Реконструкция очистных сооружений

КОРМА
УДК 628.543
Реконструкция очистных сооружений
математическое моделирование очистки стоков свинокомплексов
М.А. КАНУННИКОВА, аспирант Академии Коммунального Хозяйства и Строительства,
кафедра «Коммунального и промышленного водопользования», инженер-проектировщик ЗАО «ВиВ»
Впервые проведено математическое моделирование сооружений очистки стоков свинокомплекса
с использованием модели ASM1 [1]. Результаты моделирования показали принципиальную
возможность применения математического моделирования с использованием модели ASM1
для расчета одно и двухступенчатых схем очистки сточных вод гидросмыва навоза в режимах
от высоконагружаемой ступени до нитри-денитрификации, при хорошей сходимости результатов
моделирования с данными эксплуатации.
Ключевые слова: сточные воды предприятий АПК, биологическая очистка, математическое
моделирование.
Mathematical model waste-water treatment pig-breeding for reconstruction treatment facilities
М.А. KANUNNIKOVA, еngineer CJSC WWW
For the first time mode mathematical model waste-water treatment pig-breeding with ASM1. Result
of modeling revealed capability to use mathematical model with ASM1 for account one-step and
two-step scheme waste-water treatment pig-breeding in high load regime and nitry – denitryfication
regime. Convergence result model with result operating date is very good.
Key words: agricultural waste water, biological treatment, mathematical simulation.
Введение
Для свинокомплекса «Надеево»
Вологодской области производительностью 1500 м3/сутки применялось
математическое моделирование
технологических процессов. Поступающие сточные воды образуются в
результате гидросмыва навоза при
содержании 54 тыс. голов свиней.
Данные очистные сооружения работали по широко принятой схеме
с двухступенчатой биологической
очисткой сточных вод в аэробных
условиях [1]. Состав сооружений:
– 2 аэротенка 1-й ступени (рабочая глубина – 4,1 м, длина – 33,9 м,
ширина – 11.5 м). Один из аэротенков не эксплуатировался;
– 2 вторичных отстойника 1-й ступени (диаметр – 14 м, общая глубина –
11 м). Один из них не эксплуатировался;
– 4 секции однокоридорных аэротенков 2-й ступени (глубина – 4,5 м,
ширина – 4,7 м, длина – 24,2 м);
– 2 вторичных вертикальных отстойника диаметром 9 м.
В аэротенке 1-й ступени перемешивание и аэрирование производилось при помощи 10 аэраторов
«Эрмиксер» – погружные пневмомеханические аэраторы (сочетание
14
погружной мешалки и аэрационного
модуля), в аэротенках 2-й ступени –
при помощи четырех аэраторов «Эрмиксер» на секцию аэротенка.
Были определены основные характеристики аэраторов для работы
высоконагружаемой ступени – коэффициент качества воды, аэрацион-
ная мощность, процент использования кислорода. Также были получены
(таблица) основные характеристики
сточной воды (количество легкоокисляемой органики, ХПК растворенное,
ХПК взвешенных веществ). Аэротенк
первой ступени работал в высоконагружаемом режиме, а в аэротенках
Таблица. Характеристики работы двухступенчатой схемы
свинокомплекса «Надеево»
Характеристики работы аэротенков 1-й ступени
Поступление, мг/л
среднее
максимальное
минимальное
Взв. в-ва
ХПК взб
N -NH4
P-PO4
6840
8268
5911
10515
13750
9669
458
463
453
108,6
122,4
94,8
КоэффиНагрузка
Доза
циент
на ил, мг
ила рециркуХПК/г СВ сут.
ляции, %
11
Выход, мг/л
среднее
макс
мин
Эффективность удаления, %
1048
1250
685
70,1
4221
5198,25
3716
59,9
475
553
359
8,3
100
1100
200
940
21,6
41,2
10,4
81,5
Характеристики работы аэротенков 2-й ступени
Поступление, мг/л
среднее
максимальное
минимальное
5083
11597
3010
5484
7611
3294
412
540
336
77,5
98,1
44,7
12,85
Выход, мг/л
среднее
максимальное
минимальное
Эффективность удаления, %
( 07’ 12 ) ОКТЯБРЬ/НОЯБРЬ СВИНОВОДСТВО
745
1162
334
85,3
909
951
866
83,4
55
448
305
13,8
27,1
33
24
65
КОРМА
300,0
240,0
Общий азот, мг/л
120,0
180,0
60,0
0,0
5000,0
4000,0
ХПК, мг/л
2000,0
3000,0
1000,0
0,0
3200,0
800,0
0,0
Взв. в-ва, мг/л
1600,0
2400,0
4000,0
второй ступени происходило дальнейшее окисление органических
веществ, частично азота аммония и
на выходе из вторичных отстойников
происходил периодический вынос
взвешенных веществ более 1 г/л.
Полученные данные позволили провести настройку математической модели и последующий расчет работы
сооружений при переходе на схему:
– аэротенк, отстойник, 100% рецикл возвратного ила 1 ступени, аэротенки и отстойники второй ступени
с 200% рециклом возвратного ила.
Вывод 50 – 70 м3/сутки избыточного
ила из второй ступени в первую, и
впоследствии 280 м3/сутки избыточного ила – из первой на механическое обезвоживание.
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
Цель: определение оптимального
time [d]
режима работы схемы в вышеописанных условиях и создание базы Рис. 1. Показатели качества воды на выходе со 2-ой ступени, полученные при
для уточнения параметров для даль- математическом моделировании существующей работы свинокомплекса «Надеево»
нейшей реконструкции сооружений с через 30 суток после стабилизации процесса
переходом на удаление азота.
Во второй ступени происходят
по ХПК составляет 60–80%. При гиПроцессы, происходящие
дролизе органических соединений в процессы биооксиления как легна сооружениях
ходе гидролиза и дезаминирования кооокисляемых, так и всех окиси их отражение в модели
белков часть органического азота ляемых органических соединений,
В первой ступени сооружений переходит в аммонийный. В резуль- процессы гидролиза органичебиоочистки происходят следующие тате образования аммонийного ских веществ, самоокисления ила,
процессы:
азота и одновременного скопления нитри-денитрификации.
Все эти процессы при соответ– рост аэробных микроорганиз- летучих жирных кислот происходит
мов с потреблением органических повышение рН. В результате по- ствующей настройке коэфиициенвеществ и кислорода;
вышения рН и наличия центров тов хорошо описываются моделью
– удаление части взвешенных кристаллизации, в первую очередь ASM1. При этом оседаемость ила
и коллоидных веществ за счет про- поверхности хлопка ила, проис- может быть описана через иловый
цессов биофлокуляции и сорбции ходит образование нерастворимых индекс без использования дополна хлопке ила;
соединений фосфора, в основном нительных параметров.
– гидролиз части органических струвита. Таким образом, хлопок
Настройка модели
веществ;
ила первой ступени содержит бысуществующих сооружений
– физико-химическое удаление строрастущие микрорганизмы, обМоделирование работы сооружефосфора за счет образования не- разующие непосредственно хлопок
растворимых соединений (в пер- и вырабатывающие биофлокулянты, ний первой ступени
Для случая высоконагружаемой
вую очередь струвита).
включенные в хлопок за счет биоВ первой ступени за счет высо- флокуляции и сорбции, взвешенные ступени в результате подбора коэффиких нагрузок на ил происходит окис- и коллоидные вещества, и частички циентов достигнуто хорошее схождение
ление наиболее легко окисляемых струвита. Оседаемость хлопка ила по концентрации ХПК (разница 9,5%) и
растворенных соединений (летучих зависит как от состояния ила, так и полное схождение по взвешенным вежирных кислот, составляющих ме- от входящих в хлопок взвешенных ществам. При этом значительная часть
нее 30% общего ХПК). Этот процесс веществ и количества обладающего азота остается в органической форме.
требует присутствия кислорода и с большим удельным весом струвита. Концентрации взвешенных веществ
точки зрения общей эффективности
В модели ASM1 хорошо отражен и ХПК в течение суток сильно колебаработы сооружений важен для роста рост микроорганизмов с использова- лись от неравномерности поступаюмикроорганизмов и образования нием легкоокисляемых соединений и щего расхода стока на сооружениях,
хлопка ила. При образовании хлопка гидролиз органических соединений. что также подтвердилось моделироила часть взвешенных и коллоидных Свойства получаемого хлопка могут ванием. На 67% седиментационной
веществ включаются в хлопок ила быть описаны через иловый индекс, части отстойника по высоте заполнено
под действие биофлокулянтов, вы- что стандартно для обычного хлопка иловой смесью с концентрацией 16 г/л,
рабатываемых микроорганизмами, ила и оседаемость, что отражает не- а в предпоследнем слое наблюдаета часть сорбируется за счет разви- стандартный состав хлопка. Количе- ся концентрация около 1,0 г/л. Это
той поверхности хлопка. Эти веще- ство взвешенных веществ не сорби- полностью соответствует наблюдавства удаляются вместе с илом. При руемых хлопком может быть описано шейся в практике ситуации. Расчетная
доза ила составляла 9–12 г/л. Таким
этом общая эффективность очистки как не оседаемая взвесь.
( 07’ 12 ) ОКТЯБРЬ/НОЯБРЬ СВИНОВОДСТВО
15
КОРМА
1600,0
2000,0
120,0
Взв. в-ва, мг/л
800,0
ХПК, мг/л
1000,0
Азот орг., мг/л
60,0
0,0
0,0
0,0
образом, модель хорошо описывает
работу высоконагружаемой ступени,
несмотря на значительную роль в этом
процессе сорбционного механизма.
Моделирование работы по 2-х
ступенчатой схеме (для всей станции)
Моделирование процесса очистки осуществлялось с выводом ила
280 м3/сутки из 1-й ступени, а коэффициент рециркуляции ила – 200%.
Происходит постепенная стабилизация с накоплением ила до 10–13
г/л во вторичном отстойнике 2-ой
ступени, а качество очищенной воды
(рис. 1) начинает зависеть от колебаний притока. При этом концентрация
взвешенных веществ составляет 800
мг/л (по эксплуатационным данным
745 мг/л), а ХПК 1100 мг/л (по эксплуатационным данным 909 мг/л).
Моделирование варианта
дальнейшей реконструкции
сооружений
При создании и проработке
варианта реконструкции очистной станции 1-й и 2-й ступеней
свинокомплекса для достижения
требуемого качества очистки стока
по ХПК, взвешенным веществам и
азоту было необходимо:
1) ввести в эксплуатацию незадействованный вторичный отстойник диаметром 14 м для аэротенков 1-й ступени;
2) определить оптимальное распределение концентрации растворенного кислорода 2-й ступени
секций аэротенков.
Моделирование показало, что за
счет достаточного объема отстойни-
концентрации в очищенной воде
0,0
8,0
16,0
time [d]
24,0
32,0
3,2
Рис. 2. Показатели качества воды на выходе со 2-ой ступени, полученные при
математическом моделировании варианта реконструкции свинокомплекса п. Надеево
0,0
мг/л
1,6
концентрация растворенного кислорода по длине
index
Рис. 3. Оптимальный профиль концентрации кислорода для протекания процесса
нитри-денитрификации
N-NO3, мг/л
60,0
0,0
120,0
N-NH4, мг/л
60,0
0,0
120,0
концентрация азота в очищенной воде
регулирование 2
без регулирования
регулирование 1
0,0
8,0
16,0
24,0
32,0
time [d]
Рис. 4. Удаление азота аммонийного и азота нитратов в управляемом режиме
расходом воздуха
16
( 07’ 12 ) ОКТЯБРЬ/НОЯБРЬ СВИНОВОДСТВО
ков происходит хорошее осаждение
ила даже при дозах 13–15 г/л. В
результате, согласно расчетам,
осуществление процесса в высоконагружаемом режиме в условиях
аэротенка первой ступени приводит к достаточно стабильной, но не
полной очистке стока. ХПК при этом
снижается до 1800–2000 мг/л, а
концентрация взвешенных веществ
будет зависеть в первую очередь от
концентрации не оседающей взвеси, предположительно 500 мг/л.
То есть происходит дополнительная
разгрузка 2-й ступени.
Растворенный кислород в сооружениях 1-й ступени – менее 0,1 мг/л,
причем первая ступень малочувствительна к изменениям расхода
воздуха в пределах 25%.
Для расчета второй ступени, с учетом предварительности этих данных
и значительного влияния концентрации не оседающей взвеси, было принято, что ХПК после первой ступени
не превысит 2500 мг/л, а взвешенные вещества – 1000 мг/л.
Моделирование второй ступени
при выводе ила из первой ступени
– 280 м3/сут, а из второй в первую
– 50–70 м 3 /сутки показало, что
концентрация ила во второй ступени
составит 3–4 г/л. Результаты очистки
по ХПК и взвешенным веществам
стабильны и ожидаются для ХПК –
менее 500 мг/л, а для взвешенных
веществ – менее 200 мг/л (рис. 2).
В то же время концентрация
растворенного кислорода, несмотря на предварительную очистку,
будет находиться в субнулевом
диапазоне и результаты очистки по
азоту аммонийному существенно
зависят от регулирования подачи
воздуха во вторую ступень.
Наилучшие результаты для процесса нитри-денитрификации достигаются при оптимизации расхода воздуха по длине аэротенка
(рис. 3). При этом концентрация
азота аммонийного составляет
менее 60 мг/л (рис. 4). Поскольку
процесс чувствителен к изменению
концентрации кислорода, как видно
из рисунка 4, на математической
модели отрабатывалось несколько
вариантов регулирования подаваемого расхода воздуха в систему для
снижения азота в очищенном стоке.
Выводы
1. Результаты моделирования
показали принципиальную возможность применения математического
КОРМА
моделирования с использованием
модели ASM1 для расчета одно- и
двухступенчатых схем очистки сточных вод гидросмыва навоза в режимах от высоконагружаемой ступени
до нитри-денитрификации при хорошей сходимости результатов моделирования с данными эксплуатации.
2. Принципиально важным результатом моделирования является
установленная в ходе расчетов возможность проведения процессов
нитри-денитрификации во второй
ступени с автоматическим регулированием концентрации растворенного кислорода при работе первой
ступени в режиме биосорбции.
3. Благодаря применению математического моделирования и внедрения
его результатов при реконструкции
были достигнуты следующие показатели: по ХПК менее 500 мг/л, взвешенные вещества менее 200 мг/л, азот
аммонийный менее 60 мг/л.
Литература
1. Канализация населенных
мест и промышленных предприятий/ Н.И. Лихачева, И.И. Ларин,
С.А. Хаскин и др; Под общ. ред.
В.Н.Самохина. – 2-е изд., перераб.
и доп. М.: Стройиздат, 1981. – 639 с.,
ил. – (Справочник проектировщика). 1-е изд. вышло под загл.:
Справочник проектировщика промышленных, жилых и общественных
зданий и сооружений. Канализация
населенных мест и промышленных
предприятий. (Manual designer,
1981 – 639 pages, 1 edition).
2. М. Хенце. Очистка сточных вод.
Биологические и химические процессы. Пер. с англ./М. Хенце, П. Армоэс,
Й. Ля-Кур-Янсен, Э. Арван. – М.: Мир,
2004. – 480с., ил. (1992 by Mogens
Henze, Poul Harremoes, Jas la Cour
Jansen, Eric Arvin and Polyteknisk
Fo fl a g . W a s t e W a t e r Tre a t m e n t .
Biological and chemical process.
Translate in 2004 year execution of
«The World»).
( 07’ 12 ) ОКТЯБРЬ/НОЯБРЬ СВИНОВОДСТВО
17