[ «МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ СОДЕРЖАНИЯ ФОСФОРА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ УЛЬТРАЗВУКА НА АКТИВНЫЙ ИЛ ...»
Министерство образования и наук
и Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВНРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»
На правах рукописи
КАЗАКОВ
Алексей Владимирович
МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ СОДЕРЖАНИЯ ФОСФОРА ПРИ
ВОЗДЕЙСТВИИ УЛЬТРАЗВУКА НА АКТИВНЫЙ ИЛ
Специальность 05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ материалов и изделийДИССЕРТАЦИЯ
на соискание ученой степени кандидата технических наукНаучный руководитель: кандидат технических наук, доцент И.Ф. Кацан Санкт-Петербург –
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕГлава 1 Современное состояние проблемы
1.1 Источники образования, состав и критерии оценки качества хозяйственно-бытовых сточных вод……………………………………………... 1.2 Существующие конструктивные и технологические решения, используемые для очистки сточных вод…………………………………………………………... 1.3 Характеристика и основные условия удаления биогенных элементов на очистных сооружениях традиционной биологической очистки………………… 1.3.1 Удаление соединений азота…………………………………………………. 1.3.2 Удаление соединений фосфора……………………………………………... 1.4 Глубокое удаление биогенных элементов в процессе биологической очистки…………………………………………………………….. 1.5 Возможные методы снижения содержания фосфора в хозяйственно-бытовых сточных водах……………………………………………. 1.6 Выводы по главе 1……………………………………………………………… Глава 2 Объекты и методики проведения исследования………………………… 2.1 Объекты исследования…………………………………………………………. 2.2 Техническая характеристика сооружений……………………………………. 2.2 Источник получения активированного активного ила………………………. 2.3 Методы оценки эффективности воздействия ультразвука на качество очистки сточных вод…………………………………………………………………………. 2.3.1 Методика выполнения измерений биохимического потребления кислорода в природных и сточных водах по изменению давления в газовой фазе ( манометрический метод) (МВИ 224.01.17.133/2009)…………………………… 2.3.2 Методика определения химического потребления кислорода (ГОСТ Р 52708 – 2007)……………………………………………………………… 2.3.3 Методика выполнения измерений массовой концентрации общего фосфора и фосфора фосфатов в пробах питьевых, природных и сточных вод фотометрическим методом (ЦВ 3.04.53. – 2004)
2.3.4 Методика выполнения измерений массовой концентрации ионов аммония в природных и сточных водах фотометрическим методом с реактивом Несслера (ПНД Ф 14.1:2.1 – 95)
2.3.5 Методика выполнения измерений массовой концентрации общего азота в водах УФ – спектрофотометрическим методом после окисления персульфатом калия (РД 52.24.481 – 2007)
2.3.6 Методика выполнения измерений массовой концентрации нитрат – ионов в питьевых, поверхностных и сточных водах фотометрическим методом с салициловой кислотой (ПНД Ф 14.1:2:4.4 – 95)
2.3.7 Методика выполнения измерений массовой концентрации нитрит – ионов в питьевых, поверхностных и сточных водах фотометрическим методом с реактивом Грисса (ПНД Ф 14.1:2:4.3 – 95)
2.3.8 Методика обработки экспериментальных данных
2.4 Методика контроля качества сбрасываемых сточных вод
2.5 Выводы по главе 2
Глава 3 Экспериментальные исследования воздействия ультразвука на процессе биологической очистки сточных вод
3.1 Результаты исследования биологического потребления кислорода................. 3.2 Результаты исследования концентрации растворенного кислорода................. 3.3 Результаты исследования концентрации фосфат ионов
3.4 Результаты исследования концентрации различных форм азота
3.5 Результаты исследования деструкции активного ила после ультразвукового воздействия
3.6 Выводы по главе 3
Глава 4 Опытно-промышленные исследования ультразвукового воздействия в процессе биологической очистки сточных вод на действующем объекте.......... 4.1 Результаты опытно-промышленного исследования по удалению фосфорафосфатов
4.2 Результаты опытно-промышленного исследования по удалению различных форм азота
4.3 Выводы по главе 4
Глава 5 Практическое применение обработанного активного ила
5.1 Аппаратурное оформление процесса очистки сточных вод
5.2 Математическое моделирование удаления фосфора фосфатов в процессе очистки сточных вод
5.2.1 Разработка измерительного преобразователя содержания фосфора фосфатов в очищенных сточных водах
5.2.2 Реализация измерительного преобразователя в распределенной системе управления фирмы Toshiba
5.3 Комбинированное сочетание параметров распределенной системы управления и ультразвукового воздействия
5.4 Выводы по главе 5
Заключение
Список литературы
Приложение A
Актуальность работы Вода является основой жизни на Земле. Однако интенсивное воздействие человека на природу привело к такому загрязнению водных ресурсов планеты, что историческая «Конференция ООН по окружающей среде и развитию» (Риоде-Жанейро, 1992 г.) назвала эту проблему глобальной и требующей безотлагательного решения на «устойчивого развития» мирового сообщества.
Поскольку технико-индустриальное общество остается чрезвычайно зависимым от экосистем, чтобы продолжать поддерживать жизнеобеспечение, определение лучшего способа развития устойчивости экологической системы к внешним воздействиям должно стать ключевым элементом исследования устойчивости окружающей среды.
На данный момент разработана и утверждена распоряжением Правительства Российской Федерации от 17 ноября 2008 г. N 1662-р «Водная стратегия» в целях водоресурсного обеспечения. Реализация Концепции долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации на период до 2020 года. Она определяет основные направления деятельности по развитию водохозяйственного комплекса России, обеспечивающего устойчивое водопользование, охрану водных объектов, защиту от негативного воздействия вод, а также по формированию и реализации конкурентных преимуществ Российской Федерации в водоресурсной сфере.
Настоящая Стратегия закрепляет базовые принципы государственной политики в области использования и охраны водных объектов, предусматривает принятие и реализацию управленческих решений по сохранению водных экосистем, обеспечивающих наибольший социальный и экономический эффект, и создание условий для эффективного взаимодействия участников водных отношений.
Поэтому усилия России сберечь эту воду, дать ее людям в достаточном количестве и необходимого качества представляются не просто актуальными и важными, а по-человечески безальтернативными.
Особого внимания заслуживает проблема очистки хозяйственно - бытовых сточных вод от биогенных компонентов – соединений азота и фосфора, способствующих эвтрофикации водоемов. Как известно эвтрофикация - процесс роста биологической растительности водоемов, который происходит вследствие превышения баланса питательных веществ. При этом повышается температура воды, появляются привкусы и запахи, ухудшается цвет воды, начинается бурное развитие нитчатых водорослей, цветению цианобактерий (сине-зеленые водоросли), преобладают нежелательные виды планктона и нарушается жизнедеятельность рыб. Если ранее основной задачей очистки сточных вод считалось изъятие и окисление массы органических веществ, то сейчас основным видом загрязнений, становятся биогенные элементы – азот и фосфор.
На современных очистных сооружениях процесс очистки сточных вод осуществляется последовательно, в результате чего удаляются загрязняющие вещества из сточных вод и обрабатывая образовавшийся осадок. В соответствии с международными обязательствами в рамках Хельсинской Конвенции, Россия должна выполнять рекомендации ХЕЛКОМ. Поэтому для объектов отведения сточных вод в бассейн Балтийского моря необходимо соблюдение, как российских нормативов, так и требований ХЕЛКОМ. Постановлением Правительства РФ с 01 января 2014 года определено возможное содержание фосфора в очищенных сточных водах не более 0,26 мг/дм3, ранее разрешалось сбрасывать очищенные сточные воды с содержанием фосфора до 2,40 мг/дм3.
На современных очистных сооружениях процесс очистки сточных вод осуществляется последовательно. В результате протекающих последовательно ряда механических, биологических и химических процессов из сточных вод удаляются загрязняющие вещества.
при механической очистке на пескокартах, гидроциклонах, решетках, первичных отстойниках происходит отделение механических примесей, твердых включений, мусора;
при биохимической очистке протекают процессы нитрификации, денитирификации, дефосфотации, в результате в атмосферу выделяется азот, избыточный ил и отводится на дальнейшую переработку, очищенные сточные воды отводятся в реку. Протекающие процессы экологически безопасны, но нестабильны, результат не гарантирован, т.к. протекание биологических процессов подвержено влияния таких факторов, как: объем поступающих стоков, температуры стоков, температуре окружающего воздуха, количеству загрязнений и т.д;
стабильны, результат снижения от фосфор-фосфатов гарантирован, но процессы дорогостоящи и экологически небезопасны;
при нанофильтрации, обратном осмосе степень очистки очень велика, но внедрение данных процессов затратное по капиталовложениям и во всем мире не решен экологичный способ ликвидации солевых стоков, получающихся в процессе очистки.
Наряду с существующими вышеперечисленными способами очистки сточных вод одним из перспективных является использование ультразвуковых колебаний для интенсификации процесса биологической очистки сточных вод.
Особенность применения ультразвука обуславливается возможностью его использования в качестве физического средства воздействия на водные системы очистки стоков. Также привлекает простота самого аппаратурного оформления и гибкость ультразвукового метода, что является весомым аргументом для внедрения его в процесс очистки сточных вод. Данный способ улучшения качества очистки сточных вод сводится к повышению эффективности процесса биологической очистки сточных вод от фосфор фосфатов экологически безопасным путем с применением интенсифицирующего воздействия ультразвуковых колебаний без значительной модернизации существующих очистных сооружений для удовлетворения все возрастающих требований со стороны государственных природоохранных структур к качеству очистки сточных вод, расширение областей применения ультразвуковых технологий в процессе очистки хозяйственно-бытовых сточных вод, повышении уровня внедрения современных методов и средств контроля качества очистки хозяйственно-бытовых сточных вод.
Необходимо проработать и решить вопрос методов и программноаппаратных средств контроля фосфор фосфатов в очищенных сточных водах при воздействии ультразвука на биологически активный ил.
Цель работы - повышение эффективности и достоверности контроля фосфор фосфатов в очищенных стоках при химико-биологической очистки сточных вод с использованием биологически активного ила, подвергающегося ультразвуковому воздействию, с разработкой методов и программно-аппаратных средств для технологического контроля процесса очистки хозяйственно-бытовых сточных вод с учетом новой компоновочной схемой и конструкцией очистных сооружений при обеспечении заданных погрешности и достоверности результатов контроля.
Идея работы- реализация измерительного преобразователя (индикатора) содержания в очищенной сточной воде фосфор фосфатов в существующей распределенной системе управления (выполненной на основе контроллера Toshiba) при встраивании в систему биологической очистки сточных вод дополнительно обработки ультразвуком рециркулирующего активного ила.
(активный ил, обработанный ультразвуком возвращается обратно в аэротенк при этом, меняется его деструктивно-ферментативная способность и активность к поглощению биогенных веществ). Используя программно-аппаратные средств и на основе показаний измерительного преобразователя содержания в очищенной сточной воде фосфор фосфатов и расхода очищенных стоков построить алгоритм точного дозирования реагентов для достижения конечных требуемых параметров содержания фосфор фосфатов в очищенных стоках.
Достоверность результатов диссертационной работы базируется на строгих теоретических подходах, адекватной математической модели измерительного преобразователя, построенного на ее основе. Сходимость результатов обеспечена репрезентативностью и надежностью экспериментальных данных, полученных в результате выполненных исследований с привлечением аккредитованных лабораторий и использованием современных методов анализа и обработки опытных данных.
Достоверность результатов исследований очистки сточных вод при встраивании в технологию очистки обработку возвратного ила ультразвуком подтверждена актом, удостоверяющим прикладной эффект при реализации научных результатов работы.
Программно-аппаратный метод контроля воздействия ультразвука на возвратный активный ил подтверждена актом, удостоверяющим сходимость показаний измерительного преобразователя содержания фосфора в очищенных сточных водах и лабораторных анализов содержания фосфора в очищенных сточных водах.
Задачи исследования:
- анализ современных программно-аппаратных средств контроля биогенных соединений, применяемых при очистке хозяйственно-бытовых сточных вод;
- теоретическое обоснование применимости воздействия ультразвука на возвратный активный ил при биохимической очистке;
- исследование особенности поведения биологически активного ила при воздействии на него ультразвука в лабораторных условиях;
- исследование особенности поведения биологически активного ила при воздействии на него ультразвука в опытно-промышленных условиях;
- разработка алгоритма воздействия ультразвука на возвратный ил для создания максимального эффекта;
- разработка методики учета влияющих факторов на очистку хозяйственнобытовых сточных вод с учетом воздействия на активный ил ультразвука в опытно-промышленных условиях;
проверка адекватности математической модели измерительного преобразователя содержания фосфора с учетом воздействия ультразвука на возвратный ил;
разработка алгоритма точного дозирования реагентов на основе показаний измерительного преобразователя (индикатора) содержания фосфора фосфатов в очищенных сточных водах.
Научная новизна работы:
- определена функциональная зависимость снижения содержания фосфора в очищенных сточных водах от времени воздействия ультразвука, отношения возвратного ила к поступающим сточным водам, содержания растворенного кислорода в возвратном активном иле, обработанным ультразвуком при прохождении в коридоре аэротенка, возраста иловой смеси;
- разработана математическая модель измерительного преобразователя (индикатора) содержания фосфор фосфатов в очищенных сточных водах с учетом воздействия на активный ил ультразвука;
- разработан алгоритм управления дозирования реагентов на основе показаний измерительного преобразователя (индикатора) содержания фосфора в очищенных сточных водах.
Научные положения, выносимые на защиту:
Разработанная модель, принцип построения и оптимизация процессов химико-биологической очистки сточных вод от фосфора при дополнительной обработке ультразвуком активного ила учитывает влияние контролируемых и мешающих факторов, а выявленные универсальные зависимости параметров и характеристик позволяют на их основе разработать измерительный преобразователь, обеспечивающий заданную чувствительность и погрешность измерений содержания фосфора в очищенной сточной воде при подавлении мешающих параметров в широких диапазонах их вариаций.
Теоретически и экспериментально подтвержденная возможность при встраивании в систему биологической очистки сточных вод дополнительно обработки ультразвуком рециркулирующего активного ила производить использованием разработанной математической модели измерительного преобразователя.
учитывающая зависимость удаления фосфора от времени воздействия ультразвука, отношения возвратного ила к поступающим сточным водам, содержания растворенного кислорода в возвратном активном иле обработанным ультразвуком при прохождении в коридоре аэротенка и возраст иловой смеси, обеспечивает возможность измерения и контроля содержания фосфора в очищенных стоках и с учетом расхода очищенных стоков построить алгоритм точного дозирования реагентов для достижения, требуемых параметров по содержанию фосфора в очищенных сточных водах.
заключается в разработке и апробации:
- способа и методики измерения содержания фосфора в очищенных сточных водах с использованием разработанной математической модели измерительного преобразователя при дополнительной обработке ультразвуком активного ила.
- уточнении математической модели биологической очистки сточных вод с учетом воздействия ультразвука, работающая в режиме реального времени;
- измерении и контроле содержания фосфора в очиненных стоках с использованием измерительного преобразователя;
- принципиальной схемы ультразвуковой интенсификации активного ила участвующего в процессе очистки сточных вод, рекомендован способ ультразвукового воздействия в процессе биологической очистки сточных вод;
- построении алгоритма дозирования реагентов на основе показаний измерительного преобразователя содержания фосфора в очищенных сточных водах.
Реализация выводов и рекомендаций диссертационной работы.
Результаты работы будут использованы при модернизации системы очистных сооружений хозяйственно-бытовых сточных ООО «КИНЕФ» (г.
Кириши Россия) и очистных сооружений санатория «Приозерный» и базы отдыха «Мечта» ООО «КИНЕФ» (п. Будогощь, Киришский район, Россия).
интенсификации процесса биологической очистки сточных вод, техническое решение экспериментально реализовано на очистных сооружениях ООО «КИНЕФ» (г. Кириши). В настоящее время в промышленных условиях измерительного преобразователя фосфора в очищенных сточных водах.
Личный вклад автора:
экспериментальных исследований обоснована возможность применения ультразвука для повышения эффективности очистки сточных вод;
активного ила;
выполнены опытно - промышленные испытания и внедрена технология приборного контроля воздействия ультразвука на интенсификацию процесса биологической очистки сточных вод;
разработан и внедрен программно-аппаратный комплекс контроля содержания фосфора в очищенных сточных водах при дополнительном воздействии ультразвука на циркуляционный ил в процессе биологической очистки сточных вод.
разработан и внедрен алгоритм точного дозирования реагентов на основе показаний измерительного преобразователя содержания фосфора в очищенных сточных водах.
Апробация работы.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на политехнического университета (Томск, 2010 г.); Международной научно – природопользование. Технологии здоровья» (Тула, 2011 г.); II Международной научно-практической конференции «Механизмы формирования научного и кадрового сопровождения высокотехнологических производств на предприятиях регионов» (СПб, 2011 г.); II Международной конференция «Промышленные технологии очистки сточных вод XXI века: Проблема и решения», СПб, 2011;
Международной научно-практическая конференция молодых ученых, студентов и аспирантов «Анализ и прогнозирование систем управления» (СПб, 2011, 2012 г.);
Международной конференции Научные исследования теория и практика\Badania naukowe. Teoria i praktika, (Вроцлав\Wroclaw. Польша, 2012), Международной конференции Наука – от теории к практике \Science – od teorii do praktiki, (Сопот\Sopot. Польша, 2013); Международной практической конференции Актуальные вопросы образования и науки, (Тамбов, 2014).
1.1Источники образования, состав и критерии оценки качества Хозяйственно – бытовые сточные воды поступают в водопроводную сеть от жилых домов, бытовых помещений промышленных предприятий, комбинатов общественного питания и лечебных учреждений. В составе таких вод различают фекальные сточные воды и хозяйственные, загрязненные различными отбросами хозяйственного происхождения и моющими средствами. Хозяйственно – бытовые сточные воды всегда содержат большое количество микроорганизмов, которые являются продуктами жизнедеятельности человека. Среди них могут быть патогенные и различные вирусы. Особенностью хозяйственно – бытовых сточных вод является относительное постоянство их состава. Основная часть органических загрязнений таких вод представлена белками, жирами, углеводами и продуктами их разложения. Неорганические примеси составляют частицы кварцевого песка, глины, соли, образующиеся в процессе жизнедеятельности человека. К ним относятся фосфаты, гидрокарбонаты, аммонийные соли (продукты гидролиза мочевины). Из общей массы загрязнений бытовых сточных вод на долю органических веществ приходится около 45-58 %.
Состав хозяйственно – бытовых сточных вод – более или менее однообразен, а количество зависит от нормы водоотведения, которая, в свою очередь, зависит от благоустройства зданий.
В бытовых сточных водах минеральных веществ содержится 42% (от общего количества примесей), органических 58%, осаждающие взвешенные вещества составляют 20%, суспензии 20%, коллоиды 10%, растворимые вещества 50%.
На основании многолетних наблюдений в России установлены нормы загрязнений, поступающих в систему водоотведения от одного жителя в сутки [1,2]. Следует отметить, что некоторые нормативы близки, а некоторые отличаются от аналогичных, принятых в других странах ( таблица 1).
Таблица 1 - Нормативы и типы некоторых загрязнений, поступающих от одного жителя в сеть водоотведения в сутки В настоящее время населенные пункты России имеют в основном неполную раздельную систему водоотведения, в которую хозяйственно-бытовые и промышленные сточные воды отводятся по единой системе трубопроводов на очистные сооружения, а поверхностные стоки - по рельефу местности или лоткам проездов. Количественно концентрация и разнообразие загрязнений сточных вод населенных пунктов колеблются в широких пределах и зависят от климатических, социальных, демографических, исторических условий, уровня развития промышленности и приоритетной хозяйственной ориентации и т. д., а также национальных особенностей в таблице 2 [2] представлен ориентировочный состав сточных вод. Интервалы колебаний загрязнений обусловлены разными значениями норм водоотведения: чем больше норма, тем меньше концентрация загрязняющих веществ. Для хозяйственно-бытовых сточных вод в зависимости от степени оборудования зданий санитарными приборами и от климатических условий она составляет от 150 до 350 л/сут. на одного жителя.
Таблица 2 – Ориентировочный состав хозяйственно-бытовых сточных вод в России и США 1.1 В том числе растворенные вемг/дм3 60-400/120 250-850/ щества суммарные 1.2 В том числе твердые суспендированные Следует отметить, что в последние годы в нашей стране наблюдается тенденция к снижению расходов и концентрации загрязнений в поступающих на очистку сточных водах. Последнее обусловлено тем, что вода как природный ресурс приобретает реальную цену, которая в плановой экономике не отражала затрат на ее обработку. Поэтому в бытовом секторе устанавливаются счетчики воды, приводящие к ее экономии. Снижение промышленного производства также привело к уменьшению и расходов, и загрязнений производственных сточных вод [3].
При уменьшении поступающих на очистку расходов сточных вод следовало бы ожидать увеличения концентраций загрязнений в них. Однако наблюдается обратная картина, которая указывает на прием дождевых и талых вод через неплотности в трубах и колодцах канализационной сети, а также происходит дренирование урбанизированных территорий, где наблюдается подъем уровня грунтовых вод вследствие техногенных воздействий (утечки из водонесущих коммуникаций, уменьшение пористости грунтов ввиду их уплотнения и т. д.).
Популяции микроорганизмов в сточных водах служат постоянным смешанным посевным материалом для процессов биологической очистки и, кроме того, источником метаболической активности в стандартных методах определения степени загрязнения сточных вод.
Наиболее распространенным критерием концентрации загрязняющих веществ в бытовых сточных водах является показатель биохимической потребности в кислороде (БПК), равный количеству растворенного кислорода, поглощаемого единицей объема сточных вод за определенное время при 20°С.
Продолжительность периода инкубации обычно указывают в виде подстрочного индекса; так, если БПК определяют по результатам инкубирования в течение суток (один из принятых периодов), то соответствующий показатель обозначают символом БПК 5 [4].
Количество растворенного кислорода, поглощаемого в ходе инкубации вплоть до полного прекращения биологического окисления органических веществ, называют предельной (или полной) ВПК (БПКп), Этот тест, разработанный еще в 1898 г. Британской Королевской комиссией по ликвидации отходов, должен был моделировать условия в водных потоках и обеспечивать относительно прямое определение одного из наиболее вредных и опасных последствий сброса сточных вод – истощения растворенного кислорода в водных бассейнах, куда сбрасываются отходы. Снижение концентрации растворенного кислорода быстро приводит к гибели множества аэробных организмов, а также животных; конечным результатом истощения растворенного кислорода будет грязная, неприятно пахнущая река, зараженная патогенными микроорганизмами.
[5].
Другим критерием потенциального снижения общей концентрации растворенного кислорода в водоемах, в которые поступают сточные воды, служит химическая потребность в кислороде (ХПК), равная числу миллиграммов кислорода, поглощаемого 1 литром пробы (сточных вод) из горячего подкисленного раствора бихромата калия. В общем случае химическому окислению подвергается больше веществ, чем биологической деградации, и, следовательно, величина ХПК должна быть больше величины БПК для одного и того же образца. Измерение ХПК связано с возможной степенью загрязнения естественных водоемов сточными водами не столь непосредственно, как определение БПК; с другой стороны, ХПК можно определить с помощью доступной простой аппаратуры за 2 ч, а с помощью сложных приборов — за несколько минут. БПК и ХПК являются общими и самыми грубыми индикаторами состава сточных вод. Тем не менее, они дают полезную информацию о степени опасности, которую представляют сточные воды для окружающей среды. Другим преимуществом показателей БПК и ХПК является возможность их определения с минимальным количеством несложной аппаратуры, причем выполнение соответствующих анализов требует лишь кратковременного обучения персонала.
Чтобы охарактеризовать качество воды, часто применяют и другие параметры, в том числе концентрации фосфорсодержащих веществ (общего фосфора), азотсодержащих веществ (общего азота) и суспензированных нерастворимых веществ[6,7].
1.2 Существующие конструктивные и технологические решения, Методы очистки сточных вод подразделяются на механические, физикохимические и биологические.
Механические методы очистки обеспечивают извлечение из очищаемых вод взвешенных, плавающих примесей, а также осветление. Осветление сточных вод происходит в специальных сооружениях – отстойниках, которые делятся на вертикальные, горизонтальные и радиальные (рисунок 1).
В этих сооружениях используется метод гравитационного осаждения, который по сравнению с другими является наиболее экономичным вследствие своей простоты.
1 –загрязненная вода; 2 – очищенная вода; 3 – осадок (шлам); 4 –скребковый механизм В горизонтальном отстойнике длина в 8—12 раз больше его глубины.
Отстойники бывают непрерывного или периодического действия. В отстойниках непрерывного действия отделение примесей происходит благодаря резкому уменьшению скорости движения очищаемой жидкости (до 0,005— 0,01 м/с).
Продолжительность прохождения жидкости через отстойник составляет 1— часа. Эффективность осветления воды — от 40 до 60%. В отстойниках периодического действия продолжительность отстоя жидкости составляет несколько часов, после чего происходит удаление всплывших примесей, осветленной воды и осадка. Затем процесс повторяется.
Глубина (высота) вертикального отстойника в несколько раз превышает его горизонтальный размер. Разделение твердой и жидкой фаз происходит за счет уменьшения скорости потока и изменения его направления на 180°. Вертикальные отстойники более компактны, однако их эффективность на 10—20% ниже, чем у горизонтальных[8-10].
В конструкции радиального отстойника реализован принцип действия вертикального и горизонтального отстойников. В центральной его части происходит смена направления потока очищаемой жидкости, а от центра к периферии он работает в режиме горизонтального отстойника. Это позволяет получать достаточно компактные сооружения большой производительности.
Эффективность осветления в радиальных отстойниках достигает 60%. Глубина их колеблется от 1,5 до 5 м, диаметр — от 15 до 60 м.
Для повышения эффективности процесса осветления к очищаемой в отстойниках жидкости добавляют коагулянты — вещества, которые при взаимодействии с водой образуют хлопьеобразные частицы размером 0,5—3 мм с развитой поверхностью, обладающие также небольшим электрическим зарядом.
При оседании эти хлопья захватывают из жидкости взвешенные и коллоидные частицы. В качестве коагулянтов применяются сернокислый алюминий, хлорное железо и др. Расход их составляет от 40 до 700 кг/м3 очищаемой жидкости.
Высокие дозы относятся к физико-химической очистке технологических вод, обеспечивающей удаление хрома и цианидов, а также обесцвечивание воды.
Интенсификации процесса коагуляции способствует добавка флокулянтов — веществ, обеспечивающих агрегирование пластин коагулянтов и ускоряющих тем самым их осаждение. В качестве флокулянтов применяют клейкие вещества:
крахмал, декстрин, силикатный клей. Весьма эффективным является синтетический флокулянт — полиакриламид (ПАА), широко использующийся также при подготовке питьевой воды. Доза применения ПАА колеблется от 0,5 до 25 г/м3 очищаемой жидкости. Внедряются в практику и другие коагулянты и флокулянты на основе активных полимеров, дозы применения которых в десятки раз меньше[11,12].
Тонкодисперсные частички, которые не удается извлечь из жидкости в отстойниках, могут быть удалены с помощью фильтрования. Процесс фильтрования заключается в прохождении жидкости через пористую преграду, на которой осаждаются мелкодисперсные частицы. В качестве фильтрующего слоя используются зернистые материалы (песок, гранитная или мраморная крошка, керамзит и др.), ткани и нетканые полотна (хлопчатобумажные, шерстяные, синтетические, из асбеста, стекловолокна и др.), металлические сетки, перфорированные пластины, пористая керамика. Для ускорения процесса фильтрование производится под давлением или с помощью вакуума. Для извлечения нефтепродуктов, масел и других эмульгированных примесей применяются фильтры из полиуретана. Эффективность удаления взвешенных и эмульгированных примесей методом фильтрования достигает 99% и более[13].
В гидроциклонах и центрифугах разделение жидкой и твердой фаз производится под воздействием центробежных сил.
Для удаления взвешенных веществ используются напорные гидроциклоны (рисунок 2). Для удаления плавающих примесей применяются открытые гидроциклоны. Гидроциклон представляет собой металлический аппарат, состоящий из цилиндрической и конической частей. Диаметр цилиндрической части — от 100 до 700 мм, высота примерно равна диаметру. Угол конусности составляет 10—20°. Внутри аппарата имеются струенаправляющие лопасти в виде винтовой спирали. Поданная под давлением жидкость, двигаясь по спирали к сливу, отделяется от взвешенных веществ. Часть жидкости с большим содержанием взвесей удаляется из гидроциклона, а осветленная вода под действием образовавшегося вакуума движется вверх и изливается через верхнее отверстие. В открытом (безнапорном) гидроциклоне удаление осветленной воды происходит через боковые отверстия, а всплывающие примеси извлекаются с помощью сифона. Гидроциклоны, по сравнению с другими устройствами для механической очистки вод, отличаются высокой производительностью, компактностью, экономичны в изготовлении и эксплуатации. Эффективность очистки от взвешенных и плавающих примесей составляет примерно 70%.
А – вертикальный напорный; Б – многоярусный открытый;
1 –загрязненная вода; 2 – очищенная вода; 3 – осадок (шлам);
Центрифугирование является эффективным методом разделения суспензий и эмульсий. Центрифуги изготовляются периодического и непрерывного действия с автоматической выгрузкой осадка и осветленной жидкости (фугато). При центрифугировании достигается достаточно высокая степень обезвоживания осадка и получается относительно чистый фугат. Центрифуги потребляют большое количество электроэнергии, создают высокие шумовые нагрузки и небезопасны в эксплуатации[14,15].
Физико-химические методы очистки обеспечивают удаление из воды, как правило, растворенных веществ, неподдающихся или плохо поддающихся биологической очистке, а также веществ, которые могут оказать неблагоприятное воздействие на коллекторы или другие элементы систем водоотведения.
Наиболее простым и распространенным методом физико-химической очистки является нейтрализация, которая заключается в подкислении щелочных вод (с рН>8,5) и подщелачивании вод с рН в очищаемой воде, мг/дм Для традиционной биологической очистки характерна эффективная нитрификация, но при этом практически не осуществляется удаление соединений фосфора, так как в аэробных условиях аэротенков бактерии накапливают фосфор, а в анаэробных условиях вторичных отстойников активно выделяют их в воду, в результате биохимического процесса.
Способностью фосфоронакапливающих бактерий выделять фосфор в полуанаэробных условиях вторичных отстойников объясняется увеличение обеспечивается хорошая нитрификация, а, следовательно, удовлетворительная аэробная стадия, которая способствует накоплению в клетках ила фосфора.
Причем, чем эффективнее нитрификация в аэротенках, тем больше накапливается фосфатов в клетках активного ила, и тем больше они его отдадут во вторичных отстойниках.
Остальное количество нерастворимых соединений фосфора улавливается активным илом в результате бисорбции, накапливаясь в избыточном активном иле и с выносом взвешенных веществ из вторичных отстойников попадает в природный водоем, депонируясь в донных осадках[32,33].
Процессы нитрификации и дефосфотации как бы противоречат друг другу в обычных условиях биологической очистки. Чем интенсивнее нитрификация, тем больше фосфатов накопиться в клетках бактерий, и тем больше бактерии их отдадут в очищенную воду в анаэробных условиях вторичных отстойников.
Более эффективного снижения содержания соединений фосфора и азота в очищенных сточных водах можно достичь методом глубокого удаления биогенных элементов в процессе биологической очистки.
1.4 Глубокое удаление биогенных элементов в процессе биологической Технологии предполагается искусственное создание зон, которые по степени обеспеченности кислородом подразделяются на три основные: аэробная, аноксидная и анаэробная, каждая из которых характеризуется специфическими условиями для реализации определенных микробиологических процессов.
Аэробная зона (рисунок 8) имеется на всех сооружениях с аэротенками, предназначенных для удаления органических загрязняющих веществ, с последующей нитрификацией.
В сточных водах, прошедших очистку в данной зоне, снижается содержание органических веществ, характеризуемых показателями ХПК, БПК, и содержание аммонийного азота, а содержание минеральных азотсодержащих соединений – нитритов, нитратов увеличивается. Окислительные процессы в этой зоне осуществляются в основном в аэробных условиях микроаэрофилами, а при использовании мелкопузырчатых диффузоров воздуха и при низких нагрузках по органическим загрязняющим веществам на активный ил, - аэрофилами[34,35].
В аноксидной зоне (рисунок 9) свободный кислород отсутствует, так как воздух в иловую смесь не подается и ее перемешивание обеспечивается низкоскоростными погружными механическими мешалками, однако он присутствует в химически связанном виде в форме нитратов (нитритами можно пренебречь, если их содержание не превышает 0,5 мг/дм3).
денитрификации. Денитрификация в аноксидной зоне интенсифицируется подачей дополнительной легкоокисляемой органики и протекает по уравнению 3:
В аноксидной зоне присутствуют микроаэрофилы и факультативные анаэробы.
В анаэробной зоне (рисунок 10) кислород отсутствует в свободном виде, а его содержание в химически связанном виде минимально.
Продолжается процесс денитрификации и идет накопление биомассы организмов, способных откладывать полифосфаты в своих клетках. Содержание фосфатов на этой стадии в сточных водах повышается, а количество нитратов и нитритов сокращается.
Анаэробная очистка обязательное дополнение к аэробному процессу в аэротенках. Устройство анаэробного реактора на первой стадии биологической очистки (после осветления сточных вод в первичных отстойниках) – необходимое условие повышение эффективности очистки практически на каждом сооружении, поскольку анаэробные условия позволяют обеспечить:
1. устойчивые процессы очистки сточных вод с недостаточным или изобильным содержанием в них органических и биогенных веществ;
присутствии значительных концентраций промышленных токсикантов;
деструкцию трудноокисляемых ксенобиотиков, устойчивых к окислению в аэробном процессе;
глубокое удаление биогенных веществ;
В свою очередь, глубокое удаление биогенных веществ происходит за счет:
разложение серосодержащих соединений;
удаление оксидов азота в процессе денитрификации, в результате подачи сточных вод в анаэробный реактор из нитрификатора;
фосфорпотребляющей микрофлоры способности их активного потребления в последующей аэробной стадии[36,37].
1.5 Возможные методы снижения содержания фосфора в Для успешной реализации технологии глубокого удаления соединений фосфора на действующих очистных сооружениях необходимо снабжать анаэробную стадию достаточным количеством восстановителей легкоокисляемой органики. Обеспечить анаэробную зону легкоокисляемой растворимой органикой можно тремя способами:
1. подачей в анаэробный реактор неочищенных сточных вод без незначительного содержания в поступающих на очистку сточных водах сложноокисляемых и токсичных соединений, которые могут неблагоприятно влиять на активный ил вплоть до провокации его вспухания;
2. подачей в анаэробный реактор готовых химических соединений или их растворов, например, метанола, что достаточно сложно с экономических и технологических позиций;
содержащих продукты ацидофикации сырого осадка.
Организмы активного ила, способные накапливать внутриклеточно в гранулах волютина ортофосфаты, полифосфаты и связанный органический фосфор, используют легкоокисляемую органику как энергетический резерв, расходуемый на потребление субстрата в анаэробных условиях. Эти бактерии в анаэробных условиях потребляют простые легкоокисляемые органические субстраты, например летучие жирные кислоты и запасают их внутри клетки в виде полигидроксиалаканатов (поли--гидроксибутират (ПГБ)), что сопровождается внутриклеточной деградацией накопленных в аэробной стадии соединений фосфора (рисунок 11) [38,39].
Рисунок 11 – Изъятие фосфора при смене анаэробных-аэробных условий Результат успешно протекающей анаэробной стадии: накопление запаса органики в клетках и стимуляция у бактерии потребление фосфатов в последующей аэробной стадии. Таким образом, потребление фосфатов сверх нормального уровня вызывается у факультативных аэробов их предварительным стрессированием в анаэробных условиях.
При попадании бактерий в аэробную стадию накопленный субстрат в виде полигидроксиалканатов начинает потребляться как источник углерода на питание и прирост биомассы бактерий, что сопровождается выделением углекислого газа и воды и повышенным потреблением из окружающей среды фосфатов, которые откладываются в клетках в полифосфатных гранулах по следующему уравнению 4:
ЛЖК, которые служат источником питания для бактерий, образуется в процессе анаэробного кислотного сбраживания органических веществ сточной воды. Образование ЛЖК в анаэробных условий идет значительно медленнее, чем их потребление бактериями. Поэтому требуется выделение значительного объема анаэробной зоны в системе биологической очистки, чтобы обеспечить развитие достаточного количества фосфорных бактерий[40].
Объем зоны можно сократить 2 способами:
выполнить сбраживание органических веществ до ЛЖК до подачи сточных вод в аэротенк;
интенсификация процесса кислотного сбраживания в аэротенке.
отстойников с выдерживанием в них осадка 3-5 суток с достижением степени сбраживания 3-5%. Осадок необходимо периодически циркулировать, путем перекачки на вход отстойника очищенных сточных вод. Обеспечение условий требует серьезной предварительной технологической проработки с последующей разработкой технических решений и проекта реконструкции.
Второй способ: по данной технологии в безкислородной зоне (анаэробной и аноксидной) используется плоскостная загрузка. Применение плоскостной нитрификации/денитрификации и дефосфотации без сокращения гидравлической нагрузки. При размещении загрузки образуется биопленка специфического микробного ценоза. Биопленка, содержащая бактерии, адаптируется к поступающим органическим веществам и обеспечивает их быстрое сбраживание.
При этом снижается доля бактерий в активном иле, способных производить кислое сбраживание органических веществ, что приводит к увеличению скорости нитрификации в аэробной зоне аэротенка, увеличению стабильности процесса кислотного сбраживания и снижению риска срыва процесса дефосфотации. Таким образом, в целом увеличивается скорость и стабильность процесса очистки сточных вод от азота и фосфора[40].
Стабильность анаэробного процесса также обеспечивается при поддержании высокого возраста анаэробного ила не менее 8-9 суток.
Кроме того зарубежный и отечественный опыт показывает, что снизить концентрацию фосфатов в процессе биологической очистки можно 3 методами:
Технология симультанного осаждения - применение реагентов для осаждения фосфатов в воде в виде нерастворимых металфосфатов (таких как, фосфат железа и фосфат алюминия).
Фильтрационная доочистка сточных вод.
Обработка ультразвуком активного ила.
Технология симультанного осаждения - химического осаждения фосфатов состоит в образовании нерастворимых металфосфатов при взаимодействии фосфатов с солями металлов (Fe, Al, Mg,Ca).
На удаление 1 г фосфора фосфатов, по стехиометрии, требуется 1,806 г железа или 6,45 г сульфата железа. Фактическая дозировка всегда больше стехиометрической. Отношение фактической дозы реагента к стехиометрической называется коэффициентом запаса рассчитывается по уравнению 6.
Коэффициент запаса сильно зависит от состава сточных вод, от соотношения между полифосфатами и ортофосфатами в общей массе фосфатов.
Химическое осаждение полифосфатов происходит значительно хуже чем ортофосфатов. Поэтому с увеличением доли полифосфатов увеличивается коэффициент запаса, т.е. увеличивается доза реагента[41].
Высокий коэффициент запаса – это не только повышение расхода реагента (значительные затраты), но и значительно подкисление среды, а также и вторичное загрязнение очищенных сточных вод металлами, увеличение количества образовавшегося осадка и снижение его теплотворной способности.
Реагенты могут подаваться перед вторичным отстойником или в надиловые воды, образующиеся при стадии обработки осадка. Наименьший расход реагента на единицу осажденного фосфора фосфатов наблюдается при реагентной обработке иловых вод, в которых фосфаты представлены ортофосфатами. После обработки воды возвращаются на вход очистных сооружений. При сочетании с биологической очисткой подача реагента может проходить периодически (в периоды возможного снижения эффективности очистки – быстрое таяние снега, обильные дожди) [42].
Для нейтрализации кислоты, образовавшейся при подаче реагента, необходимо добавлять щелочь (дополнительные затраты). Для снижения содержания железа (или других металлов) требуется доочистка или значительное снижение гидравлической нагрузки на вторичный отстойник (строительство дополнительного отстойника или сооружения доочистки – так же приводит к дополнительным затратам).
Увеличение количества осадка влечет дополнительные затраты на обезвоживание, а с учетом снижения теплотворной способности, увеличиваются затраты на сжигание (требуется больший расход газа).
Т.к. в России городские сточные воды содержат большое количество полифосфатов (в основном от применения моющих средств), то для российских стоков требуются более высокие дозы реагента и все отмеченные проблемы особенно актуальны.
При удалении фосфора по технологии биологической дефосфотации, а так же при химическом осаждении фосфатов с вводом реагентов (коагулянта) в систему биологической очистки, содержание связанного фосфора в активном иле, выносимом с очищенными водами, составляет 4-5% [43,44].
Эффективным решением задачи снижения выноса взвешенных веществ является реконструкция вторичных отстойников – установка в отстойниках фильтров. Фильтры с плавающей зернистой загрузкой размещаются в проточной зоне отстойника. Осветленная в отстойнике вода фильтруется снизу вверх в режиме медленного безнапорного фильтрования. Периодическая промывка загрузки производится ее сжиженными эрлифтными потокам, создаваемые подачей воздуха. В процессе промывки основная часть взвешенного вещества выносится из тела фильтра в проточную зону отстойника и оседает на его дно[45,46].
Совмещение процессов отстаивания и фильтрования в одном сооружении дает ряд преимуществ, в сравнении с доочисткой на отдельных фильтрах:
приводит к увеличению эффективности осветления сточных вод, снижению массовой нагрузки на фильтр и увеличению длительности фильтровального цикла;
увеличение качества очищенных сточных вод;
проще помывка и автоматизация фильтрования;
капитальные и эксплуатационные затраты в несколько раз ниже.
Конструкция отстойника – фильтра успешно реализуется в промышленных масштабах на очистных сооружениях производительностью 120 тыс.м3/сут.
Размещение в отстойнике диаметром 40 м фильтра с плавающей загрузкой позволит в 5 раз снизить содержание взвешенных веществ, без увеличения эксплуатационных затрат и при капитальных затратах в 10 раз ниже, в случае строительства отдельных фильтровальных станций [47,48].
Метод ультразвуковой обработки может применяться для интенсификации процесса биологической очистки сточных вод, так как увеличивает дегидрогеназную активность микроорганизмов и скорость потребления кислорода. Повышение активности микробного ценозов в результате УЗ воздействия связано с частичным разрушением бактериальных клеток, высвобождением ряда биологических активных элементов (ферментов, витаминов, биополимеров, биогенных элементов) и активизацией неразрушенных микроорганизмов, за счет увеличения клеточной проницаемости, усиления активности ферментов и поверхностно расположенных рецепторов клетки[49,50,51].
Низкочастотное ультразвуковое воздействие различной интенсивности на иловую суспензию в стационарных условиях оказывает значительное влияние на дегидрогеназную активность низко-нагружаемых промышленных илов. Более значительный рост ДАИ суспензий с обработанным илом, очевидно, связан с дополнительным выделением в иловую смесь ферментов, биогенных элементов и ростовых веществ вследствие разрушения бактериальных клеток, что подтверждается данными других исследователей. В результате УЗВ также возможно повышение клеточной проницаемости и усиление активности ферментов и ряда поверхностно расположенных рецепторов клетки не разрушенных микроорганизмов [52,53].
Изучалось влияние УЗВ на эффективность биологической очистки сточных вод. Эффективность УЗВ оценивалась по ХПК, концентрации СПАВ, фенола, аммонийного азота в очищенных сточных водах.
Использование ультразвука для интенсификации процесса биологической очистки новый метод и еще не достаточно изучена его эффективность при очистке хозяйственно-бытовых сточных вод. На данный момент, определена целесообразность применения этой технологии при биологической очистке токсичных сточных вод непостоянного состава, что характерно для химической промышленности. [54]. Определение эффективности метода ультразвукового воздействия при очистке хозяйственно-бытовых сточных вод требует проведения дополнительных исследований.
В ходе проведения литературного обзора и анализа, имеющихся данных нами установлено, что:
– биологическая очистка сточных вод является главной составляющей интенсифицирует процесс очистки сточных вод;
– достижение требуемых показателей качества очищенных сточных вод может быть решено путем совмещения различных технологических – очистные сооружения нуждаются в разработке приборов контроля для обеспечения процесса очистки.
Определен метод воздействия, в качестве воздействия выбран метод ультразвукового воздействия путем передачи механических колебаний обрабатываемому активному илу. Данный метод выбран по следующим параметрам: возможность направленного воздействия, работа в широких диапазонах, скорость готовности к работе и простота использования.
На основании полученных в ходе литературного обзора данных установили возможность и целесообразность применения ультразвукового воздействия путем передачи механических колебаний обрабатываемому активному илу.
Актуальность выполненного исследования заключается в повышении эффективности степени очистки сточных вод от биогенных элементов путем, применения интенсифицирующего воздействия ультразвука и программно аппаратного комплекса обеспечения для локальных объектов очистки сточных вод.
Глава 2 Объекты и методики проведения исследования Очистные сооружения канализации предназначены для приема и переработки хозяйственно-бытовых сточных вод города Кириши, поселка Пчева, сточных вод от установки обезвоживания избыточных илов и осадка, а так же от участка по ремонту запорной арматуры предприятия.
В состав очистных сооружений канализации входят следующие узлы очистки:
- механической;
- биологической;
- станция обеззараживания сточных вод;
- доочистки сточных вод на буферных прудах.
Проектная мощность очистных сооружений составляет 41000 м3/сут.
схема очистки хозяйственно-бытовых сточных представлена на (рисунке 12).
Рисунок 12 – Схема очистки хозяйственно - бытовых сточных Аэротенки разделены на 4 секции (зоны дефосфотации, денитрификации и нитрификации).
1-я секция (зона) анаэробная имеет длину коридора - 6,5 м.
2-я секция (зона) анаэробная имеет длину коридора - 6,5 м.
3-я секция (зона) анаэробная имеет длину коридора - 82 м.
4-я секция (зона) аэробная имеет длину коридора - 67 м.
Дефосфатация (включает первую и вторую секции).
Всего три линии дефосфатации. Общий объем камер дефосфатации 1050 м3, в каждой технологической линии 350 м3. Данный объем аэротенка разделен на две следующие друг за другом камеры: 175 м3 + 175 м3 = 350 м3, это соотношение БПК : Р изменяемое и неблагоприятное. Поэтому обеспечивается возможность двухфазной дефосфатации длина каждой камеры 6,5 м. Разделение произведено легкой перегородкой, которая имеет проходное отверстие в нижней ее части 800 х 1500 мм. Проходное отверстие несколько смещено от центра. В каждой из камер установлена погружная мешалка для перемешивания возвратного ила (иловой суспензии после вторичных отстойников) и входящих стоков для приведения массы в однородное состояние. Мешали (миксеры) фирмы KSB, горизонтальные погружные мешалки модель Amamix 400 – 424/48.
В зону дефосфатации вводится иловая суспензия из иловой камеры через три параллельно работающих расходомера. Объем возвращаемой иловой суспензии составляет от 1.33 до 2 Q (объемов поступающего жидкостного потока). Возврат осуществляется в первую камеру дефосфатации. Каждая технологическая линия управляется отдельно. После дефосфатации жидкостной поток поступает в камеру денитрификации (рисунок 13) [55].
Движение жидкостного потока в зоне денитрификации предусмотрено по системе «карусель». Общая длина коридора денитрификации 82 м. Зону денитрификации разделяет перегородка аэротенка, которая имеет сквозные проемы. Размер проема внутри аэротенка составляют 5,87 м. Движение жидкостного потока по кругу направляют погружные мешалки (миксеры). В камере денитрификации установлены восемь погружных мешалок. Мешалки устанавливаются в начале и конце коридора по две штуки с обеих сторон коридора. Модель мешалок фирмы KSB, горизонтальные погружные мешалки модель Amaprop 88 - 1400/4 4 URG/YRG. В камеру денитрификации предусмотрен возврат иловой суспензии из камеры нитрификации (конец коридора нитрификации) [56].
После денитрификации биомасса поступает в камеру нитрификации (рисунок 14). Разделение этих камер проводится перегородкой с проходным отверстием в ее нижней части с размером 800 х1500 мм. Длина коридора нитрификации 67 м. Камера аэрируемая. Подача и распределение воздуха осуществляется через поперечную донную аэрационную систему с мелкопузырьковыми соплами (Nopol PIK 300). По всей длине коридора прокладывается 6 рядов аэраторов (ширина коридора 5,7м.), то есть через 815 мм от центра до центра аэратора или по 0,5 м между «блинами» аэратора.
Рисунок 14 – Нитрификация (секция четыре - аэрационная).
Расстояние от стенки 800 мм с учетом конического днища. Диаметр блина аэратора 300 мм. При необходимости может работать та или иная система.
Данный прием позволяет увеличивать или уменьшать дополнительно зону денитрификации. В конце камеры нитрификации установлен рециркуляционный насос, при помощи которого рециркуляционный шлам отводится в начало денитрификационной камеры.
В аэрационном резервуаре (рисунок 15) установлен датчик растворенного кислорода Endress + Hauser - один датчик на каждый резервуар, всего 3 датчика.
Расход воздуха на последнем этапе нитрификации регулируется на основании результатов измерения. Управление производится основной системой автоматизации. Расход воздуха регулируется при помощи автоматического клапана на воздуховоде На одну рабочую линию предусмотрен один клапан автоматического регулирования, всего 3 клапана. В каждой камере нитрификации устанавливается один датчик измерения рН и температуры. Всего измерительных блока. Управление производится основной системой автоматизации.
Вакуумирование осуществляется в каждой технологической линии всего три установки (рисунок 16). Пропускная способность каждого блока по стокам и рециркуляционному илу составляет примерно пропускной способности предполагается во время периодических остановок одной из линий. В таких условиях, пропускная способность достигнет примерно 36000 м3/сутки с максимальными суточными и почасовыми колебаниями.
Иловая смесь забирается напрямую из камеры нитрификации и после вакуумирования сбрасывается в выходной коридор аэротенка[57,58].
Рисунок 16 – Блок вакуумирования ила (BIOGRADEX®).
Активный ил и вода после биологической очистки разделяются в круглых резервуарах финишного осветления горизонтального типа (рисунок 17). Всего четыре резервуара. Шлам осаждается гравитационно на дно резервуара и чистая вода с поверхности резервуара выводится из процесса через каналы перелива.
Возвратный шлам отводится через автоматически регулируемый затвор на участок измерения расхода. Измерение возвратного шлама производится электромагнитными расходомерами - по одному на каждый осветлитель, всего четыре расходомера Endress+Hauser Promag 50W. После измерения расхода возвратный шлам поступает на насосную станцию. При помощи центробежных насосов он поступает на переднюю часть резервуаров дефосфатации.
Рисунок 17 – Вторичные отстойники (осветление) 2.2 Техническая характеристика сооружений Приемная камера ПК-1 представляет собой железобетонный резервуар объемом 35м3. Предназначена для приема и гашения скоростей потоков хозяйственно-бытовых сточных вод, поступающих по трубопроводам в эту камеру.
Решетки ступенчатые PC-1000 c величиной прозоров 5мм. предназначены для удаления из сточной воды механических примесей.
Песколовки радиальные с круговым движением воды предназначены для удаления из сточных вод механических примесей. Конструктивно состоит из верхней (цилиндрической) рабочей части, где движется поток и нижней (конической) осадочной части, в которой собирается песок. В верхней части песколовки имеется металлический стакан, образующий со стенкой песколовки лоток, по которому сточная вода совершает круговое движение. Лоток по всей длине нижней части имеет щелевое отверстие. Механические примеси в процессе движения за счет силы тяжести оседают в конусную часть песколовки. Для удаления осевшего осадка песколовка оборудована стационарным гидроэлеватором.
Промежуточная камера ПК-2 представляет собой железобетонный резервуар объемом 19м3, предназначена для приема и сбора осветленных сточных вод после песколовок, оборудована датчиком температуры и рН-метром.
Первичные отстойники предназначены для выделения из сточной воды нерастворенных веществ, находящихся во взвешенном и плавающем состоянии и их удалении. Отстойники оборудованы илоскребами. Отстойник представляет собой круглую цилиндрическую емкость, выполненную из железобетона.
Отстойник оснащен:
успокоительным кольцом;
кольцевым сборным лотком для сбора и отвода осветленных сточных горизонтально по краю сборного лотка;
механизмом сбора осевшего осадка в виде скребков, сгребающих осадок в центральный приямок отстойника, откуда осадок отводится по трубопроводу на всасывающие патрубки насосных агрегатов, расположенных в насосной станции сырого осадка;
системой сбора и удаления плавающих веществ через жиросборное окно с поверхности отстойника по трубопроводу в жиросборный резервуар.
Скребковый механизм крепится к подвижной ферме, вращающейся вокруг центральной опоры отстойника. Ферма одной частью опирается на центральную опору отстойника, второй частью на платформу колесной пары, двигающейся по кромке наружной стенки отстойника.
Распределительная чаша первичных отстойников выполнена в виде крестообразного железобетонного резервуара (рисунок 18). На каждом направлении установлен шибер, выполненный из нержавеющей стали. С помощью шиберов производится подача и регулировка сточных вод, подаваемых на отстойники.
Рисунок 18 – Первичные отстойники (осветление) с распределительной Насосная станция сырого осадка предназначена для откачки уловленного сырого осадка и плавающих веществ после первичных отстойников на установку обезвоживания избыточных илов и сырого осадка, а так же для опорожнения первичных отстойников. Насосная станция состоит из заглубленной и надземной частей. В заглубленной части расположены насосные агрегаты и коммуникации.
Гидроциклон предназначен для обезвоживания песковой пульпы после песколовки. Представляет собой цилиндрическую емкость с конусной нижней частью. Ввод песковой пульпы в гидроциклон осуществляется тангенциально на расстоянии 600 мм от верха цилиндрической части по трубопроводу Ду 200 мм.
За счет центробежной силы, возникающей при этом, осадок с песком прижимается к стенке гидроциклона и под действием силы тяжести оседает в конусную часть. Осветленные сточные воды отводятся в приемную камеру ПК- по трубопроводу Ду 200мм. Осадок и песок из конусной части гидроциклона выгружаются периодически по мере накопления и вывозятся автотранспортом.
Камера жиросборника представляет собой цилиндрический железобетонный резервуар объемом 12м3. Предназначен для сбора плавающих веществ после первичных отстойников.
Аэротенки представляют собой железобетонный резервуар, состоящий из трех коридоров, отделенных друг от друга продольными направляющими перегородками, не доходящими до одной из торцевых стен, в котором происходит процесс биологической очистки сточных вод и может быть описан как непосредственный контакт загрязнений с оптимальным количеством организмов активного ила в присутствии соответствующего количества растворенного кислорода в течении необходимого периода времени.
Тип аэротенка - аэротенк трехкоридорный вытеснитель с возможностью регенерации возвратного ила. Производительность одного аэротенка при аэрации не менее 6.5 часа составляет 500м3/ч.
Аэротенки оборудованы системой аэрации, выполненной из аэраторов «Полипор». Аэратор состоит из перфорированного трубчатого полиэтиленового каркаса. На поверхность каркаса путем пневмоэкструзии нанесено диспергирующее двухслойное пористо-волокнистое покрытие, предназначенное для равномерного распределения воздуха, подаваемого в аэрируемую жидкость.
Концентрация кислорода с учетом нагрузки по сточным водам поддерживается не менее 2 мг О2/л.
Вторичные отстойники предназначены для разделения иловой смеси после аэротенков на осветленные сточные воды и возвратный активный ил. Отстойники оборудованы илососами.
Отстойник представляет собой цилиндрическую емкость, выполненную из железобетона. Отстойник оснащен:
системой подачи иловой смеси в отстойник (центральный стакан) с успокоительным кольцом;
сточных вод;
горизонтально по краю сборного лотка;
механизмом сбора осевшего активного ила, выполненным в виде илососов (сосунов) с отводом активного ила по отводящей центральной трубе в ПК-4.
система сосунов крепится к подвижной ферме, вращающейся вокруг центральную опору отстойника, второй стороной на платформу колесной пары, двигающейся по кромке наружной стенки отстойника.
Приемная камера циркуляционного активного ила ПК-4 предназначена для приема циркуляционного активного ила после вторичных отстойников.
Представляет собой заглубленный железобетонный резервуар прямоугольной формы объемом 163 м3.
Камера очищенных сточных вод ПК-3 предназначена для приема очищенных сточных вод из вторичных отстойников. Представляет собой прямоугольный заглубленный железобетонный резервуар объемом 326 м3.
Оборудована уровнемером, рН-метром.
Насосная станция №17 предназначена для:
перекачки очищенных сточных вод на буферные пруды;
перекачки циркуляционного активного ила в аэротенки;
откачки избыточного активного ила на установку обезвоживания избыточных илов и осадка;
подачи очищенных сточных вод на технические нужды очистных опорожнения аэротенков и вторичных отстойников.
В состав насосной станции так же входит:
приемная камера циркуляционного активного ила;
камера очищенных сточных вод.
Станция ультрафиолетового обеззараживания (рисунок 19) предназначена для обеззараживания стоков. Используются аппараты УДВ-500/288-д11 в количестве 4 штук. Отделение воздуходувной станции – предназначено для подачи воздуха в аэротенки. В настоящее время воздуходувные машины законсервированы. Подача воздуха в аэротенки осуществляется с воздуходувной станции очистных сооружений промышленной канализации.
Рисунок 19 – Станция ультрафиолетового обеззараживания естественных условиях. Общий объём прудов 170 тыс. м3, полезный - 120 тыс. м3.
В таблице 4 представлены результаты анализов сточных вод очистных сооружений хозяйственно - бытовых сточных вод г. Кириши за 2013 год.
Таблица 4-Усредненный анализ поступающих сточных вод на очистные сооружения г.Кириши 2.2 Источник получения активированного активного ила Исходя из анализа способов интенсификации процесса биологической, после различных видов воздействия мы установили, что ультразвуковая обработка активного ила в определенных условиях может рекомендоваться, как метод, способствующий интенсификации процесса очистки сточных вод от биогенных элементов.
В настоящее время известно множество способов повышения качества очистки сточных вод, таких как воздействие магнитного, акустического, электрического, симультативного и др. [59,60].
К сожалению как показали предварительно проведенные нами исследования данные способы нам не подходят по выходным параметрам. В качестве источника получения активированного ила мы выбрали источник удовлетворяющий нашим требованиям – возможность направленного воздействия, работа в широких диапазонах, скорость готовности к работе, восстановимость, малогабаритность и т.п.). Выбранный источник позволяет оказывать ультразвуковое воздействие и достигать таких результатов, которые не получить при обработки известными способами.
Таким источником является промышленное устройство ультразвуковой диспергатор УЗД1-1.6/22 предназначенный для создания в жидкостях интенсивной кавитирующей зоны, состоит из ультразвукового генератора и ультразвукового магнитострикционного преобразователя, преобразующего электрическую энергию генератора в энергию механических колебаний рабочего инструмента.
Технические характеристики Мощность выходная, кВт, максимальная…………………………1,6±0, Рабочая частота, кГц……………………………………………….22±1, Мощность, потребления от сети, кВт, не более………………………3, Напряжение однофазной питающей сети, В…………………220±5(10)% Частота питающей сети, Гц……………………………………………... Габаритные размеры, мм, не более Масса генератора с колебательной системой, кг, не более ………..26, Ультразвуковой генератор УЗГ17-2.0/22 предназначен для питания магнитострикционных и пьезокерамических преобразователей.
Генератор должен работать в помещениях категории размещения 4 ГОСТ 15150 – 69 и ГОСТ 15542 – 70. Окружающая среда при эксплуатации генератора должна быть невзрывоопасной.
Мощность, потребления от сети, кВт, не более………………………3, Напряжение однофазной питающей сети, В…………………220±5(10)% Частота питающей сети, Гц……………………………………………... Мощность выходная, кВт, максимальная…………………………2,0±0, Рабочая частота, кГц……………………………………………….22±1, Режим работы – непрерывный с автоматической подстройкой частоты (АПЧ) на резонанс колебательной системы преобразователя.
Точность АПЧ, Гц, не хуже …………………………………………..± Габаритные размеры, мм, не более………...……………… 530х255х Масса, кг, не более …………………………………………………….. Генератор обеспечивает выходные параметры при подключении магнитострикционного преобразователя со следующими характеристиками:
Полный импеданс, Ом(Zn) ………………………………………... Частота механического резонанса, кГц……………………….....22±1, Коэффициент мощности(соsн), не менее……………………………0, Ток поляризации, А……………………………………………….. независимого возбуждения с автоматической подстройкой частоты (АПЧ) на резонанс подключенной колебательной системы.
Генератор состоит из следующих узлов: усилитель предварительного А1 и усилителя мощности А2.
трансформатора TV1. Элементы L2, C14 – C18 служат для согласования генератора с нагрузкой, а переключатель осуществляет установку необходимого уровня выходной мощности генератора. Схема с АПЧ включает датчик точка TV2, выполненный на основе дифференциального трансформатора, с выхода которого сигнал, пропорциональный амплитуде механических колебаний преобразователя, поступает по цепи обратной связи на управляющий вход предварительного усилителя.
Силовой выпрямитель выполнен по безтрансформаторной схеме на диодах Е1 с емкостным фильтром С1 – С4 на выходе. Сетевой фильтр Z1 состоит из двух индукционно-емкостных звеньев в каждом питающем проводе.
Схема работает следующим образом. После включения тумблера SA «ВКЛ» включается магнитный пускатель КМ1, который своими контактами КМ1.1 и КМ1.2 подключит к генератору сеть, при этом, если тумблер SA выключен, то генератор включается, индикатор РА1 покажет наличие колебаний преобразователя. При возникновении перегрузки по току срабатывает схема защиты, в результате чего генератор по высокой частоте выключается, а на передней панели загорается лампочка перегрузки и индикатор РА покажет отсутствие колебаний преобразователя. После включения генератора тумблером SA2 и погасания лампочки «ПЕРЕГРУЗКА» можно повторно включить генератор.
В случае применения дистанционного управления, к разъему XS подключаются контакты реле исполнительного механизма управления, а тумблер SA1 переключается в положение «ВКЛ».
2. Генератор выполнен в настольном исполнении. На передней панели расположены: индикаторы включенного состояния генератора и состояния перегрузки.
На задней панели генератора расположены: разъемы для подключения кабеля питающей сети, преобразователя дистанционного управления, болты заземления, ручка переключения мощности.
Охлаждение генератора воздушное, принудительное.
Для контроля работы генератора служит амперметр РА1, позволяющий оценить уровень выходной мощности генератора. На рисунке 20 представлена принципиальная электрическая схема ультразвукового генератора.
Рисунок 20 – Схема принципиальная электрическая 1. Для обеспечения работоспособности диспергатора в течение длительного времени, необходимо соблюдать следующие условия:
- помещение, предназначенное для устройства должно соответствовать требованиям «Санитарных норм проектирования промышленных предприятий СНП 245-71»;
- температура окружающего воздуха должна быть +100…+350С при относительной влажности не более 80%.
2. Поставить выключатель «СЕТЬ» генератора в положение «ВЫКЛ».
3. Подключить к разъему «НАГРУЗКА» кабель магнитострикционного преобразователя.
4. Включить систему охлаждения преобразователя. Подключить шланги водяного охлаждения к преобразователю, подающий к штуцеру «ПОДАЧА», сливной к штуцеру «СЛИВ». Проверить работу системы охлаждения и расход воды, который должен быть не менее 2 л/мин.
5. Тумблер «ДИСТАНЦИОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ» поставить в положение «ВЫКЛ».
6. Поставить ручку «МОЩНОСТЬ» положение 1.
7. Закрепить диспергатор в штативе или ином жестко фиксирующим устройстве, погрузив волновод преобразователя в обрабатываемую жидкость на – 10 см.
8. Подключить кабель питания генератора к сетевой розетке и подать питающее напряжение.
9. Перевести тумблер «СЕТЬ» в положение «ВКЛЮЧЕНО». При этом будет слышен характерный шум кавитирующей жидкости, а индикатор «КОЛЕБАНИЯ»
покажет наличие работы преобразователя.
10. После окончания технологического процесса выключить генератор, для чего перевести тумблер «СЕТЬ» в положение «ВЫКЛ».
Промышленный генератор позволяет эффективность без увеличения удельных энергозатрат за счет участия в интенсификации процессов химической, физической и физико-химической природы в материалах, находящихся в твердом, жидком, парообразном, газообразном виде. На (рисунке 21) представлен общий вид генератора с колебательной системой.
В результате воздействия ультразвука за счет кавитации происходит разрушение хлопьев и повышается ферментативная активность ила. Это приводит к изменению скорости роста общей биомассы активного ил, в частности, к значительному увеличению способности накопления клеточного фосфора, как следствие, к повышению эффективности очистки сточных вод от биогенных элементов.
Эквивалентная электрическая схема, моделирующая процессы при ультразвуковой обработке суспензии активного ила в лабораторных условиях, представлена на рисунке 22.
1 – ультразвуковой генератор, 2 – магнитострикционный преобразователь с волноводом,3 – Рисунок 22 – Эквивалентная схема обработки активного ила Для чистоты получения большей сходимости и воспроизводимости результатов, проводимых экспериментов использовали стеклянные емкости, которые после каждой серии опытов мылись хромой смесью и дистиллированной водой. После чего проходили сушку в сушильном шкафу течении 30 минут, чтобы избежать попадания остатков обработанной суспензии в другую серию проводимых опытов [61,62].
Время контакта и условия обработки активного ила При выполнении диссертационного исследования в качестве пробы сравнения использовали суспензию активного ила необработанного ультразвуком, что позволило оценить влияние обработанного активного ила на интенсивность процессов в биоокислителях.
Для оценки эффективности очистки сточных вод после ультразвуковой обработки суспензии рециркулирующего активного ила место отбора (рисунок 23), в каждой серии опытов использовалась одна проба отобранная из приямка (рисунок 24).
Рисунок 23 – Точка отбора суспензии рециркулирующего активного ила Рисунок 24. – Точка отбора сточных вод перед аэротенком после Исследуемая суспензия, разливалась в одинаковые стеклянные стаканы объемом 1000 мл. Затем в стакан с суспензией погружали волновод магнитострикционного преобразователя на 5 – 10 см в обрабатываемую среду и в течение 5-ти, 10-ти, 20-ти и 40-ка секунд соответственно включали ультразвуковой генератор для создания кавитирующей зоны.
После смешения отобранной пробы рисунок 25 сточных вод с обработанной суспензией активного ила проводили аэрацию пробы в течении 4х часов в соответствии с временем пребывания активного ила в зоне аэрации работающих очистных сооружений рисунок 26.
Рисунок 25 – Пробы сточной воды перед смешением с обработанной Рисунок 26 – Аэрация смеси сточных вод с обработанной суспензией 2.3 Методы оценки эффективности воздействия ультразвука на качество Показатели качества очистки сточных вод определялись по стандартным методикам описанным ниже.
При подготовке к выполнению измерений посуды для отбора проб и хранения обезжириваются раствором СМС, промывают водой, обрабатывают хромовой смесью, промывают водопроводной водой, затем 3-4 раза дистиллированной водой.
Отбор проб поверхностных и сточных вод производится в соответствии с требованиями ГОСТ Р 51592-2000 «Вода. Общие требования к отбору проб», ПНД Ф 12.15.1-08 «Методические указания по отбору проб для анализа сточных вод».
Пробы воды (объемом не менее 500 см3) отбирают в емкости из полимерного материала или стекла, предварительно ополоснутые отбираемой водой.
Если анализ производится в день отбора пробы, то консервирование не производится.
В том случае, если пробы не могут быть проанализированы сразу, их хранят при температуре 3-40С не более 24 часов или консервируют добавлением 2-4 см хлороформа на 1 дм3 воды. Законсервированные пробы хранятся не более двух суток.
Измерения проводят в следующих условиях:
- температура окружающего воздуха (20±5)0С;
- относительная влажность не более 80% при t=250С;
- атмосферное давление (84-106) кПа (630-800 мм рт. ст.);
- частота переменного тока (50±1) Гц;
- напряжение в сети (220±22) В.
2.3.1 Методика выполнения измерений биохимического потребления кислорода в природных и сточных водах по изменению давления в газовой фазе ( манометрический метод) (МВИ 224.01.17.133/2009) Данная методика позволяет измерять биохимического потребления кислорода (БПК) в течении пяти дней (БПК5) или n инкубационных суток (БПКn) в диапазоне от 1 до 4000 мг О2/дм3 по изменению давления газовой фазы над анализируемой пробой.
При анализе проб с высоким содержанием БПК проводят дополнительные разбавления.
Метод определения БПК основан на способности микроорганизмов потреблять растворенный кислород при биохимическом окислении органических и неорганических веществ в воде.
БПК определяют количеством кислорода в мг/дм3, которое требуется для окисления находящегося углеродосодержащих органических веществ, в аэробных условиях в результате биохимических процессов.
Для сопоставимости величин БПК определение проводят при заданных стандартных условиях: продолжительность инкубации 5 суток (или более), температура инкубации 20 ± 1 0С, отсутствие доступа света и воздуха.
По разности содержания растворенного кислорода в обогащенной растворенным кислородом и зараженной аэробными микроорганизмами исследуемой воде до и после инкубации в стандартных условиях устанавливается значение БПК.
Метод заключается в измерении разности давления в герметично закрытой бутылке до и после инкубации с помощью электронных датчиков давления, встроенных в крышки бутылок. Измеренное значение затем переводится с помощью таблиц в мг/дм3 БПК.
Реализация манометрического метода измерения БПК в пробах питьевой, природных и сточных с помощью OxiTop рисунок 27 возможна при соблюдении следующих условий:
- присутствие в воде микроорганизмов, которые должны потреблять кислород растворенный в воде, для разложения органических соединений;
- наличие достаточного количества кислорода в воде (примерно 8-9 мг О2/дм3) для протекания биохимических реакций при разложении органических соединений (загрязняющих веществ);
- наличие достаточного количества питательных веществ (азота, фосфора);
- постоянная температура в течении всего периода инкубации (20 ± 1 0С);
- содержание кислорода в пробе в течение всего времени инкубации должно постоянно пополнятся для обеспечения нормальных условий протекания аэробных биохимических процессов (недостаток кислорода компенсируется из газовой фазы за счет постоянного перемешивания);
- емкость, в которой находится проба воды, должна быть герметична;
- наличие интенсивного перемешивания, которое способствует возмещению потребляемого кислорода из газовой фазы над жидкостью, при этом давление над жидкостью уменьшается;
- изменение давления газа должно быть пропорционально потреблению кислорода;
- возникающий в процессе обмена веществ углекислый газ в газовой фазе должен адсорбироваться гидрооксидом натрия.
Рисунок 27 - OxiTop герметичные бутылки с электронным датчиком 2.3.2 Методика определения химического потребления кислорода(ГОСТ Р Данный метод позволяет измерять химическое потребления кислорода (ХПК) с использованием фотометрии и распространяется на все типы воды питьевые, природные, сточные в диапазоне от 10 до 800 мг О2/дм3.
При анализе проб с высоким значением ХПК проводят дополнительные разбавления, но более чем в 100 раз.
К мешающим факторам при проведении определения относят наличие в пробе воды хлоридов при их содержании свыше 1000 мг/дм3 и марганца (II) при содержании свыше 50 мг/дм3. Мешающие факторы устраняются разбавлением пробы воды.
Сущность метода заключается в обработке пробы воды серной кислотой и бихроматом калия при заданной температуре в присутствии сульфата серебра – катализатора окисления и сульфата ртути (II). Он используемого для снижения влияния хлоридов, и определения значений ХПК в заданном диапазоне концентраций путем измерения оптической плотности исследуемого раствора при заданном значении длинны волны с использованием градуировочной зависимости оптической плотности раствора от значения ХПК.
Значения ХПК в диапазоне от 10 до 160 мг О2/дм3 включительно определяют путем измерения оптической плотности раствора при длине волны (440±20) нм.
Значения ХПК в диапазоне от 80 до 800 мг О2/дм3 включительно определяют путем измерения оптической плотности раствора при длине волны (600±20) нм.
Значения ХПК в диапазоне от 80 до 160 мг О2/дм3 включительно допускается определять как длине волны (440±20) нм, так и при длине волны (600±20) нм.
2.3.3 Методика выполнения измерений массовой концентрации общего фосфора и фосфора фосфатов в пробах питьевых, природных и сточных вод фотометрическим методом (ЦВ 3.04.53. – 2004) Данная методика позволяет измерять содержания массовой концентрации общего фосфора и фосфора фосфатов в пробах сточных вод в диапазоне от 0, до 1000 мг/дм3, и общего фосфора в питьевых и природных вод в диапазоне от 0,013 до 1000 мг/дм3.
Мешающие влияния, обусловлены присутствием в пробе сульфидов и сероводорода в концентрациях, превышающих 3 мг/дм3. Их влияние устраняют добавлением нескольких миллиграммов твердого марганцевокислого калия на см3 пробы. После встряхивания в течении 1-2 минут раствора должен оставаться слаборозовым.
Сильнокислые или сильнощелочные пробы предварительно нейтрализуют до рН=4 – 11.
На определение оказывает влияние присутствие соединений мышьяка, который образует с молибдатом аналогичную фосфору гетерополикислоту. Если в пробе предполагается или известно присутствие мышьяка, то за 10 минут до серноватистокислого натрия массовой концентрации 12 г/дм3. Измерение оптической плотности такой пробы следует провести через 10 – 11 минут, не более.
Определению фосфат – ионов мешают нитриты в концентрации 0,3 мг/дм3и более. Их мешающие влияние устраняют прибавлением 1,5 см3раствора мочевины с массовой долей 40% после минирализации.
Определению мешает железо в концентрации больше 5 мг/дм3. Его мешающие влияние устраняют прибавлением в анализируемую пробу эквивалентного количества ЭДТА (трилона «Б»).
Метод измерения содержания общего фосфора и фосфора фосфатов заключается во взаимодействии ионов ортофосфатов и ионами молибдата и сурьмы с образованием комплекса фосфорно-молибденовой гетерополикислоты и восстановлении его аскорбиновой кислотой с последующим фотометрическим определением полуокрашенного соединения при длине волны излучения (690±20) нм. Для определения общего фосфора пробы подвергаются предварительной минерализации всех фосфоросодержащих веществ надсернокислым аммонием в среде серной кислоты[63].
Методика выполнения измерений массовой концентрации фосфат – ионов в питьевых, поверхностных и сточных вод ах фотометрическим методом с молибдатом аммония (ПНД Ф 14.1:2:4.112 – 97) Данная методика позволяет измерять содержания массовой концентрации фосфат - ионов в диапазоне от 0,05 до 80 мг/дм3 в питьевых, поверхностных и сточных водах.
Если массовая концентрация фосфат - ионов в анализируемой пробе превышает 1 мг/дм3, то пробу необходимо разбавлять.
Мешающие влияния, обусловленные присутствием в пробе сульфидов 2.3.4 Методика выполнения измерений массовой концентрации ионов аммония в природных и сточных водах фотометрическим методом с Данная методика позволяет измерять содержания массовой концентрации ионов аммония в диапазоне от 0,05 до 4,00 мг/дм3 в природных и очищенных сточных водах.
Если массовая концентрация ионов аммония в анализируемой пробе превышает верхнюю границу, то допускается разбавление пробы таким образом, чтобы концентрация ионов аммония соответствовала регламентированному диапазону.
Мешающее влияния, обусловленные присутствием аминов, хлорамина, ацетоном, альдегидов, спиртов, фенолов, компонентов жесткости воды, взвешенных веществ, железа, сульфидов, хлора, гуминовых веществ, устраняются специальной подготовкой пробы к анализу.
Фотометрический метод определения массовой концентрации ионов аммония основан на взаимодействии NH4+ - ионов с тетраиодомеркуратом калия в щелочной среде K2HgI4 + KOH (реактив Несслера) с образованием коричневой, нерастворимой в воде соли основания Миллона [Hg2N]H2O, переходящий в коллоидную форму при малых содержаниях NH4+ - ионов. Светопоглощение раствора измеряют при = 425 нм в кюветах с длиной поглощающего слоя 1 или 5 см. Интенсивность окраски прямо пропорциональна концентрации NH4+ - ионов в растворе пробы[64].
2.3.5 Методика выполнения измерений массовой концентрации общего азота в водах УФ – спектрофотометрическим методом после окисления Данная методика позволяет измерять содержания массовой концентрации общего азота в диапазоне от 0,4 до 6,0 мг/дм3 в природных и очищенных сточных водах.
При анализе проб воды с массовой концентрацией общего азота, соответствующего разбавления пробы водой, не содержащей соединения азота.
Спектрофотометрический метод определения массовой концентрации общего азота основан на окислении азотосодержащих соединений персульфатом калия при нагревании в щелочной среде. Азот, содержащийся в органических и неорганических соединениях, в результате реакции превращается в нитраты.
Содержание нитратов в пробе после окисления измеряют по поглощению в УФ – области спектра (=210мн).
Органический азот определяют по разности между общим содержанием азота и содержанием неорганических форм (нитратов, нитритов, ионов аммония).
Определению мешают значительные количества тяжелых металлов (более 10 мг/дм3), а также 1 мг/дм3 хрома и 1 мг/дм3 железа. Мешающее влияние хрома (IV) и железа (III) до концентрации 10 мг/дм3 устраняется добавлением гидроксиламина. При высоком содержании азота устранить влияние металлов при концентрации более 10 мг/дм3 можно за счет разбавления.
2.3.6 Методика выполнения измерений массовой концентрации нитрат – ионов в питьевых, поверхностных и сточных водах фотометрическим методом с салициловой кислотой (ПНД Ф 14.1:2:4.4 – 95) Данная методика позволяет измерять содержания массовой концентрации нитрит - ионов в диапазоне от 0,1 до 100 мг/дм3 в питьевых, поверхностных и сточных водах.
Если массовая концентрация нитрат - ионов в анализируемой пробе превышает 10 мг/дм3, то пробу необходимо разбавлять.
Мешающие влияния, обусловленные присутствием взвешенных, окрашенных органических веществ, хлоридов в количествах, превышающих мг/дм3, нитритов при содержании свыше 2,0 мг/дм3, железа при массовых концентрациях более 5 мг/дм3, устраняются специальной подготовкой пробы.
Фотометрический метод определения массовой концентрации нитрат – ионов с салициловой кислотой с образованием желтого комплексного соединения.
Оптическую плотность раствора измеряют при =410 нм в кювете с длинной поглощающего слоя 20 мм [65].
2.3.7 Методика выполнения измерений массовой концентрации нитрит – ионов в питьевых, поверхностных и сточных водах фотометрическим методом с реактивом Грисса (ПНД Ф 14.1:2:4.3 – 95) Данная методика позволяет измерять содержания массовой концентрации нитрит - ионов в диапазоне от 0,02 до 3,00 мг/дм3 в питьевых, поверхностных и сточных водах.
Если массовая концентрация нитрит - ионов в анализируемой пробе превышает 0,6 мг/дм3, то пробу необходимо разбавлять.
Определению мешают мутность и взвешенные вещества. Трехвалентное железо, двухвалентная ртуть, серебро, висмут, трехвалентная сурьма, свинец, трехвалентное золото, хлорплатина и метаванатады мешают определению, так как выпадают в осадок. В анализируемой пробе не должны присутствовать сильные окислители и восстановители. Определению мешает также окраска воды и трихлорамин, двухвалентная медь занижает результаты вследствие вызываемого ею каталитического распада диазотированной сульфаниловой кислоты.
сульфаниловую кислоту с образованием красно-фиолетового диазосоединения с – нафтиламином. Интенсивность окраски пропорциональна массовой концентрации нитритов. Протекание реакции в значительной степени зависит от рН среды. Оптическую плотность раствора измеряют при =250 нм [66].
2.3.8 Методика обработки экспериментальных данных Полученные экспериментальные данные и их достоверность определяли с учетом распределения Стьюдента. Сущность его состоит в том, что для его оценки погрешностей применяют величину средней квадратичной погрешности результата измерения среднего арифметического значения Sx :
где, X i - значение i-го измерения, X - среднее значение, n – количество измерений.
приближением к истинному значению измеряемой величины вычисляют так:
В распределении Стьюдента применяют коэффициент Стьюдента tP,n.
Численные значения tP,n принимают из специальных таблиц [67, 68] в зависимости от значений P и n.
Величину доверительной вероятности принимают не менее 0,95 (так как событие с вероятностью менее 0,95 считают малодостоверным).
доверительной вероятности, равен:
Считают, что истинное значение измеряемой величины (без учета систематической погрешности технического средства измерения) будет находиться в интервале:
С учетом систематической погрешности технического средства измерения ( X сл ) 2 ( X сист) 2 ) результат измерения будет следующим:
Полученные экспериментальные данные по всем разделам второй главы приведены в приложении А.
2.4 Методика контроля качества сбрасываемых сточных вод Получаемые данные средствами заводской лабораторий, как правило, не обладают оперативностью. Практический опыт работы с результатами анализов показывает, что и их достоверность и своевременность в некоторых случаях оказывается неудовлетворительной.
своевременность контроля состояния потоков, однако, они требуют регулярного высококвалифицированного эксплуатационного обслуживания и не дают оперативной информации о качестве. В связи с этим возникает необходимость в оценке показателей качества в режиме реального времени, при изменении условий технологического процесса (рисунок 28).
Рисунок 28 – использование математической модели технологическому персоналу в определении и решении технологических проблем, а также при управлении в реальном времени [69, 70].
В настоящее время мировая практика показывает, что использование математических моделей - широко развито. В России данные решения активно набирают обороты. Однако математические модели в основном используются в качестве вспомогательной контрольно-диагностической системы Подводя итог по главе, можно сформулировать следующие выводы:
1. Дана полная информация о работе исследуемого объекта и технические характеристики сооружения с учетом конструктивных особенностей.
2. Предложен и выбран источник получения ультразвуковых колебаний удовлетворяющий нашим требованиям – возможность направленного воздействия, работа в широких диапазонах, скорость готовности к работе, восстановимость, малогабаритность и т.п.). Выбранный источник позволяет оказывать ультразвуковое воздействие и достигать таких результатов, которые не получить при обработки известными способами. Источник состоит из ультразвукового генератора и ультразвукового магнитострикционного преобразователя.
3. Разработана методика обработки суспензии активного ила для получения активированной среды перед смешением со сточными водами.
4.Представлены методики оценки эффективности воздействия ультразвука на качество очистки сточных вод, а также предложен вариант перехода на математические модели показателей качеств в реальном времени.
Глава 3 Экспериментальные исследования воздействия ультразвука на процессе биологической очистки сточных вод Для определения рабочего времени воздействия ультразвука на суспензию активного ила была проведена серия из 10 экспериментов. В каждую серию входили 10 опытных образцов и один образец сравнения. Для каждой серии проводились исследования с контрольным и образцом, обработанным в течение 5-ти, 10-ти, 20-ти и 40-ка сек.
Исследуемая суспензия, разливалась в одинаковые стеклянные стаканы объемом 1000 мл. Затем в стакан с суспензией погружали волновод магнитострикционного преобразователя на 5 – 10 см. и в течение 5-ти, 10-ти, 20ти и 40-ка секунд соответственно включали ультразвуковой генератор для создания кавитирующей зоны [71, 72, 73] После смешения пробы сточных вод с обработанной суспензией активного ила проводили аэрацию пробы в течении 4-х часов в соответствии с временем пребывания активного ила в зоне аэрации работающих очистных сооружений. В таблице 5 представлены исходные данный по составу сточных вод.
Таблица 5 – Состав поступающих хозяйственно-бытовых сточных вод Растворенный По закону нормального распределения ошибок определялись «промахи», которые не учитываются при определении среднего значения, и доверительный интервал. Доверительную вероятность измерений брали равной 0,95. Результаты экспериментов по различным параметрам обработаны, а по средним значениям параметров из таблиц А.1-6, приложения А построены графики и определена зависимость.
3.1 Результаты исследования биологического потребления кислорода Для определения БПК после ультразвукового воздействия была проведена серия экспериментов, по 10 измерений для каждой длительности обработки суспензии активного ила[71, 72, 73].
По экспериментальным данным таблицы А.1, приложения А, построен график, представленный на рисунке 29.
Рисунок 29 – Биологическое потребление кислорода в аэрированной Из рисунка 29 видно, что общая тенденция по снижению БПК прослеживается до 20 секундной обработки, при этом максимальное снижение составляет около по сравнению с необработанной суспензией.
Соответственно оптимальное время воздействия находится в интервале 10- секунд.
3.2 Результаты исследования концентрации растворенного кислорода Для определения растворенного кислорода после ультразвукового воздействия была проведена серия экспериментов, по 10 измерений для каждой длительности обработки суспензии активного ила[71, 72, 73].
По экспериментальным данным таблицы А.2, приложения А, построен график, представленный на рисунке 30.
«