Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Разработка имитационного комплекса для управления процессом биологической очистки сточных вод в аэротенке

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата технических наук, Понкратова, Светлана Алексеевна, Казань



Министерство общего и профессионального образования Российской федерации

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ПОНКРАТОВА СВЕТЛАНА АЛЕКСЕЕВНА

УДК 628.356:51.001.57

РАЗРАБОТКА ИМИТАЦИОННОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ

ВОД В АЭРОГЕНКЕ

11.00.11 — Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители — д.т.н., проф. Емельянов В.М. к.т.н., доц. [Нагаев В.В.

Казань 1997

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................................4

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР..............................................................................................6

1.1. Биологическая очистка сточных вод..........................................................6

1.2. Анализ традиционных схем очистных сооружений

и их расчет....................................................................................................12

1.2.1. Аэротенки........................................................................................15

1.2.2. Отстойники......................................................................................23

1.2.3. Усреднители.....................................................................................26

1.3. Очистные сооружения как объект автоматизированного

управления...................................................................................................28

1.3.1. Характеристика процессов обработки воды как

объектов управления.....................................................................31

1.3.2. Особенности процесса биологической очистки с

точки зрения управления.............................................................34

1.4. Постановка задачи исследования.............................................................37

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД В АЭРОТЕНКЕ.................39

2.1. Исследование структуры потока в аэротенке......................................39

2.1.1. Проведение опытно — промышленных экспериментов...........39

2.1.2. Статистическая обработка результатов промышленного эксперимента.....................................................................................42

2.2. Спектрально — статистический анализ колебаний концентрации промышленных сточных вод......................................................................47

2.3. Выводы.............................................................................................................57

3. РАЗРАБОТКА ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ВОДООЧИСТКИ ДДЯ ЦЕЛЕЙ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ.................................59

3.1. Разработка структуры адаптивной модели............................................61

3.2. Математическое моделирование аэротенка..........................................68

3.2.1. Стехиометрия процессов аэробной биологической очистки сточных вод........................................................................68

3.2.2. Кинетика процессов потребления субстрата

микроорганизмами..................................................................................74

3.2.3. Математическое описание гидродинамических

характеристик и процессов массообмена...................................79

3.3. Разработка алгоритма расчета аэротенка и его технологического окружения....................................................................88

3.3.1. Алгоритм расчета аэротенка..........................................................88

3.3.2. Алгоритм расчета отстойника........................................................97

3.3.3. Алгоритм расчета усреднителя......................................................99

3.4. Разработка и реализация алгоритмов регулирования технологических процессов и поддержки управленческих решений.........................................................................................................101

3.5. Выводы..........................................................................................................110

4. МОДЕЛИРУЮЩИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИМИТАЦИИ

ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ...................................................................................112

4.1. Характеристика подсистемы: Моделирующая программа процесса водоочистки................................................................................118

4.2. Характеристика подсистемы: Моделирующая программа системы управления...................................................................................122

4.3. Применение программного комплекса на действующих очистных сооружениях..............................................................................126

4.4. Выводы.........................................................................................................129

5. ОЦЕНКА ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ИМИТАЦИОННОГО ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА НА ДЕЙСТВУЮЩИХ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЯХ......................................131

5.1. Расчет экономической эффективности по соотношению эффекта и затрат на управление процессом биоочистки................132

5.2. Расчет снижения размеров платежей за выбросы загрязняющих веществ в водные бассейны..........................................134

5.3. Выводы...........................................................................................................135

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................................136

ЛИТЕРАТУРА...........................................................................................................139

ПРИЛОЖЕНИЯ...............................................................................;.................................151

ВВЕДЕНИЕ

Расширение и реконструкция промышленного производства, прежде всего, химического и нефтехимического, тесно связана с проблемой глубокой очистки сточных вод и снижения их отрицательного воздействия на окружающую среду.

Традиционные биологические очистные сооружения (БОС) типа «аэротенк — вторичный отстойник», большинство из которых пущено в эксплуатацию в 60 — 70е годы, работают с перегрузкой, часто не выдерживают современных требований к качеству-очищенной воды, а также к стабильности и устойчивости их работы. Однако реализуемый в них биологический метод очистки сточных вод с помощью активного ила зарекомендовал себя как наиболее дешевый и поэтому эффективный для обработки больших объемов химически загрязненных стоков.

В связи с этим одним из важнейших направлений для обеспечения экологической безопасности является освоение передовых технологий и новых конструкций очистных сооружений. Отказаться от значительного забора воды из водоемов позволяет широкое применение оборотного и повторного использования воды промышленными предприятиями. В настоящее время 70% потребности предприятий в воде на производственные нужды уже удовлетворяется за счет оборотной и повторно используемой воды. На предприятиях нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности этот показатель достиг 91% /1/.

Применительно к оценке и управлению качеством поверхностных вод как отдельных городов, так и регионов в целом, основное значение имеет развитие мониторинга источников загрязнения с учетом специфики промышленного производства и других видов хозяйственной деятельности. Важным звеном такой системы является автоматизированная система мониторинга очистных сооружений.

Эффективность работы подобных систем неразрывно связана с разработкой экологических информационно — моделирующих систем /2/, объединяющих в себе ряд подсистем: информационные базы данных, подсистемы имитационных моделей, подсистемы расчетных модулей и математических моделей, предназначенных для анализа функционирования локальных очистных сооружений.

Настоящая работа посвящена автоматизации процессов водоочистки путем создания имитатора, моделирующего работу очистных сооружений и систем как основы анализа и прогноза их экологического состояния и поддержки управленческих решений.

Работа выполнена в рамках программы Республики Татарстан «Развитие мониторинга и оздоровления окружающей среды» (1993г.), программы Российской федерации «МНТП Биотехнология: подпрограмма Экобиотехнология» (1995, 1996гг.), программы «Химия и химическая технология Республики Татарстан (1996г.).

Автор выражает искреннюю признательность за научное руководство доценту j~ Нагаеву В.ВТ| , доценту Сироткину A.C., профессору Емельянову В.М., благодарит за оказанное содействие коллектив кафедры химической кибернетики.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 1.1. Биологическая очистка сточных вод

Современное производство, прежде всего химическое и нефтехимическое, характеризуется большим водопотреблением. Образующиеся сточные воды в большинстве случаев не соответствуют требованиям к оборотной воде и должны подвергаться очистке перед сбросом в водоприемник.

Наиболее универсален для очистки сточных вод по органическим загрязнениям биологический метод. • Он занимает доминирующее положение в современной технологии очистки. Возможность удаления из сточных вод различных химических соединений, простота аппаратурного оформления сделали биологическую очистку самой крупнотоннажной отраслью биотехнологии. В настоящее время на 58%

.у

нефтеперерабатывающих заводов биологическая очистка является одним из основных методов очистки сточных вод /3/. Этот метод используют фирмы США, Канады, Германии, Франции, Италии /4/. К его недостаткам следует отнести высокие капитальные затраты, необходимость строгого соблюдения технологического режима очистки, токсичное воздействие на микроорганизмы некоторых органических и неорганических соединений и необходимость разбавления сточных вод в случае высокой концентрации примесей.

Метод биологической очистки основан на способности микроорганизмов использовать разнообразные вещества, содержащиеся в сточных водах, в качестве источника питания в процессе их жизнедеятельности. Задачей биологической очистки является превращение органических загрязнений в безвредные продукты окисления — воду, диоксид углерода, нитрат— и сульфат ионы и др. Основная роль в процессе очистки принадлежит бактериям, число которых в пересчете на 1г сухого вещества активного ила колеблется от 108 до 1014 клеток /5/. Для правильного использования микроорганизмов при биологической очистке необходимо знать кинетику микроорганизмов, процессов питания, дыхания, роста и гибели /6/.

Интенсивность и эффективность биологической очистки сточных вод зависят от скорости размножения микроорганизмов. Эту зависимость можно представить в виде двух кривых; почти зеркально отображающих друг друга. На суммарной кривой (рис. 1.1), отражающей полный цикл развития жизнедеятельности микро — организмов, обычно выделяют до девяти фаз: I— начальная стациона — рная; II - положи- ^ ^ j ц щ ¡у у V1 ^ уш ]Х тельного ускорения роста клеток; III —

800

- 3

экспоненциального роста; IV —

замедления роста; V

400

0

1

о

I I II I

1 I J I

X Cc 1 ¡ ¡

■X—>:-x

- максимальная Продолжительность, ч

Рис. 1.1. Кривая роста популяции бактерий IgN стационарная; VI - (где N-число бактерий) и изменения

положительного концентраций субстрата Сс

ускорения отмирания бактерий; VII — экспоненциальной гибели клеток; VIII — замедления отмирания; IX — стабилизации популяции.

Фазы роста отражают количественную сторону развития микроорганизмов. Качественная сторона состояния определяется стадиями развития: эмбриональной, молодости, зрелости и старости /6 — 8 /. Таким образом, зная физиологическое развитие клетки во времени и учитывая внешние факторы, влияющие на это развитие, можно проектировать биологические очистные сооружения.

В процессе очистки обычно встречается многокомпонентный субстрат, т.к. сточные воды, загрязнены многими органическими и неорганическими веществами. В зависимости от состава питательной среды одни микроорганизмы смешанной культуры развиваются, а другие гибнут. Изменяя проток и концентрацию стоков, можно регулировать процесс физиологической актив — ности микроорганизмов и тем самым изменять степень очистки сточных вод.

Для создания специфической микрофлоры необходимо подавать на очистные сооружения концентрированные сточные воды стабильного состава в течение длительного времени. Это способствует индуцированию адаптивных ферментов, в результате чего формируется активный ил с повышенными окислительными способностями, что в свою очередь приводит к росту окислительной мощности сооружений биологической очистки. Специфическая микрофлора активного ила способна нивелировать залповые выбросы сточных вод, характеризуемых высокими концентрациями загрязняющих веществ, с незначительными отклонениями санитарно —химических показателей очищенных сточных вод. Состояние указанной выше окислительной системы можно охарактеризовать как состояние достаточно устойчивого динамического равновесия /9,10/.

Таким образом, качественный и количественный состав микрофлоры активного ила, очищающего сточные воды химического и нефтехимического производства, а также биохимические свойства бактерий, определяющие величину удельной скорости окисления активного ила, зависят от условий его обитания, являются управляемыми параметрами и формируются в зависимости от управляющих параметров: химического состава очищаемых сточных вод, постоянства концентраций основных специфических загрязняющих веществ и оптимальных параметров технологического режима /11/:

- pH стоков должно быть не менее 6,5 и не более 8,5;

- температура — не ниже +6 и не выше +30° С;

- БПК20 — не выше 500 мг/л;

- содержание биогенных элементов — азота не ниже 15 мг на 1 л (в виде аммонийных солей) и 3 мг фосфатов на 1 л.

Активный ил представляет собой экосистему, включающую сложный комплекс микроорганизмов различных классов, большая часть которых (50 — 80%) принадлежит к роду Pseudomonas /12,13/. Активный ил — это аморфный коллоид, имеющий в интервале pH — 4...9 отрицательный заряд, причем 1 г сухого ила занимает поверхность,

около 100 м2 . Обычно размер хлопьев активного ила составляет 0,1...0,5 мм, но бывают случаи, когда размер хлопьев достигает 3 мм и более /14/. К физическим свойствам активного ила, характеризующим его качество, относится способность ила к оседанию. Она выражается таким показателем, как иловый индекс. Ил обладает нормальными седиментационными характеристиками, если иловый индекс меньше 100 см3/г, и плохими, если больше 200 см3/г /9/. Особенно неблагоприятен фактор «голодания» активного ила, довольно часто встречающийся в период пуска и наладки очистных сооружений. От илового индекса зависит доза активного ила. Рекомендуется поддерживать следующие соотношения /15/:

Иловый индекс, мг/л 50 80 120 150 200 250 300

Доза ила, г/л 6 4,3 3 2,5 2 1,5 1.

Несмотря на существенные различия в составе сточных вод, элементный химический состав , активных илов достаточно стабилен. Например химический состав активного ила системы очистки коксохимического завода отвечает формуле С97Н19905зН2832, завода азотных удобрений — СдоН1б7052М248д и городских сточных вод — С54Н212082Н887 /15/.

Неоднозначно влияние температуры на процесс очистки. Как низкие, так и высокие значения температур вызывают структурные изменения в биоценозе активного ила. Изменение температуры от 20 до 6° С замедляет скорость биологического окисления примерно в 2 раза, а повышение ее от 20 до 37° С приводит к увели —чению скорости биологического окисления примерно в 2...2,3 раза. Температурный фактор влияет не только на жизнедеятельность микроорганизмов, но и на количество растворенного в воде кислорода. Чем выше температура воды, тем меньше кислорода растворено в ней. В зимний период растворенного в воде кислорода больше, однако активность микроорганизмов ниже и, следовательно, количество потребляемого ими кислорода меньше. Поэтому для поддержания высокой активности микроорганизмов в летний

период необходимо усилить аэрацию. По данным /16/ повышение температуры с 20° С до 37 — 40° С ведет к увеличению количества подаваемого воздуха в 1,7 —2,2 раза. Для увеличения эффективности очистки сточных вод в зимний период следует увеличить

количество микроорганизмов в4 очистных сооружениях, повышая

V

количество возвратного активного ила и продолжительность его пребывания в очистном сооружении /9,17/.

На биологический процесс очистки оказывает влияние показатель щелочности или кислотности среды (рН). Наиболее эффективная очистка происходит при оптимальном значении рН = 6,5...7,5. При рН ниже 5 и выше 9 биологическая активность резко уменьшается и, следовательно, ухудшается процесс очистки.

Одним из важнейших факторов, оказывающих влияние на эффективность очистки, является обеспеченность микроорганизмов активного ила кислородом. Питание биомассы кислородом зависит от его концентрации и перемешивания суспензии в аэротенках. Турбулизация потоков воды в аэротенках приводит к разрушению хлопьев активного ила и распаду его на более мелкие скопления микроорганизмов, что способствует улучшению снабжения бактерий кислородом и другими питательными веществами. Концент — рация кислорода в воде поддерживается в пределах 1...2 мг/л, причем, чем меньше размер хлопьев и лучше перемешивание активного ила с водой, тем концентрация кислорода в воде меньше. При концентрации кислорода ниже 0,5 мг/л наблюдаются неблагоприятные процессы в развитии микроорганизмов /6/.

Скорость роста микроорганизмов—деструкторов обусловлена наличием биогенных элементов, играющих важную роль в обменных процессах. К резкому нарушению процесса очистки, снижению активности микроорганизмов ила приводит недостаток азота и фосфора. Из азотосодержащих соединений наиболее широкое распространение получил сульфат аммония, в то же время при очистке сточных вод с

высоким содержанием серы и фосфора предпочтение отдается хлориду аммония. Нормальная работа активного ила обеспеч