WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |

На правах рукописи

Киристаев Алексей Владимирович

ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД

В МЕМБРАННОМ БИОРЕАКТОРЕ.


05.23.04 – Водоснабжение, канализация,

строительные системы охраны

водных ресурсов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2008

Работа выполнена в открытом акционерном обществе Ордена Трудового Красного Знамени комплексном научно-исследовательском и конструкторско-технологическом институте водоснабжения, канализации, гидротехнических сооружений и инженерной гидрогеологии «НИИ ВОДГЕО» (ОАО «НИИ ВОДГЕО»)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Швецов Валерий Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Стрелков Александр Кузьмич

кандидат технических наук

Соколова Елена Васильевна

Ведущая организация:

ГУП «МосводоканалНИИпроект» г. Москва

Защита состоится «12» ноября 2008 г. в 1300, на заседании диссертационного совета Д303.004.01 при ОАО «НИИ ВОДГЕО» по адресу: Комсомольский проспект, 42, стр. 2, г. Москва, Г-48, ГСП-2, 119048.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «НИИ ВОДГЕО»,

тел. (499) 245-95-53, (499) 245-95-56, факс (499) 245-96-27.

Автореферат разослан "__" октября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук

Кедров Ю.В.

Основные условные обозначения

МБР - мембранный биореактор;

МФ - микрофильтрация;

УФ - ультрафильтрация;

ТМД – трансмембранное давление

Jн – нормализованный поток через мембрану

Jуд – удельный поток через мембрану

max - максимальная удельная скорость роста микроорганизмов

Vmax - максимальная удельная скорость окисления субстрата

Km - константа Михаэлиса

S - концентрация субстрата

E - концентрация фермента

– зольность активного ила

X - концентрация микроорганизмов

- удельная скорость роста микроорганизмов

- удельная скорость окисления субстрата

Y - экономический коэффициент

константа торможения

коэффициент ингибирования продуктами распада активного ила

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

К недостаткам традиционных технологий биологической очистки относятся относительно большие объемы очистных сооружений (аэротенков и вторичных отстойников) и степень очистки, которая не всегда удовлетворяет современным требованиям к сбросу очищенных сточных вод в водные объекты. Потенциальные возможности традиционных процессов биологической очистки с активным илом оказались практически исчерпанными. Дальнейшее радикальное улучшение характеристик биотехнологий возможно путем применения принципиально новых решений.

Коренное улучшение технико-экономических характеристик биотехнологий очистки сточных вод весьма перспективно в направлении создания гибридных технологий, максимально использующих достоинства биологических методов и мембранного фильтрования.

Актуальность представленной работы состоит в том, что на данный момент только технология с использованием мембранных биореакторов (МБР) позволяет радикально усовершенствовать технико-экономические характеристики процесса биологической очистки и одновременно является решением проблемы доочистки. В России нет аналогичных установок, исследования в этом направлении практически не проводились, а в зарубежной литературе имеются лишь фрагментарные общие сведения о технологических параметрах работы мембранных биореакторов.

Цели и задачи работы.

Цель работы состояла в создании эффективной технологии глубокой биологической очистки сточных вод с применением мембранной микро- и ультрафильтрации, а также в разработке методики расчета МБР. Для реализации поставленной цели были определены следующие задачи:

  • исследовать основные закономерности и особенности процессов очистки сточных вод в МБР;
  • определить кинетические зависимости удаления органических соединений и соединений азота (нитрификация) от качества очищенной воды, концентрации активного ила при различных периодах аэрации в МБР;
  • определить оптимальные гидравлические и технологические параметры процесса биологической очистки с применением МБР;
  • обосновать целесообразность и эффективность применения технологии с использованием МБР для очистки сточных вод;
  • исследовать возможность и эффективность доочистки биологически очищенных сточных вод в МБР.

Научная новизна работы заключается в следующем:

  • научно обоснованы и экспериментально подтверждены технологические преимущества глубокой биологической очистки сточных вод в МБР;
  • показано, что разработанный метод очистки в МБР может применяться для обработки неосветлённых городских сточных вод в условиях существенного колебания их состава;
  • установлена взаимосвязь параметров и условий работы мембран с технологическими параметрами работы биореактора;
  • показана высокая стабильность процесса очистки в МБР в условиях существенного колебания состава городской сточной воды;
  • экспериментально установлена высокая эффективность очистки городской сточной воды от органических загрязнений: по ХПК - 80–90%, по БПК – 98,799,7%, по аммонийному азоту - 98,5–99,8% и взвешенным веществам при температуре от 8 до 230С, периоде аэрации от 2,5 до 10,3 часов и при более высокой производительности (в 3-4 раза) по сравнению с традиционными аэротенками;
  • показано, что в МБР процессы биологического окисления органических загрязнений и соединений азота адекватно описываются уравнениями ферментативной кинетики. Для городской сточной воды найдены кинетические константы и коэффициенты, необходимые для расчёта МБР с достижением заданного качества очищенного стока;
  • определены и технологически аргументированы оптимальные параметры процесса в биореакторе с мембранами (доза ила не более 8 г/л, продолжительность обработки городских сточных вод не менее 4,5-5 часов), а также мембранных блоков – оптимальная величина удельного потока пермеата 0,30,35 м3/м2.сут.

Практическая ценность:

  • Впервые теоретически и экспериментально обоснованы преимущества и условия применения МБР для очистки сточных вод с достижением качества очищенного стока до нормативов ПДК рыбохозяйственного водоема (по БПК, взвешенным веществам, соединениям азота) без дополнительной ступени доочистки.
  • Разработана методика расчета МБР для глубокой биологической очистки сточных вод.
  • Разработаны рекомендации на проектирование станции очистки городских сточных вод производительностью 30000 м3/сут с использованием МБР.
  • Разработанная технология и метод расчета МБР могут быть использованы при проектировании и реконструкции систем очистки городских и производственных сточных вод.

Достоверность полученных результатов подтверждается большим объемом и длительностью экспериментальных исследований на лабораторных и пилотных установках с реальными сточными водами в различные сезоны года, сходимостью расчетных и экспериментальных результатов, применением стандартизированных методов измерений и анализа, статистической обработкой результатов.

Обоснованность предлагаемых технологических и конструктивных решений подтверждена лабораторными и полупроизводственными испытаниями с реальными сточными водами.

Апробация работы и публикации:

  • Основные результаты данной работы докладывались на 7-ом Международном конгрессе "ЭКВАТЕК-2006" (июнь 2006 г), Международной научно-практической конференции «Биотехнология. Вода и пищевые продукты» (март 2008 г), Конференции международной водной ассоциации «Мембранные технологии в водоподготовке и очистке сточных вод» (июнь 2008 г), 8-ом Международном конгрессе "ЭКВАТЕК-2008" (июнь 2008 г).
  • По теме выполненных исследований опубликовано 8 работ, в том числе 2 статьи в журнале, рекомендованном ВАК.

Реализация результатов исследований:

По разработанным рекомендациям выполнен проект городских очистных сооружений г. Шадринск Курганской области производительностью 30000 м3/сут.

На защиту выносятся:

Результаты теоретических и экспериментальных исследований по:

  • изучению основных закономерностей и зависимостей окисления органических загрязнений сточных вод в МБР, в условиях полного удержания биомассы в объёме биореактора;
  • определению кинетических констант и коэффициент уравнений ферментативных реакций, используемых для описания процессов окисления органических соединений в МБР;
  • определению оптимальных технологических параметров работы МБР;
  • определению взаимосвязи параметров и условий работы используемых в МБР мембран с технологическими параметрами работы биореактора;
  • методика расчета МБР для глубокой биологической очистки сточных вод.

Структура и объём работы.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка литературы и приложения. Библиография включает 138 источников, в т.ч. 126 – на иностранном языке. Общий объём диссертации 135 страниц, 41 рисунок и 7 таблиц.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, и сформулированы цель и задачи исследований, ее научная новизна и практическая значимость, а также основные положения диссертации, вынесенные на защиту.

Глава 1 «Современное состояние вопроса биологической очистки сточных вод с применением мембранных биореакторов». Первоначально мембраны использовались как элемент доочистки сточных вод после вторичного отстойника. Они обеспечивали удаление из воды взвешенных веществ и части коллоидных соединений. При этом никакого влияния на параметры работы биологического реактора они не оказывали. В настоящее время наблюдается тенденция расширения применения МБР для очистки как городских, так и промышленных сточных вод.

В разделе 1.1 представлен анализ литературных данных, приведены конструктивные решения МБР, а также прогнозы темпов роста европейского рынка мембран, которые указывают на ежегодное увеличение количества (в среднем на 10%) вводимых в эксплуатацию МБР с наиболее перспективными погружными системами.

В разделе 1.2 приведены технологические решения МБР для очистки сточных вод, отмечены особенности биологической очистки сточных вод с применением МБР. Анализ отечественных и зарубежных источников показал, что для очистки сточных вод наиболее эффективно реализовывать биологическую очистку в МБР с погружными половолоконными микро- и ультрафильтрационными мембранами. Несмотря на большое число научных работ, вопросы изменения проницаемости мембран в системах с активным илом и их регенерации, изменения кинетических характеристик биоценоза активного ила в МБР при накоплении высокомолекулярных соединений в системе, освещены недостаточно, что потребовало проведения специальных исследований.

Глава 2. «Особенности процессов биологической очистки сточных вод в МБР».

В разделе 2.1 представлен анализ теоретических предпосылок использования метода очистки сточных вод с применением МБР, а также методов их математического описания.

Процессы биологической очистки сточных вод являются результатом метаболической деятельности микроорганизмов, основу которых составляют реакции, катализируемые ферментами как внутри клетки, так и за ее пределами. Математическое описание кинетики ферментативных реакций основано на предположении о существовании комплекса фермента с субстратом и зависимости скорости реакции от скорости распада этого комплекса с образованием продукта реакции и свободного фермента. Согласно этой гипотезе для ферментативных реакций, протекающих по схеме1:

Е+S ЕS E+P (2-1)

Михаэлисом и Ментен выведено известное уравнение:

(2-2)

Согласно этому уравнению зависимость скорости реакции от концентрации органического вещества выражается гиперболической функцией.

При субстратном торможении скорость реакции выражается уравнением:

(2-3)

Скорость роста биомассы () описывается уравнением аналогичным уравнению Михаэлиса-Ментен:

(2-5)

где скорость роста () выражается уравнением:

(2-6)

а скорость прироста биомассы равна:

(2-7)

где X - концентрация микроорганизмов. В популяции микроорганизмов имеется целый спектр исходных медленнорастущих видов, замещение ими исходных форм приводит к перестройке популяции. Один вид (А) вытесняет другой (В) при условии а> в. Давление отбора () характеризуется как разница в удельных скоростях роста рассматриваемых видов:

= а - в, (2-15)

При отсутствии лимитирования процесса концентрацией субстрата, скорости роста и скорости окисления близки к максимальным и отбор происходит в пользу микроорганизмов, растущих с максимальной скоростью (max).

При высоких концентрациях субстрата имеются спектры видов, растущих со скоростью а и в, причем а > в.

Согласно уравнению 2-1 можно записать:

a = аmaxS/(Kаm+S), (2-16)

в = вmaxS/(Kвm+S), (2-17)

Pages:     || 2 | 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»