Цена доставки диссертации от 500 рублей 

Поиск:

Каталог / БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ / Биотехнология

Комплексная рециркуляционная модель биохимических процессов аэробной биологической очистки

Диссертация

Автор: Баженов, Виктор Иванович

Заглавие: Комплексная рециркуляционная модель биохимических процессов аэробной биологической очистки

Справка об оригинале: Баженов, Виктор Иванович. Комплексная рециркуляционная модель биохимических процессов аэробной биологической очистки : диссертация ... доктора технических наук : 03.00.23 / Баженов Виктор Иванович; [Место защиты: Всероссийский научно-исследовательский и технологический институт биологической промышленности] - Кашинцево, 2009 - Количество страниц: 341 с. 104 ил. Кашинцево, 2009 445 c. :

Физическое описание: 445 стр.

Выходные данные: Кашинцево, 2009






Содержание:

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность
Цель и задачи
Научная новизна
Практическая значимость
Апробация работы
Глава 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
11 Основные направления развития биологических методов очистки сточных вод
12 Пути разработки технологии управления процессами биологической очистки
13 Управление аэротенками путем внутренней рециркуляции иловой смеси
14 Современное многофункциональное оборудование аэротенков с продольной рециркуляцией иловой смеси
15 Бактериальная флокуляция при перемешивании
16 Экономический анализ систем биологической очистки
17 Выводы по главе
Глава 2 ОБЪЕКТЫ, МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
21 Сущность оптимизации технологии аэротенков с продольной рециркуляцией иловой смеси
22 Объекты исследований
23 Методы исследований аэротенков
24 Выводы по главе 2
Глава 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ В АЭРОТЕНКАХ С ПРОДОЛЬНОЙ РЕЦИРКУЛЯЦИЕЙ
ИЛОВОЙ СМЕСИ
31 Результаты натурных испытаний аэротенков управляемого профиля
311 Исследования, проведенные на реальной сточной жидкости
312 Исследования окислительной способности в стандартных условиях 84 32 Расчет процессов нитри- и денитрификации в аэротенках «карусельного» типа
33 Механизм двухфазного потока аэротенка с продольной рециркуляцией иловой смеси по «карусельному» типу
34 Выводы по главе 3
Глава 4 ИНЖЕНЕРНЫЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АЭРОТЕНКОВ С ПРОДОЛЬНОЙ РЕЦИРКУЛЯЦИЕЙ ИЛОВОЙ СМЕСИ
41 Механизм удаления биогенных элементов
42 Технологические схемы процессов биологического удаления азота и фосфора в аэротенках с рециркуляцией потоков иловой смеси
43 Принципы размещения мешалок и гидродинамика в аэротенках
44 Принципы размещения аэраторов в современных аэротенках
45 Разработка технических решений по повышению эффективности биологической очистки сточных вод
46 Выводы по главе 4
Глава 5 ПЕРЕМЕШИВАНИЕ И АЭРАЦИЯ ВОДНО-ИЛОВОЙ СМЕСИ В АЭРОТЕНКЕ С ПРОДОЛЬНОЙ РЕЦИРКУЛЯЦИЕЙ
51 Метод определения производительности перемешивающего устройства (с учетом потерь в придонных областях)
52 Влияние перемешивания водно-иловой смеси на денитрификационные процессы в аэротенке
521 Влияние перемешивания на функционирование популяций денитрифицирующих бактерий
522 Влияние перемешивания на содержание кислорода в анаэробной зоне
523 Влияние перемешивания на контакт между бактериями и культуральной средой
524 Влияние перемешивания на процессы разделения и осаждения
525 Конструктивные критерии перемешивания в анаэробных зонах
526 Продолжительность перемешивания
527 Рекомендации по конструкции анаэробных зон и расположению смесителей
53 Влияние горизонтального потока на процессы аэрации водно-иловых смесей
531 Теоретические основы
532 Влияние горизонтальной скорости на параметры процесса
533 Выводы по разделу
54 Влияние горизонтального потока на процессы аэрации водно- иловых смесей
541 Технологическая модель двухфазного потока воды и воздуха
542 Полномасштабные испытания
55 Выводы по главе 5
Глава 6 ВЛИЯНИЕ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ И АЭРАЦИИ НА ПРОЦЕССЫ МАССОПЕРЕНОСА В АЭРОТЕНКЕ С ПРОДОЛЬНЫМ
РЕЦИКЛОМ
61 Влияние перемешивания и аэрации на гидравлику и передачу кислорода в аэрационных бассейнах
611 Влияние расхода воздуха на аэрационные характеристики при отсутствии горизонтальной скорости жидкости
612 Влияние расхода воздуха на аэрационные характеристики при наличии горизонтальной скорости жидкости
613 Влияние горизонтальной скорости жидкости на аэрационные характеристики
614 Влияние положения мешалки на гидравлические и аэрационные характеристики
62 Выводы по главе 6
Глава 7 ВЛИЯНИЕ ПРОДОЛЬНОГО РЕЦИКЛА НА ПРОЦЕСС ФЛОКУЛЯЦИИ АКТИВНОГО ИЛА
71 Оценка флоккулирующей способности перемешивающих устройств
711 Влияние скорости вращения мешалок на процессы флокуляции активного ила в аэротенках
712 Методика оценки флокулирующей способности перемешивающих устройств
72 Моделирование процессов флокуляции активного ила с использованием массовых балансов
721 Моделирование флокуляции активного ила на основе массовых балансов
722 Методология проведения экспериментов
723 Результаты экспериментальных исследований и оценка корреляции модельных и экспериментальных данных
73 Выводы по главе
Глава 8 ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ
81 Процессы биологической очистки в аэротенках с продольной рециркуляцией
82 Проектирование аэротенков с продольной рециркуляцией иловой смеси
83 Процессы перемешивания и аэрации в аэротенках с горизонтальным потоком водно- иловой смеси
84 Влияние продольного рецикла на процессы флокуляции активного

Введение:
Актуальность проблемы
В настоящее время важную научно-техническую проблему представляет экологическая защита природной среды от загрязнения ее отходами промышленных производств и бытовыми стоками населенных пунктов. Попадание органических и минеральных загрязнений в водные и почвенные бассейны происходит при сбросе коммунальных и промышленных сточных вод, образующихся при реализации технологических процессов производства и переработки продукции и в процессе жизнедеятельности людей. Особенность сточных вод, сбрасываемых на очистные сооружения, состоит в том, что они в значительной степени загрязнены веществами органического и минерального происхождения, находящихся в дисперсной, коллоидной и растворенной формах. Сточные воды содержат в своем составе широкий спектр органических углерод-, азот- и фосфорсодержащих загрязнений, требующих применения различных физико-химических и микробиологических способов изъятия их из сточных вод.
Эффективность очистки сточных вод от загрязнений в значительной степени зависит от организации гидравлических и массообменных процессов в аэрационном сооружении (аэротенке), являющемся основным функциональным звеном технологической схемы аэробной биологической очистки. Основными факторами, влияющими на выбор оптимальных режимов работы аэротенков, является гидродинамическая схема течения потоков, эффективность процесса насыщения жидкой среды кислородом воздуха, подаваемого системами аэрации, а также эффективность процессов перемешивания.
Гидродинамические режимы обработки сточной воды предполагают ее обработку в режимах либо смесительном, либо вытеснительном. В смесительном режиме имеет место высокая гомогенизация стоков и интенсивное насыщение кислородом микроорганизмов активного ила. В этих условиях одновременно протекают два процесса - биологическое окисление органических примесей и синтез новых бактериальных клеток. В вытеснительном режиме обеспечивается возможность реализации процессов избирательного лизиса микроорганизмов и снижения прироста избыточной биомассы активного ила. Эффективный процесс биохимического окисления загрязнений должен предусматривать соответствующую организацию гидравлических и аэрационных режимов по длине коридоров аэротенка.
Немаловажное значение для работы аэротенка-вытеснителя имеет поддержание оптимальной концентрации работающей в аэротенке биомассы активного ила за счет его рециркуляции в составе водно-иловой смеси из выхода на вход аэротенка. Поэтому одним из перспективных путей совершенствования систем очистки является разработка технологии управления режимами работы аэротенков на основе использования аэрируемого продольного рецикла иловой смеси. Внутренняя рециркуляция водно-иловой смеси в аэротенке-вытеснителе обеспечивает возможность парирования колебаний поступающей технологической нагрузки и оптимального управления режимами работы за счет перераспределения кислорода по длине аэротенка.
Правильный выбор эффективных технологических схем карусельных аэротенков с продольным рециклом водно-иловой смеси и управляемым кислородным режимом очистки является одним из путей достижения высоких показателей аэробной биологической очистки и снижения избыточных биомасс активного ила.
Создание эффективной управляемой аэрационной системы очистки требует проведения большого объема научно-исследовательских работ для получения оптимальных конструктивно-технологических решений и внедрения их в промышленных масштабах в системах очистки производственных и хозяйственно-бытовых стоков. Необходимость активного технологического воздействия на процессы биологической очистки обоснована существенными колебаниями расхода сточных вод и их состава, а также задачей достижения высоких технико- экономических и экологических показателей очистки сточных вод.
До настоящего времени недостаточно изучен механизм совместного растворения и потребления кислорода и его оптимальное распределение по длине аэротенка путем выбора режимов рециркуляции иловой смеси, конструктивных параметров аэротенка, технических характеристик и места расположения аэрационных узлов. Отсутствуют также подтвержденные модельными и промышленными испытаниями научно-обоснованные практические рекомендации по внедрению в промышленных масштабах аэротенков-вытеснителей с управляемым продольным рециклом иловой смеси.
Существенный вклад в развитие технологии химической рециркуляции и аэробной биологической очистки сточных вод внесли: А.Н. Плановский, В.В. Кафаров, М.Ф. Нагиев, С.И. Строганов, H.A. Базякина, Ц.И. Роговская, C.B. Яковлев, Я.А. Карелин, Э.К. Голубовская, Л.И. Понтер, И.В. Скирдов, A.A. Бондарев, В.Н. Швецов, Ю.М. Ласков, Б.Н. Репин, Ю.В. Воронов, Т.А. Карюхина, И.Н.Чурбанова, Ю.А. Феофанов, С.М. Шифрин, Б.Г. Мишуков, H.A. Залетова, М.Н. Брагинский, М.А. Евилевич, Р.Ш. Непаридзе, A.A. Денисов, Н.С. Жмур, Э.С. Разумовский, K.M. Морозова, В.А. Вавилин, В.Б. Васильев, и другие.
Диссертационная работа выполнялась на полупромышленных установках и промышленных объектах, а также в отделе производственной санитарии и охраны окружающей среды ВНИТИБП РАСХН и кафедре Коммунального и промышленного водопользования МИКХиС.
Цель и задачи исследований
Целью настоящей работы являлась разработка модели комплексного управления технологическими процессами очистки сточных вод в аэротенках карусельного типа с рециркуляцией иловой смеси.
При выполнении работы были поставлены следующие задачи:
Анализ характера неравномерности поступления исходной технологической нагрузки на сооружения аэробной биологической очистки;
• Классификация технологических схем процессов аэробной биологической очистки по рециркуляционному принципу;
• Экспериментальные исследования процессов массопередачи кислорода и окислительной способности аэротенков с продольной рециркуляцией иловой смеси в стандартных условиях и на реальной сточной жидкости, а также производственные испытания аэротенков с управляемым кислородным режимом;
• Определение критерия оптимизации двухфазной физической модели аэротенка с продольной рециркуляцией иловой смеси по «карусельному» типу (для повышенных коэффициентов рециркуляции);
• Определение критерия оптимизации рециркуляционных моделей процессов аэробной биологической очистки для пониженных коэффициентов рециркуляции;
• Разработка математической модели биологической очистки на базе уравнения продольной диффузии для оценки распределения концентраций по длине аэротенков в нестационарных условиях поступления исходной технологической нагрузки;
Разработка инженерно-технических мероприятий по вопросам проектирования аэротенков с продольной рециркуляцией иловой смеси, инженерное оформление типовых конструктивных решений;
Изучение особенностей процессов биологической очистки для сточных вод свинокомплексов, поиск нетрадиционной и высокоэффективной системы аэрации для тяжелых условий эксплуатации;
Исследования симультанных процессов нитрификации и денитрификации в аэротенках с продольной рециркуляцией иловой смеси;
• Моделирование и разработка математической модели флокуляции активного ила, изучение влияния перемешивания на процесс флокуляции активного ила, поиск критерия оценки для подбора перемешивающих устройств;
• Технико-экономическая оценка сравнительной эффективности аэротенков с рециркуляцией иловой смеси и его реализация для Российских условий.
Научная новизна:
• Определен критерий оптимизации технологической модели аэротенка с продольной рециркуляцией иловой смеси по «карусельному» принципу, характеризующий баланс энергий горизонтально ориентированных потоков и вертикально- восходящих двухфазных газожидкостных потоков от систем аэрации, а также рекомендована его величина.
• С учетом анализа неравномерности поступления исходной технологической нагрузки разработана, численно решена и экспериментально проверена математическая модель биохимической очистки на базе уравнения продольной диффузии в производных второго порядка для нестационарных условий, которая позволяет производить оценку распределения концентраций по длине сооружений аэробной биологической очистки;
• Разработана концепция флокуляции активного ила при его перемешивании, позволяющая оптимально производить подбор устройств перемешивания;
• Предложены и защищены патентами варианты инженерного оформления устройств для биологической очистки сточных вод,
• Для российских условий использования предложен метод технико-экономической оценки на базе показателя - затраты жизненного цикла, позволяющий определять сравнительную эффективность технических решений с использованием многофакторного экономического анализа;
Полученные результаты позволяют научно обосновывать конструктивно-технологические решения, принимаемые при проектировании новых и реконструкции действующих сооружений биологической очистки.
На защиту выносится рециркуляционная модель биохимических процессов, обеспечивающая высокую степень корреляции аналитических зависимостей с данными экспериментальных исследований и надежность применения при проектировании промышленных очистных сооружений.
Практическая значимость:
Полученные результаты и выводы базируются на материалах теоретических, модельных и экспериментальных исследований и позволяют с высокой степенью достоверности рекомендовать их к практическому использованию в промышленных масштабах при создании новых и реконструкции действующих сооружений аэробной биологической очистки сточных вод коммунального и промышленного происхождения.
Разработанные рекомендации и предложения подтверждены материалами теоретических и экспериментальных работ, показавших высокую степень сходимости, что обеспечивает возможность их надежного использования в производственных условиях с учетом особенностей конструктивно-технологических характеристик комплексов аэробной биологической очистки сточных вод.
Апробация работы.
На основании проведенных исследований разработаны методические рекомендации по оптимизации рециркуляционной модели биохимических процессов аэробной биологической очистки и методические рекомендации по инженерным вопросам проектирования сооружений аэробной биологической очистки сточных вод предприятий агропромышленного комплекса.
Результаты и материалы выполненной работы использованы:
• ОАО «Союзводоканалпроект» г. Москва,
• ГУП «МосводоканалНИИпроект» г. Москва,
• ОАО «ЦНИИЭП инженерного оборудования» г. Москва,
• ГУП «Ленгипроинжпроект» г. Санкт-Петербург,
• МГП "Мосводоканал" Люберецкая станция аэрации, г. Москва,
• ООО «Межрегиональная Группа Компаний «Регион-Агро-Продукт» г. Москва,
• ФГУГТ «Северо-Кавказский Гипрокоммунводоканал» г. Ростов-на-Дону,
• ОАО «Уральский ПИИ «ВНИПИЭТ» г. Озерск Челябинской обл.,
• МУП «Горводоканал» г. Саров Нижегородской обл.,
• ООО «Инженерно-архитектурным центром ДХО ЗАО ТАФ «Архпроект» СА РБ г. Уфа Республика Башкортостан,
• ООО «Электростальское предприятие очистных сооружений» г. Электросталь Московской обл.,
• ГУП «Водоканал» г. Якутска,
• ЗАО «Надеево» (СХПК АПК) п. Надеево Вологодской обл.,
• ОАО «АКС «Амурводоканал» г. Благовещенск Амурской обл.,
• ОАО «Водоканал» г. Ишим Тюменской обл.,
• ОАО «Северский Водоканал» г. Северск Томской обл.,
• ОАО «Сибгипрокоммунводоканал» г. Новосибирск,
• ООО Интститут «Гражданпроект» г. Кирова,
• ООО «Петроплан Инжиниринг» г. Санкт-Петербург.
Материалы диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на регулярных Международных конгрессах "Вода: экология и технология" ЭКВАТЭК (2002, 2004, 2006, 2008) и конгрессе по управлению отходами и продоохранным технологиям ВэйстТэк- 2007; на Международной конференции, посвященной 110-й годовщине Московской канализации 2008 г. «Перспектива развития канализации в XXI веке» ; на Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии для снижения воздействия ИБП на окружающую среду» в г. Санкт- Петербурге 2008 г.; на 3-й Международной научно-практической конференции «Ресурсосбережение, экологически чистые технологии и сооружения городов, промышленных предприятий и рекреационных зон» в г. Иркутске 2008 г.