воды Lex =
20 мг/л; концентрация взвешенных веществ в поступающей сточной
воде Сcdp = 161 мг/л.
Задание. Рассчитать аэротенки–смесители.
Расчет. Так как значение Len > 150 мг/л, принимаем аэротенки–смесители с регенераторами. Вторичные отстойники принимаем
горизонтальные с самотечным удалением ила.
Принимаем среднюю дозу активного ила ai mix = 3,5 г/л, концентрацию растворенного кислорода Со = 2 мг/л и степень регенерации
Rr = 0,3.
Для городских сточных вод по табл. 1 Приложений назначаем
константы:
• максимальную скорость окисления ρmax = 85 мг БПКполн /(г∙ч);
• константу, характеризующую свойства загрязнений К1 = 33
БПКполн/л;
• константу, характеризующую влияние кислорода Ко = 0,625 мг О2/л;
• коэффициент ингибирования φ = 0,07 л/г;
• зольность активного ила s = 0,3.
По формуле (3.1) рассчитаем удельную скорость окисления при
дозе активного ила ai mix = 3,5 г/л:
ρ = 85 ∙
20 ∙ 2
1
∙
20 ∙ 2 + 33 ∙ 2 + 0,625 ∙ 20 1 + 0,07 ∙ 3,5
= 23 мг БПКполн /(г ∙ ч)
По формуле (3.2) определяем период аэрации при дозе ила ai mix:
𝑡𝑎𝑡𝑚 =
(175 − 20)
= 2,75 ч.
3,5 ∙ (1 − 0,3) ∙ 23
По формуле (3.3) определяем нагрузку на активный ил при дозе
ила ai mix:
54
qi =
24 ∙ (175 − 20)
БПКполн
= 552 мг
.
(г ∙ сут)
3,5 ∙ (1 − 0,3) ∙ 2,75
По табл. 3.1 интерполяцией находим иловый индекс, который
соответствует рассчитанной нагрузке на активный ил:
Ji = 95 + (95 - 130) (552-500) /(500-600) = 113,2 см3/г.
Рассчитаем степень рециркуляции активного ила по формуле
(3.4) при дозе ила ai mix:
3,5
𝑅𝑖 =
= 0,656
1000/(113,2 − 3,5)
Значение Ri превышает минимально допустимое для самотечного удаления ила (0,6), следовательно, корректировке не подлежит.
Определяем общий объем аэротенка и регенератора по формуле
(3.8):
(Watm + Wr) = qw∙ tatm = 1190∙2,75 = 3273 м3.
Находим по формулам (3.9) и (3.10) объем аэротенка и регенератора:
Watm =
Watm + Wr
3273
=
= 2291 м3 ;
Rr
0,3
1+(
)
1
+
(
)
1 − Rr
1 − 0,3
Wr = (Watm + Wr) - Watm = 3273-2291 = 982 м3.
По табл. 5 Приложений по общему объему (Watm + Wr) = 3273 м3
подбираем типовой проект аэротенка–смесителя № 902-2-215/216 со
следующими характеристиками:
• число секций nat = 4; • число коридоров ncor = 2; • рабочая глубина
Hat = 4,5 м; • ширина коридора bcor = 4 м; • объем одной секции = 864
м3
По формуле (3.6) определяем длину секции аэротенка:
lat = Watm / (nat∙ncor∙bcor∙Hat) = 3273 / (4∙2∙4∙4,5) = 22,7 = 24 м.
55
В каждой секции аэротенка часть коридора длиной
lr = lat∙ncor∙Rr = 24∙2∙0,3 = 14,4 м отводим под регенератор.
По формуле (3.11) рассчитаем дозу активного ила в аэротенке:
αi =
(Watm + Wr ) ∙ αi mix
3273 ∙ 3,5
=
1
1
Watm + (
+ 1) ∙ Wr 2291 + (
+ 1) ∙ 982
2R i
2 ∙ 0,656
= 2,85 г/л
Рассчитаем прирост активного или по формуле (3.7):
Pi = 0,8Ccdp + Kg Len = 0,8∙161 + 0,3∙175 = 181,3 мг/л.
Пример 3.
Исходные данные. Расчетный расход городских сточных вод qw
= 3250 м3/ч; суточный расход Q = 110000 м3/сут; БПКполн поступающей сточной воды Len = 143 мг/л; БПКполн очищенной сточной воды
Lex = 15 мг/л; концентрация взвешенных веществ в поступающей
сточной воде Сcdp = 130 мг/л.
Задание. Рассчитать аэротенки–вытеснители.
Расчет. Поскольку значение Len > 150 мг/л к расчету принимаем аэротенки–вытеснители без регенераторов. Для вторичного отстаивания предусматриваем радиальные отстойники с илососами.
Для городских сточных вод по табл. 1 Приложений назначаем
константы:
• максимальную скорость окисления ρmax = 85 мг БПКполн /(г∙ч);
• константу, характеризующую свойства загрязнений К1 = 33
БПКполн/л;
• константу, характеризующую влияние кислорода Ко = 0,625 мг О2/л;
• коэффициент ингибирования φ = 0,07 л/г;
• зольность активного ила s = 0,3.
Дозу активного ила в аэротенке принимаем равной первоначально
ai mix = 3 г/л, значение илового индекса Ji = 90 см3/г, концентрацию
растворенного кислорода Со = 2 мг/л.
По формуле (3.4) рассчитаем степень рециркуляции активного
ила:
56
𝑅𝑖 =
3
= 0,37
1000/(90 − 3)
Так как полученное значение превышает минимально допустимое для отстойников с илососами, то в исправлении Ri нет необходимости.
По формуле (3.12) рассчитаем БПКполн поступающей в аэротенк
сточной воды с учетом разбавления рециркуляционным расходом:
Lmix =
Len + Lex ∙ R i 143 + 15 ∙ 0,37
=
= 108,4 мг/л.
1 + Ri
1 + 0,37
Определяем период аэрации по формуле (3.13):
t atv =
=
1 + φαi
Lmix
[(Co + K 0 )(Lmix – lex ) + K1 Co In
]K =
ρmax Co αi (1– s)
Lex p
1 + 0,07 ∙ 3
108,4
[(2 + 0,625)(108,4– 15) + 33 ∙ 2 ∙ 𝑙𝑛
] ∙ 1,5
85 ∙ 2 ∙ 3(1– 0,3)
15
= 1,91ч
По формуле (3.3) рассчитаем нагрузку на активный ил, подставляя в формулу значение Lmix = 108,4 мг/л и tatv = 1,91 ч:
qi =
24 ∙ (108,4 − 15)
= 558,8 мг БПКполн /(г ∙ сут).
3 ∙ (1 − 0,3) ∙ 1,91
По табл. 3.1 находим иловый индекс, который соответствует
рассчитанной нагрузке на активный ил:
Ji = 95 + (95 - 130)∙(558,9-500) /(500-600) = 115,6 см3/г.
Принятое ранее значение илового индекса отличатся от табличного на величину ∆ = 100∙(115,6 - 90) / 90 = 28 %, поэтому расчет повторяем, принимая иловый индекс Ji = 115 см3/г:
3
𝑅𝑖 =
= 0,527;
1000/(115 − 3)
57
Lmix =
t atv =
143 + 15 ∙ 0,527
мг
= 98,8 ;
1 + 0,527
л
1 + 0,07 ∙ 3
98,8
[(2 + 0,625)(98,8– 15) + 33 ∙ 2 ∙ ln
]
85 ∙ 2 ∙ 3(1– 0,3)
15
= 1,75 ч;
qi =
24(98,8 − 15)
= 547 мг БПКполн /(г ∙ сут).
3(1 − 0,3) ∙ 1,75
По табл. 3.1 интерполяцией находим иловый индекс при новом
значении нагрузки на активный ил:
Ji = 95 + (95-130)∙(547-500) / (500-600) = 111,5 см3/г.
Проверяем погрешность заданного и табличного илового индекса:
∆ = 100(115 -111,5) / 111,5 = 3 %, что является вполне допустимым.
По формуле (3.14) определяется объем аэротенка с учетом рециркуляционного расхода:
Wat = qw∙(1 + Ri)∙ tatv = 3250∙(1 + 0,527)∙ 1,75 = 8691 м3.
По табл. 6 Приложений подбираем типовой проект аэротенка –
вытеснителя № 902-2-195 со следующими характеристиками:
• число секций nat = 6; • число коридоров ncor = 2; • рабочая глубина
Hat = 3,2 м; • ширина коридора bcor = 4,5 м; • пределы объема одной
секции – 1386÷1559 м3.
По формуле (3.6) определяем длину секции аэротенка:
lat = Watm / (nat∙ncor∙bcor∙Hat) = 8691/ (6∙2∙3,2∙4,5) = 50,3 = 51 м.
Общий размер аэротенка в плане составляет 54х51 м. Так как
отношение длины коридора аэротенка к ширине 51∙2 / 4,5 = 22 (< 30),
то предусматриваем секционирование коридоров легкими перегород58
ками с отверстиями. Расстояние между перегородками при шести
ячейках равно:
51∙2 / 6 = 17 м. Общую площадь отверстий в каждой перегородке
принимаем, исходя из скорости движения в них иловой смеси νсм не
менее 0,2 м/с:
Sотв = qw / (3600∙ nat∙ νсм), м2
(3.35)
Sотв = 3250 / (3600∙6∙0,2) = 0,752 м2
Рассчитаем прирост активного ила по формуле (3.7):
Pi = 0,8Ccdp + Kg Len = (0,8∙130) + (0,3∙143) = 146,9 мг/л.
Пример 4.
Исходные данные. Расчетный расход городских сточных вод qw
= 2510 м3/ч; суточный расход Q = 80000 м3/сут; БПКполн поступающей сточной воды Len = 240 мг/л; БПКполн очищенной сточной воды
Lex = 20 мг/л; концентрация взвешенных веществ в поступающей
сточной воде Сcdp = 160 мг/л.
Задание. Рассчитать аэротенки–вытеснители.
Расчет. Поскольку значение Len > 150 мг/л к расчету принимаем аэротенки–вытеснители с регенераторами. Для вторичного отстаивания предусматриваем радиальные отстойники с илососами.
Для городских сточных вод по табл. 1 Приложений назначаем
константы:
• максимальную скорость окисления ρmax = 85 мг БПКполн /(г∙ч);
• константу, характеризующую свойства загрязнений К1 = 33
БПКполн/л;
• константу, характеризующую влияние кислорода Ко = 0,625 мг О2/л;
• коэффициент ингибирования φ = 0,07 л/г;
• зольность активного ила s = 0,3.
Дозу активного ила в аэротенке принимаем равной первоначально
ai mix = 3,5 г/л, значение илового индекса Ji = 90 см3/г, концентрацию
растворенного кислорода Со = 2 мг/л.
По формуле (3.4) рассчитаем степень рециркуляции активного
ила:
Ri =
3,5
= 0,46.
1000/(90 − 3,5)
59
Так как полученное значение превышает минимально допустимое для отстойников с илососами, то в исправлении Ri нет необходимости.
По формуле (3.12) рассчитаем БПКполн поступающей в аэротенк
сточной воды с учетом разбавления рециркуляционным расходом:
Lmix =
240 + 20 ∙ 0,46
= 170,7 мг/л.
1 + 0,46
По формуле (3.15) рассчитываем продолжительность обработки
воды в аэротенке:
t atv =
2,5
√3,5
lg
170,7
20
= 1,24 ч.
По формуле (3.16) рассчитываем дозу активного ила в регенераторе:
αr = 3,5 ∙ (
1
+ 1) = 7,31 г/л.
2 ∙ 0,46
По формуле (3.1) рассчитаем удельную скорость окисления при
дозе активного ила ar = 7,31 г/л:
20 ∙ 2
1
∙
20 ∙ 2 + 33 ∙ 2 + 0,625 ∙ 20 1 + 0,07 ∙ 7,31
= 19 мг БПКполн /(г ∙ ч).
ρ = 85 ∙
Определяем общую продолжительность окисления органических загрязнений по формуле (3.17):
to =
240 − 20
= 4,94 ч.
0,46 ∙ 7,31 ∙ (1 − 0,3) ∙ 19
По формуле (3.18) находим продолжительность регенерации:
tr = t0 -tatv = 4,94 - 1,24 = 3,7 ч.
60
По формуле (3.19) определяем продолжительность пребывания
в системе аэротенк – регенератор:
ta-r = (1 + Ri)∙ tatv + Ri∙ tr = (1 + 0,46)∙1,24 + 0,46∙3,7 = 3,51 ч.
По формуле (3.20) рассчитываем среднюю дозу активного ила в
системе аэротенк – регенератор:
(1 + 0,46) ∙ 1,24 ∙ 3,5 + 0,46 ∙ 3,7 ∙ 7,31
αi mix =
= 5,34 г/л.
3,51
Рассчитываем по формуле (3.21) нагрузку на активный ил:
qi =
24 ∙ (240 − 20)
= 411,2 мг БПКполн /(г ∙ сут).
5,34 ∙ (1 − 0,3) ∙ 3,51
По табл. 3.1 интерполяцией находим иловый индекс, который
соответствует рассчитанной нагрузке на активный ил:
Ji = 80 + (80-95)∙(411,2-400) / (400-500) = 81,7 см3/г.
Принятое ранее значение илового индекса отличается от табличного на величину ∆ = 100∙(90 - 81,7) / 81,7 = 10,2 % (> 10 %), поэтому расчет повторяем, принимая иловый индекс Ji = 81 см3/г:
Ri =
Lmix =
3,5
= 0,396;
1000/(81 − 3,5)
240 + 20 ∙ 0,396
= 177,6 мг/л;
1 + 0,396
t atv =
2,5
√3,5
αr = 3,5 ∙ (
lg
177,6
= 1,27 ч;
20
1
+ 1) = 7,92 г/л;
2 ∙ 0,396
61
𝜌 = 85 ∙
20 ∙ 2
1
∙
=
20 ∙ 2 + 33 ∙ 2 + 0,625 ∙ 20 1 + 0,07 ∙ 7,92
= 18,4 мг БПКполн /(г ∙ ч);
to =
240 − 20
= 5,44;
0,396 ∙ 7,92 ∙ (1 − 0,3) ∙ 18,4
tr = 5,44 - 1,27 = 4,17 ч;
ta-r = (1 + 0,396)∙1,27 + 0,396∙4,17 =3,42 ч;
αi mix =
qi =
(1 + 0,396) ∙ 1,27 ∙ 3,5 + 0,396 ∙ 4,17 ∙ 7,92
= 5,64 г/л;
3,42
24 ∙ (240 − 20)
= 400,2 мг БПКполн /(г ∙ сут).
5,64 ∙ (1 − 0,3) ∙ 3,42
По табл. 3.1 интерполяцией находим иловый индекс при новом
значении нагрузки на активный ил:
Ji = 80 + (80-95)∙(400,2-400) / (400-500) = 80,03 см3/г.
Проверяем погрешность заданного и табличного илового индекса:
∆ = 100(81-80,03) / 111,5 = 1 %, что является вполне допустимым.
По формуле (3.14) определяем объем аэротенка:
Wat = qw∙(1 + Ri)∙ tatv = 2510∙(1 + 0,396)∙1,27 = 4450 м3.
По формуле (3.22) определяем объем регенератора:
Wr = qw Ri tr = 2510∙0,396∙4,17 = 4145 м3.
По табл. 6 Приложений в соответствии с общим объемом аэротенка и регенератора (Wat + Wr) = (4450 + 4145) = 8595 м3 подбираем
типовой проект аэротенка – вытеснителя № 902-2-178 со следующими
характеристиками:
62
• число секций nat = 4; • число коридоров ncor = 4; • рабочая глубина
Hat = 3,2 м; • ширина коридора bcor = 4,5 м; • пределы объема одной
секции – 2070÷2416 м3; • пределы длины секции – 36÷42 м.
По формуле (3.6) определяем длину секции аэротенка:
lat = Watm / (nat∙ncor∙bcor∙Hat) = 8595/ (4∙4∙3,2∙4,5) = 37,3.
Принимаем длину секции аэротенка кратной 3 м, т.е. lat = 39 м.
Общий размер аэротенка в плане составляет 72х39 м. Так как отношение длины коридора аэротенка к ширине 39∙4/4,5 = 35 больше 30,
секционирование коридоров не требуется.
Рассчитываем прирост активного ила по формуле (3.7):
Pi = 0,8Ccdp + Kg∙Len = 0,8∙160 + 0,3∙240 = 200 мг/л.
Пример 5.
Исходные данные. Суточный расход городских сточных вод Qw
= 25670 м3/сут; расчетный расход qw = 1490 м3/ч; БПКполн поступающей сточной воды Len = 225 мг/л; БПКполн очитщенной сточной воды
Lex = 15 мг/л; среднемесячная температура сточной воды за летний
период Tw = 20 0С.
Задание. Рассчитать комбинированные окситенки.
Расчет. Принимаем для расчетов концентрацию кислорода в
иловой смеси Со = 10 мг/л и дозу активного ила αi = 8 г/л. По табл. 1
Приложений назначаем константы, необходимые для расчета:
• максимальную скорость окисления ρmax = 85 мг БПКполн /(г∙ч);
• константу, характеризующую свойства загрязнений К1 = 33
БПКполн/л;
• константу, характеризующую влияние кислорода Ко = 0,625 мг О2/л;
• коэффициент ингибирования φ = 0,07 л/г;
• зольность активного ила s = 0,3.
По формуле (3.1) расчитаем удельную скорость окисления:
15 ∙ 10
1
∙
15 ∙ 10 + 33 ∙ 10 + 0,625 ∙ 15 1 + 0,07 ∙ 8
= 16,7 мг БПКполн /(г ∙ ч).
ρ = 85 ∙
По формуле (3.2) определяем продолжительность пребываниясточных вод в зоне аэрации:
63
𝑡𝑎𝑡𝑚 =
(255 − 15)
= 2,57 ч.
8 ∙ (1 − 0,3) ∙ 16,7
Рассчитаем по формуле (3.23) суммарный объем зоны аэрации:
Wo = qw∙ tatm = 1490∙2,57 = 3824 м3.
Принимаем окситенки диаметром Dо = 30 м и рабочей глубиной
Но = 4,5 м. По формулам (3.24) и (3.25) рассчитываем общий объем и
объем зоны аэрации одного окситенка:
Wot = 0,785∙ D2о∙ Но = 0,785∙302∙4,5 = 3179 м3
Wαt = Wot / 2 = 3179 / 2 = 1590 м3.
По формуле (3.26) рассчитаем диаметр зоны аэрации:
Dα = √
1589,5
= 21,2 м.
0,785 ∙ 4,5
По формуле (3.27) рассчитывем количество окситенков:
no = Wo / Wαt = 3824 / 1590 = 2,4.
Принимаем три окситенка диаметром 30 м.
По формуле (3.3) рассчитываем нагрузку на активный ил:
qi =
24 ∙ (255 − 15)
= 401 мг БПКполн /(г ∙ сут).
8 ∙ (1 − 0,3) ∙ 2,57
По табл. 3.1 интерполяцией находим иловый индекс, который
соответствует рассчитанной нагрузке на активный ил:
Ji = 80 + (80-95)∙(401-400) / (400-500) = 80,2 см3/г.
Для окситенков Ji снижается в 1,3÷1,5 раза, тогда Ji = 80,2 /1,4 = 57,3
см3/г.
Интерполяцией по табл. 3.2 находим для произведения αi∙Ji = 8∙57,3 =
458,4 допустимую гидравлическую нагрузку на илоотделитель:
qms = 1,2 + (1,2-0,8)∙(458,4-400) / (400-500) = 0,966 м3/(м2∙ч).
64
По формуле (3.28) опрределяем необходимую площадь илоотделителей:
Fms = qw / qms = 1490 / 0,966 = 1541 м2.
По формуле (3.29) рассчитываем фактическую площадь илоотделителей:
Foi = 0,5∙ no∙ Wot / Но = 0,5∙3∙3179/4,5 = 1060 м2,
что значительно отличается от необходимой площади (1541 м2), поэтому расчет повторяем заново, прикменьшенной дозе активного ила
αi = 6 г/л.
15 ∙ 10
1
∙
15 ∙ 10 + 33 ∙ 10 + 0,625 ∙ 15 1 + 0,07 ∙ 6
= 18,35 мг БПКполн /(г ∙ ч);
ρ = 85 ∙
𝑡𝑎𝑡𝑚 =
(255 − 15)
= 3,2 ч;
6 ∙ (1 − 0,3) ∙ 16,7
Wo = 1490∙3,115 = 4641 м3.
Оставляем первоначальные окситенки диаметром Dо = 30 м и
рабочей глубиной Но = 4,5 м. Общий объем, объем и диаметр зоны
аэрации одного окситенка не изменится: Wol = 3179 м3, Dα = 21,2 м,
Wαl = 1590 м3.
Число окситенков равно no = 4641 / 1590 = 2,9, оставляем первоначальное количество окситенков, равное 3.
Определяем нагрузку на активный ил при αi = 6 г/л и tatm = 3,2ч:
24 ∙ (255 − 15)
440 мг БПКполн /(г ∙ сут).
6 ∙ (1 − 0б3) ∙ 3,2
Интерполяцией находим иловый индекс соответствующий данной нагрузке:
Ji = 80 + (80-95)∙(440-400) / (400-500) = 86,1 см3/г.
Снижаем величину Ji в 1,4 раза: Ji = 86,1 / 1,4 = 61,5 см3/г.
Интерополяцией для произведения αi∙Ji = 6∙61,5 = 369 находим
допустимую гидравлическую нагрузку на илоотделитель:
qi =
qms = 1,8 + (1,8-1,2)∙(369-300) / (300-400) = 1,387 м3/(м2∙ч).
65
Fms = 1490 / 1,387 = 1074 м2.
Погрешность при сравнении этой площади с фактической (которая осталась прежней из первого варианта расчета – 1060 м2) составляет:
∆ = 100∙(1074-1060) / 1060 = 1,3%,
что является совершенно допустимым.
Окончательно принимаем 3 окситенка диаметром Dо = 30 м и
рабочей глубиной Но = 4,5 м и диаметром цилиндрической перегородки (зоны аэрации) Dα = 21 м.
Для насыщения жидкости кислородом принимаем механический
аэратор поверхностного типа и находим по формуле (3.30) скорость
потребления кислорода в одном окситенке:
υo =
(255 − 15) ∙ 1490
= 119,2 кг/ч.
1000 ∙ 3
По табл. 3.3 находим, что растовримость кислорода СТ = 9,02
мг/л при температуре воды 20 оС. По формуле (3.32) рассчитывем
растворимость кислорода в воде (при глубине погружения 0,02 м):
Сα = (1 +
0,02
) ∙ 9,02 = 9,03 мг/л.
20,6
По формуле (3.31) рассчитываем производительность аэратора
по кислороду техническому, принимая коэффициены: КТ = 1; К3 =
0,85; ηк = 0,85:
9,03 ∙ 119,2
Q mα =
= 61 кг/ч.
(1 − 0,85)
10
1000 ∙ 1 ∙ 0,85 ∙ (0,174
−
)
0,85
1000
Исходя из конструктивных соображений и рассчитанного значения Qmα, подбираем по табл. 9 Пиложений механический дисковый
аэратор поверхностного типа с производительностью по кислороду
Qm = 77,5 кг/ч, мощностью Nm = 26,5 кВт, диаметром do = 3 м и частотой вращения турбины nm = 27 мин‾1.
По формуле (3.34) определяем объемный расход кислорода:
66
Qo =
(255 − 15) ∙ 1490
= 357 м3 /ч.
1000 ∙ 0,7 ∙ 1,43
По табл. 11 Приложений подбираем установку разделения воздуха К–0,4 с одним блоком производительностью по кислороду 420
м3/ч.
3.8. Расчет систем аэрации коридорных аэротенков [3]
3.8.1. Аэротенки–смесители
В аэротенках–смесиелях пневматические аэраторы располагаются вдоль одной стены коридора равыномерно по всей длине.
1. Определяем растворимость кислорода в воде Са по формуле
(3.32).
2. Рассчитываем удельный расход воздуха qair:
𝐪𝛂𝐢𝐫 =
𝐪𝐨 (𝐋𝐞𝐧 − 𝐋𝐭𝐱 )
, м3 /м3 ,
𝐊 𝟏 ∙ 𝐊 𝟐 ∙ 𝐊 𝐓 ∙ 𝐊 𝟑 ∙ (𝐂𝛂 − 𝐂𝐨 )
(3.36)
где qo – удельный расход кислорода воздуха, мг/мг снятой БПКполн, принимаемый при очистке до БПКполн 15÷20 мг/л – 1,1; при очистке до БПКполн свыше 20
мг/л – 0,9; K1 – коэффициент, учитывающий тип аэратора, для мелкопузырчатой
аэрации принимается в зависимости от соотношения площадей аэрированной
зоны и аэротенка faz/fat по табл. 3.4 (отношение faz/fat принимается равным,
например, 0,1), для среднепузырчатой и низконапорной К1 = 0,75; К2 – коэффициент, зависимый от глубины погружения аэратора ha, принимается по табл. 3.5;
КТ – коэффициент, учитывающий температуру сточных вод, определяется по
формуле (3.33); К3 – коэффициент качества воды, принимаемый для городских
сточных вод 0,85, для производственных сточных вод, при отсутствии опытных
данных, К3 = 0,7; Со – концентрация растворенного кислорода, мг/л, принимается 2 мг/л; Ca – растворимость кислорода в сточной жидкости при заданной температуре.
Таблица 3.4 – Параметры для расчета удельного расхода воздуха в
зависимости от соотношения faz/fat [3, с.47]
faz/fat
K1
К3
Jαmax м3/(м2∙ч)
0,05
1,34
0,59
5
0,1
1,47
0,59
10
0,2
1,68
0,64
20
0,3
1,89
0,66
30
67
0,4
1,94
0,72
40
0,5
2
0,77
50
0,75
2,13
0,88
75
1
2,3
0,99
100
Таблица 3.5 – Параметры для расчета удельного расхода воздуха в
зависимости от глубины погружения аэратора [3, с.47]
ha, м
К2
Jαmin м3/(м2∙ч)
0,5
0,4
48
0,6
0,46
42
0,7
0,6
38
0,8
0,8
32
0,9
0,9
28
1
1
24
3. Определяем интенсивность аэрации Jα:
Jα = qair∙Hat / tat, м3/(м2∙ч),
3
2,08
4
4
2,52
3,5
5
2,92
3
6
3,3
2,5
(3.37)
где tat – период аэрации, ч. Если вычисленное значение Jα больше Jαmax для принятого К1, то увеличивается соотношение faz/fat и повторяется расчет qair и Jα. Если значение Jα меньше Jαmax для принятого К2, то принимается Jα = Jαmin, затем
определяется удельный расход воздуха по формуле:
qair = Jα∙ tat / Hat, м3/м3.
(3.38)
4. Принимаем тип пневматических аэраторов (дырчатые трубы,
фильтросные трубы или пластины ит.п.), определяется количество
аэраторов в каждом коридоре секции аэротенка nd:
nd = Jα∙bcor / Jad∙fd,
(3.39)
где Jad – удельный расход воздуха на единицу рабочей поверхности аэраторов,
м3/(м2∙ч), прнинимается по табл. 2, 3, 4 Приложеий; fd – площадь одного ряда
аэраторов на 1 м длины аэротенка, м2/м, принимается по наружному диаметру
или размерам аэратора в таб. 2, 3, 4 Приложений; bcor – ширина коридора аэротенка, м.
5. Определяем общий расход воздуха Qair:
Qair = qair∙qw, м3/ч,
(3.40)
3
где qw – расчетный расход сточной воды, м /ч.
3.8.2. Аэротенки–вытеснители без регенераторов
В аэротенках–вытеснителях аэраторы располагаются неравномерно в соответствии со снижением концентрации загрязнений и скоростей биохимического окисления.
1. Строится график изменения БПКполн во времени (рис. 3.15).
Для этого задаются 4÷6 промежуточных значений Lt между Lmix и Lex.
По формуле (3.13) рассчитывается период аэрации tatv для каждого
значения Lt, которе подставляется в эту формулу вместо Lex.
2. Весь интервал времени на полученном графике делится на несколько равных частей, которые будут соответствовать ячейкам коридоро аэротенка. Для этих периодов аэрации по графику определяются
значения БПКполн на входе L!en и на выходе L!ex.
3. Для каждой ячейки определяются:
• удельный расход воздуха qair по формуле (3.36), в которую подставляются значения БПКполн L!en и L!ex;
• интенсивность аэрации J!α по формуле:
68
J!α = qair∙ Hat∙ njα / tat, м3/(м2∙ч);
(3.41)
!
!
3
• расход воздуха Q air: Q air = qair∙qw / nαt, м /ч;
(3.42)
!
• количество рядов аэротенков n d по формуле (3.28), в которую
подставляется значение J!α.
3. Для каждой ячейки определяются:
• удельный расход воздуха qair по формуле (3.36), в которую подставляются значения БПКполн L!en и L!ex;
• интенсивность аэрации J!α по формуле:
J!α = qair∙ Hat∙ njα / tat, м3/(м2∙ч);
(3.43)
!
• расход воздуха Q air:
Q!air = qair∙qw / nαt, м3/ч; (3.44)
• количество рядов аэротенков n!d по формуле (3.28), в которую
подставляется значение J!α.
Рис. 3.15. Снижение БПКполн в зависимости от времени аэрации
4. Значения всех рассчитанных показателей заносится в таблицу
3.6:
Таблица 3.6 – Форма для расчета ячеек аэротенка [3, с.48]
Показатель
Номер ячейки
1
2
3
L!en,
L!ex,
мг/л
мг/л
qo, мг/мг
qair, м3/м3
J!α, м3/(м2∙ч)
Q!air, м3/ч
n!d, ед
69
4
5
6
5. Определяется общий расход воздуха на аэротенк Qair, м3/ч, как
сумма всех Q!air по ячейкам и секциям.
3.8.3. Аэротенки–вытеснители с регенераторами
Количество аэраторов на первой половине длины аэротенков и
регенераторов принимается вдвое больше, чем на остальной длине.
1. Рассчитывается удельный расход воздуха qair по формуле
(3.36).
2. Определяется средняя интенсивность аэрации Jα по формуле
(3.26). При этом в формулу подставляется продолжительность пребывания сточной воды в ситстеме аэротенк–регенератор ta-r.
3. Рассчитывается интенсивность аэрации на первой половине
аэротенка и регенератора Jα1= 1,33Jα, на второй – Jα2 = 0,67 Jα.
4. Принимается тип пневматических аэраторов и определяется
количество рядов аэраторов в первой половине аэротенка nd1 по формуле (3.28) призначении Jα1 и во второй половине nd2 = nd1 / 2.
5. Определяется общий расход воздуха Qair по формуле (3.29).
3.8.4. Примеры расчета систем аэрации коридорных аэротенков
Пример 1.
Исходные данные. На городскую аэрационную станцию очитски
поступают сточные воды с расчетным расходом qw = 2370 м3/ч.
БПКполн поступающей сточной воды Len = 135 мг/л; БПКполн очищенной сточной воды Lex = 15 мг/л; среднемесячная температура сточной
воды за летний период Tw = 220С; в сточной воде присутствуют
СПАВ. На очистной станции запректированы аэротенки–смесители с
рабочей глубиной Hat 4,5 м и шириной коридора bcor = 4,5 м; преиод
аэрации в аэротенке соствляет tat = 4,04 ч.
Задание. Рассчитать систему аэрации аэротенков.
Расчет. Принимаем глубину погружения аэраторов ha = Hat – 0,3
=
4,5 – 0,3 = 4,2 м. По табл. (3.3) находим растворимость кислорода при
температуре воды 220С: СТ = 8,67 мг/л.
По формуле (3.32) рассчитываем растворимость кислорода в воде:
Сα = (1 +
hα
4,2
) ∙ CT = (1 +
) ∙ 8,67 = 10,35 мг/л.
20,6
20,6
70
Для аэрации принимаем мелкопузырчатый аэратор из фильтросных керамических пластин, соотношение площадей аэрируемой зоны
и аэротенка faz/fat = 0,2. По табл. (3.4) находим значение коэффициента, учитывающего тип аэратора: К1 = 1,68, по той же таблице находим
коэффициент качества воды при наличие в ней СПАВ: К3 = 0,64. По
табл. (3.5) интерполяцией находим коэффициент качества воды, учитывающий глубину погружения аэратора: К2 = 2,52 + (2,92 – 2,52)∙(4,2
– 4) = 2.6.
По формуле (3.33) определяем коэффициент, учитывающий
температуру сточных вод:
КТ = 1 + 0,02∙(Tw – 20) = 1 + 0,02∙(22 – 20) = 1,04.
Рассчитываем удельный расход воздуха по формуле (3.36):
1,1 ∙ (135 − 15)
qαir =
= 5,44 м3 /м3 .
1,68 ∙ 2,6 ∙ 1,04 ∙ 0,64 ∙ (10,35 − 2)
По формуле (3.37) определяем интенсивность аэрации:
Jα = 5,44∙4,5 / 4,04 = 5,38 м3/(м2∙ч).
По табл. 3.4 находим максимально допустимую интенсивность
аэрации Jαmax = 20 м3/(м2∙ч), по табл. 3.5 – минимальную интенсивность аэрации Jαmin = 3,5 – (3,5 – 3)∙(4,2 – 4) = 3,4 м3/(м2∙ч). Рассчитанное значение Jα находится между минимальным значением Jαmin и
максимальным Jαmax, следовательно, пересчета интенсивности не требуется.
По табл. 3 Приложений подбираем фильтросные пластины шириной 250 мм (fd = 0,25 м2/м), глубиной канала 200 мм, находим
удельный расход воздуха на единицу рабочей поверхности аэраторов
Jαd = 30 м3/(м2∙ч).
По формуле (3.39) определяем количество рядов каналов с
фильтросными пластинами в каждом коридоре секции аэротенка:
nd = 5,38∙4,5 / 30∙0,25 = 3,23
Принимаем в каждом коридоре аэротенка по 4 канала с фильтросными пластинами. Ширина, занимаемая аэраторами, bαz = 4∙0,25 =
1 м, следовательно, соотношение площадей аэрируемой зоны и зоны
аэротенка fαz/fαt = bαz/bcor = 1/4 = 0,25, что мало отличается от принятой ранее величины (0,2).
71
По формуле (3.40) определяем общий расход воздуха:
Qair = 6,74∙2370 = 15974 м3/ч.
Пример 2.
Исходные данные. На городскую аэрационную станцию очитски
поступают сточные воды с расчетным расходом qw = 2510 м3/ч.
БПКполн поступающей сточной воды Len = 240 мг/л; БПКполн очищенной сточной воды Lex = 20 мг/л; среднемесячная температура сточной
воды за летний период Tw = 190С; в сточной воде присутствуют
СПАВ. На очистной станции запроектированы аэротенки – вытеснители с регенераторами глубиной Hat = 3,2 м и шириной коридора bcor =
4,5 м. Прдолжительность пребывания сточной воды в системе аэротенк – регенератор tα-r = 3,42 ч.
Задание. Рассчитать систему аэрации аэротенков.
Расчет. Принимаем глубину погружения аэраторов ha = Hat – 0,3
ha = 3,2 – 0,3 = 2,9 м (принимаем 3 м). По табл. 3.3 находим растворимость кислорода при температуре воды 190С: СТ = (9,4 + 9,02) / 2 =
9,21 мг/л.
По формуле (3.32) рассчитываем растворимость кислорода в воде:
С𝛼 = (1 +
2,9
) ∙ 9,21 = 10,51 мг/л.
20,6
Для аэрации принимаем среднепузырчатый аэратор из перфорированных труб, соотношение площадей аэрируемой зоны и аэротенка
faz/fat = 0,1. По табл. 3.4 находим значение коэффициента, учитывающего тип аэратора: К1 = 1,47, по той же таблице находим коэффициент качества воды при наличие в ней СПАВ: К3 = 0,59. По табл. 3.5
интерполяцией находим коэффициент, зависимый от глубины погружения аэратора:
К2 = 2,08 – (2,08 – 1)∙( 3 – 2,9) / (3 – 1) = 2,03.
По формуле (3.33) определяем коэффициент, учитывающий
температуру сточных вод:
КТ = 1 + 0,02∙(19 – 20) = 0,98.
Рассчитываем удельный расход воздуха по формуле (3.36):
72
qαir =
1,1 ∙ (240 − 20)
= 16,49 м3 /м3 .
1,47 ∙ 2,03 ∙ 0,98 ∙ 0,59 ∙ (10,51 − 2)
По формуле (3.37) определяем среднюю интенсивность аэрации:
Jα = 16,49∙3,2 / 3,42 = 15,43 м3/(м2∙ч).
По табл. 3.4 находим максимально допустимую интенсивность
аэрации Jαmax = 10 м3/(м2∙ч), по табл. 3.5 – минимальную интенсивность аэрации Jαmin = 24 - [(24-4)∙(2,9-1) / (3-1)] =5 м3/(м2∙ч). Рассчитанное значение Jα находится больше максимального, следовательно,
принимаем Jα = Jαmax = 10 м3/(м2∙ч).
Рассчитываем интенсивность аэрации на первой половине аэротенка и регенератора:
Jα1 = 1,33 Jα = 1,33 ∙ 10 = 13,33 м3/(м2∙ч).
и на второй половине:
Jα2 = 0,67 Jα = 0,67 ∙ 10 = 6,7 м3/(м2∙ч).
По табл. 4 Приложений подбираем дырчатые трубы диаметром
88 мм (fd = 0,09 м2/м) с отверстиями диаметром 3 мм, число отверстий
на 1 м составляет 120. Находим удельный расход воздуха на единицу
рабочей поверхности аэраторов Jαd = 110 м3/(м2∙ч).
По формуле (3.39) определяем количество рядов труб на первогй половине аэротенка и регенератора в каждой секции:
nd1 = Jα∙bcor / Jad∙fd = 10∙4,5/110∙0,09 = 4,55,
и на второй половине:
nd2 = nd1/2 = 4,55/2 = 2,28.
Принимаем на первой половине аэротенка и регенератора пять
рядов дырчатых труб, на второй половине – три ряда труб.
По формуле (3.40) определяем общий расход воздуха:
Qair = 16,49∙2510 = 41390 м3/ч.
73
4. БИОЛОГИЧЕСКОЕ УДАЛЕНИЕ ИЗ СТОЧНЫХ ВОД АЗОТ
СОДЕРЖАЩИХ ВЕЩЕСТВ [1]
Азотсодержащие вещества образуются в воде главным образом
в результате разложения белковых соединений, попадающих в нее со
сточными водами. Конечным продуктом разложения белковых соединений является аммиак, который окисляется микроорганизмами
до нитритов и, далее до нитратов.
Таким образом, азот в природных водах содержится в NH4+ ,
NO2‾ и NO3‾ – формах, которые объединены в одну группу в связи с
одинаковым их гинезисом и способностью легко переходить из одной
формы в другую и используются для оценки санитарного состояния
природных вод.
Значительные количества азота поступают в природные воды с
удобрениями, которые вымываются дождями и попадают в грунтовые
и поверхностные воды. Применяемый в качестве удобрения карбамид
(мочевина) подвергается гидролизу микроорганизмами с участием
фермента уреазы с образованием аммиака. Высокое содержание в
природных водах соединений азота, а также и фосфора является причиной процесса эвтрофикации водоемов.
Эвтрофикацией называется процесс ухудшения качества воды
из-за избыточного поступления в водоем биогенных элементов, в
первую очередь соединений азота и фосфора. В результате эвтрофикации водоема ухудшаются физико-химические показатели качества воды. Повышение величины рН воды приводит к осаждению
катионов кальция и магния в виде карбонатов и гидроксидов.
Во время массового отмирания водорослей на дне водоемов
могут отлагаться сотни тонн разлагающихся остатков. Продукты
распада водорослей поглощают кислород воды, причем некоторые
из них токсичны. Распад водорослей происходит с образованием таких сильных ядов, как фенолы и сероводород, и столь мощного
«парникового газа», как метан.
Процесс эвтрофикации уничтожает большую часть видов флоры
и фауны водоема, практически полностью разрушая или очень сильно
трансформируя его экосистемы, и сильно ухудшает санитарногигиенические качества его воды, вплоть до ее полной непригодности
для купания и питьевого водоснабжения.
Для удаления из сточной воды растворенных соединений азота,
которые вызывают процесс эвтрофикации водных объектов, приме74
няют ряд методов с использованием процессов биологической очистки.
4.1. Биологическое удаление из сточной воды соединений азота
Методом глубокого удаления растворимых соединений азота
+
(NH4 , NO2‾ и NO3‾) являются биохимические процессы нитри - денитрификации.
Нитрификация – это процесс биохимического окисления аммонийного азота нитрифицирующими бактериями, в ходе которого аммонийный азот превращается в нитрит, а затем в нитрат.
На практике процесс нитрификации осуществляет ограниченная
группа автотрофных микроорганизмов. Процесс протекает в два этапа: на первом происходит окисления аммонийного азота до нитрита
под действием бактерий рода Nitrosomonas, а на втором – окисление
нитрита до нитрата с участием бактерий рода Nitrobacter.
С инженерной точки зрения процесс нитрификации можно рассматривать как двух стадийный процесс, с хорошо известной стехиометрией и кинетикой, в котором задействованы две группы бактерий.
Реакция окисления аммонийного азота до нитрита может быть
выражена следующим химическим уравнением:
NH4+ + 1,5O2 → NO2‾ + H2O + 2H+.
Нитрит-окисляющие бактерии осуществляют процесс окисления
нитритов в нитраты:
NO2‾ + 0,5О2 → NO3‾.
Для нитрифицирующих бактерий характерны низкие скорости роста,
что связано с низким энергетическим выходом реакций окисления
аммиака и нитрита. Это является одной из основных проблем при
нитрификации на станциях биологической очистки сточных вод.
Поскольку нитрифицирующие бактерии автотрофны, то в качестве источника углерода они используют СО2. Прежде чем углерод
будет включен в процесс роста клетки, он должен быть восстановлен
из СО2. Восстановление углерода из оксида углерода (IV) происходит
за счет окисления источника азота. При окислении аммонийного азота уравнение имеет следующий вид:
15CO2 + 13NH4+ → 10NO2‾ + 3C5H7NO2 + 23H+ + 4H2O
75
Если окисляется нитрит, то уравнение химической реакции будет выглядеть следующим образом:
5CO2 + NH4+ + 10NO2‾ + 2H2O → 10NO3‾ + C5H7NO2 + H+
Объединяя эти два уравнения, а также учитывая карбонатное
равновесие в системе, получим следующее уравнение для аммоний –
окисляющих бактерий:
80,7NH4+ + 114,55О2 + 160,4НСО3‾ →
→ C5H7NO2 + 79,7NO2– + 82,7H2O + 155,4Н2СО3
Это уравнение показывает, что при конверсии (80,7 ∙ 14) =
1129,8 г NH 4 –N образуется 113 г биомассы бактерий (C5H7NO2). Следовательно, коэффициент прироста биомассы составляет 113/1129,8 =
0,1 г БВБ / г удаленного NH 4 –N. В расчете на количество окисленного аммонийного азота коэффициент прироста составляет 113/(79,7 ∙
14) = 0,1 г БВБ / г окисленного NH 4 –N.
Для нитрит-окисляющих бактерий уравнение процесса окисления нитритов в нитраты имеет следующий вид:
134,5NO2– + NH4+ + 62,25O2 + НСО3‾ + 4H2CO3 →
→ C5H7NO2 + 134,5NO3‾ + 3H2O
Объединяя два последних уравнения, получим суммарное уравнение реакции нитрификации:
NH4++ 1,86O2 + 1,98НСО3‾ →
→ 0,02C5H7NO2 + 0,98NO3‾ + 1,88Н2СО3 + 1,04H2О
К числу факторов, влияющих на процесс нитрификации, относятся концентрация субстрата, температура, концентрация кислорода,
рН, концентрация и химическая природа токсичных веществ. На
практике лимитирующей стадией суммарного процесса нитрификации является окисление аммонийного азота.
Оптимальными условиями для жизнедеятельности нитрифицирующих бактерий являются значение рН, равное 8,4, температура 30
0
С и возраст активного ила от 5 до 70 суток. Ингибируют процесс
76
нитрификации, присутствующие в воде тяжелые металлы и молекулярный азот.
Частичное ингибирование не обязательно приводит к понижению степени нитрификации, а может просто вызывать снижение скорости процесса. Это обстоятельство необходимо учитывать при проектировании биологических реакторов, поскольку в условиях ингибирования для достижения желаемых результатов очистки необходим
большой объем реактора.
Денитрификация – это процесс восстановления нитрата в молекулярный азот под действием денитрифицирующих микроорганизмов. Процесс этот анаэробный, поскольку в качестве акцептора активного водорода, отщепленного от молекулы органического субстрата, выступает не молекулярный кислород, а нитрат:
5С6Н12О6 + 24KNO3 → 24KHCO3 + 6CO2 + 12N2 + 18 H2O
Органическим субстратом могут являться такие соединения, как
углеводы, спирты, органические кислоты, продукты распада белков,
избыточный активный ил. Необходимое содержание БПКполн в сточной воде к нитратному азоту ориентировочно равно 4:1.
Уравнение реакции ассимиляции нитрата в молекулярный азот
запишется в следующем виде:
0,57C18H19O9N + 3,73NO3‾ + 3,73H+ →
→ C5H7NO2 +1,65N2 + 5,26CO2 + 3,8H2O
Факторами, влияющими на процесс денитрификации, являются
химическая природа органического субстрата, температура и рН
сточной воды. Наиболее эффективно процесс денитрификации протекает при температуре 30 0С и величине рН = 7,0÷7,5. Ингибирующее
действие на процесс денитрификации оказывает кислород. При этом
принципиальное значение имеет концентрация кислорода, непосредственно воздействующая на микроорганизмы, т.е. концентрация кислорода внутри флоккул активного ила и биопленок, а не в толще жидкой фазы.
Для удаления азота из сточной воды используются разнообразные схемы очистки, которые отличаются по количеству стадий процесса, по расположению в схеме процесса денитрификации, по условиям проведения денитрификации, по химической природе добавляе77
мого органического субстрата, по типу рециркуляции иловой смеси.
Не зависимо от принятой схемы очистки, на завершающей стадии
очистки проводится аэрация иловой смеси для отдувки газообразного
азота и более глубокого окисления аммонийного азота.
В одном сооружении могут быть совмещены несколько стадий
нитри–денитрификации. Для этой цели могут быть использованы
аэротенки–смесители, секционированные аэротенки–вытеснители,
циркуляционные окислительные каналы. Рассмотрим одну из возможных схем двухстадийного нитри–денитрификатора (рис. 4.1).
Исходная сточная вода после механической очистки поступает в
денитрификатор (1), туда же подается циркулирующая иловая смесь
из нитрификатора (2). В денитрификаторе в анаэробных условиях
происходит восстановление нитритов и нитратов до молекулярного
азота. Затем иловая смесь поступает в нитрификатор (2), где она
насыщается кислородом воздуха с помощью струйного аэратора (5) и
происходит процесс окисления аммонийного азота до нитратов. Разделение иловой смеси происходит во вторичном отстойнике (3) и
осевший ил направляется снова в денитрификатор (1).
Рис. 4.1. Схема двухстадийного нитри–денитрификатора: 1 – денитрификатор; 2 – нитрификатор; 3 – вторичный отстойник; 4 – распределительная камера;
5 – струйный аэратор; 6 – газоотделитель; 7 – рециркулирующий активный ил;
8 – сточная вода из метантенка; 9 – подача сточной воды; 10 – циркулирующий
ил из денитрификатора; 11 – циркулирующий ил из нитрификатора; 12 – очищенная сточная вода
Последовательность стадий нитрификации и денитрификации
зависит от содержания в сточной воде различных форм азота. При
78
преимущественном содержании нитратов целесообразно на первой
стадии предусмотреть зону денитрификации, в которой органический
субстрат будет окисляться за счет нитратов, а в конце схемы предусмотреть аэрацию для окончательного окисления органических веществ.
В случае преимущественного содержания в сточной воде аммонийного и нитритного азота при незначительном количестве органических веществ вначале схемы можно предусмотреть зону нитрификации, а затем зоны денитрификации и аэрации.
4.2. Расчет аэротенков нитри–денитрификаторов [3]
4.2.1. Расчет аэротенков–нитрификаторов
1. Определяется удельная скорость роста нитрифицирующих
микроорганизмов μn:
𝛍𝐧 =
𝐊 𝐩𝐇 ∙ 𝐊 𝐓 ∙ 𝐊 𝐨𝐜 ∙ 𝐊 𝐜 ∙ 𝐂𝐧𝐞𝐱 ∙ 𝛍𝐦𝐚𝐱
, сут–𝟏 , (4.1)
𝐊 𝐧 + 𝐂𝐧𝐞𝐱
где КрН – коэффициент, учитывающий влияние рН воды; КТ – коэффициент, учитывающий влияние температуры воды; Кос – коэффициент, учитывающий влияние концентрации растворенного кислорода, определяется по формуле:
Кос = Со / (Ко' + Со),
(4.2)
Кс = J / (J + Ci),
(4.3)
где Со – концентрация растворенного кислорода в иловой смеси, мг/л; К о' – константа полунасыщения, равная 2 мг О2/л; Кс – коэффициент, учитывающий влияние токсичных компонентов, определяется по формуле:
где J – константа полунасыщения ингибитора, мг/л; Ci – концентрация ингибитора, мг/л; μmax – максимальная скорость роста нитрифицирующих микроорганизмов, равная 1,77 сут‾1 при рН=8,4 и температуре 20 0С; Kn – константа полунасыщения аммонийного азота, равная 25 мг/л; Cnex – концентрация аммонийного азота в очищенной воде, мг/л.
Таблица 4.1 – Значения коэффициента КрН в зависимости
от величины рН [3, с.104]
рН
КрН
6
0,15
6,5
0,31
7
0,5
7,5
0,6
8
0,84
8,4
1,0
9
1,23
Таблица 4.2 – Значение коэффициента КТ от температуры
[3, с.104]
t, 0C
КТ
10
0,32
15
0,56
20
1,0
79
25
1,79
30
3,2
2. Рассчитывается минимальный возраст нитрифицирующего
ила θ:
θ = 1 / μn, сут.
(4.4)
3. По таблице 4.3 определяется концентрация нитрифицирующего ила αis
Таблица 4.3 – Характеристики нитрифицирующего ила
в зависимости от его возраста [3, с.105]
Прирост ила,
мг/мг N–NH4+/л
0,17
0,17
0,16
0,138
0,09
0,055
0,03
0,02
0,048
0,044
0,18
Возраст ила,
сут
5
10
15
20
25
30
35
40
50
60
70
Концентрация
ила (αis), г/л
0,017
0,034
0,048
0,055
0,048
0,033
0,021
0,016
0,048
0,053
0,025
Удельная скорость
окисления, мг/(г∙ч)
49,0
24,5
17,4
15,2
17,4
25,2
39,7
52,1
17,4
15,7
33,3
4. Рассчитывается минимальная допустимая концентрация аммонийного азота в поступающей сточной воде Сnen min:
Сnen min = 0,02∙αt∙θ / аis, мг/л,
(4.5)
где αt – допустимый вынос нитрифицирующего ила из вторичных отстойников,
мг/л.
Значение Сnen min должно быть больше исходной концентрации
аммонийного азота в сточной воде Сnen. В противном случае осуществление процесса нитрификации с заданным эффектом невозможно.
5. Определяется объем аэротенка–нитрификатора Wn:
Wn = Qw∙tatm / 24, м3,
(4.6)
3
где Qw – суточный расход воды, м /сут; tatm – минимальный период аэрации в
аэротенке–смесителе (для сточных вод, не содержащих органических веществ
равен 10÷12 ч).
6. По табл. 5 Приложений выбирается типовой проект аэротенка, подбирается число секций nat (не менее 2-х, при суточном расходе
80
до 50000 м3/сут –4÷6, при большем расходе – 6÷8). По формуле (3.6)
определяется длина секции аэротенка.
4.2.2. Расчет аэротенков–нитрификаторов с добавкой биоразлагаемых органичесих веществ
1. По формуле (4.1) определяется удельная скорость роста нитрифицирующих микроорганизмов μn.
2. По формуле (4.4) находится минимальный возраст нитрифицирующего ила θ.
3. Рассчитывается удельная скорость окисления органических
веществ ρ:
𝛒=
Кэ + 𝟎, 𝟎𝟒𝟏𝟕 ∙ Кр
, мг БПКполн /(г ∙ ч),
𝛉
(4.7)
где Кэ – энергетический физиологический коэффициент, мг БПКполн/(г∙ч); Кр –
физиологический коэффициент роста микроорганизмов активного ила, мг
БПКполн/г. Для городских сточных вод Кэ = 3,7 мг БПКполн/(г∙ч), а Кр = 864 мг
БПКполн/г.
4. Определяется концентрация беззольной части активного ила
αi:
𝛂𝐢 =
𝟏
𝛒𝐦𝐚𝐱 ∙ 𝐋𝐞𝐱 ∙ 𝐂𝐨
∙(
− 𝟏) , г/л,
𝛗 (𝐋𝐞𝐱 ∙ 𝐂𝐨 + 𝐊 𝐥 ∙ 𝐂𝐨 + 𝐊 𝐨 ∙ 𝐋𝐞𝐱 ) ∙ 𝛒
(4.8)
где ρmax – максимальная скорость окисления органических загрязнений, мг
БПКполн/(г∙ч); Kl – константа, характеризующая свойства загрязнений, мг
БПКполн/л; Ko – константа, характеризующая влияние кислорода, мг О2/л; φ – коэффициент ингибирования. При окислении органических веществ, характерных
для городских сточных вод и для обеспечения глубокой нитрификации, значения
констант можно принимать следующими: ρmax = 70 мг БПКполн/(г∙ч); Kl= 65 мг
БПКполн/л; Ko = 0,625 мг/л; φ = 0,14 л/г.
5. Определяется продолжительность аэрации в аэротенке–
нитрификаторе tatm:
𝐋𝐞𝐧 − 𝐋𝐞𝐱
(4.9)
𝐭 𝛂𝐭𝐦 =
,ч
𝛂𝐢 ∙ 𝛒
6. Определяется объем аэротенка–нитрификатора Wn по формуле (4.6).
7. По табл. 5 Приложений выбирается типовой проект аэротенка, подбирается число секций nat (не менее 2-х, при суточном расходе
81
до 50000 м3/сут –4÷6, при большем расходе – 6÷8). По формуле (3.6)
определяется длина секции аэротенка.
8. По таблице 4.3 при известном возрасте нитрифицирующего
ила θ находится концентрация нитрифицирующего ила αis, г/л.
9. Рассчитывается доза нитрифицирующего ила αin:
𝛂𝐢𝐧 = 𝟏, 𝟐𝛂𝐢𝐬 ∙
𝐂𝐧𝐞𝐧 − 𝐂𝐧𝐞𝐱
, г/л.
𝐭 𝛂𝐭𝐦
(4.10)
10. Определяется концентрация активного ила по сухому веществу α:
𝛂=
𝛂𝐢 + 𝛂𝐢𝐧
, г/л
𝟏−𝐬
(4.11)
11. Находится удельный прирост активного ила Кg и суточное количество избыточного активного ила G:
𝐊 𝐠 = 𝟒𝟏, 𝟕 ∙
𝛂 ∙ 𝐭 𝛂𝐭𝐦
, мг/(мг ∙ БПКполн );
(𝐋𝐞𝐧 − 𝐋𝐞𝐱 ) ∙ 𝛉
(4.12)
𝐊 𝐠 (𝐋𝐞𝐧 − 𝐋𝐞𝐱 ) ∙ 𝐐𝐰
(4.13)
𝑮=
, кг/сут.
𝟏𝟎𝟎𝟎
12. Система аэрации аэротенка–нитрификатора рассчитывается
по формулам (3.32, 3.36–3.40), причем удельный расход воздуха должен определяться по модифицированной формуле:
𝐪𝛂𝐢𝐫 =
𝐪𝐨 ∙ (𝐋𝐞𝐧 − 𝐋𝐞𝐱 ) + 𝟏, 𝟏 ∙ (𝐂𝐧𝐞𝐧 − 𝐂𝐧𝐞𝐱 ) ∙ 𝟒, 𝟔 3 3
, м /м .
𝐊 𝟏 ∙ 𝐊 𝟐 ∙ 𝐊 𝐓 ∙ 𝐊 𝟑 ∙ (𝐂𝛂 − 𝐂𝐨 )
4.2.3. Расчет денитрификаторов проточного типа
1. Определяется предельная доза денитрифицирующего ила
dn
αi max :
𝟏𝟎𝟎𝟎 ∙ 𝐬
, г/л (4.14)
𝐉𝐢
2. Рассчитывается удельная скорость процесса денитрификации
𝛂𝐝𝐧
𝐢 𝐦𝐚𝐱 =
ρdn:
82
𝛒
𝐝𝐧
=
𝛒𝐝𝐧
𝐦𝐚𝐱
𝐝𝐧
𝐂𝐞𝐱
𝐝𝐧
𝐝𝐧 + 𝐊 ) ∙ (𝟏 + 𝛗
(𝐂𝐞𝐱
𝐝𝐧
𝐝𝐧 ∙ 𝛂𝐢 )
, мг N– NO3 /(г ∙ ч), (4.15)
где ρdn
max – максимальная скорость денитрификации, мг N–NO3/(г∙ч); Kdn – константа Мехаэлиса-Ментен, мг N–NO3/л; φdn – коэффициент ингибирования процесса денитрификации продуктами метаболизма активного ила, л/г (принимается по табл. 4.4); αidn – доза нитрифицирующего ила, г/л (должна быть не больше
dn
предельной дозы αdn
i ); Cex – концентрация азота в очищенной воде, мг N–NO3/л.
Таблица 4.4 – Значение констант для расчета денитрификатора
[3, с.107]
ρdnmax, мг N–NO3/(г∙ч)
58,8
44,9
Тип субстрата
Метанол (СН3ОН)
Этанол (С2Н5ОН)
Kdn, мг N–NO3/л
40
25
φdn, л/г
0,19
0,17
3. Продолжительность пребывания сточной воды в денитрификаторе tdn рассчитывается для реактора–смесителя по формулам
(4.16), а для реактора–вытеснителя по формуле (4.17):
𝐭 𝐝𝐧𝐦
𝐭 𝐝𝐧𝐯 =
𝐝𝐧
[(𝐂𝐞𝐧
−
𝐝𝐧
𝐝𝐧
𝐂𝐞𝐧
− 𝐂𝐞𝐱
= 𝐝𝐧
, ч (4.16)
𝛂𝐢 ∙ (𝟏 − 𝛂) ∙ 𝛒𝐝𝐧
𝐝𝐧
𝐂𝐞𝐱
)
𝐝𝐧
𝐂𝐞𝐧
𝟏 + 𝛗𝐝𝐧 ∙ 𝛂𝐝𝐧
𝐢
+ 𝟐, 𝟑𝐊 𝐝𝐧 𝐥𝐠 𝐝𝐧 ] ∙
, ч, (4.17)
𝐝𝐧
𝐝𝐧
𝐂𝐞𝐱
𝛒 ∙ 𝛂𝐢
где С𝒅𝒏
𝒆𝒏 – концентрация азота на входе в денитрификатор; мг N–NO3/л.
4. Определяется объем денитрификатора Wdv:
Wdn = Qw∙ tdnv/24, м3
(4.18)
4.2.4. Примеры расчета аэротенков нитрификаторов и денитрификаторов
Пример 1.
Исходные данные. Суточный расход городских сточных вод Qw
=25700 м3 в сутки; в поступающих на нитрификацию сточных водах
N–NH4+ Cnen = 90 мг/л, в очищенных сточных водах: N–NH4+ Cneх = 4
мг/л. Сточные воды имеют значение рН = 8,1 и среднемесячную температуру сточной воды за летний период Tw = 23 0С.
Задание. Рассчитать аэротенки–нитрификаторы.
83
Расчет. По таблицам 4.1 и 4.2 интерполяцией находим коэффициенты КрН и КТ, учитывающие влияние рН и температуры воды:
КрН = 0,84 + (0,84-1,0)∙(8,1-8) / (8-8,4) = 0,88
КТ = 1,0 + (1,0-1,79)∙(23-20) / (20-25) = 1,474.
По формуле (4.2) рассчитываем коэффициент Кос при концентрации растворенного кислорода в иловой смеси С0 = 2 мг/л:
Кос = Со / (Ко' + Со) = 2 / (2 + 2) = 0,5
В сточной воде отсутствуют вещества, ингибирующие процесс
нитрификации, следовательно, коэффициент Кс = 1.
По формуле (4.1) рассчитываем удельную скорость роста нитрифицирующих микроорганизмов:
μn =
=
K pH ∙ K T ∙ K oc ∙ K c ∙ Cnex ∙ μmax
=
K n + Cnex
0,88 ∙ 1,474 ∙ 0,5 ∙ 1 ∙ 4 ∙ 1,77
= 0,158 сут‾1 .
25 + 4
Рассчитываем минимальный возраст нитрифицирующего ила θ
по формуле (4.4):
θ = 1 / μn = 1 / 0,158 = 6,32 сут.
По таблице 4.3 интерполяцией определяем концентрацию нитрифицирующего ила αis и удельную скорость окисления ρn:
αis = 0,017+(0,017-0,034)∙(6,32-5) / (5-10) = 0,021 г/л;
ρn = 49+(49-24,5)∙(6,32-5) / (5-10) = 42,5 мг/(г∙ч).
По формуле (4.5) определяем минимальную допустимую концентрацию аммонийного азота Сnen min в поступающей сточной воде,
при допустимом выносе нитрифицирующего ила из вторичных отстойников, равном αt = 15 мг/л:
Сnen min = 0,02∙αt∙θ / аis = 0,02∙15∙6,32 / 0,021 = 90,28 мг/л,
84
что больше исходного значения (90 мг/л).
Назначаем минимальный период аэрации tatm в аэротенке–
смесителе, равный 12 ч. По формуле (4.6), определяем объем аэротенка–нитрификатора Wn:
Wn = Qw∙tatm / 24 = 25700∙12 / 24 = 12850 м3.
По таблице 5 Приложений подбираем типовой проект аэротенка–смесителя № 902-2-268 со следующими характеристиками:
• число секций nat= 4; • число коридоров ncor= 3; • рабочая глубина
Hat=5 м;
• ширина коридора bcor = 6 м; • объем одной секции 3780 м3.
По формуле (3.6) определяем длину lat секции аэротенка:
lat = Watm / (nat∙ncor∙bcor∙Hat) = 12850 / (4∙3∙5∙6) = 36 м.
Пример 2.
Исходные данные. Суточный расход городских сточных вод Qw
=33670 м3 в сутки; в поступающих на нитрификацию сточных водах
N–NH4+ Cnen = 35 мг/л, БПКполн Len = 130 мг/л; в очищенных сточных
водах: N–NH4+ Cneх = 2 мг/л, БПКполн Leх = 10 мг/л. Сточные воды
имеют значение рН = 7,9 и среднемесячную температуру сточной воды за летний период Tw = 18 0С.
Задание. Рассчитать аэротенки–нитрификаторы в присутствии
биоразлагаемых органических веществ.
Расчет. По таблицам 4.1 и 4.2 интерполяцией находим коэффициенты КрН и КТ, учитывающие влияние рН и температуры воды:
КрН = 0,6 + (0,6-0,84)∙(7,9-7,5) / (7,5-8) = 0,79
КТ = 0,56 + (0,56-1)∙(18-15) / (15-20) = 0,82.
По формуле (4.2) рассчитываем коэффициент Кос при концентрации растворенного кислорода в иловой смеси С0 = 2 мг/л:
Кос = 2 / (2 + 2) = 0,5
В сточной воде отсутствуют вещества, ингибирующие процесс
нитрификации, следовательно, коэффициент Кс = 1.
85
По формуле (4.1) рассчитываем удельную скорость роста нитрифицирующих микроорганизмов μn:
μn =
0,79 ∙ 0,82 ∙ 0,5 ∙ 1 ∙ 2 ∙ 1,77
= 0,043 сут‾1
25 + 2
Рассчитываем минимальный возраст нитрифицирующего ила θ
по формуле (4.4):
θ = 1 / 0,043 = 23,37 сут.
По формуле (4.7) находим удельную скорость окисления органических веществ ρ:
Кэ + 0,0417 ∙ Кр
3,7 + 0,0417 ∙ 864
=
= 5,28 мг БПКполн /(г ∙ ч).
θ
23,37
Согласно формуле (4.8), определяем концентрацию беззольной
части активного ила αi при Leх = 10 мг/л:
ρ=
αi =
=
1
ρmax ∙ Lex ∙ Co
∙(
− 1) =
φ (Lex ∙ Co + K l ∙ Co + K o ∙ Lex ) ∙ ρ
1
70 ∙ 10 ∙ 2
(
− 1) = 4,93 г/л.
0,14 (10 ∙ 2 + 65 ∙ 2 + 0,625 ∙ 10) ∙ 5,28)
Рассчитываем продолжительность аэрации tatm в аэротенке–
нитрификаторе по формуле (4.9):
t αtm =
Len − Lex
130 − 10
=
= 4,61 ч.
αi ∙ ρ
4,93 ∙ 5,28
Определяем объем Wn аэротенка–нитрификатора по формуле
(4.6):
Wn = Qw∙tatm / 24 = 33670∙4,61 / 24 = 6467 м3.
По таблице 5 Приложений подбираем типовой проект аэротенка–смесителя № 902-2-217/218 со следующими характеристиками:
• число секций nat = 5; • число коридоров ncor = 23; • рабочая глубина Hat = 4,5 м; • ширина коридора bcor =4 м; • объем одной секции
1296 м3.
86
По формуле (3.6) определяем длину lat секции аэротенка:
lat = Watm / (nat∙ncor∙bcor∙Hat) = 6467 / (5∙2∙4,5∙4) = 36 м.
По табл. 4.3 находим интерполяцией дозу ила αis в зависимости
от возраста нитрифицирующего ила θ = 23,37 сут:
αis = 0,055 + (0,055-0,048)∙(23,37-20) / (20-25) = 0,05 г/л.
По формуле (4.10) рассчитываем дозу нитрифицирующего ила
αin:
αin = 1,2αis ∙
Cnen − Cnex
35 − 2
= 1,2 ∙ 0,05 ∙
= 0,44 г/л.
t αtm
4,61
Определяем концентрацию активного ила по сухому веществу α
по формуле (4.11), при зольности ила s = 0,3:
α=
αi + αin
4,93 + 0,44
=
= 7,67 г/л.
1−s
1 − 0,3
По формулам (4.12) и (4.13) находим удельный прирост активного ила Кg и суточное количество избыточного активного ила G:
K g = 41,7 ∙
= 41,7 ∙
α ∙ t αtm
=
(Len − Lex ) ∙ θ
7,67 ∙ 4,56
= 0,56 мг/(мг ∙ БПКполн )
(130 − 20) ∙ 23,37
K g (Len − Lex ) ∙ Q w
0,56 ∙ (130 − 10) ∙ 33670
=
1000
1000
= 2263 кг/сут.
𝐺=
Пример 3.
Исходные данные. Суточный расход городских сточных вод Qw
=66120м3 в сутки; концентрация азота N–NО3‾ в поступающей на денитрификацию сточной воде Cden en = 31 мг/л, в очищенной сточной
87
воду: Cden eх = 6 мг N–NO3‾/л. Применяемый углеродный субстрат –
этанол.
Задание. Рассчитать денитрификатор проточного типа.
Расчет. Принимаем иловый индекс J = 100 см3/г, зольность ила
s = 0,3. По формуле (4.14) рассчитываем предельную дозу денитрифицирующего ила αdn
i max :
1000 ∙ s 1000 ∙ 0,3
αdn
=
= 3 г/л.
i max =
Ji
100
Для этанола по табл. 4.4 находим необходимые константы:
ρdn
max =
= 44,9 мг N–NO3/(г∙ч); константу Михаэлиса‒Ментен Kdn = 25 мг N–
NO3/л; коэффициент ингибирования φdn = 0,17 л/г.
Определяем удельную скорость денитрификации ρdn по формуле
(4.15):
dn
Cex
dn
dn
ρ = ρmax dn
=
(Cex + K dn ) ∙ (1 + φdn ∙ αdn
)
i
= 44,9
6
= 5,76 мг N– NO3 /(г ∙ ч).
(6 + 25) ∙ (1 + 0,17 ∙ 3)
Для проведения денитрификации выбираем реактор–денитрификатор, работающий в режиме вытеснителя, и по формуле (4.17)
определяем продолжительность пребывания сточной воды в денитрификаторе tdnv:
dn
Cen
1 + φdn ∙ αdn
i
t dnv =
−
+ 2,3K dn lg dn ] ∙
=
dn
Cex
ρdn ∙ αi
31 1 + 0,17 ∙ 3
= [(31 − 6) + 2,3 ∙ 25 ∙ 𝑙𝑔 ] ∙
= 5,77 ч.
6
5,76 ∙ 3
dn
[(Cen
dn
Cex
)
По формуле (4.18) находим объем денитрификатора Wdn:
Wdn = Qw∙ tdn/24 = 66120∙5,77 / 24 = 15900 м3.
4.3. Примеры возможных
денитрификации [5]
вариантов
88
схем
нитрификации–
Удаление азота из сточной воды методом нитрификации–
денитрификации может осуществляться по различным схемам (”а”,
”б” и ”в”) [2].
При удалении азота из сточной жидкости по схеме ”а” денитрификатор устанавливается вначале схемы биологической очистки.
При этом в качестве органического субстрата используются загрязнения поступающей на очистку сточной жидкости. При недостатке органического субстрата необходимо в сточную жидкость ввести дополнительное количество органического вещества. Если содержание
органического субстрата в сточной воде превышает его количество,
необходимое для восстановления N–NO3‾ в N–N2, то после денитрификатора в схеме необходимо предусмотреть аэротенк, в котором величина БПКполн сточной
воды будет снижаться до 15 мг/л.
Устройство нитрификатора на последней стадии очистки сточных вод не позволяет удалить полностью азот, как в схеме ”б”, а может лишь обеспечить полное окисление азота N–NH4+ в азот N–NO3‾.
Концентрация N–NO3‾ в очищенной сточной воде зависит от степени
рециркуляции активного ила. Чем выше степень рециркуляции активного ила, тем ниже концентрация азота N–NO3‾.
Применяя технологическую схему ”б”, в которой денитрификатор расположен в конце схемы и, используя искусственный органический субстрат, можно удалить практически весь азот из сточной жидкости.
Схема ”в” отличается от схемы ”б” тем, что поступающая из
первичных отстойников сточная жидкость делится на два потока:
один поток направляется в аэротенк, а второй поток – в денитрификатор. При высоких значениях БПКполн осветленной сточной воды исключается применение искусственного органического субстрата. Недостатком этой схемы является присутствие в очищенной сточной воде, сбрасываемой в водоем, азота N–NH4+, поступившего в денитрификатор с осветленной водой. Его концентрация также зависит от
степени рециркуляции активного ила.
Технологические схемы по удалению азота методом нитрификации–денитрификации включают аэротенки, нитрификаторы, денитрификаторы, постаэраторы. Ниже приводится алгоритм расчета нитрификаторов–денитрификаторов по технологической схеме ”а” (рис.
4.2) [5].
89
воздух
СН3ОН
а
воздух
5
1
4
2
3
7
8
воздух
воздух
2
3
СН 3ОН
воздух
б
1
4
8
воздух
в
7
воздух
воздух
1
2
3
4
8
6
5
5
6
7
Рис. 4.2. Возможные схемы удаления азота из сточной воды методом нитрификации-денитрификации: 1 – первичный отстойник; 2 – аэротенк;
3 – нитрификатор; 4 – денитрификатор; 5 – вторичный отстойник; 7 – насосная
станция циркулирующего ила; 8 – циркулирующий ил
Пример.
Исходные данные. Суточный расход сточных вод Qсут = 50 000
3
м сут, максимальный расход сточных вод qmax = 3150 м3/ч, Кgen max =
1,51, концентрация взвешенных веществ поступающих вод Сen = 250
мг/л, БПКполн поступающих сточных вод Len = 270 мг/л, рН поступа90
ющих сточных вод = 8,0, эффективность удаления взвешенных веществ Эосв = 50 %, температура поступающих сточных вод Тзим =
130С, Тлет = 200С, 𝐶𝑁−𝑁𝐻4 = 34 мг/л, СN-Nорг = 2 мг/л, Спдк
N−NH4 = 0,4 мг/л,
пдк
CN−NO
= 9 мг/л. Водоем рыбохозйственного назначения, категория
3
водоема 1.
Задание. Рассчитать аэротенк–нитрификатор–денитрификатор.
Расчет. 1. Рассчитываем концентрацию взвешенных веществ
Сcdp в воде, поступающей в денитрификатор из первичных отстойников, работающих с эффективностью Эосв =50%:
С𝐞𝐧 ∙ (𝟏𝟎𝟎 − Эосв )
(4.19)
, мг/л
𝟏𝟎𝟎
где Cen – концентрация взвешенных веществ в воде, поступающей на
очистные сооружения, мг/л; Эосв – эффективность удаления взвешенных веществ в первичном отстойнике, %.
250 ∙ (100 − 50)
Сcdp =
= 125 мг/л.
100
С𝐜𝐝𝐩 =
2. Рассчитываем БПКполн Lcdp сточной воды, поступающей в денитрификатор из первичного отстойника с Эосв = 50 %:
Lcdp = Len - [0,01∙ Cen∙ Эосв.∙(1-s)],
(4.20)
где где Len – БПК сточной воды, поступающей на очистные сооружения, мг/; s – зольность частиц, поступающих со сточной водой в аэротенк, принимается равной (0,25÷0,3).
Lcdp = 270 - [0,01∙250∙50∙(1-0,3)] = 183 мг/л.
3. Рассчитаем прирост активного ила Пi в денитрификаторе и
аэротенке:
Пi = 0,8∙ Сcdp + 0,3∙Lcdp = 0,8∙125 + 0,3∙183 = 155 мг/л. (4.21)
4. Рассчитываем количество азота ∆N, пошедшее на синтез клеток микроорганизмов в денитрификаторе и аэротенке:
∆Nden, ar = (Пi) ∙ Mden, ar ∙m ∙ (1-s),
(4.22)
где Мden,ar – доля микроорганизмов в активном иле, принимается равной 0,2÷0,3; m – доля азота в клетках микроорганизмов в пересчете на
сухое вещество, принимается равной 0,05÷0,15.
∆Nden,ar = 155∙0,3∙0,1∙(1-0,3) = 3,3 мг/л.
91
5. Рассчитываем концентрацию азота органического, поступающего в денитрификатор из первичного отстойника:
С𝐍−𝐍орг
𝐜𝐝𝐩
=
𝐂𝐍−𝐍орг ∙ (𝟏𝟎𝟎 − Эосв )
𝟏𝟎𝟎
, мг/л
(4.23)
где СN-Nорг – концентрация азота органического, содержащегося в
сточной воде, поступающей на очистные сооружения, мг/л.
4 ∙ (100 − 50)
СN−Nорг
=
= 2 мг/л.
cdp
100
6. Требуемая степень рециркуляции активного ила в системе
«вторичный отстойник – аэротенк – вторичный отстойник», обеспечивающая снрижение N–NO3 в очищенной воде до значений, соответствующих ПДК (9 мг/л), определяется из уравнения материального
баланса по азоту
пдк
Спдк
𝑵−𝑵𝑶𝟑 + ∆𝑵𝒅𝒆𝒏,𝒂𝒓 + 𝑪𝑵−𝑵𝑯𝟒 =
(𝑪𝑵−𝑵𝑯𝟒 + 𝑪𝑵−𝑵орг )
(4.24)
𝟏 + 𝑹𝒊
где СN−NO3 – концентрация азота нитратов, содержащихся в сточной
воде, поступающей на очистные сооружения, мг/л; CN−NH4 – концентрация азота аммонийного, содержащегося в сточной воде, поступающей на очистные сооружения, мг/л; CN−Nорг – концентрация органического азота, содержащегося в сточной воде, поступающей на
очистные сооружения, мг/л; Ri – степень рециркуляции активного
ила.
9 + 3,3 + 0,4 = (34 + 2) / 1 + Ri
12,7Ri = 23,93
Ri = 1,88
7. Рассчитываем количество азота нитратов, поступивших в денитрификатор из вторичного отстойника с рециркуляционным потоком:
𝐀 𝐍−𝐍𝐎𝟑 =
𝑪𝒅𝒆𝒏
𝑵−𝑵𝑶𝟑 ∙ 𝑸сут ∙ 𝑹𝟏
𝟏𝟎𝟔
92
, т/сут (4.25)
AN−NO3 =
9 ∙ 50000 ∙ 1,88
= 0,83 т/сут.
106
𝑑𝑒𝑛
8. Рассчитываем концентрацию 𝐶𝑁−𝑁𝑂
в сточной воде, посту3
пающей в денитрификатор с учетом рециркуляционного потока:
𝐝𝐞𝐧
𝐂𝐍−𝐍𝐎
𝟑
ц
С𝐞𝐧
𝐍−𝐍𝐎𝟑 ∙ 𝐐сут + С𝐍−𝐍𝐎𝟑 ∙ 𝐐ц
, мг/л (4.26)
𝐐сут + 𝐐ц
ц
где Сen
N−NO3 и СN−NO3 – концентрация азота нитратного соответственно
в исходной сточной воде и циркулирующем иле и составляет соответственно 0 и 9 мг/л; Qсут и Qц – расход сточной воды и циркулирующего ила
=
Qц = Qсут ∙ Ri
(4.27)
Qц = 50000 ∙ 1,88 = 94000 м3/сут
den
CN−NO
=
3
0 + 9 ∙ 94000
= 5,85 мг/л
50000 + 94000
9. Рассчитываем количество загрязнений по БПКполн, затраченных в денитрификаторе на восстановление азота нитратного
𝒅𝒆𝒏
𝑨вос
∙ 𝐀 𝐍−𝐍𝐎𝟑 = 4 ∙ 0,83 = 3,32 т/cут
𝑳 = 𝑲𝒊
(4.28)
где K den
– коэффициент, принимаемый равным 4 для обеспечеi
ния полного восстановления нитратов до N2 (БПКполн : С𝐍𝐎𝟑 = 4: 1).
10. Рассчитываем количество загрязнений по БПКполн, поступающих в денитрификатор:
𝐋𝐜𝐝𝐩 ∙ 𝐐сут
183 ∙ 50000
(4.29)
А𝐝𝐞𝐧
=
=
= 9,15 т/сут
𝐋
𝟏𝟎𝟔
106
11. Рассчитываем количество загрязнений по БПКполн, поступающих в аэротенк:
(АL)at = (АL)ден - (АL)вос = 9,15 - 3,4 = 5,75 т/сут (4.30)
93
12. Рассчитываем значение БПКполн в сточной воде, поступающей в аэротенк:
(А𝐋 )𝛂𝐭𝐩 ∙ 𝟏𝟎𝟔
5,75 ∙ 106
(𝐋𝐞𝐧 )аэр =
(4.31)
=
= 115 мг/л.
𝐐сут
50000
13. Рассчитываем продолжительность обработки сточной воды в
денитрификаторе:
𝐝𝐞𝐧
𝐭 𝐝𝐞𝐧 =
(𝐂𝐍−𝐍𝐎𝟑 )
𝐞𝐧
𝐝𝐞𝐧
− (𝐂𝐍−𝐍𝐎𝟑 )
𝛂𝐢 (𝟏 − 𝐬𝐢𝐝𝐞𝐧 ) ∙ 𝛒𝐝𝐞𝐧
den
𝐞𝐱
∙
𝟐𝟎
, ч (4.32)
𝐓𝐰з
den
где (CN−NO3 )
и (CN−NO3 )
– концентрация нитрат-ионов на входе и выходе
en
ex
из денитрификатора; αi – доза ила в денитрификаторе (1÷5 мг/л), рекомендуется оптимальная концентрация 2 мг/л; ρden – скорость восстановления нитратов в
денитрификаторе, принимается в зависимости от начального значения нитратов
по табл. 4.5; siden – зольность активного ила, принимается равной 0,25÷0,3; Tw –
температура сточной воды для самого неблагоприятного холодного времени года, 0С.
Таблица 4.5– Зависимость скорости восстановления нитратов
от их концентрации [5, с.12]
(CN-NO3)enден, мг/л
ρden, мг/(г∙ч)
10
7,5
t den =
20
11,5
30
13,5
40
15
50
17
60
17,5
70
18,5
80
19
6−0
20
∙
= 0,9 ч.
2 ∙ (1 − 0,3) ∙ 7,5 13
14. Рассчитываем объем денитрификатора:
𝐖𝐝𝐞𝐧 = 𝐪𝐦 ∙ 𝐭 𝐝𝐞𝐧 ∙ (𝟏 + 𝐑 𝐢 ), м3
(4.33)
где qm – средний расход сточной воды, поступающий на сооружения биологической очистки при t den = 0,9 ч; (qm = qmax = 3150 м3/ч),
𝑊den = 3150 ∙ 0,9 ∙ (1 + 1,88) = 8165 м3 .
15. Рассчитываем продолжительность обработки сточной воды в
аэротенке:
94
𝐭 𝛂𝐭 =
𝟏 + 𝛗 ∙ 𝛂𝐢
𝐋𝐞𝐧
[(𝐂𝐨 + 𝐊 𝐨 )(𝐋𝐦𝐢𝐱 − 𝐋𝐞𝐱 ) + 𝐊 𝐥 𝐂𝐨 𝐥𝐧
] ∙ 𝐊𝐩
𝛒𝐦𝐚𝐱 𝐂𝐨 𝛂𝐢 (𝟏 − 𝐬𝐢 )
𝐋𝐞𝐱
𝟏𝟓
∙ з , ч, (4.34)
𝐓𝐰
где φ – коэффициент ингибирования процесса биохимического окисления органических веществ продуктами распада активного ила, принимается равным 0,07
л/г; ρmax – максимальная скорость окисления органических веществ в аэротенке,
принимается равной 85 мг БПКполн/(г∙ч); Cо – концентрация растворенного кислорода в аэротенке, принимается равной 2 мг/л; аi – доза ила в аэротенке, принимается такой же, как и в денитрификаторе 1 ÷ 5 мг/л; si – зольность ила в
аэротенке равна зольности ила в денитрификаторе; Ko – константа, характеризующая влияние кислорода, принимается по табл. 1 Приложения; Lmix – БПКполн
сточной воды с учетом разбавления рециркуляционным расходом; Kl – константа, характеризующая свойства органических загрязнений по БПКполн, принимается по табл. 1 Приложений; Kp – коэффициент, учитывающий влияние продольного перемешивания, принимается 1,5 при очистке до Lex = 15 мг/л и 1,24
при очистке до Lex > 30 мг/л.
Величина 𝐿𝑚𝑖𝑥 читывается по формуле (3.12), в которой вместо
значения 𝐿𝑒𝑛 подставляется величина 𝐿𝑐𝑑𝑝 :
Lmix =
t αt =
183 + 15 ∙ 1,88
= 73,3 мг/л;
1 + 1,88
1 + 0,07 ∙ 2
[(2 + 0,625)(73,3– 15) + 33 ∙ 2 ∙ ln15] ∙ 1,5
85 ∙ 2 ∙ 2 ∙ (1– 0,3)
15
∙
= 1,35 ч
13
16. Рассчитываем требуемый объем аэротенка по формуле (3.5):
Wat = qm ∙ tat = 3150 ∙ 1,35 = 4253 м3.
17. Рассчитаем продолжительность обработки сточной воды в
нитрификаторе:
𝐭 𝐧𝐢𝐭
пдк
(𝐂𝐍−𝐍𝐇𝟒 + 𝐂𝐍−𝐍орг )с𝐝𝐩 − ∆𝐍𝛂𝐭,𝐝𝐞𝐧 − 𝐂𝐍−𝐍𝐇
𝟒 𝟐𝟎
=
∙ з ,ч
𝑻𝒘
𝛂𝐢 (𝟏 − 𝐬𝐢𝐧𝐢𝐭 ) ∙ 𝛒𝐧𝐢𝐭 ∙ 𝐊 𝐩𝐇
95
(4.35)
где αi – доза ила в нитрификаторе, равная дозе ила в аэротенке и денитрификаторе, г/л; sinit – зольность ила в нитрификаторе принимается выше, чем в аэротенке
и динитрификаторе, поскольку процесс денитрификации сопровождается минерализацией органических веществ, однако для академического проекта sinit можно принять равной 0,3; ρnit – скорость окисления азота аммонийного принимается
согласно рекомендации данным табл.4.6; Крн – коэффициент, учитывающий влияние рН принимается по табл.4.7
Таблица 4.6 – Зависимость скорости окисления аммонийного азота
от его концентрации [5, с.14]
CN−NH4 ,мг/л
ρnit, мг/(г∙ч)
90
22,5
70
19,5
50
15,6
30
11
20
4
5
2,5
Таблица 4.7 – Значение коэффициента Крн от величины рН
[5, с.15]
рН
Крн
6
0,15
t nit =
6,5
0,31
7
0,5
7,5
0,6
8
0,84
8,4
1,0
9
1,23
(34 + 2) − 33 − 0,4
20
∙
= 3 ч.
2(1 − 0,3) ∙ 12,38 ∙ 0,95 13
18. Рассчитаем требуемый объем нитрификатора:
Wnit = qm ∙ tnit = 3150 ∙ 3 = 9450 м3
19. Рассчитаем требуемый общий объем сооружения:
Wобщ. = Wден + Wаt + Wnit = 8165 + 4253 + 9450 = 21868 м3
20. Подбираем по табл. 66.18 [4] аэротенк–нитрификатор–
денитрификатор. Принимаем 3 секции четырех коридорного аэротенка (проект А-4-6-4,4):
Ширина коридора – 6 м; Ширина секции – 24 м; Глубина секции – 4,4 м;
Длина секции – 72 м; Объем секции – 7600 м3; Общий объем –
22800 м3.
21. Размеры денитрификатора, аэротенка и нитрификатора
L = Loбщ ∙ Ln,
(4.36)
где Loбщ – общая длина коридора в секции, м.
Loбщ = 72 ∙ 4 = 288 м; Lat = 288 ∙ 0,2 = 57 м;
96
Lden = 288 ∙ 0,37 = 107 м; Lnit = 288 ∙ 0,43 = 124 м
иловая
смесь
24 м
нитрификатор
аэротенк
ЦАИ
денитрификатор
сточная
жидкость
72 м
Рис. 4.3. Распределение объема аэрационного сооружения
между денитрификатором, аэротенком и нитрификатором
22. Требуемый удельный расход воздуха в аэротенке и нитрификаторе:
𝒒𝜶𝒊𝒓
экв
𝒒𝒐 [(𝑳𝒄𝒅𝒑 − 𝑳𝒆𝒙 ) + (𝑳экв
𝒆𝒏 − 𝑳𝒆𝒙 )]
=
, м3 /(м3 ∙ ч)
(
)
𝑲𝟏 𝑲𝟐 𝑲𝟑 𝑲𝟒 𝑪𝜶 − 𝑪𝒐
(4.37)
где К1, К2, КТ, К3, Cα и Co – то же, что и в формуле (3.24); Lэкв
en – количество кислорода, необходимое для полного окисления азота; Lэкв
–
количество
кислорода,
ex
необходимое для окисления оставшегося азота:
𝑳экв
𝒆𝒏 = (𝐂𝐍−𝐍𝐇𝟒 + 𝐂𝐍−𝐍орг – ∆𝐍𝐝𝐞𝐧,аэр ) ∙ 3,43 = (34+2-3,3)∙3,43 =112 мг/л
пдк
𝑳экв
𝒆𝒙 = 𝐂𝐍−𝐍𝐇𝟒 ∙ 𝟑, 𝟒𝟑 = 0,4 ∙ 3,43 = 1,4 мг/л.
С𝛂 = С𝒎 (𝟏 +
𝑯𝜶𝒊𝒓 𝑷атм
)
, мг/л (4.38)
𝟐𝟎, 𝟔 𝑷нор
где Сα – растворимость кислорода в сточной жидкости при заданной температуре; Сm – растворимость кислорода воздуха в дистиллированной воде при самой
неблагоприятной температуре, принимается по табл. 3.3 или табл. 12 Приложений; Ратм – расчетное атмосферное давление района проектирования, принимается равным минимальному значению, например, 720 мм рт. ст.; Рнорм – нормальное атмосферное давление равно 760 мм рт. ст.
97
Сα = 8,84 (1 +
𝑞𝛼𝑖𝑟 =
4,2 720
)
= 10,1 мг/л
20,6 760
1,1[(117 − 15) + (112 − 1,4)]
= 9,7 м3 /(м3 ∙ ч).
1,34 ∙ 2,6 ∙ 1,02 ∙ 0,85(10,1 − 2)
23. Общий расход воздуха, подаваемый в аэротенк и нитрификатор:
Qair = qair ∙ qmax = 9,7 ∙ 3150 = 30555 м3/ч
(4.39)
24. Рассчитываем количество избыточного ила, удаляемого из
биологической системы:
∆Ni = Ni - αt = 155 - 10 = 145 мг/л,
(4.40)
где αt – вынос частиц активного ила из вторичных отстойников.
25. Рассчитываем суточное количество избыточного ила по сухому веществу:
Ai = ∆Ni ∙ Qсут / 106 = 145 ∙ 50000 / 106 = 7,25 т/сут (4.41)
26. Рассчитаем объем избыточного активного ила:
(𝐕𝐢 )иаи =
𝟏𝟎𝟎 ∙ (𝐀 𝐢 )общ
100 ∙ 7,25
=
= 2339 м3 /сут. (4.42)
(𝟏𝟎𝟎– 𝐖влаж ) ∙ 𝛄
(100– 99,7) ∙ 1
98
5. Задачи для самостоятельного решения
5.1. Биофильтры
1. Суточный расход сточных вод Qw = 750 м3/сут; БПК5 поступающей сточной воды Len = 205 мг/л; БПК5 очищенной сточной воды
Lex = 15 мг/л; среднезимняя температура Tw = 12 0С.
Задание. Рассчитать дисковый погружной биофильтр.
2. Суточный расход сточных вод Qw = 850 м3/сут; БПК5 поступающей сточной воды Len = 215 мг/л; БПК5 очищенной сточной воды
Lex = 10 мг/л; среднезимняя температура Tw = 14 0С.
Задание. Рассчитать дисковый погружной биофильтр.
3. Суточный расход сточных вод Qw = 900 м3/сут; БПК5 поступающей сточной воды Len = 220 мг/л; БПК5 очищенной сточной воды
Lex = 20 мг/л; среднезимняя температура Tw = 11 0С.
Задание. Рассчитать дисковый погружной биофильтр.
4. Исходные данные. Суточный расход сточных вод Qw = 26000
3
м /сут; БПКполн поступающей сточной воды Len = 135 мг/л; БПКполн
очищенной сточной воды Lex = 15 мг/л; среднезимняя температура Tw
= 12 0С.
Задание. Рассчитать биофильтр с плоскостной пластмассовой
загрузкой.
5. Исходные данные. БПК5 поступающей сточной и очищенной
воды Len = 150 мг/л и Lex = 15 мг/л. Суточный расход сточных вод Qw
= 25500 м3/сут. Среднезимняя температура Tw = 14 0С.
Задание. Рассчитать биофильтр с плоскостной загрузкой. В
качестве загрузки биофильтра использовать асбестоцементные листы
(пористость Р = 85 % и удельная поверхность Sуд = 80 м2/м2) высотой
Нpf = 4 м.
6. Исходные данные. Суточный расход сточных вод Qw = 14000
3
м /сут; БПКполн поступающей сточной воды Len = 210 мг/л; БПКполн
очищенной сточной воды Lex = 16 мг/л; среднезимняя температура Tw
= 10 0С; количество БПКполн в сточной воде на одного жителя в сутки
α = 40 г/(чел∙сут).
Задание. Рассчитать высоконагружаемый фильтр.
7. Исходные данные. Суточный расход сточных вод Qw = 15200
3
м /сут; БПКполн поступающей сточной воды Len = 200 мг/л; БПКполн
очищенной сточной воды Lex = 12 мг/л; среднезимняя температура Tw
= 13 0С; количество БПКполн в сточной воде на одного жителя в сутки
α = 40 г/(чел∙сут).
Задание. Рассчитать высоконагружаемый фильтр.
99
8. Исходные данные. Суточный расход сточных вод Qw = 13200
м /сут; БПКполн поступающей сточной воды Len = 215 мг/л; БПКполн
очищенной сточной воды Lex = 14 мг/л; среднезимняя температура Tw
= 12 0С; количество БПКполн в сточной воде на одного жителя в сутки
α = 40 г/(чел∙сут).
Задание. Рассчитать высоконагружаемый фильтр.
9. Исходные данные. Суточный расход сточных вод Qw = 14000
3
м /сут; БПКполн поступающей сточной воды Len = 210 мг/л; БПКполн
очищенной сточной воды Lex = 16 мг/л; среднезимняя температура Tw
= 10 0С; количество БПКполн в сточной воде на одного жителя в сутки
α = 40 г/(чел∙сут).
Задание. Рассчитать высоконагружаемый фильтр с рециркуляцией воды.
10. Исходные данные. Суточный расход сточных вод Qw = 15200
3
м /сут; БПКполн поступающей сточной воды Len = 200 мг/л; БПКполн
очищенной сточной воды Lex = 12 мг/л; среднезимняя температура Tw
= 13 0С; количество БПКполн в сточной воде на одного жителя в сутки
α = 40 г/(чел∙сут).
Задание. Рассчитать высоконагружаемый фильтр с рециркуляцией воды.
11. Исходные данные. Суточный расход сточных вод Qw = 13200
3
м /сут; БПКполн поступающей сточной воды Len = 215 мг/л; БПКполн
очищенной сточной воды Lex = 14 мг/л; среднезимняя температура Tw
= 12 0С; количество БПКполн в сточной воде на одного жителя в сутки
α = 40 г/(чел∙сут).
Задание. Рассчитать высоконагружаемый фильтр с рециркуляцией воды.
12. Исходные данные. Суточный расход сточных вод Qw = 800
3
м /сут; БПКполн поступающей сточной воды Len = 160 мг/л; БПКполн
очищенной сточной воды Lex = 12 мг/л; среднезимняя температура Tw
= 10 0С; количество БПКполн в сточной воде на одного жителя в сутки
α = 40 г/(чел∙сут).
Задание. Рассчитать капельный биофильтр.
13. Исходные данные. БПКполн поступающей сточной воды Len =
260 мг/л, суточный расход сточных вод Qw = 800 м3/сут; БПКполн очищенной сточной воды Lex = 12 мг/л; среднезимняя температура Tw=10
0
С; количество БПКполн в сточной воде на одного жителя в сутки α =
40 г/(чел∙сут).
Задание. Рассчитать капельный биофильтр.
3
100
5.2. Аэротенки
14. Исходные данные. Расчетный расход сточных вод qw = 2150
3
м /ч; суточный расход Q = 78000 м3/сут; БПКполн поступающей сточной воды Len = 120 мг/л; БПКполн очищенной сточной воды Lex = 13
мг/л; концентрация взвешенных веществ в поступающей сточной воде Ccdp = 115 мг/л.
Задание. Рассчитать аэротенки-смесители.
15. Исходные данные. Расчетный расход сточных вод qw = 1980
3
м /ч; суточный расход Q = 67000 м3/сут; БПКполн поступающей сточной воды Len = 180 мг/л; БПКполн очищенной сточной воды Lex = 18
мг/л; концентрация взвешенных веществ в поступающей сточной воде Ccdp = 145 мг/л.
Задание. Рассчитать аэротенки-смесители.
16. Исходные данные. Расчетный расход сточных вод qw = 3180
3
м /ч; суточный расход Q = 100000 м3/сут; БПКполн поступающей сточной воды Len = 147 мг/л; БПКполн очищенной сточной воды Lex =
15мг/л; концентрация взвешенных веществ в поступающей сточной
воде Ccdp = 135 мг/л.
Задание. Рассчитать аэротенки-вытеснители.
17. Исходные данные. Расчетный расход сточных вод qw = 2350
3
м /ч; суточный расход Q = 79000 м3/сут; БПКполн поступающей сточной воды Len = 160 мг/л; БПКполн очищенной сточной воды Lex = 20
мг/л; концентрация взвешенных веществ в поступающей сточной воде Ccdp = 110 мг/л.
Задание. Рассчитать аэротенки-смесители.
18. Исходные данные. Расчетный расход сточных вод qw = 2680
3
м /ч; суточный расход Q = 80000 м3/сут; БПКполн поступающей сточной воды Len = 240 мг/л; БПКполн очищенной сточной воды Lex = 20
мг/л; концентрация взвешенных веществ в поступающей сточной воде Ccdp = 150 мг/л.
Задание. Рассчитать аэротенки-вытеснители.
19. Исходные данные. Расчетный расход сточных вод qw = 2860
3
м /ч; суточный расход Q = 81000 м3/сут; БПКполн поступающей сточной воды Len = 130 мг/л; БПКполн очищенной сточной воды Lex = 15
мг/л; концентрация взвешенных веществ в поступающей сточной воде Ccdp = 125 мг/л.
Задание. Рассчитать аэротенки-вытеснители.
20. Исходные данные. Расчетный расход сточных вод qw = 2480
3
м /ч; суточный расход Q = 70000 м3/сут; БПКполн поступающей сточ101
ной воды Len = 130 мг/л; БПКполн очищенной сточной воды Lex = 20
мг/л; концентрация взвешенных веществ в поступающей сточной воде Ccdp = 120 мг/л.
Задание. Рассчитать аэротенки-смесители.
21. Исходные данные. Расчетный расход сточных вод qw = 3440
3
м /ч; суточный расход Q = 110000 м3/сут; БПКполн поступающей сточной воды Len = 175 мг/л; БПКполн очищенной сточной воды Lex = 20
мг/л; концентрация взвешенных веществ в поступающей сточной воде Ccdp = 140 мг/л.
Задание. Рассчитать аэротенки-вытеснители.
22. Исходные данные. Расчетный расход сточных вод qw = 2100
3
м /ч; суточный расход Q = 60000 м3/сут; БПКполн поступающей сточной воды Len = 180 мг/л; БПКполн очищенной сточной воды Lex = 15
мг/л; концентрация взвешенных веществ в поступающей сточной воде Ccdp = 120 мг/л.
Задание. Рассчитать аэротенки-смесители.
23. Исходные данные. Расчетный расход сточных вод qw = 2840
3
м /ч; суточный расход Q = 90000 м3/сут; БПКполн поступающей сточной воды Len = 230 мг/л; БПКполн очищенной сточной воды Lex = 15
мг/л; концентрация взвешенных веществ в поступающей сточной воде Ccdp = 160 мг/л.
Задание. Рассчитать аэротенки-вытеснители.
24. Исходные данные. Расчетный расход сточных вод qw = 1980
3
м /ч; суточный расход Q = 70000 м3/сут; БПКполн поступающей сточной воды Len = 125 мг/л; БПКполн очищенной сточной воды Lex = 20
мг/л; концентрация взвешенных веществ в поступающей сточной воде Ccdp = 135 мг/л.
Задание. Рассчитать аэротенки-смесители.
25. Исходные данные. Расчетный расход сточных вод qw = 2240
3
м /ч; суточный расход Q = 78000 м3/сут; БПКполн поступающей сточной воды Len = 160 мг/л; БПКполн очищенной сточной воды Lex = 15
мг/л; концентрация взвешенных веществ в поступающей сточной воде Ccdp = 160 мг/л.
Задание. Рассчитать аэротенки-смесители.
26. Исходные данные. Расчетный расход сточных вод qw = 31800
3
м /ч; суточный расход Q = 115000 м3/сут; БПКполн поступающей сточной воды Len = 250 мг/л; БПКполн очищенной сточной воды Lex = 20
мг/л; концентрация взвешенных веществ в поступающей сточной воде Ccdp = 140 мг/л. Рассчитать аэротенки-вытеснители.
102
5.3. Аэротенки–нитрификаторы, денитрификаторы
27. Исходные данные. Суточный расход городских сточных вод
Qw =23400 м3 в сутки; в поступающих на нитрификацию сточных водах N–NH4+ Cnen = 75 мг/л, в очищенных сточных водах: N–NH4+ Cneх =
3 мг/л. Сточные воды имеют значение рН = 7,9 и среднемесячную
температуру сточной воды за летний период Tw = 21 0С.
Задание. Рассчитать аэротенки–нитрификаторы.
28. Исходные данные. Суточный расход городских сточных вод
Qw =28600 м3 в сутки; в поступающих на нитрификацию сточных водах N–NH4+ Cnen = 80 мг/л, в очищенных сточных водах: N–NH4+ Cneх =
2 мг/л. Сточные воды имеют значение рН = 7,6 и среднемесячную
температуру сточной воды за летний период Tw = 22 0С.
Задание. Рассчитать аэротенки–нитрификаторы.
29. Исходные данные. Суточный расход городских сточных вод
Qw =26800 м3 в сутки; в поступающих на нитрификацию сточных водах N–NH4+ Cnen = 105 мг/л, в очищенных сточных водах: N–NH4+ Cneх
= 4 мг/л. Сточные воды имеют значение рН = 8,2 и среднемесячную
температуру сточной воды за летний период Tw = 23 0С.
Задание. Рассчитать аэротенки–нитрификаторы.
30. 29. Исходные данные. Суточный расход городских сточных
вод Qw =24300 м3 в сутки; в поступающих на нитрификацию сточных
водах N–NH4+ Cnen = 95 мг/л, в очищенных сточных водах: N–NH4+ Cneх
= 3 мг/л. Сточные воды имеют значение рН = 8,0 и среднемесячную
температуру сточной воды за летний период Tw = 21 0С.
Задание. Рассчитать аэротенки–нитрификаторы.
31. 30. 29. Исходные данные. Суточный расход городских сточных вод Qw =25900 м3 в сутки; в поступающих на нитрификацию
сточных водах N–NH4+ Cnen = 70 мг/л, в очищенных сточных водах: N–
NH4+ Cneх = 2 мг/л. Сточные воды имеют значение рН = 8,1 и среднемесячную температуру сточной воды за летний период Tw = 23 0С.
Задание. Рассчитать аэротенки–нитрификаторы.
32. Исходные данные. Суточный расход городских сточных вод
Qw =30170 м3 в сутки; в поступающих на нитрификацию сточных водах N–NH4+ Cnen = 45 мг/л, БПКполн Len = 145 мг/л; в очищенных сточных водах: N–NH4+ Cneх = 1 мг/л, БПКполн Leх = 8 мг/л. Сточные воды
имеют значение рН = 8,1 и среднемесячную температуру сточной воды за летний период Tw = 19 0С.
Задание. Рассчитать аэротенки–нитрификаторы в присутствии
биоразлагаемых органических веществ.
103
33. Исходные данные. Суточный расход городских сточных вод
Qw =35600 м3 в сутки; в поступающих на нитрификацию сточных водах N–NH4+ Cnen = 39 мг/л, БПКполн Len = 150 мг/л; в очищенных сточных водах: N–NH4+ Cneх = 2 мг/л, БПКполн Leх = 10 мг/л. Сточные воды
имеют значение рН = 8,0 и среднемесячную температуру сточной воды за летний период Tw = 20 0С.
Задание. Рассчитать аэротенки–нитрификаторы в присутствии
биоразлагаемых органических веществ.
34. Исходные данные. Суточный расход городских сточных вод
Qw =59620м3 в сутки; концентрация азота N–NО3‾ в поступающей на
денитрификацию сточной воде Cden en = 48 мг/л, в очищенной сточной
воду: Cden eх = 3 мг N–NO3‾/л. Применяемый углеродный субстрат –
метанол.
Задание. Рассчитать денитрификатор проточного типа.
35. Исходные данные. Суточный расход городских сточных вод
Qw =63700 м3 в сутки; концентрация азота N–NО3‾ в поступающей на
денитрификацию сточной воде Cden en = 39 мг/л, в очищенной сточной воду: Cden eх = 4 мг N–NO3‾/л. Применяемый углеродный субстрат
– этанол.
Задание. Рассчитать денитрификатор проточного типа.
104
ПРИЛОЖЕНИЕ
Таблица 1– Расчетные характеристики отдельных видов сточных
[1, табл. 1, с. 117; 4, табл. 40, с.36]
Сточные воды
Городские
Производственные:
• нефтеперерабатывающих заводов
I система
II система
• азотной промышленности
• заводов синтетического каучука
• целлюлозно-бумажной промышленности
сульфатно-целлюлозное производство
сульфитно-целлюлозное производство
• заводов искусственного волокна
• фабрик первичной обработки шерсти
I ступень
IIcтупень
• дрожжевых заводов
• заводов органического синтеза
• микробиологической промышленности
производство лизина
производство биовита и витамицина
• свинооткормочных комплексов
I ступень
II ступень
вод
Ρmax, мг
БПКп/(г∙ч)
85
К1, мг
БПКп/л
33
Ко,
мгО2/л
0,625
φ,
л/г
0,07
0,3
33
59
140
80
3
24
6
30
1,81
1,66
2,4
0,6
0,17
0,16
1,1
0,06
–
–
–
0,1
650
700
90
100
90
35
1,5
1,6
0,7
2
2
0,27
0,16
0,17
–
32
6
232
83
156
33
90
200
–
–
1,66
1,7
0,23
0,2
0,16
0,27
–
–
0,35
–
280
1720
28
167
1,67
1,5
0,17
0,98
0,15
0,12
45
15
55
72
1,6
1,68
0,18
0,17
0,25
0,3
s
Таблица 2 – Параметры аэраторов из фильтросных труб при потере
напора 0,3÷1м [3, табл. 3, с. 118]
Диаметр, мм
наружный
242
260
288
внутренний
184
200
228
Длина участков аэраторов, м
на 1 стояк, при допустимой
неравномерности аэрации
5%
10%
15%
25
43
53
29
51
60
33
56
72
Удельная производительность, м3(м∙ч)
Перепад давления,
кПа
30÷112
35÷115
40÷126
3÷10
Таблица 3 – Параметры аэраторов из фильтросных пластин при потере
напора 0,2÷1 м [3, табл. 2, с. 117]
Размеры каналов, мм
ширина
250
250
глубина
100
200
Длина участков аэраторов,
м на 1 стояк, при допустимой неравномерности аэрации
5%
10%
15%
64
78
88
120
146
150
105
Удельная производительность, м3(м∙ч)
Перепад
давления,
кПа
30
2÷10
Таблица 4 – Параметры аэраторов из дырчатых труб с отверстиями
диаметром 3 мм при потерях напора 0,15 м [3, табл. 4, с. 118]
Диаметр, мм
условный
проход
наружный
Длина участков
аэраторов, м на 1
стояк, при допустимой неравномерности аэрации
Отверстия
Диаметр,
мм
50
60
3
80
88,5
3
100
114
3
Удельная
производительность,
м3(м∙ч)
Кол-во на
1 м аэратора
20
40
80
5%
13
5,7
2,6
10%
15,5
9,6
4
15%
17,2
13,6
5
18
36,5
73
40
80
120
40
80
120
20
7
4,5
27,3
11,3
7,1
24
10,7
6,7
34,2
17,4
10,7
26,5
14
8,5
37,9
23,4
13,6
36,5
73
110
36,5
73
110
Таблица 5– Основные параметры типовых аэротенков–смесителей
[3, табл. 13, с. 123]
Ширина
Рабочая
Число Рабочий Длина
коридора, глубина коридообъм
секции,
м
аэротенка,
ров
секции,
м
3
м
м
3
1,2
2
170
24
260
36
4
4,5
2
864
24
1296
36
6
5
3
9
5,2
4
3780
5400
7560
21680
28080
106
42
60
83
120
150
Тип
аэрации
Номер
типового
проекта
Механическая
902-2-94
902-2-95/96
902-2215/216
902-2217/218
902-2-268
902-2-269
902-2-211
902-2120/72
902-2-264
Низконапорная
Пневматическая
Пневматическая
Таблица 6 – Основные параметры типовых аэротенков–вытеснителей
[3, табл. 14, с. 123]
Рабочий объем одной секции, м3 при ее длине, м
bcor,
м
Нat, ncor
м
м
2
4,5
3,2
3
4
2
4,5
4,4
3
4
6
6
4,4
5
4,4
48-54
10401213
15601820
20702416
14201658
21402496
28503325
13861559
20802340
27623108
18962134
28523208
38004275
25302847
38004275
5700
72-78
84-90
96-102
108-114
1732
–
–
–
–
2600
–
–
–
–
- 192
3494-3800
2372
–
–
–
–
- 178
–
–
–
–
- 195
3564
–
–
–
–
- 193
47505225
31543471
47505225
53346968
36003960
54005940
72207940
–
–
–
–
- 178
3788
–
–
–
- 196
5700
–
–
–
- 192
6870
–
–
- 179
–
–
–
- 196
–
–
–
- 193
–
–
- 179
8455
- 197
12835
- 194
1710018050
9720
- 180
14580
- 194
1944020520
- 180
60-66
2
–
3
–
4
–
2
–
3
–
4
–
28803240
43204860
6500
2
–
–
–
3
–
–
–
4
–
–
–
2
–
–
–
3
–
–
–
4
–
–
–
9
5
36-42
Типовой
проект
№
9022- 195
76028230
4320
6480
86669380
6180
10100
66557130
9270 998310696
13300–
14250
7020 75608100
10530 1134012150
15120–
16200
107
75057980
1140912122
1520016150
86409180
12960134770
1728018360
- 197
Таблица 7 – Характеристики вентиляторов низкого давления
[3, табл. 8, с. 120]
Марка
вентилятора
ЭВР-2
ЭВР-3
ЭВР-4
ЭВР-5
ЦЧ-70 № 2,5
ЦЧ-70 № 3
ЦЧ-70 № 4
ЦЧ-70 № 5
ЦЧ-70 № 6
ЦЧ-70 № 7
Производительность, м3/ч
200 ÷ 2000
400 ÷ 4000
700 ÷ 8500
1500 ÷ 10000
300 ÷ 2000
400 ÷ 3800
600 ÷ 4500
1000 ÷ 8500
1500 ÷ 14000
2000 ÷ 20000
Напор, мм
Мощность электодвигателя, кВт
0,25 ÷ 1
1 ÷ 1,7
1,7 ÷ 7
2,8 ÷ 7
0,27 ÷ 0,6
0,6 ÷ 1
0,6 ÷ 1
1 ÷ 1,7
1,7 ÷ 4,5
2,8 ÷ 10
15 ÷ 70
15 ÷ 60
10 ÷1 00
15 ÷ 80
10 ÷ 55
10 ÷ 90
8 ÷ 55
8 ÷ 80
8 ÷ 110
8 ÷ 120
Таблица 8 – Характеристики механических поверхностных аэраторов
[3, табл. 10, с.122]
Тип
аэратора
МП 7,5-1,25
МП-15-1,5
МП 37-2
Производительность по
кислороду,
кг/ч
11
15
50
Установленная мощность, кВт
Частота
вращения,
мин‾1
7,5
15
37
59
49
49
Основные размеры
Общая
Диаметр
высота, мм
рабочего
органа, мм
2800
1250
3000
1500
3360
2000
Таблица 9 – Характеристики дисковых механических аэраторов
поверхностного типа [3, табл. 11, с.122]
Диаметр
аэратора
0,5
0,7
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
ПроизводительКоличество
ность по
лопастей
кислороду,
кг/ч
3,33
6
7,03
8
9,58
12
22,91
16
33,33
18
52,08
18
77,5
24
108,33
24
145,83
24
204,16
24
Мощность
(нетто),
кВт
1,2
2,4
3,4
7,5
11,8
18,1
26,5
38,5
52,2
75
108
Размеры
Частота
лопасти, см
вращения,
мин‾1
Высота Длина
133
95
67
48
38
32
27
24
22
21
14
14
13
14
15
18
17
18
20
22
17
20
21
25
30
37
35
40
47
52
Таблица 10 – Характеристики пневмомеханических аэраторов
[3, табл. 12, с.123]
Тип
аэратора
ПМ 22-09
ПМ 55-1,03
ПМ 75-1,12
Производительность по
кислороду,
кг/ч
54
130
190
Расход
сжатого
воздуха,
м3/ч
900
1300
1900
Установленная
мощность,
кВт
22
55
75
Частота
Основные размеры
вращения, Общая Диаметр
мин‾1
высота, турбинки,
мм
мм
130
7600
900
130
8000
1030
130
8100
1120
Талица 11 – Технико–экономические характеристики установок разделения
воздуха [3, табл. 15, с.125]
Марка
установки
К - 0,15
К - 0,4
К - 0,4
К - 1,4
К - 1,4
К-5
Кол-во
блоков в
установке
1
1
2
1
2
1
Производительность по
кислороду, кг/ч
165
420
840
1400
2800
4850
Стоимость
цеха,
тыс. руб
Расход
электроэнергии,
тыс. кВт
134,2
275
505,2
632,18
1164,45
1604,2
1918
4631
956,2
7268
14535,4
24823,5
Годовые
эксплуатационные
затраты,
тыс. руб
73,88
462,23
308,26
306,33
554
848,18
Себестоимость 1 м3
кислорода,
коп
5,5
4,79
4,5
2,85
2,53
2
Таблица 12 – Растворимость кислорода воздуха в дистиллированной воде
[5, прил. 1, с. 28]
Температура сточной
жидкости, 0С
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Растворенный
кислород, мг/л
14,65
14,25
13,86
13,49
13,13
12,79
12,46
12,14
11,84
11,55
11,27
11
10,75
10,5
10,26
10,03
109
Температура сточной
жидкости, 0С
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
Растворенный
кислород, мг/л
9,82
9,61
9,4
9,21
9,02
8,84
8,67
8,5
8,33
8,18
8,02
7,87
7,72
7,58
7,44
Список использованных источников
1. Липунов И.Н., Первова И.Г., Никифоров А.Ф. Основы микробиологии и биотехнологии: учеб. пособие. Екатеринбург: УГЛТУ,
2008. 231 с.
2. Липунов И.Н. Основы химии и микробиологии природных и
сточных вод: учеб. пособие. Екактеринбург: УГЛТА, 1995. 212 с.
3. Гудков А.Г. Биологическая очистка городских сточных вод:
учеб. пособие. Вологда: ВГТУ, 2002. 126 с.
4. Строительные нормы и правила: СНиП 2.04.03–85. Канализация. Наружные сети и сооружения. М.: ЦИТП Госстроя СССР. 1986.
72 с.
5. Абросимова Г.Т. Очистные сооружения канализации. Расчет
нитрификаторов–денитрификаторов: методические указания к курсовому и дипломному проектированию для студентов специальности
290800 «Водоснабжение и водоотведение» в 5 частях. Новосибирск,
Изд–во НГАСУ, 2005. Ч. 5. 28 с.
110