КАНАЛИЗАЦИЯ

АЭРОТЕНКИ

Технологические показатели работы Аэрационной системы

Эффективность процесса очистки в аэротенках, качественное со­стояние и окислительная способность активного ила определяются ря­дом условий, к которым относятся: состав и свойства сточных вод, гид­родинамические условия перемешивания, соотношение количеств по­данных загрязнений и жизнеспособного ила, кислородный режим в сооружении, температура и активная реакция среды, наличие эле­ментов питания, присутствие активаторов или ингибиторов процесса и т. п. Некоторые из этих условий могут быть изменены в процессе экс­плуатации для регулирования технологического режима. Основанием для таких изменений являются одновременные учет и сопоставление всех указанных параметров.

Одной из основных характеристик состояния активного ила в аэро - тенке является до настоящего времени нагрузка загрязнений на ил, т. е. соотношение количества поданных загрязнений на единицу массы ила в единицу времени (в сутки). Обычно за меру количества загрязнений принимают их кислородные эквиваленты — БПК и ХПК - В отдельных случаях подсчитывают нагрузку по специфическим видам загрязне­ний — тяжелым металлам, СПАВ, некоторым токсичным веществам. За меру массы ила принимают 1 г сухого вещества или 1 г беззольно­го вещества ила. Предпочтительнее второй вариант, так как в актив­ном иле обычно присутствует 25—35% (по весу) минеральных веществ, которые не входят в состав биомассы микроорганизмов. Собственная

Зольность биомассы, т. е. минеральная часть клеточного вещества, со­ставляет не более 5—7%. Таким образом, органическая, или беззоль­ная, часть ила гораздо точнее характеризует количество биомассы в иле. Заметим, однако, что и этот показатель не определяет однозначно число активных жизнеспособных клеток, а потому окислительная способность двух илов с равной биомассой, очищающих различные по составу сточ­ные воды, может быть совершенно различной. В настоящее время раз­рабатываются методы, которые позволят более полно характеризовать состояние ила, в частности по содержанию в иле аденозинтрифосфор - ной кислоты АТФ.

Различают понятия нагрузка на ил и окислительная мощность ила, Или окислительная его способность. Нагрузкой на ил учитывается ко­личество поданных загрязнений, а окислительной способностью — коли­чество снятых загрязнений. При полной биологической очистке при БПКполн очищенной воды, равной 15—20 мг/л, окислительная способ­ность ила составляет 90% и более от нагрузки в зависимости от БПКполн поступающей воды.

Окислительная способность самой аэрационной системы, рассчитан­ная на 1 м3 объема аэротенка, тем выше, чем выше концентрация ила (до определенны* пределов) в иловой смеси. Концентрацию ила иначе называют дозой ила. В аэротенках разных систем и конструкций диа­пазон изменения доз ила достаточно велик — от 1 до 20 г/л.

Окислительная способность, отнесенная к 1 ч, называется скоростью окисления и является основным расчетным параметром аэротенка.

При характеристике работы аэротенка иногда пользуются поняти­ем возраст ила. Возрастом ила или периодом его обмена называется средняя продолжительность пребывания ила в системе аэрационных сооружений. Определяется он как частное от деления массы (по сухо­му веществу) активного ила, находящегося в аэрационной системе (аэротенках, каналах, вторичных отстойниках), на массу активного ила, удаляемого из системы в течение суток.

Возраст ила (в сутках) определяется по формуле

(^аэр + ^кан) QCp + ^от З QCp

В= щд • (4Л83)

Где Уаэр, VKaH, Кот. з — объемы соответственно аэротенков, каналов и

Отстойных зон вторичных отстойников, м3; АсР — средняя концентрация активного ила в аэро­тенках и каналах, кг/м3 (г/л); А'ср — средняя концентрация активного ила в отстой­ной зоне вторичных отстойников, кг/м3 (г/л);

Q—объем очищаемой воды, м3/сутки; Яр— прирост активного ила, кг/м3.

Масса ила во вторичных отстойниках по сравнению с массой ила в аэротенках невелика, поэтому произведением V0T ЗА'ср можно пренебречь.

Показателем качества активного ила является способность его к осе­данию. Эта способность оценивается значением илового индекса, пред­ставляющего собой объем активного ила в миллилитрах после 30-ми­нутного отстаивания, который относят к 1 г сухого вещества ила.

Экспериментально установлено, что иловый индекс зависит от кон­центрации ила, поэтому его определение проводят при постоянной до­зе ила, равной 3 г/л. Если анализируемая иловая смесь имеет дозу ила меньше 3 г/л, то его сгущают путем отстаивания, а если доза ила боль­ше указанной, то его разбавляют водопроводной водой.

Хорошо оседающим считается ил с индексом не более 100—120. Ил глубоко минерализованный может иметь индекс 60—90. В неблаго­приятных условиях, при резкой перегрузке или недогрузке ила, резком
изменении температуры, состава стоков и т. п. ил может «вспухать». «Вспухший» ил имеет индекс более 150—200. Такой ил плохо оседает и отделяется от воды во вторичных отстойниках, выносится с очищен­ной водой из сооружения, вследствие чего снижается общий эффект очистки и уменьшается концентрация ила в аэротенке. В то же время «вспухший» ил, обладая очень развитой поверхностью, эффективно очи­щает воду, но работа аэротенков с ним крайне неустойчива.

Влияние резкого изменения нагрузки на ил иллюстрируется рис. 4.102, из которого видно, что перегрузка переносится илом несколько легче, чем «голодание». Последнее обстоятельство быстро и резко приводит к «вспуханию» ила.

Рис. 4.102. Зависимость илового индекса от Рис. 4.103. Закономерность прироста ила Нагрузки на ил и снижения БПК для различных процес­

Сов с активным илом

При аэрации сточной воды с активным илом происходят процессы очистки воды и увеличение количества активного ила вследствие при­роста биомассы и извлечения из воды биологически неактивных загряз­нений. Если же этот процесс будет продолжаться достаточно долго, то после достижения какого-то максимума общая масса ила в системе нач­нет уменьшаться.

Схематически представление о явлениях, сопутствующих очистке воды, показано на рис. 4.103.

В большинстве случаев характер и концентрация загрязнений сточ­ных вод таковы, что процесс очистки в аэротенках осуществляется в со­ответствии с участком В—С кривой изменения концентрации ила в си­стеме. Нагрузки на ил в этих условиях составляют 150—400 мг БПКполн на 1 г беззольного вещества в сутки. Начальная БПК, равная ордина­те К—Н, невелика; на процесс затрачивается период T, а в результате очистки происходит прирост ила

Большая часть загрязнений удаляется в первые несколько минут аэрации. Потребность системы в кислороде согласуется с характером снижения БПК. Это означает высокую начальную БПК, а затем ее быстрое снижение до потребности в стадии эндогенного дыхания, ко­торая остается практически постоянной до конца периода аэрации. Этот процесс носит название обычной или классической аэрации.

При концентрированных сточных водах с начальной БПК более 500 мг/л процесс описывается участком кривой А—С (см. рис. 4.103). Период обработки возрастает до T2, а прирост ила в системе — до А52. Нагрузка на ил характеризуется величинами 400—1000 мг БПКполн на 1 г беззольного вещества в сутки.

Снижение БПК до определенного предела происходит приблизитель­но линейно в зависимости от концентрации ила и продолжительности
процесса. Ниже этого предела скорость окисления зависит от концент­рации остающихся загрязнений. Потребление кислорода на участке Е—F либо постоянно во времени, либо слегка возрастает. Ниже точки F Скорость потребления кислорода быстро снижается и достигает уровня при эндогенном дыхании.

Если период обычной аэрации удлинить и аэрировать смесь в тече­ние времени то концентрация ила в конце процесса обозначится теч­кой D, т. е. окажется равной концентрации ила в начале процесса. Иными словами, весь образовавшийся ил за время t3 успеет минера­лизоваться. Этот процесс носит названия: полное окисление, полное са­моокисление ила в аэротенках, длительная аэрация и т. п. В последнее время такой вариант обработки стоков нашел широкое распростране­ние, особенно для небольших объемов сточных вод. Если исключить из системы очистных сооружений первичные отстойники (что вполне воз­можно), то при полном окислении ила в аэротенках отпадает необхо­димость в сооружениях по обработке осадков, кроме сооружений по подсушке минерализованного ил я.

Теоретически невозможно провести указанный процесс так, чтобы минерализовать полностью весь образовавшийся ил, т. е. достигнуть величины AS = 0. Активный ил может быть окислен на 35—70% (но ве­су), остальная часть, состоящая в основном из биологически неокисляе - мых веществ, инертной биологической массы, накапливается в соору­жении, а затем может быть удалена из него в виде залповых выносов. Такие залповые выносы биомассы снижают общесанитарный эффект очистки воды. Для аэротенков длительной аэрации нагрузка на ил на­ходится на уровне 100—150 мг БПК на 1 г беззольного вещества в сутки.

Процесс полного окисления можно провести в две стадии: 1) за вре­мя t очистить воду до требуемой кондиции (по схеме обычной аэра­ции); 2) за время tA окислить избыточный ил ASi (после уплотнения в илоуплотнителях). Сумма 3, т. е. общий результат обработки

Будет таким же, что и по схеме полного окисления, но этот вариант да­ет очевидные преимущества в сокращении объема сооружений, так как отдельно окисляемый в сооружениях ил имеет в 3—5 раз более высокую концентрацию, чем в аэротенке.

Обработка ила в аэробных условиях называется аэробной стабили­зацией ила или аэробной его минерализацией. Аэробная стабилизация ила достаточно широко применяется в настоящее время для обработки небольших количеств ила. При этом требуемое время окисления T4 со­ставляет около 10 суток.

Расход воздуха, обеспечивающий заданный эффект очистки воды и обработки ила, оценивают в кубических метрах, отнесенных кім3 очищаемой воды, а также к 1 кг снятой БПК - При обработке городских сточных вод и пневматической системе аэрации удельный расход воз­духа составляет соответственно 5—15 м3/м3 и 25—60 м3/кг.

Необходимый расход подаваемого воздуха определяют по концент­рации растворенного кислорода в иловой смеси. Считается, что при концентрации растворенного кислорода 2 мг/л и более скорость окисле­ния органических веществ не лимитируется недостатком кислорода.

Основные схемы очистки сточных вод в аэротенках

В основные технологические схемы очистки сточных вод входят аэротенки одноступенчатые, аэротенки с регенераторами и аэротенки двухступенчатые.

Простейшая схема очистки сточных вод содержит одноступенчатые аэротенки (рис. 4.104). По этой схеме возможна очистка стоков с при­менением обычной аэрации, полного или неполного окисления, а так­же с использованием высоконагружаемых аэротенков. По сравнению
с другими сооружениями одноступенчатые аэротенки относительно про­сты в эксплуатации.

Баланс количества ила в одноступенчатом аэротенке описывается уравнением

Qtfp + <7aB03Bp==(Q + <7)aa3p, (4.184)

Где Q и 9— расходы соответственно сточной воды и возвратного

Ила, м3/сутки;

Явозвр и °аэр — соответственно концентрации ила возвратного (или циркуляционного), направляемого в аэротенк после отстаивания, и в аэротенках, кг/м3 (г/л);

Яр—прирост ила, кг/м3 (г/л).

Если прирост ила мал по сравнению с величиной ааЭр, то значением произведения QIJV можно пренебречь. Тогда

Количество возвратного ила выражают в долях (а) от расхода очи­щаемой воды

А = Q!Q. (4.186)

В практике эксплуатации пользуются также понятием процента воз­вратного ила, т. е. а -100%.

Приняв во внимание выражение (4.186), получим:

А

ААэр = авозвр (4. 187

1 —{— сс

Или

____ ааэр

'возвр "аэр

При проектировании аэротенков а рекомендуется принимать 30— 70%. Нетрудно видеть, что из этих рекомендаций следует:

°возвр = (2,5... 4) Оаэр' (4.189)

Если принять, например, что ааэР=2 г/л, то в аэротенк должен воз­вращаться ил с концентрацией 5—8 г/л. Если ил уплотнять дольше, то можно получить <2возвр>-8 г/л, а а<0,3. Снижение процента возвратно­го ила уменьшает затраты электроэнергии на перекачку ила. Более дли­тельное его выдерживание в отстойниках (без аэрирования) обусловли­вает начало анаэробных процессов в иле, сопровождающихся выделе-
ниєм газов и его взмучиванием, что приводит к выносу ила с очищенной водой и к снижению общего эффекта очистки стоков.

Одноступенчатая схема очистки сточных вод в аэротенках имеет ряд существенных недостатков. В таких аэротенках нельзя интенсифи­цировать процесс очистки стоков путем увеличения массы активного ила. Существенным недостатком этой технологической схемы является и то, что при залповом поступлении сточных вод, содержащих токсич­ные примеси, может происходить резкое нарушение жизнедеятельности микронаселения активного ила или даже его гибель. В обоих случаях нормальная работа аэротенка нарушается на длительное время.

Отмеченные недостатки отсутствуют в аэротенках, работающих по иной технологической схеме (рис. 4.105). В основу схемы с аэротенка - ми и регенераторами положена разница в скоростях двух процессов —

Очистки и лом сточной воды от исходных загрязнений и биохимического окисления этих загрязнений. Для городских сточных вод эта схема ока­залась весьма рациональной, поскольку скорость очистки сточной воды в 2—5 раз превышает скорость окисления.

При наличии аэротенка с регенератором смесь воды с илом аэриру­ют в течение времени, достаточного для достижения требуемого эффек­та по БПК, а затем ил после отделения его в отстойнике перекачивают в регенератор, где процессы окисления заканчиваются и ил приобретает первоначальные свойства. Поскольку при регенерации ила аВозвр>ааэр, то для обеспечения той же продолжительности окисления, что и в од­ноступенчатом аэротенке, для аэротенка с регенератором требуется меньший объем аэрационной системы.

Если регенератор вводится в систему эксплуатируемого аэротенка, то этим приемом достигается повышение общей массы ила, что позво­ляет либо понизить нагрузку на ил (при прежнем количестве воды), либо увеличить пропускную способность аэротенка.

Введение регенераторов для обработки городских сточных вод ре­комендуется применять при БПКполн поступающей воды 150 мг/л и бо­лее. Для производственных сточных вод целесообразность введения ре­генераторов должна быть подтверждена экспериментально. Если ско­рость окисления загрязнений близка к скорости изъятия их из воды, то вводить в схему регенератор не следует.

При высокой исходной концентрации органических загрязнений в воде, а также при наличии в воде веществ, скорость окисления которых резко различна, целесообразно применение двухступенчатой схемы (рис. 4.106, а). В аэротенках I ступени БПК сточных вод снижается на
50—70%, что обычно учитывается при проектировании. Неполностью очищенная вода после отстаивания направляется на доочистку в аэро - тенки II ступени.

Особенностью ступенчатой очистки сточных вод является то, что в каждой ступени аэротенков постепенно развивается ил со специфиче­ским биоценозом, наиболее приспособленный к существованию в данных условиях и обеспечивающий высокий эффект работы сооружений. По­этому общий объем аэротенков на единицу объема очищаемой воды уменьшается по сравнению с объемом обычных аэротенков.

Двухступенчатая очистка сточных вод может производиться как без регенераторов, так и с регенераторами. Обычно регенераторы преду­сматриваются для I ступени аэротенков в объеме 50%. Менее нагру­женным по количеству загрязнений является активный ил аэротенков II ступени, поэтому некоторые специалисты рекомендуют направлять его избыток в аэротенки I ступени.

Двухступенчатая схема очистки нашла применение при обработке сточных вод нефтехимических производств. В составе этих стоков име­ются трудно окисляемые углеводороды, которые практически совсем не утилизируются микроорганизмами, если процесс ведется в односту­пенчатом аэротенке. Активный ил усваивает лишь легко окисляемые ве­щества, в связи с чем общий эффект очистки стоков недостаточен. Если же процесс провести в две ступени, то во II ступени ил адаптируется к использованию трудноокисляемых углеводородов, а окончательный эффект очистки может быть доведен до очень высокой степени.

В аэротенках может быть достигнута практически любая степень очистки воды. Чаще всего они рассчитываются на полную очистку со снижением БПКполн очищенной воды до 15 мг/л. При благоприятных местных условиях предусматривается лишь частичная очистка стока. Она производится в одноступенчатых аэротенках, работающих по тех­нологическим схемам без регенераторов и с регенераторами. Примене­ние последних более экономично и надежно в санитарном отношении.

Частичная очистка сточных вод широко применяется в зарубежной практике. При очистке слабоконцентрированных вод доза активного ила в аэротенках на частичную очистку поддерживается в пределах до 0,5 г/л, а продолжительность аэрации составляет 1,5—3 ч. При этих условиях БПКполн очищаемой воды снижается на 55—75%.

Поступающая во вторичные отстойники смесь воды и активного ила хорошо отстаивается; ил уплотняется лучше, чем при полной очистке, поэтому объем циркуляционного ила уменьшается на 10—15%.

Слабоконцентрированные по взвешенным веществам сточные воды могут поступать в аэротенки без предварительного отстаивания. Экс­плуатация очистных сооружений в этом случае упрощается.

Кроме приведенных выше основных технологических схем работы аэротенков в практике встречаются и другие их разновидности. В част­ности, заслуживает внимания схема комбинированной частичной очист­ки сточных вод (рис. 4.106,6), известная за рубежом как «активиро­ванная аэрация».

По этой схеме полной очистке в обычных одноступенчатых аэротен­ках подвергается только часть сточных вод. Эти аэротенки обслужива­ются отдельным вторичным отстойником, из которого они получают не­обходимую массу активного ила. Остальное количество сточных вод направляется для частичной очистки в обособленные аэротенки, куда поступает также избыточный активный ил из отстойников первой си­стемы.

Осадок из вторичных отстойников второй системы не используется в качестве активного ила, а направляется для последующей обработки. Выходящая из аэротенков второй системы частично очищенная сточная вода после отстаивания смешивается с полностью очищенной водой.

Общее снижение БПКполн сточных вод по приведенной схеме очистки достигает 80—85 %.

Любая из описанных схем очистки воды может быть осуществлена с применением аэротенков, имеющих различную структуру потоков.

По структуре потоков различают:

Аэротенки-вытеснители (см. рис. 4.104), в которые сточная вода и Возвратный ил впускаются сосредоточенно с одной из торцовых сторон аэротенка и выходят также сосредоточенно с другой торцовой стороны сооружения;

Аэротенки-смесители (рис. 4.107,а), в которых подвод и отвод сточ­ной воды и ила осуществляется равномерно вдоль длинных сторон ко -

Активный ил

ИЭ Псрви^ЫХ О. щ— • Т~ • —Г • ' Стойнинод

Vr~W°~~W W

М ♦ ■T

Б)

---------------- и

±LLUJJALLLi±i.if[Z---------------

Ридора аэротенка; при этом считается, что происходит полное смешение поступающей сточной воды с находящейся в аэротенке;

Аэротенки с рассредоточенной подачей сточной воды (рис. 4.107,6), В которых последняя подводится в нескольких точках по длине аэротен­ка, а отводится сосредоточенно в его торцовой части; возвратный ил по­дается сосредоточенно в начало аэротенка.

Таблица 4.49

В табл. 4.49 представлены параметры аэротенков с нелинейно рас­средоточенной подачей сточной воды.

Основное отличие в условиях биоокисления в аэротенках-смесите - лях и аэротенках-вытеснителях заключается в том, что в первых на­грузка загрязнений на ил и скорость их окисления (скорость потребле­ния кислорода) одинаковы во всех точках сооружения, а во вторых они изменяются от наибольших (в начале сооружения) до наименьших (в его конце). При рассредоточенной подаче сточной воды по длине аэротенка единовременные нагрузки на ил уменьшаются при одновре­менном снижении предела колебаний нагрузок от одного впуска до другого. Условия окисления загрязнений в таких аэротенках прибли­жаются к условиям работы аэротенка-смесителя.

При постоянной нагрузке на ил или при небольших колебаниях этой величины снабжение аэротенка воздухом должно обеспечивать одина­ковый кислородный режим во всех точках сооружения. В аэротенках - вытеснителях эта задача усложняется, так как при наличии разницы в скоростях процесса по длине сооружения необходима и соответству­ющая дифференцированная подача воздуха (рис. 4.107,в). Однако из - за технических трудностей, связанных с осуществлением такого распре­деления, этот аэротенк распространения не получил.

Расчет аэротенков

Расчет аэротенков включает определение вместимости сооружения, объема требуемого воздуха и избыточного активного ила, удаляемого из аэрационной системы для последующей обработки.

В отечественной практике при проектировании сооружений в течение почти 40 лет (начиная с 1934 г.) использовался метод, разработанный крупным советским ученым К - Н. Корольковым. С 1974 г. расчет аэро­тенков проводится по формулам, созданным в результате обобщения большого числа научно-исследовательских работ, в которых были ре­шены принципиальные вопросы теории, а также огромного накопленно­го опыта эксплуатации аэротенков различных схем и конструкций при обработке в них самых разнообразных по качеству и объему сточ­ных вод.

Знакомство с теорией расчета аэротенков, по К. Н. Королькову, представляет интерес прежде всего потому, что многие положения, вы­сказанные автором предположительно, полностью подтвердились после­дующими исследованиями и не утеряли своего значения до настоящего времени.

Расчет аэротенков по К. Н. Королькову

I способ расчета. К. Н. Корольков считал, что процесс очистки сточных вод в аэротенках состоит из двух фаз: первой фазы, которая включает изъятие и окисление органических веществ, фиксируемых БПК, и второй фазы — нитрификации аммонийных солей, т. е. перево­да их в нитриты и нитраты.

Автор исходил из того, что при проведении первой фазы, которую он называл неполной или частичной очисткой, независимо от конечной БПК, технически важна возможность полного отсутствия растворенного кислорода. При проведении второй фазы, названной им полной очист­кой, наличие в среде растворенного кислорода принималось безусловно необходимым. Полностью очищенной считалась такая вода, в которой остаточная БПК компенсировалась наличием свободного (растворен­ного) и связанного кислорода (в составе нитритов и нитратов). Такая вода при сколь угодно длительном хранении не загнивает.

К. Н. Корольков писал, что процесс потребления кислорода актив­ным илом почти не изучен, и принимал в качестве исходного положения, что скорость потребления кислорода пропорциональна скорости сниже­ния БПК - Составив затем уравнение массопередачи кислорода в сточ­ную воду и приравняв массу кислорода снимаемой БПК, К - Н. Король­ков получил выражение для подсчета продолжительности аэрации (т. е. времени, за которое в воду поступит масса кислорода, равная снимае­мой БПК) и объема воздуха, который нужно продуть через сточную воду, чтобы обеспечить поступление в нее этой массы кислорода.

Для составления уравнения массопередачи принято, что масса кис­лорода, которая растворяется в воде, пропорциональна площади поверх­ности соприкосновения жидкой и газовой фаз, а также дефициту кис­лорода (массе кислорода, которой не хватает до полного насыщения сточной воды):

DM = k1A(c — x)dt, (4.190)

Где М— масса кислорода, переходящего в сточную воду; kt — коэффициент пропорциональности; А — поверхность соприкосновения воды и воздуха; С — максимально возможная концентрация кислорода в сточной

Воде при заданных условиях, в частности по температуре; Х — концентрация кислорода в сточной воде.

Из собственных опытных наблюдений автор нашел, что суммарная площадь поверхности пузырьков А обратно пропорциональна их диа­метру и прямо пропорциональна их числу. Если диаметр пузырьков по­стоянен, то А прямо пропорциональна объему воздуха V, пропускаемого в единицу времени. Время соприкосновения отдельного пузырька воз­духа, поднимающегося в воде, зависит от пути, который он проходит в воде, и от скорости подъема. В качестве первого приближения было принято, что путь пузырька над аэратором равен высоте слоя воды Н. Скорость подъема пузырьков для изученных автором аэраторов ока­залась постоянной. Следовательно,

A = K2 VH, (4.191)

Где — константа, зависящая от типа аэратора.

Подставляя значение А в уравнение (4.190), имеем:

DM = kx k2 VH (С — x) dt. (4.192)

Абсолютное значение с увеличивается с увеличением глубины аэро­тенка, так как пузырьки воздуха испытывают дополнительное давление столба воды. Однако с увеличением растворимости уменьшается поверх­ность соприкосновения воды и воздуха А, так что произведение Ас в пределах изменения Н от 2 до 5 м остается практически постоянным (колебания составляют не более 3%). Поэтому поправка на изменение величины с в зависимости от глубины аэротенка не вводится.

В расчетах не учитывается также обеднение пузырька воздуха кис­лородом по пути движения, так как эта поправка мала (в большинстве случаев использование кислорода не превышает 4—7% первоначально­го количества).

Перейдя от количества кислорода DM к его концентрации Dx—-^- (где W — объем аэротенка), имеем:

Dx k-,k2VH(c — х)

--------- (4Л93)

Взамен выражения (С—Х) можно написать Cd (где D — дефицит кис­лорода, выраженный в долях единицы от максимального насыщения), т. е. (с—X)!C=D отсюда

С — х =cd. (4.194)

Обозначив произведение группы постоянных kK2C буквой К, имеем:

Dx KVHd

(4.195)

Dt W

Где К— константа» зависящая от вида аэратора (от его диспергирую­щей способности) и уже не зависящая от температуры сточ­ной воды.

Приняв далее исходное положение о пропорциональности (и даже равенстве) скоростей растворения кислорода и его потребления, полу­чим окончательную дифференциальную форму расчетного уравнения К - Н. Королькова:

"L KV"d (4.196)

Dt W

Решая уравнение

С KVHd О

Получим:

KVHd

La — Lt = — H-const. (4.198)

Здесь La и Lt— начальная и конечная БПК сточной воды; const— константа интегрирования.

Нетрудно видеть, что константа интегрирования равна нулю, так как при t=О La — Lt и, следовательно, const = 0.

Небольшие преобразования уравнения (4.198) путем использования выражений W=Qt, W=FH, V—QD и I=V/F позволяют окончательно получить:

D = (4. .995)

La - Lt Kid

Где F— площадь аэротенка в плане, м2;

D— количество воздуха, приходящегося на 1 м3 обрабатываемой воды, м3/м3;

I — интенсивность аэрации или объем воздуха, продуваемого че­рез единицу площади в единицу времени, м3/(м2-ч) (физиче­ский смысл — скорость продувки воздуха, м/ч).

В окончательные формулы входит средний дефицит кислорода.

К. Н. Корольков утверждал, что при работе на частичную очистку (напомним, что в это понятие включена и общепринятая так называе­мая полная очистка) без нарушения процесса можно принять d= 1, что означает отсутствие растворенного кислорода.

Для аэротенков, работающих на первую фазу, т. е. на снижение БПК, К - Н. Корольковым предложены формулы:

„ La — Lt

,4.20!,

T = La~Lt. (4.202)

KI

Если же аэротенк работает на обе фазы, т. е. включая процесс ни­трификации, то в этом случае необходимо предусмотреть наличие рас -

24*

Творенного кислорода. К - Н. Корольков принял» что количество кисло­рода для процесса с нитрификацией должно в среднем составлять 50% максимального, т. е. d^0,5. Кроме того, было принято, что Lt = 0, так как эта величина мала по сравнению с La (а оставшаяся БПК полно­стью стабилизируется запасом кислорода в очищенной воде).

В силу этих соображений уравнения (4.201) и (4.202) трансформи­руются в следующие:

D = ~- (4.201а)

Кн

2 La

* = (4-202а>

Физический смысл константы аэратора К легко определяется из вы­ражения

Ln — Lt

<4-203>

Если продувать воздух через слой воды 1 м из расчета 1 м3 возду­ха на 1 м3 воды, то численно константа аэратора окажется равной сня­той БПК при условии полного дефицита кислорода в воде. Путем собственных наблюдений автор нашел, что при подаче воздуха через дыр­чатые трубы численное значение /С=6...7 г/м4, а через пористые плас­тины /С—15... 18 г/м4.

Для определения интенсивности аэрации автором было принято, что

Скорость растворения кислорода, равная а Lt, по уравнению (4.200)

Может быть приравнена Kid. В то же время скорость потребления кис­лорода пропорциональна снимаемой БПК, т. е. ktL. Приравняв скоро­сти растворения кислорода и его потребления, получим:

Ftfd = KtL. (4.204)

Уравнение (4.204) связывает интенсивность аэрации, БПК сточной воды в данный момент и дефицит кислорода. При условии d— 1 интен­сивность аэрации определяется из того соображения, что L в формуле (4.204) не может быть больше Lt, так как в противном случае в среде появится растворенный кислород. Следовательно,

2,3 kLt

I = ------------- -. (4.205)

К

Переводной коэффициент появился потому, что практические расче­ты удобнее вести из численного значения константы скорости, выражен­ной в десятичных логарифмах.

По уравнению (4.205), зная численные значения констант K и К, Можно подсчитать интенсивность аэрации в аэротенке, работающем на снижение БПК. Таким образом, расчетными уравнениями для аэротен­ка, работающего на снижение БПК, являются уравнения (4.201), (4.202) и (4.205).

Сложнее определяется интенсивность аэрации при очистке воды на обе фазы, т. е. с нитрификацией органических загрязнений. Эта интен­сивность аэрации не должна быть больше чем

2,3 kLa

I макс — Т, (4.206)

А

К. Н. Корольковым было составлено уравнение для определения расчетной интенсивности аэрации:

/р=-------------------- р2------------------- . (4.207)

Klg-JV*---------------- 0,434х;

А ^ S2,3Ltk 1

Это уравнение сложно для расчетов и «не окупается точностью из­вестных значений К при изменениях температуры и концентрации ак­тивного ила» (К. Н. Корольков). Им были подсчитаны значения /р по формуле (4.207) И /макс по формуле (4.206) для условий Lt= 10 мг/л, /г=0,16 и /(=15 (табл, 4.50).

Таблица 4.50

Из табл. 4.50 видно, что расчетная интенсивность аэрации составля­ет около 0,5—0,7 от интенсивности максимальной. Учитывая недоста­точную точность всех остальных параметров, наиболее простой путь определения необходимой интенсивности заключается в том, что по формуле (4.206) подсчитывают /макс и принимают от нее 50—70%.

В расчетные формулы интенсивности входит величина константы скорости потребления кислорода k, которая определяется как функция концентрации ила и температуры процесса. Эта зависимость получена экспериментальным путем и равна:

Kt = 0,075 а - 1,078Г, (4.208)

Где а— доза ила, г/л;

Т— температура воды, °С.

Константа k, входящая в формулы (4.205) и (4.206), связана с ве­личиной kt соотношением

K = fy/2,3. (4.20)

Для бытовых сточных вод при температуре 10° С и дозе ила а= = 2,3 г/л величина kt — 0,37, а величина &=0,16. Позднее для всех рас­четов сооружений биологической очистки было принято значение k— = 0,16.

II способ расчета учитывал более сложный характер кинетики про­цесса очистки сточных вод в аэротенках, заключающийся в том, что не для всего периода этого процесса справедливо равенство скоростей рас­творения кислорода и его потребления. Было признано, что и в ходе первой фазы (окисления углеродсодержащих веществ) процесс мож­но разделить на две стадии, которые протекают по разным кинетиче­ским зависимостям. К - Н. Корольковым было предложено рассматри­вать начало процесса как реакцию нулевого порядка, т. е. независимой от концентрации загрязнений, и конец процесса как реакцию первого порядка относительно концентрации загрязнений по БПК. Изменение характера кинетики происходит в какой-то промежуточной точке, соот­ветствующей БПК, равной /&. На снижение БПК с La до L& затрачивает­ся время t, и в этот период справедливо основное положение, т. е.

Dx dL ~dt ~ ~~dt '

Иными словами, процесс может происходить в отсутствии растворенно­го кислорода при d— 1.

Следовательно, для снижения БПК с La до Lb справедливы форму­лы (4.201) и (4.202), которые можно переписать следующим образом:

(4.210)

H = (4.211)

Когда питательных веществ остается мало, то скорость реакции ста­новится функцией концентрации остающихся загрязнений по типу мо­номолекулярной реакции

DL

— = - ktL. (4.212)

Dt

Решение этого уравнения дает следующий результат:

1 , Lb

(4.213)

K Lt

Таким образом, суммарно на весь процесс снижения БПК от La До Lt затрачивается время і0бЩ, равное сумме t--t2. Тогда

Ln — Lh , 1 „ Lh 'общ=+ Т g17' <4-214)

Для определения количества потребного воздуха на вторую фазу очистки условие наличия растворенного кислорода записывается как d=0,5. Следовательно, расход воздуха

Lb—Lt 2 (Lb—Lt)

D, = —------------ - = —-------------- (4.215)

2 /СЯ-0,5 КН к '

Общее количество воздуха равно сумме расходов в каждой ступени (при Lt = 0):

А>бщ = D, + D2 = . (4.216)

Для практического применения формул (4.214) и (4.216) необходи­мо знание Lb — промежуточного значения БПК, когда изменяется ки­нетика реакций. Этот вопрос К. Н. Корольковым решен не был.

Из уравнения (4.214) можно определить интенсивность аэрации на первой стадии процесса, когда Lt = Lb, т. е.

2,3 kLb

Li= ' . (4.217)

При этом определение Lb должно быть выполнено из каких-то допол­нительных условий. Несколько позднее Н. А. Базякиной было найдено, что изменение кинетики реакций происходит после обработки 65% за­грязнений по БПК, т. е.

Lb = 0,35La. (4.218)

Если сравнить расчетные формулы I и II способов (на неполную очистку по К. Н. Королькову), то можно видеть, что расчет по II спо­собу всегда приведет к более высоким значениям и по продолжительно­сти процесса, и по расходу воздуха.

Хотя расчет по II способу более близок к основным принципиальным положениям кинетики ферментативных реакций, он почти не применял­ся из-за недостаточной точности определения таких параметров, как константа скорости потребления кислорода, промежуточное значение БПК, когда следует перейти от реакции нулевого порядка к первому, и т. п.

Основные формулы К - Н. Королькова в течение многих лет исполь­зовались при всех расчетах аэрационных сооружений, однако с тем из­менением, что для первой фазы очистки, т. е. фазы снижения БПК (или

Окисления углеродсодержащих соединений), были приняты формулы, предназначавшиеся автором для аэротенков, в которых идет процесс нитрификации. Эти принципиальные изменения были сделаны в связи с тем, что по эксплуатационным данным и по результатам исследований оказалось, что для надежной и устойчивой работы аэротенков раство­ренный кислород должен присутствовать в смеси сточной воды и ила, особенно если требуется высокая степень очистки воды — до БПК, рав­ной 15—20 мг/л. Наличие растворенного кислорода должно было также обеспечить потребности в нем активного ила во время отстаивания его во вторичных отстойниках. Это условие нашло отражение во II способе расчета, который К. Н. Корольков опубликовал также в 1934 г. Пре­терпело изменения и численное значение К- Оно было принято равным 12 г/м4, т. е. в 1,25—1,5 раза меньше, чем по исследованиям К - Н. Ко - ролькова.

Расчет аэротенков по Н. А. Базякиной

Развитием расчетной теории К. Н. Королькова явилось предложе­ние Н. А. Базякиной об определении продолжительности процесса по экспериментально найденным величинам скоростей окисления загряз­нений.

Н. А. Базякина показала, что скорость окисления В, мг/(л-ч), про­порциональна дозе ила а, т. е.

В = $а. (4.219)

Найдено, что при очистке сточной воды от La до Lb величина (Зі = = 31 мг/(г-ч), а от Ьь до Lt величина р2== Ю мг/(г«ч). Указанные ве­личины описывают кинетику процесса очистки городских сточных вод, а в случае очистки сточных вод иного характера эти данные должны быть получены экспериментальным путем.

Доза ила в смеси не может быть очень высокой, она лимитируется возможностью работы вторичного отстойника. Данные эксплуатации по­казывают, что доза ила в смеси, поступающей на отстаивание, не долж­на быть выше 1,5—3 г/л. Это означает, что расчетные скорости на I ста­дии могут составлять 46—93 мг/(л-ч) и на II стадии— 15—30 мг/(л-ч).

Таким образом, общая продолжительность обработки сточной воды

/0,65 0,35

'общ = h + t2 = + — j La. (4.220)

Интенсивность аэрации Л определяется из уравнений: на I стадии

Яі

І1 = Т7~; (4.221)

3 dp

На II стадии

/2 = 3ф' (4-222)

Где р — использование кислорода, %;

D — дефицит кислорода, принимаемый равным на I стадии 0,8 и на II стадии 0,5.

Скорость окисления В можно представить в виде равенства

V-0,2099s/z

В= Г. юо • (4-223>

Где s— масса 1 л кислорода, равна 1429 мг/л; п — использование кислорода, %; 0,2099 — доля объема кислорода в воздухе;

100 — коэффициент для перевода величины п в доли единицы. „ 0,2099-5 Q

Так как --------------- =3, то

100

3 NV

В = —. (4.224)

Преобразуем

V_ _V___ /_

W =~FH= H

Откуда

BH

! = —-. (4.225)

З N

Решая совместно уравнения (4.199) и (4.200) относительно D, рав­ного V/Q, получим: La—Lt — KIdt, тогда

Л Kldt It

0 = — = ~. (4.226)

Подставим в уравнение (4.226) выражение (4.225):

BHt Bt

D — —- =—. (4.227)

З пН 3 П v

Так как Bt=La—Lt, то

D = —-------- (4.228)

З п

Сравнивая знаменатели в уравнениях (4.228) и (4.226), имеем:

Зп = KHd (4.229)

ИЛИ

П= ~ Hd = PHd. (4.230)

З

Величина /С/3 — коэффициент использования воздуха в % при усло­вии Н= 1 м и d= 1 м. Если К= 12, то р = 4%.

Чтобы перейти к окончательным уравнениям вида (4.221) и (4.222),

Подставим в уравнение (4.225) значение п по формуле (4.230):

_вн Вн в

~ Зп ~ 3PHd ~ 3Pd

Основное отличие расчета аэротенков по Н. А. Базякиной от расче­тов по К - Н. Королькову заключается во введении обобщенного показа­теля — скорости окисления. В применении к аэротенку-смесителю ско­рость окисления является величиной, постоянной во времени; в прило­жении к аэротенку-вытеснителю она разбивается на ряд участков, на которых происходит скачкообразное ее изменение. В показанном выше примере в применении к городским сточным водам экспериментально найдены два таких участка, характеризующихся величинами Pi и fb -

Исследования последующих лет показали, что окисление загрязне­ний далеко не всегда может быть удовлетворительно описано только двумя величинами и р2- Изменяются абсолютные значения скоростей процессов и соотношение частей загрязнений, окисляемых со скоростя­ми, присущими І и II стадии, а потому экспериментальному началу в расчетах придается все большее значение. Процесс очистки сточных вод чаще описывают одной средней скоростью процесса, включая все стадии. В частности, в процессах длительного аэрирования таких стадий может быть более четырех. Однако переход к суммарным скоростям процессов в нашей расчетной практике узаконен только в 1974 г. До этого развитие исследований все еще продолжалось в на­правлении дальнейшего усложнения расчетных формул. Так, способ, предложенный И. С. Постниковым с сотрудниками (АКХ им. К - Д - Пам­филова), в основе сходный с расчетом Н. А. Базякиной, позволял учесть влияние еще ряда факторов — температуры, исходной концентрации смеси по БПК и т. п. Учет их влияния выполнен путем введения ряда экспериментально найденных коэффициентов. Точность эксперименталь­ного определения коэффициентов (а их в формуле шесть) не была очень высокой, вследствие чего этот метод расчета имел ограниченное при­менение.

Обобщенный метод расчета аэротенков

Продолжительность аэрации в аэротенках T, Ч, всех типов опреде­ляется по формуле

Ln — Li

T =---- ----- -—, (4.231)

А(1—3И)Р

Где La и Lt — БПКполн поступающей в аэротенк и очищенной в нем сточной воды, мг/л; а — доза ила по сухому веществу, г/л; Зя—зольность ила, выраженная в долях единицы; Р—скорость окисления, в МГ БПКполн на 1 г беззольного вещества ила в 1 ч. Рабочий объем аэротенка

W = TQ/24, (4.232)

Где Q — расчетный расход воды, м3/сутки.

За расчетный расход принимают среднечасовой приток в течение су­ток, если коэффициент /Собщ^1,25. Если /Собщ>1>25, то подсчитывается среднечасовой приток за период, равный продолжительности аэрации в часы максимального поступления воды в аэротенки.

При составлении формулы (4.231) принято, что мерой активной ча­сти ила может служить беззольное вещество активного ила. Число кле­ток и их масса, а также активность клеток находятся в разной взаимо­зависимости на разных стадиях развития микробиальной культуры, а потому одно и то же количество беззольной массы ила может иметь неодинаковую скорость окисления.

В формуле (4.231) принято также, что общая скорость окисления тем выше, чем больше концентрация ила. Это условие в действительности выражается более сложной зависимостью, так как величина р, в свою очередь, является функцией величины а. Очевидно, чем больше ила в системе, тем меньше продолжительность процесса очистки, а также требуемый объем сооружения. Но выше указывалось, что концентрация ила в смеси, поступающей на отстаивание, лимитируется эффективно­стью работы вторичных отстойников и не должна превышать 1,5—3 г/л. Дозу ила рекомендуется принимать тем больше, чем выше исходная БПКполн- При значении 100 мг/л величина а принимается равной 1,2 г/л, при La= 100 ... 150 мг/л а=1,5 г/л, при La= 150... 200 мг/л
а =1,8 г/л, а при £а>»200 мг/л а=1,8...3 г/л. В аэротенках с полной минерализацией ила а = 5 г/л.

Зольность ила в аэротенках принимается равной 0,3, а при условии полной минерализации ила — 0,35.

Среднюю расчетную скорость окисления р для городских сточных вод принимают по табл. 4.51.

Для промежуточных величин La и Lt значения р определяются путем интерполяции. Для аэротенков с полной минерализацией р принимает­ся равной 4 мг БПКполн на 1 г беззольного вещества в 1 ч.

Значения t, подсчитанные по формуле (4.200), справедливы, если среднегодовая температура сточных вод 7=15° С. При других значени­ях температуры вычисленная величина T умножается на отношение 15/7". Продолжительность аэрации принимают не менее 2 ч.

При проектировании аэротенков с регенераторами подсчитывают раздельно время, необходимое ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ ^аэр, ч, общее время окисления загрязнений T0, ч, и по разнице этих величин — время пребы­вания ила в регенераторе для окончания окислительных процессов пе­реработки загрязнений tper, ч.

Расчеты ведут по формулам:

2,5

0,5 "аэр

Lt

(1 — 3И)Р

1Аэр

"per "аэр 'per = 'о 'аэр'

Где «аэр и Ярег — дозы ила соответственно в аэротенке и регенера­торе, г/л;

A — доля расхода циркулирующего ила Q от расчетного расхода сточных вод Q, т. е. a = q/Q.

Численные значения ааэр и арег рекомендуется принимать равными соответственно 1,5 и 4 г/л, что обеспечивает надежный запас объемов очистных сооружений. Однако при эксплуатации аэротенков с регене­раторами дозы ила могут иметь и другие значения: если они больше рекомендованных, то окислительная мощность системы выше. Это позво­ляет либо перерабатывать большие количества загрязнений, либо до­стигать более глубокого их окисления.

Объемы сооружений подсчитываются по формулам:

1Раэр = *аэр(<г-}-<7); (4.237)

1Ррег = W - (4-238)

^ = ^аэр + Грег, (4.239)

Где Wa9р и Wper — объем соответственно аэротенка и регенератора,

М3;

W— общий объем системы, м3.

Для системы аэротенка с регенератором расчетная продолжитель­ность пребывания воды в системе составляет:

* = *аэр(1 +а) + *ргга. (4.240)

Это время может быть определено и из формулы (4.231) при значе­нии а, равном средней концентрации ила аСр в сооружении, т. е.

Ааэр И^асф + Дрег И^рег 941.

"ср — w ■

При проектировании двухступенчатых аэротенков расчеты ведут по формуле (4.231), при этом принимают, что в I ступени снимается 50% загрязнений, а во II ступени оставшиеся 50%. Величины pi,2 принимают по табл. 4.51.

Удельный расход воздуха Z), м3/м3, при очистке в аэротенках опре­деляют отношением расхода кислорода, требующегося для обработки 1 м3 воды, к расходу используемого кислорода сім3 подаваемого воз­духа:

Z (La—Lt)

D =---------- —------------------- , (4.242)

«2 (Ср — С)

Где г — удельный расход кислорода, мг/мг СНЯТОЙ БПКполн;

— коэффициент для учета типа аэратора, определяемый по табл. 4.52 (см. далее с. 372); k2 — коэффициент, зависящий от глубины погружения аэратора

И определяемый по табл. 4.53 (см. далее с. 373); Пг — коэффициент для учета температуры сточных вод, определяе­мый по формуле

ПХ = 1 +0,02(Г—20);

Т — среднемесячная температура сточной воды за летний пери­од, °С;

П2 — коэффициент для учета изменения скорости переноса кисло­рода в иловой смеси по отношению к скорости его переноса в чистой воде (иначе, коэффициент качества воды, зависящий в основном от наличия в ней веществ, изменяющих поверхност­ное натяжение воды);

Ср — растворимость кислорода в зависимости от глубины слоя во­ды H над аэратором, мг/л:

Г Ю, ЗЧ-С^/2)

Р_Ст 10,3

Ст — растворимость кислорода в воде в зависимости от температу­ры и давления, мг/л, принимаемая по таблицам раствори­мости;

С — допустимая минимальная концентрация растворенного кисло­рода в аэротенке, мг/л.

Относительно численного значения коэффициента Z существует не­сколько мнений. Считается, например, что за величину z должна быть принята только та часть БПКполн, которая расходуется на энергетиче­ские потребности в процессах обмена [по реакции (4.140) схемы пре­вращений вещества]. Кислород же, требуемый для реакции (4.141) той же схемы, поставляется из окисляемого органического вещества, угле­кислоты и воды. Расход кислорода, затрачиваемого на самоокисление ила, учитывается отдельно и прибавляется к расходу кислорода, вы­численному по реакции (4.140).

Кроме того, вследствие сброса избыточного ила из аэрационной си­стемы, в котором исходные вещества окислены не полностью и, следо­вательно, на их окисление не было истрачено теоретического количества кислорода, общий расход последнего должен быть меньше снимаемой БПКп олн-

Части БПКполн, затрачиваемые на потребности энергии и синтеза, зависят от химической природы вещества и могут изменяться в широ­ких Пределах. Для СТОКОВ типа городских часть БПКполн по реакции (4.140) обычно принимается равной (0,6... 0,7) БПКполн.

Для выяснения этого приципиального вопроса были дважды выпол­нены специальные исследования с интервалом 20 лет — вначале Н. А. Ба­зякиной, а затем группой сотрудников МИСИ им. В. В. Куйбышева (С. В. Яковлев, Т. А. Карюхина, Э. П. Доскина). Замер количества потребленного кислорода проводился в обоих случаях прямым способом по регистрации состава воздуха, поступающего в сооружение и выходя­щего из него. Эти исследования дали согласованные результаты и пока­зали, что при очистке воды до БПКполн 10... 15 мг/л количество потреб­ленного кислорода равно СНЯТОЙ БПКполн или больше на 10—15%. Если же процесс продолжается, то количество потребленного кислорода тем больше снятой БПКполн, чем глубже процесс минерализации ила.

Результаты этих работ дали основание принять величины Z для пол­ной очистки—1,1 мг/мг, для неполной очистки — 0,9, для аэротенков с полной минерализацией ила — 2,2 мг/мг.

Коэффициент ki (табл. 4.52) учитывает условия массопередачи кис­лорода из воздуха в сточную воду в зависимости от вида пневматиче­ской аэрации (мелко - или среднепузырчатой), а также от отношения площади аэрируемой зоны F к площади аэротенка F. Величина f прини­мается по площади, занимаемой аэраторами. Просветы между аэрато­рами включаются в площадь аэрируемой зоны.

Таблица 4.52 Значения коэффициента и интенсивности аэрации /макс

Коэффициент является аналогом величины Н в формулах К. Н. Корольков а.

Из табл. 4.53 видно, что зависимость необходимого количества воз­духа от глубины слоя воды значительно более сложная, чем в формулах К. Н. Королькова.

Таблица 4.53 Значения коэффициента K2 и интенсивности аэрации /мин

По найденным значениям D и T определяется интенсивность аэрации:

I- — — T '

Где Н — рабочая глубина аэротенка, м.

Если вычисленная интенсивность аэрации более максимальной /макс, то следует увеличить площадь аэрируемой зоны; если же она ме­нее минимальной /мин, то следует увеличить расход воздуха, приняв /мин по табл. 4.53.

Определение прироста ила Яр, мг/л, в аэротенках всех систем при очистке городских сточных вод производится по формуле

Пр — 0,83 0,3 La, (4.243)

Где В—содержание взвешенных веществ в воде, поступающей в аэро­тенки, мг/л.

Для аэротенков с полной минерализацией ила прирост ила прини­мается по формуле (4.243) с коэффициентом 0,7. При расчете илоуплот- нителей и систем по перекачке ила прирост увеличивают на 30% Для учета сезонной неравномерности работы аэрационных сооружений.

Увеличение массы ила равно общей массе загрязнений, снятых в про­цессе очистки, за вычетом той его части, которая окислена до конца, т. е. до выделения углекислого газа и воды, и части ила, распавшегося в процессе его отмирания. Ориентировочно увеличение массы ила может быть определено ПО разности СНЯТЫХ ХПК и БПКполн (т. е. за счет не - окисленных органических веществ, накапливаемых в иле в качестве инертного балласта), затем части веществ, определяемых БПКполн и израсходованных на синтез биомассы, а также части взвешенных ве­ществ, сорбированных илом, но не определяемых ни БПК» ни ХПК - При расчете массы ила по единицам ХПК и БПК последние переводят в массовые единицы ила делением ХПК и БПК на кислородный эквива­лент ила. Нетрудно подсчитать, что по реакции (4.142) ХПК ила состава C5H7NO2 равна 1,42. Экспериментальные исследования илов московских канализационных очистных станций дали результаты по ХПК ила 1,5—1,6 мг на 1 мг беззольного вещества. Учет всех указанных слагае­мых, введение необходимых переводных коэффициентов и упрощение выражения привели к формуле (4.243) прироста ила.

При создании обобщенного метода расчета аэротенков были учтены результаты большого числа специальных исследовательских работ. Были использованы рекомендации, предложенные С. В. Яковлевым, Т. А. Карюхиной, 3. А. Орловским, Я. А. Карелиным, Б. Н. Репиным, Б. П. Ленским, Э. С. Разумовским и др.

Расчет аэротенков с учетом основ кинетики ферментативных реакций

Все современные теории биохимических процессов основываются на представле­ниях о закономерностях протекания ферментативных реакций. Ведущую роль в механиз­ме ферментативного катализа играет образование фермент-субстратного комплекса. На первой стадии ферментативного катализа между субстратом (органическим веществом) и ферментом возникает соединение с ковалентной или иного типа связью. Во второй фа­зе субстрат под действием фермента претерпевает изменение, делающее его более до­ступным для соответствующей химической реакции. В третьей фазе происходит хими­ческая реакция (на поверхности фермента) и, наконец, в четвертой фазе образовавшие­ся продукты реакции освобождаются из фермент-продуктивного комплекса.

Если фермент обозначить буквой Е (от слова «энзим», т. е. фермент), субстрат — S; активированный субстрат — S^1' и продукт реакции — Р, то указанная последователь­ность процессов выразится следующей схемой.

E + S^ES^ES(1)^EP^E + P. (4.244)

Эта схема для многих реакций подтверждена прямым выделением ES-, ES*1*- и ЕР-комплексов.

Под ферментативной кинетикой понимают закономерности изменения скорости реак­ции в зависимости от химической природы реагирующих веществ и условий их взаи­модействия. Под условиями взаимодействия понимают влияние концентрации реагиру­ющих веществ, температуры, давления, присутствия ингибиторов или активаторов и т. п. В настоящем разделе из всех перечисленных факторов рассматривается толь­ко влияние концентрации субстрата и фермента.

Для упрощения математического описания ферментативного процесса допустим, что реакция имеет вид:

К+1 К+2

E + S^ES->E + P, (4.245)

К-1

Где /С+ь К-и К+2 — константы скорости соответствующих реакций.

В этом случае суммарная скорость реакции определится концентрацией фермент - субстратного комплекса [ES]. В стационарной стадии процесса, если [S]^§>[E], кон­центрация [ES] остается постоянной до тех пор, пока соблюдается это соотношение. Следовательно, условием стационарности процесса является:

„ d[ES]

S-L~i=0. (4.246)

Cu

В свою очередь, скорость изменения концентрации комплекса определяется соотно­шением скоростей реакций в прямом и обратном направлениях:

D [ES]

2 ——S = K+l [E] [S] - AT_! [ES] - К+2 [ES]- (4.247)

Обозначим общую концентрацию фермента [Е]0. Так как [Е]0= [E] + [ES], по­лучим:

К+1 «Е]0 - [ES]) [S] - /С_______ і [ES] - /C+2[ES] =0. (4.248)

Из этого уравнения можно найти концентрацию фермент-субстратного комплекса:

Я+І [EJo [SJ

Разделим числитель и знаменатель на К+и

+ + • (4"248б)

Обозначив

(K^ + K+2)/K+L=Km, Получим выражение для стационарной концентрации фермент-субстратного комплекса:

[Е]0[S]

[ESJ = I I rsi • <4-294)

АтТ L^J

Скорость суммарной ферментативной реакции, измеряемая по образованию про­дукта Р, в соответствии с (4.245) может быть выражена:

K+2[ES).

С учетом выражения (4.249) получим:

Р-*+2 [E]0[S] /Tm+[S]

Уравнение (4.251) является основным уравнением стационарной кинетики простей­ших ферментативных реакций и носит название уравнения Михаэлиса—Ментен—авто­ров, которые экспериментально показали справедливость этого уравнения по отноше­нию ко многим ферментативным процессам. Следует, однако, сказать, что Михаэлис и Ментен придавали иной смысл величине Km. Они считали, что концентрация комплекса [ES] определяется лишь соотношением кон­стант K-i/K+i. Влияние К+2 на величину [ES] было учтено Бриггсом и Холденом, однако уравнение (4.251) сохранило назва­ние первых авторов.

Согласно уравнению (4.251), стационар­ная скорость простой ферментативной реак­ции линейно зависит от начальной концент­рации фермента. Опыт показывает, что эта закономерность выполняется для самых разнообразных ферментативных реакций в широком ряду концентраций фермента. Та­кая зависимость сохраняется при основном условии, что [E]0<C[S]. Повышение кон­центрации фермента за пределы этого не­равенства (или понижение концентрации субстрата) нарушает линейную зависимость.

Зависимость стационарной скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата выражается гиперболической функцией. При малых концентрациях субстрата, когда [S]<C/Cm, можно принять, что Кт+ [S] « Km, и, следовательно,

К+2 [Е]0 [S] Km

Таким образом, при малых концентрациях субстрата скорость ферментативной реакции приблизительно линейно изменяется с изменением концентрации субстрата. При значительном повышении концентрации субстрата, когда [S]^>/Cm, можно считать, что Km+[S]«[S], В этом случае уравнение (4.251) будет иметь вид:

О = К+2 [Е]с

Следовательно, при некоторой концентрации субстрата стационарная скорость ре­акции достигает постоянного значения, не зависящего от дальнейшего увеличения [S]. Постоянная скорость ферментативной реакции, достигаемая при полном насыщении фермента субстратом, носит название максимальной скорости V, т. е.

V = K+2 [Е]0.

При экспериментальном изучении зависимости скорости реакции от концентрации субстрата при постоянной концентрации фермента можно получить данные для вычис­ления - константы Km и V.

Если в уравнении (4.251) произведение /С+г[Е]0 заменить на V, получим уравне­ние Михаэлиса в следующей форме:

VIS]

Km + [ S]

Нетрудно видеть, что при V/V=0,5Km= [S]. Это означает, что константа Km чис­ленно равна концентрации субстрата, при которой стационарная скорость ферментатив­ной реакции равна половине максимальной скорости (рис. 4.108).

При графическом выражении P=f[S] в виде уравнения (4.255) нахождение V И Km представляет известные технические трудности, поскольку зависимость имеет гиперболический характер. В связи с этим было предложено несколько способов транс­
формации уравнения Михаэлиса в линейную функцию. Наиболее широкое применение получили уравнения, предложенные Лайнуивером и Бэрком:

J_ = +_L. (4.256)

V К [S] V

=_L [S]+ JЈjn_ (4 257)

V V V K

При обработке экспериментальных данных по уравнению (4.256) по оси ординат откладываются величины, обратные стационарной скорости реакции, а по оси абсцисс— величины, обратные соответствующим концентрациям субстрата. При этом, если реак­ция подчиняется уравнению Михаэлиса, получается прямая, отсекающая на оси орди­нат отрезок, соответствующий 1/V. Продолжение прямой до пересечения с осью абсцисс отсекает на последней отрезок, соответствующий 1 /Кт.

С момента создания теории Михаэлиса и Ментен (1913 г.) теория кинетики фер­ментативных реакций была усовершенствована работами Афанасьева (1949 г.), Лейдле - ра и Хоара (1950 г.), Пасынского (1955 г.).

Уравнение Михаэлиса—Ментен нашло очень широкое распространение в изучении биохимических реакций. Строго говоря, оно применимо лишь в тех случаях, когда изу­чается какая-либо одна определенная ферментативная реакция.

Однако основные положения расчетного уравнения Михаэлиса—Ментен, а также позднее предложенных уточненных уравнений (Герберта и др.) применяют и к описа­нию сложного комплексного механизма биохимического окисления загрязнений сточных вод, когда одновременно протекают самые разнообразные реакции с участием множест­ва различных ферментных систем. Разумеется, такое применение указанных уравнений вызывает целый ряд возражений, но оно может быть оправдано, если точность получа­емых результатов оказывается достаточной для решения технических задач.

В технике очистки сточных вод под субстратом подразумевают концентрацию за­грязнений по БПК, а под концентрацией фермента — концентрацию ила.

Перенося интерпретацию уравнения Михаэлиса—Ментен на случай биологической очистки сточных вод, принимают, что в условиях высоких нагрузок на активный ил, когда концентрация органических загрязнений выше накопительной способности ила, скорость очистки V максимальна и процесс не зависит от БПК смеси. Когда углерод - содержащих загрязнений становится мало, реакция переходит в область реакции пер­вого порядка и зависит вначале от концентрации активного ила, а затем от концент­рации остающихся загрязнений, т. е. ог БПКІ. В стадии эндогенного дыхания скорость реакции самоокисления описывается также уравнением первого порядка относительно концентрации активного ила.

Если очистка сточных вод происходит в аэротенке-смесителе, то, как уже указыва­лось выше, при постоянной нагрузке загрязнений на ил скорость процесса также по­стоянна и находится в какой-то одной кинетической области; если же очистку воды про­водят в аэротенке-вытеснителе, то скорость реакции несколько раз изменяется и может быть описана системой уравнений или же одним обобщающим уравнением, но с боль­шим числом входящих в него экспериментально определяемых констант. Учитывая сложность кинетических представлений, различных в зависимости от выбранного типа аэротенка, т. е. от гидродинамических условий перемешивания в объеме сооружения, в настоящее время расчет аэротенков проводят по обобщенному показателю — скорости окисления, принимаемой средней за весь период очистки. Численные значения скорости процесса были определены в результате анализа большого количества данных эксплуата­ции советских и зарубежных очистных станций, а также анализа результатов научно - исследовательских работ.

Системы аэрации и конструкции аэротенков

Выше отмечалось, что применительно к аэротенкам следует раз­личать системы аэрации: 1) пневматическую; 2) механическую; 3) сме­шанную, или комбинированную.

Пневматическая аэрация. В зависимости от типа применяемых аэраторов различают мелко-, средне - и крупнопузырчатую аэрацию. При мелкопузырчатой аэрации крупность пузырьков воздуха состав­ляет 1—4 мм, при среднепузырчатой — 5—10 мм, при крупнопузырча­той — более 10 мм.

К мелкопузырчатым аэраторам относятся керамические, тканевые и пластиковые аэраторы, а также аэраторы форсуночного и ударного типов, к среднепузырчатым — перфорированные трубы, щелевые аэрато­ры и др.; к крупнопузырчатым — открытые снизу вертикальные трубы, а также сопла.

В СССР наиболее распространенным типом мелкопузырчатого аэра­тора является фильтросная пластина размером 300X300 мм и толщи­ной 35 мм, изготовляемая из шамота, который связан смесью жидкого стекла с мелкой шамотной пылью, или из кварцевого песка и кокса, которые связаны бакелитовой смолой.

Фильтросные пластины обычно заделывают на цементном растворе в железобетонные каналы, устраиваемые на дне коридора аэротенка у стенки, вдоль длинной его стороны. Пластины укладывают обычно в два или три ряда для обеспечения подачи в аэротенк необходимого объема воз­духа. Воздух подается по магистраль­ным воздуховодам и стоякам в канал, перекрытый пластинами. Стояки рас­полагаются через каждые 20—30 м.

В зарубежной практике применяют также чугунные, стальные, алюминие­вые или железобетонные ящики не­большой длины, в которые заделыва­ются фильтросные пластины. Такая конструкция позволяет быстро заме­нить. вышедшую из строя пластину (вынуть ящик на поверхность), не опо­рожняя аэротенка. Так как ящики име­ют малую длину, то расстояние меж - рис. 4.109. Аэратор системы Ду стояками не превышает 5 м. «Шумахер»

Фильтросные пластины могут за­соряться с внутренней стороны пылью, окалиной и ржавчиной, находя­щимися в подаваемом воздухе, а с наружной стороны могут зарастать бактериальной пленкой. Поэтому пластины периодически очищают скребками или щетками, обрабатывают соляной или серной кислотой либо обжигают. Эти методы очистки пластины несколько восстанавли­вают их проницаемость, но на короткий срок. Поэтому в среднем через каждые семь лет фильтросные пластины полностью заменяют новыми.

Каждая, соединенных между собой на резиновых кольцевых прокладках. Концы трубы герметизируются заглушкой, имеющей в центре отверстия для натяжного стержня. Уплотняют стыки и крепят секции аэратора натяжным стержнем, который имеет на концах резьбу и натяжные гайки. Отверстия для натяжного стержня герметизируют резиновыми прокладками и шайбами.

Воздух в аэратор подается по стояку, который присоединен к трой­нику с приваренными к нему фланцами, соответствующими размерам пористой трубы. Трубу через каждые 3—5 м притягивают к желобу проволочными хомутами, продетыми в анкерные петли.

В ряде стран в конструкциях аэраторов используют пористые пла­стики. Наибольшее распространение получили сараиовые трубки, пред­ставляющие собой стальной каркас в виде цилиндрической сетки, ко­торая снаружи обтянута пористым пластиком.

Рис. 4 112 Аэратор «Вибрэйр» <— Рис 4 111 Аэратор решетчатый тканевый

/ — перфорированные трубки, 2 — коллектор, 3—капроновая ткань

Применяют также синтетические ткани. Фирма «Инфилко» разра­ботала конструкцию тканевого аэратора в виде тарелки, которая свер­ху обтянута тканью, прикрепленной к тарелке металлическим хомутом. Крепление отдельных тарельчатых аэраторов к горизонтальному воз­духоводу выполнено с помощью резьбовых соединений.

Недостатком конструкции тарельчатого аэратора является невоз­можность его замены и демонтажа без опорожнения аэротенка.

Во ВНИИ ВОДГЕО разработано несколько конструкций тканевых аэраторов: 1) рамный, представляющий собой раму, которая собрана из перфорированных металлических труб с натянутой на них синтети­ческой тканью; 2) тарельчатый, по конструкции аналогичный аэрато­рам фирмы «Инфилко»; 3) решетчатый (рис. 4.111), состоящий из кол­лектора, к которому с помощью фланцев присоединены перфорирован­ные трубки с натянутой на них капроновой тканью, прикрепленной к трубкам хомутами.

Достоинством тканевых аэраторов по сравнению с керамическими диффузорами является возможность их полной регенерации при про­мывке.

Стремление избавиться от присущих мелкопузырчатым аэраторам недостатков, главным из которых является «способность» к засорению, привело к разработке новых конструкций аэраторов.

К таким аэраторам относится диффузор «Вибрэйр» (рис. 4.112), разработанный фирмой «Дегремон» (Франция) и представляющий со­бой клапанНое устройство из некорродирующего материала. Под дав­лением воздуха клапан приподнимается, и между ним и гнездом обра­зуется зазор в десятые доли миллиметра. При прекращении подачи воз­
духа клапан плотно закрывает отверстие и предотвращает засорение диффузора. Диффузор монтируют путем ввинчивания в воздухораспре­делитель, расположенный у дна, либо в специальную плиту в днище аэротенка, которая перекрывает воздухораспределительный железобетон­ный клапан.

К среднепузырчатым аэраторам можно отнести дырчатые трубы, укладываемые на дне аэротенка, с отверстиями диаметром 3—4 мм. Воздухоподающие стояки устанавливают через 20—30 м. Трубы долж­ны быть уложены строго горизонтально, иначе воздух будет продувать­ся неравномерно по длине трубы. Опыт эксплуатации стальных перфо­рированных труб показал, что через короткий срок отверстия засоряют­ся ржавчиной и подача воздуха уменьшается.

Ш

В американской практике широкое распространение получил аэра­тор «Спаржер» (рис. 4.113), представляющий собой литую крестовину из четырех коротких трубок с открытыми концами. «Спаржеры» наса­живают через каждые 0,3—0,6 м на воздухораспределитель, располага­емый у дна аэротенка. Воздухораспределитель может быть как непод­вижным, так и подъемным на случай производства ремонтных работ. Благодаря созданию компактной, определенно направленной и выходя­щей с большой скоростью струи воздуха над аэратором «Спаржер» раз­вивается область высокой турбулентности, в результате чего происхо­дит вторичное дробление воздуха и образуется «облако» мелких пузырь­ков, сравнимых по размеру с пузырьками тонкодиспергированного воздуха.

Гребневый аэратор (рис. 4.114) представляет собой продолговатую шляпку пирамидальной формы, насаживаемую на воздухораспредели­тель. В шляпке имеется серия прорезей, через которые выходит воздух. «Гребни» насаживают на воздухораспределитель либо монтируют на отводных трубках, присоединенных к воздухораспределителю.

В последние годы получил распространение аэратор системы ИНКА (рис. 4.115). Конструкция с такой системой аэрации обычно называется аэротенком с низконапорной аэрацией системы ИНКА.

Аэратор представляет собой решетку из легких трубок из нержавею­щей стали с отверстиями от 1—2 до 6—7 мм. Решетка устанавливается вдоль одной из продольных стен аэротенка на глубине 0,6—0,9 м от поверхности воды. Для придания поперечной циркуляции воде в аэро - тенке устанавливают продольную перегородку из стекловолокна, верх которой расположен на уровне выхода воздуха из решетки, а низ не доходит до дна. В зоне выхода воздуха развивается область высокой турбулентности, благодаря чему воздух дробится и образуется водо - воздушная эмульсия.

При малой глубине аэратора в аэротенке ИНКА для обеспечения нормального хода процесса биологической очистки нужно подавать воз­дух в объеме, в несколько раз большем, чем при глубинном расположе­нии аэратора. Благодаря низкому гидростатическому давлению воды воздух может быть подан центробежными вентиляторами, к. п. д. кото­рых на 15—20% выше, чем у воздуходувок компрессорного типа Вен­тиляторы моиут быть установлены непосредственно на аэротенках в лег­

Рис. 4 116. Аэратор «Симтг леке»

Ких укрытиях, защищающих их от неблагоприятных атмосферных ус­ловий.

К крупнопузырчатым аэраторам относится система «крупных пузы­рей», в которой аэраторами являются трубы диаметром 50 мм с откры­тыми концами, опущенные вертикально вниз на глубину 0,5 м от дна аэротенка. Эта система была впервые применена на станции Ашер в Париже.

В такой системе аэрации используется кислород не только сжатого, но и в большей мрре атмосферного воздуха, с которым иловая смесь усиленно контактирует путем перемешивания ее крупными пузырями воздуха. При этом расход воздуха возрастает незначительно и устраня­ются трудности, которые связаны с эксплуатацией аэротенков, оборудо­ванных фильтросными пластинами и диффузорами.

Механическая аэрация. Системы механической аэрации в аэротен­ках известны давно, но широкое распространение они получили за пос­леднее десятилетие.

Механические аэраторы весьма разнообразны в конструктивном от­ношении, но принцип их работы одинаков: вовлечение воздуха непос­редственно из атмосферы вращающимися частями аэратора (ротором) и перемешивание его со всем содержимым аэротенка.

Все механические аэраторы можно классифицировать следующим образом:

1) по принципу действия — импеллерные (кавитационные) и поверх­ностные;

2) по плоскости расположения оси вращения ротора — с горизонталь­ной и вертикальной осью вращения;

3) по конструкции ротора — конические, дисковые, цилиндрические* колесные, турбинные и винтовые.

Наиболее широкое распространение из механических получили аэра­торы поверхностного типа, особенностью которых является незначи­тельное погружение их в сточную воду и непосредственная связь ротора с атмосферным воздухом. К ним можно отнести аэраторы типа «Симп­лекс», «Симкар», дисковые, «Лайтнин», щетки Кессенера и их модифи­кации (цилиндрические, «Маммут», вальцовые и др.)-

Аэратор «Симплекс» (рис. 4 116) представляет собой изготовленный из листовой стали полый усеченный конус с расширенной частью, обра­щенной кверху. К внутренней поверхности конуса прикреплено несколько лопасгей специальной формы. Вверху, со стороны оси вращения, лопа­

Сти приварены к колесу, ступица которого связана с валом, передаю­щим вращение от двигателя на конус.

Конус погружен в сточную воду так, что верхняя часть его выступает на 5—20 см над уровнем воды в аэротенке. Внизу под конусом устанав­ливается вертикальная труба диаметром 0,6—0,9 м, не доходящая до дна аэротенка на несколько сантиметров и опирающаяся на три регулируе­мые опоры. Конус связан с трубой специальной втулкой, обеспечиваю­Щей плотность соединения вращающегося конуса и неподвижной трубы (рис. 4.117). При вращении относительно вертикальной оси конус вы - брасьіваеі воду, разбрызгивая ее над уровнем воды в аэротенке, что обеспечньает ее аэрацию.

Дисковый аэратор представляет собой диск, с нижней стороны кото­рого крепят радиально направленные лопасти. Скорость вращения диска относительно вертикальной оси принимается 3,5—4,5 м/с в зависимости от диаметра аэратора. За рубежом наиболее широкое распространение получили аэраторы, разработанные фирмами «Лурги» (ФРГ) и «Инфил - ко» (США).

Кафедрой канализации МИСИ им. В. В Куйбышева (В. Н. Журов) также разработана конструкция дискового аэратора, имеющего в отли­чие от аэраторов фирм «Лурги» и «Инфилко» стабилизатор потока, устанавливаемый под аэратором с небольшим зазором (рис. 4.118).

Аэратор «Лайтнин» представляет собой полностью открытую турби­
ну, у которой лопасти прикреплены непосредственно к валу и наклонены под углом 45° к горизонту.

Аэратор системы Кессенера представляет собой цилиндр, поверх­ность которого покрыта металлическим ворсом из нержавеющей сталь­ной проволоки диаметром 1—2 мм и. длиной около 15 мм. Частота вра­щения вала относительно горизонтальной оси до 100 мин-1. Аэратор погружается в воду на глубину 10—12 см. Вращение такого аэратора приводит к нагнетанию воздуха из атмосферы в сточную воду.

.

Рис. 4.119. Аэратор цилиндрический

Рис. 4.120. Аэратор вальцовый

В последние годы разработано несколько модификаций аэратора Кессенера, в которых вместо ворса применены стальные пластинки или стальные уголки, приваренные или вставленные в зажимы на цилиндри­ческом валу (рис. 4.119).

Вальцовый аэратор (рис. 4.120) представляет собой разновидность цилиндрического аэратора, но при этом цилиндр собирается из несколь­ких (от 1 до 8) вальцов длиной каждый около 3 м.

Клеточный аэратор (рис. 4.121) —цилиндрический вал с двумя ди­сками на концах вала. По периферии дисков параллельно валу при­креплено 12 Т-образных балок, к которым болтами крепят короткие стальные лопатки длиной 15 см, шириной 5 см и толщиной 0,5 см. Аэра­тор собирают из нескольких звеньев.

Смешанная, или комбинированная, система сочетает в себе элемен­ты пневматической и механической аэрации.

Наибольшее распространение из комбинированных аэраторов полу­чили турбинные аэраторы фирм «Дорр-Оливер» и «Пермутит».

Турбинный аэратор фирмы «Дорр-Оливер» представляет собой одну, две турбины или более, установленные на вертикальном валу, который имеет привод через редуктор от двигателя. Одна турбина располагается у дна, а вторая — на глубине около 0,75 м от поверхности воды {рис. 4.122). Под нижней турбиной располагается перфорированное воз­духораспределительное кольцо, в которое подается воздух от воздухо­дувок. Воздух выходит из кольца по периферии нижней турбины, бла­годаря действию которой он тонко диспергируется и хорошо переме­шивается.

В связи с необходимостью доочистки сточных вод в аэрируемых био­логических прудах в последние годы разработаны конструкции подвиж­ных механических аэраторов.

Рис. 4123. Аэратор подвижный механический

1 — аэратор, 2 — редуктор, 3 — понточ, 4 — тяга; 5 — токосъемник

<- Рис 4 122 Аэратор турбинный

Конструкция такого аэратора, разработанная во ВНИИ ВОДГЕО, показана на рис. 4.123. Аэратор, приводящийся в движение от электро­двигателя через редуктор, связан с неподвижной опорой и токосъем­ником с помощью тяги, на которой крепится понтон. При работе аэрато­ра возникает пара реактивных сил, поэтому вращение ротора вокруг собственной оси вызывает вращение всего аэратора вокруг неподвижной опоры.

Известно, что при выпуске биологически очищенных сточных вод в водоем желательно иметь возможно большую концентрацию раство­ренного кислорода в этих водах. Это позволяет ускорить процессы само­очищения воды водоема и улучшить его кислородный режим.

Для насыщения сточной воды кислородом рекомендуется устройство на отводных каналах водосливов, перепадных колодцев, лотков Пар - шаля и др. Наблюдения показали, что в зависимости от конструкции перепадного устройства, величины перепада и концентрации растворен­ного кислорода в воде концентрация кислорода может быть повышена на 1—3 мг/л.

Расчет дискового аэратора

На кафедре канализации МИСИ им. В. В. Куйбышева разработан метод расчета дисковых аэраторов.

Как указывалось, дисковый аэратор представляет собой диск с радиально направленными лопастями, прикрепленными к нему с ниж­ней его стороны (см. рис. 4.118). Аэратор незначительно погружен в во­ду и с определенной частотой вращается относительно вертикальной оси. При этом вследствие отбрасывания лопастями воды вокруг аэра­тора образуется воронка. Если глубина погружения аэратора меньше (или равна) глубины воронки, то диск обнажается и воздух из атмосфе­ры поступает в межлопастное пространство аэратора по периферийной кромке диска. Для обеспечения более свободного доступа воздуха в
диске аэратора устраивают либо отверстия диаметром 3—5 см, либо прорези шириной 1,5—3 см по всей длине лопасти со стороны, противо­положной направлению вращения аэратора (рис. 4.124). За лопастью образуется зона пониженного давления, в которой воздух образует «мешки». Вода, выбрасываемая лопастью в виде струи, вовлекает воз­дух из этих «мешков» в окружающую аэратор воду. Встречая сопро­тивление кольца воды, воздух вокруг аэратора дробится, в виде отдель­ных пузырьков уносится потоками воды и перемешивается с содержи­мым аэротенка.

Аэратор может работать в трех режимах, характеризую­щихся различными техноло­гическими показателями.

Первый режим наблюдает­ся при значительной глубине погружения аэратора. Вокруг него образуется лишь неглубо­кая воронка, не достигающая диска аэратора; следователь­но, диск полностью затоплен. Вода, выбрасываемая из аэра­тора, не имеет контакта с воз­духом, и вовлечения воздуха водой не происходит. Затраты энергии на работу аэратора весьма высокие, так как аэра­ция происходит только вслед­ствие возмущения свободной поверхности воды в аэротенке, а поэтому незначительна.

Второй режим наступает при уменьшении глубины по­гружения до полного обнаже­ния диска. Потребление элект­роэнергии при этом значительно снижается, а объем переданного в воду кислорода резко возрастает. В этом случае аэрация происходит под воз­действием трех факторов: 1) вовлечения воздуха струей воды, срываю­щейся с лопасти; 2) защемления воздуха вследствие неустойчивости об­разующейся воронки; 3) возмущения свободной поверхности воды.

Третий режим наступает при дальнейшем уменьшении глубины по­гружения аэратора, когда потребление электроэнергии падает, но в еще большей степени уменьшается количество переданного в воду кислорода, что приводит к снижению эффективности раооты аэратора.

Расчет аэратора заключается в определении оптимальных парамет­ров (см. рис. 4.124) режима работы и технологических показателей.

1. Диаметр аэратора dwр, м, назначается из условия ^аэР= (0,15... ... 0,2) ВаЭр, где ВаЭр — ширина аэротенка, м.

2. Количество лопастей определяется как 2= (10,.. 12)

3. Длина лопасти /, м, определяется из уравнения

(4.258)

4. Высота лопасти /гл, м,

Ha = ~+t 1/2ghn ,

Где Ha— глубина погружения диска, принимаемая равной 0,1—0,08м;

T — время пробегания лопастью расстояния, равного расстоянию между лопасіями (или время поворота лопасти на угол, рав­ный углу между лопастями), с, т. е.

T= —; (4.260)

<00Z

Со0—частота вращения аэратора, с-1.

Задаваясь частотой вращения аэратора (исходя из окружной скоро[19] сти вращения 3,5—4,5 м/с), определяют высоту лопасти постепенным приближением.

Правильность выбранной частоты вращения проверяется условием

Яст = /гп -[- /гл (1 — k), (4.261)

Где K — коэффициент использования боковой поверхности аэратора:

V0—скорость подъема воды на входе в аэратор, м/с:

Fo = VЧ Фа + Ал). Статический напор аэратора Яст, м, определяется по уравнению

K' K<A2 (А — Л.)

--------- ^---------- — , (4.263)

Где K' — коэффициент для учета числа лопастей;

To—угловая скорость: а>=27,1(Оо, рад/с; и гвн—внешний и внутренний радиусы аэратора, м.

Коэффициент для учета числа лопастей определяется по формуле

1

8.6

Г 1 — ('вн! г аэр)2

Добившись выполнения условия (4.261), можно рассчитать техноло­гические показатели аэратора.

5. Расход жидкости Q, м3/с, перекачиваемой аэратором, будет:

K PQtr

N НРТТҐ1 ==

2.1000

Р — плотность жидкости, равная 1000 кг/м3; где vn — периферийная скорость вращения, м/с.

7. Окислительная способность аэратора [ОС], кг/ч, определяется как

[ОС] = (2,8.. .3) А^нетто*

8. Число аэраторов, необходимых к установке в аэротенках, опреде­ляется по уравнению

WlQcyr (La — Lt) Т2 [ОС] D

Где т1 — потребность в кислороде на 1 кг снятой БПКполн, равная 1,05—2,3 в зависимости от режима работы аэротенков;

25—11 385

QcyT — суточный расход сточных вод, м3; La — БПКполн поступающих сточных вод, кг/м3; Lt — БПКполн очищенных сточных вод, кг/м3; т2 — коэффициент качества сточных вод;

[ОС] — окислительная способность, кг/сутки; d—дефицит кислорода.

9. Зона, обслуживаемая одним аэратором, определяется из условия обеспечения придонной скорости движения воды (на 0,2 м от дна), рав­ной 0,35 м/с. Поверхностная скорость vx, м/с, определяется по уравнению квадрат с размером стороны

Я —0,2 у/7 0,2

Где Н — глубина аэротенка, м.

Тогда зона L, м, обслуживаемая одним аэратором, определяется і£ак

K2 — коэффициент, определяемый экспериментально и принимае­мый равным 1,14; ;абс—абсолютная скорость выхода жидкости из аэратора, м/с;

(4.268)

Радиальная скорость выхода жидкости из аэратора, м, опре­деляемая по уравнению

Рн + Рк Vr= —п—; =

Где ия — скорость вращения в начале лопасти, м/с.

10. Число аэраторов из условия обеспечения перемешивания воды определяется как

Ря, (4.269)

N = АэР LB

Аэр

Где ВаэР — ширина аэротенка, м.

11. Оптимальная работа аэратора будет при выполнении условия

N аэр == - Л/ аэр.

Для обеспечения хорошей циркуляции воды в аэротенке и предотвращения выпадения взве­шенных веществ на его дно при обычных глубинах аэротенка (по­рядка 4—4,5 м) целесообразно применение стабилизатора пото­ка. Последний представляет со­бой вертикальную трубу, устанав­ливаемую с небольшим зазором под аэратором, соосно с ним и имеющую верхнее и нижнее кони­ческое расширения. Верхнее рас-

Рис. 4.125. Схема работы механического по­верхностного аэратора дискового типа

/ — вал аэратора; 2 — верхнее расширение стаби­лизатора; 3—стабилизатор; 4— лопатки аэратора
Ширение оборудовано вертикальными, радиально направленными лопа­стями, предотвращающими закручивание воды в стабилизаторе. Для входа воды в стабилизатор устраивают впускные окна с регулирующи­ми заслонками внизу и посередине стабилизатора, позволяющие регули­ровать расход воды через него, а следовательно, регулировать и произ­водительность аэратора (рис. 4.125).

Механический аэратор дискового типа со стабилизатором позволяет увеличить напор, развиваемый аэратором. При этом аэратор развивает как гидродинамический напор, служащий для перемешивания воды в аэротенке, так и гидростатический, обеспечивающий образование во­ронки и доступ воздуха в межлопастное пространство аэратора. Гидро-

/ — аэратор; зона отстаивания; 3 — трубопровод возвратного активного ила; 4 — стабилизатор

Потока

Статический напор, развиваемый аэратором, может быть использован и для возврата активного ила из вторичного отстойника. Возврат ила осу­ществляется под действием разности уровней воды в межлопастном про­странстве аэратора и вторичном отстойнике (рис. 4.126).

На основе методики расчета аэратора определены некоторые пара­метры аэраторов (табл. 4.54).

Таблица 4.54

Примечание. Глубина погружения диска 8—10 см.

Аэротенки с пневматической аэрацией

В отечественной практике получили наибольшее распространение аэротенки с пневматической аэрацией. Такой аэротенк представляет со­бой прямоугольный в плане железобетонный резервуар, состоящий из
одной или нескольких секций. Каждая секция разделена на коридоры продольными перегородками, не доходящими до противоположной тор­цовой стены резервуара. По эгим коридорам последовательно из одного в другой проходит сточная вода.

Поперечное сечение коридоров аэротенков — прямоугольное или квадратное. Глубину аэротенков Я чаще всего принимают равной 3— б м, ширину длину аэротенков рекомендуется назначать не ме­

Нее 10 Л.

Допускается устройство аэротенков круглой в плане формы, а также совмещенных с первичными и вторичными отстойниками.

Однокоридорные аэротенки обычно применяют на очистных станциях не­большой пропускной способности при работе по схеме без регенераторов, когда отстоенная вода и возвратный активный ил подаются в верховую часть коридора. Распределительный канал отстоенной воды расположен с верховой стороны коридора, а распре­делительный канал иловой смеси — с низовой стороны.

Двухкоридорные аэротенки удобно применять при регенерации активного ила, когда объем регенераторов со­ставляет 50% общего объема соору­жений, а также при небольших и сред­них пропускных способностях станции аэрации.

Трехкоридорные аэротенки удобны для работы без регенерации ила.

Наиболее гибкими, позволяющими применять любую схему работы, явля­ются четырехкоридорные аэротенки. Такие аэротенки построены на Курьяновской и Люберецкой станциях аэрации (Москва).

Четырехкоридорный аэротенк может работать с отдельной регенера­цией ила и без нее (рис. 4.127). Если аэротенк работает без отдельной регенерации, то сточная вода из первичных отстойников поступает в рас­пределительный канал 1 перед аэротенками, затем при открытом шибере па водосливе 2 проходит через аэротенк, а затем по каналу 5 — в распре­делительный канал 8 за аэротенками и подается через водослив или затопленное отверстие 10 в коридор /. Возвратный ил из вторичных отстойников подается в коридор / по трубопроводу. Иловая смесь, прой­дя последовательно коридоры /, II, III и IV, дюкером отводится во вто­ричные отстойники.

Если аэротенк работает с 25%-ной регенерацией ила, то сточная вода из канала 1 через водослив (или затопленное отверстие) 2 подается в начало коридора II. Возвратный ил по трубопроводу подается в кори­дор I. В этом случае коридор / называется регенератором, а коридоры II—IV — собственно аэротенком. Если регенерация ила 25%-ная, то для нее отводится 25% расчетного объема аэротенков (коридор /); если регенерация ила 50%-ная, то 50% расчетного объема аэротенков (кори­доры / и //); если регенерация ила 75%-ная, то 75% расчетного объема аэротенков (коридоры /—III).

При 50%-ной регенерации ила сточная вода подается в начало кори­дора III через водослив 7, а иловая смесь отводится в конце коридора IV Дюкером.

При 75%-ной регенерации ила сточная вода подается в коридор IV Через водослив <3. Под регенерацию ила отводятся коридоры I—III.

На рис. 4.128 показан типовой четырехкоридорный аэротенк, конст­рукция которого разработана ЦНИИЭП инженерного оборудования. Длина коридора аэротенка 84 м. Коридоры аэротенка могут быть ши­риной 4,5,6 и 9 м. При ширине коридора 4,5 м рабочая глубина аэротен­ка составляет 3,2 и 4,4 м, а при ширине 6 и 9 м — 4,4 и 5 м. Такой аэро­тенк работает по принципу аэротенка-вытеснителя.

Аэротенк может работать с 25%-ной регенерацией ила, когда сточная вода подается в начало коридора II из верхнего канала осветленной во­ды, а регенератором служит коридор /, куда подается циркулирующий (возвратный) активный ил по трубопроводу.

При 50%-ной регенерации ила сточная вода подается в начало кори­дора III из нижнего канала осветленной воды.

Воздух диспергируется с помощью фильтросных пластин, уложенных в бетонных каналах, которые устраивают в дне аэротенка вдоль про­дольной стенки его коридора.

В коридорах / и II укладывают по три ряда фильтросных пластин, а в коридорах III и IV — по два ряда.

Для удаления воды из подфильтросных каналов в период пуска воз­духодувок в работу служат водовыбросные стояки диамером 60 мм.

Для предотвращения выпадения взвешенных веществ и активного ила в верхнем и нижнем каналах осветленной воды, а также в распреде­лительном канале вторичных отстойников воздух подается через воз­душные стояки диаметром 33,5 мм.

На Курьяновской станции аэрации (Москва) запроектированы четы - рехкоридорные аэротенки с отдельной регенерацией активного ила. Коридор аэротенка имеет длину 133 м, высоту 4 м и ширину 8 м.

Ранее отмечалось, что для биологической очистки смеси бытовых и производственных или только производственных сточных вод чаще всего применяют аэротенки-смесители.

На рис. 4.129 показан аэротенк-смеситель, разработанный Гипро - коммунводоканалом.

Каждая секция аэротенка состоит из двух коридоров, один из кото­рых является регенератором, а другой — собственно аэротенком. Реге­нератор отделен от аэротенка легкой стенкой из волнистого шифера. Длина коридора аэротенка 135 м, ширина 9 м, рабочая глубина 5 м.

Сточная вода подается в коридор собственно аэротенка рассредото­чений через отверстия, расположенные на расстоянии 40 м друг от друга.

Аэротенк снабжен трубопроводами для его опорожнения. Днище ко­ридора аэротенка имеет уклон 0,001 к его середине, где устроен лоток опорожнения.

Фирмой «Дегремон» (Франция) разработано несколько конструкций,

Совмещающих аэротенк коридорного типа со вторичным отстойником и Называемых оксиконтактом (рис. 4.130).

Осветленная сточная вода подается в аэрационную часть (аэротенк), из которой иловая смесь направляется в отстойную часть (вторичный отстойник). Распределение воздуха производится равномерно по всей

Площади аэротенка с помощью аэраторов «Вибрэйр», вмонтированных в днище. Вследствие аэрации происходит подсос (возврат) активного ила, отделившегося в отстоенной части. Избыточный активный ил перио­дически удаляют.

Известно, что чем компактнее запроектированы очистные сооруже­ния, тем меньше протяженность связывающих их коммуникаций, зани­маемая площадь и их строительная стоимость. На рис. 4.131 показаны очистные сооружения пропускной способностью 160 тыс. м3/сутки, в ко­торых соединены в единый блок первичные горизонтальные отстойники с преаэраторами и четырехкоридорные аэротенки с регенераторами при рассредоточенном впуске сточной воды.