/
Текст
ОЧИСТКА
ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ
сточных вод
В АЭРОТЕНКАХ
'Z&M /
3 *
к «л
£
Москва
Стройиздат
1973
УДК 628.543.563
Авторы: Я. А. Карелин, Д. Д. Жуков, В. Н. Журов,
Б. Н. Репин.
Очистка производственных сточных вод в аэротенках. М.,
Стройиздат, 1973. 223 с. На обороте тит. л. авт.: Я- А. Каре-
лин, Д. Д. Жуков, В. Н. Журов, Б. Н. Репин.
В книге изложены методы очистки сточных вод в аэро-
тенках и режимы работы сооружений. Даны теоретические
обоснования методов расчета аэротенков и условия их прак-
тической реализации. Приведены технико-экономические ука-
зания по выбору инженерных решений при конструировании
аэротенков.
Книга предназначена для инженерно-технических работ-
ников проектных и научно-шсследовательских организа-
ций.
Табл. 31, рис. 83, список лит. 73 назв.
3210—513
047 (01) — 73
201 — 7 3
© Стройиздат, 1973
ПРЕДИСЛОВИЕ
Внимание к вопросам охраны природы и рационального ис-
пользования водных ресурсов — неотъемлемая черта системы
ведения хозяйства в нашей стране.
С первых дней существования Советской власти и до настоя-
щего времени партия и правительство проявляют постоянную
заботу об охране природы и лучшем использовании природных
ресурсов в целях создания наиболее благоприятных условий для
жизни и здоровья, а также работы и отдыха трудящихся.
ЦК КПСС и Совет Министров СССР в январе 1973 г. при-
няли развернутое постановление «Об усилении охраны природы
и улучшении использования природных ресурсов». В нем, в част-
ности, говорится, что Советы Министров союзных республик
совместно с Министерством мелиорации и водного хозяйства
СССР, Министерством здравоохранения СССР и другими заин-
тересованными министерствами и ведомствами обязаны разра-
ботать мероприятия, обеспечивающие полное прекращение сбро-
са в водоемы неочищенных или недостаточно очищенных и обез-
вреженных сточных вод и, в первую очередь, в бассейны рек,
где наблюдается большая загрязненность вод или ожидается
напряженность водного баланса.
Актуальность проблемы очистки производственных сточных вод
растет с каждым годом. Задача, которой занималась лишь опре-
деленная группа специалистов, ныне остро волнует самые широкие
слои населения, обсуждается на страницах центральных газет,
является предметом внимания художественных произведений.
Материалы по биохимической очистке сточных вод, немногочис-
ленные и разрозненные, опубликованы преимущественно лишь в ви-
де отдельных статей в различных журналах и сборниках. Имеющие-
ся учебные пособия по специальности «Канализация» охватывают
слишком широкий круг различных задач, чтобы дать достаточно
глубокое изложение указанной темы.
Данная монография не претендует на систематически полное
изложение основ биохимической очистки сточных вод. Очевидно, не
все положения книги бесспорны, так как некоторые из изложенных
в ней методов очистки только начинают завоевывать признание в оте-
чественной практике. Вместе с тем книга знакомит широкий круг
специалистов с наиболее, на наш взгляд, значительными успехами,
достигнутыми в указанной области за последние годы.
Авторы выражают благодарность канд. техн, наук П о п ло-
ви ч у Г. С. (ВЗИСИ) и канд. биолог, наук Воробьевой
Г. И. (ВНИИСинтезбелок), взявших па себя труд по рецензиро-
ванию рукописи и сделавших по ней ряд ценных замечаний.
ВВЕДЕНИЕ
Бурное развитие промышленности в нашей стране вызывает рост
количества производственных сточных вод, значительная часть
которых поступает в водоемы и загрязняет их. Сброс бытовых и осо-
бенно производственных сточных вод, содержащих различные ток-
сичные вещества, в открытые водоемы значительно изменяет их био-
ценозы и направление биологических процессов. Хроническое воз-
действие чужеродных веществ на состав, количество и распределе-
ние зоопланктона и бентоса, изменение физических, физико-хими-
ческих и химических свойств воды нарушают привычные условия
жизни рыб, не говоря уже о тех массовых потерях, которые несет
рыбное хозяйство в результате аварийных (залповых) сбросов ток-
сичных сточных вод. Проблема водной токсикологии не представ-
ляется неразрешимой, однако принципиальное решение вопроса о
пригодности того или иного метода для очистки стоков, а также раз-
работка эффективных технологических схем водопользования для
осуществления очистки требуют систематического эксперименталь-
ного их изучения.
Наибольшее сохранение спуска в водоемы сточных вод может
быть достигнуто путем повторного использования как условно чис-
тых, так и сточных вод, очищенных в соответствии с технологи-
ческими требованиями.
Прежде чем приступить к очистке сточных вод, необходимо из-
влечь ценнкг'продукты для дальнейшего их использования в народ-
ном хозд^стве. С этой целью применяют различные физические и фи-
зико-химические методы, например, обработку острым паром, экс-
тракцию, ионный обмен и др. В тех случаях, когда состав сточных
вод делает нецелесообразным или невозможным извлечение и утили-
зацию содержащихся в них веществ, должны быть использованы де-
структивные методы очистки стоков. К ним относится широко рас-
пространенный в СССР и за рубежом метод биохимической очистки
производственных сточных вод, в результате которой органические
загрязнения окисляются до углекислоты и воды. Этот метод исполь-
зует природную способность самоочищения вод, осуществляемую
микроорганизмами, которые населяют воду и почву.
Возможность очистки сточных вод в аэротенках впервые была
установлена в 1887 г. английским химиком Дибдином, который пи-
сал: «...правильноенаправление в очистке сточной жидкости состоит
в том, чтобы сначала выделить осадок, а затем к осветленной жид-
кости прибавить разводку специфических организмов, специально
культивируемых для этой цели; потом выдержать жидкость в течение
достаточного времени, энергично ее аэрируя, и, наконец, спустить
в реку». Таким образом, основные принципы биохимической очист-
ки были известны уже в конце XIX в.
Начало практического внедрения аэрационных сооружений от-
носится к 1914—1916 гг., когда Адерн и Локетт опубликовали рабо-
4
ту, в которой впервые давалось систематическое изложение биохи-
мического метода очистки сточных вод. Коридорный аэротенк с пнев-
матической аэрацией, или аэротенк конструкции Херда, окончатель-
но сложился как сооружение в начале 20-х годов XX в. и почти не
подвергся изменениям в наши дни, являясь основным сооружением
станций аэрации многих городов и промышленных предприятий.
Существенным недостатком технологической схемы коридорного
аэротенка является то, что при залповом поступлении сточных вод,
содержащих высокие концентрации производственных загрязнений,
а также токсичные примеси, может происходить резкое нарушение
жизнедеятельности активного ила и даже его гибель. В обоих слу-
чаях нормальная работа коридорного аэротенка нарушается на
длительное время. Идея создания аэротенка, свободного от указан-
ного недостатка, привела в 30-х годах проф. Н. А. Базякину к со-
зданию аэротенков-смесителей или аэротенков с децентрализованной
подачей сточной жидкости и активного ила.
Прогресс, достигнутый в области биохимической очистки город-
ских сточных вод, побудил исследователей искать пути более широ-
кого использования данного метода для очистки производственных
сточных вод. В 1934 г. три исследовательские группы (Калабина
и Роговская в Москве; Сирп и Франсмайер в Эссене; Нольте, Мейер
и Фромке в Магдебурге) опубликовали работы о способности фенола
к биохимическому окислению, при этом отмечалось значение фосфор-
содержащих соединений для успешного культивирования биофлоры.
Магдебургская группа доказала, что очистка активным илом сточ-
ных вод, содержащих фенол, возможна при добавлении фосфора без
разбавления их бытовыми сточными водами. Очистка в этом случае
происходит под действием спонтанной флоры. Так был разработан
метод биогенной, в частности, фосфорной подпитки, значительно
расширивший диапазон применения биохимической очистки.
В конце 40-х годов А. Калински (США) предложил совместить
в одном сооружении аэротенк и вторичный отстойник, что позволило
заметно интенсифицировать процесс биохимической очистки сточ-
ных вод. Аэротенк-отстойник с пневмомеханическим аэратором по-
лучил в литературе название «аэроакселератор» и нашел широкое
практическое применение для очистки малых и средних количеств
сточных вод.
Несколько позднее, в 1954 г., коллектив исследователей АК.Х
им. К. Д. Памфилова под руководством И. С. Постникова на базе
обычного коридорного аэротенка разработал конструкцию аэро-
тенка-отстойника с пневматической системой аэрации для очистки
больших количеств сточной жидкости.
Однако широкого распространения в отечественной практике
очистки сточных вод аэротенки-отстойники данной конструкции не
получили из-за ряда технологических недостатков. Эксплуатация
показала, что основным недостатком аэротенков данной конструк-
ции является наличие протяженной щели, расположенной в при-
донной части, по которой циркуляционный активный ил поступает
5
в зону аэрации, а очищенная сточная жидкость переливается в от-
стойную зону. Это не позволяет равномерно распределять возврат-
ный ил по всей длине циркуляционной щели и приводит к избыточ-
ной циркуляции на одних участках и к залеживанию ила на других,
что нарушает работу отстойной зоны и отрицательно сказывается
на технологическом режиме сооружения в целом. Попытки стабили-
зировать циркуляцию ила с помощью дополнительного возврата его
через эрлифты заметного улучшения работы сооружения не принесли.
Более удачной оказалась конструкция аэротенка-отстойника
с пневматической системой аэрации («оксиконтакт»), примененная
на очистной станции Ашер г. Парижа. Аэротенк-отстойник с верх-
ним переливом иловой смеси в зону отстаивания и с нижней цирку-
ляционной щелью в настоящее время успешно очищает 40 тыс. м3
городской сточной жидкости в сутки при продолжительности аэра-
ции 0,8—1,5 ч.
Другое решение по совершенствованию технологического режима
аэротенков-отстойников предложено в работах кафедры канализа-
ции МИСИ им. В. В. Куйбышева (1968 г.). Так, например, было до-
казано, что работу аэротенка-отстойника с механическим аэрато-
ром можно сделать надежной и высокоэффективной, если организо-
вать циркуляцию активного ила с помощью специального илопро-
вода, нижний конец которого находится у дна конуса отстойной
зоны, а верхний конец введен в зону разрежения аэратора. Опыт
промышленного внедрения данного сооружения подтвердил эффек-
тивность его работы на различных видах производственных сточ-
ных вод.
Таковы основные этапы развития технологии очистки сточных
вод в аэротенках, в чем большая заслуга принадлежит советским
ученым: К. Н. Королькову, Н. А. Базякиной, 3. Н. Шишкину,
С. Н. Строганову, М. М. Калабиной, И. Г. Поварнину, С. В. Яков-
леву, А. И. Жукову, И. С. Постникову и др., а также творческим
коллективам, которые они возглавляли. Особенно продуктивные
исследования были проведены на очистных сооружениях московской
канализации. В результате работ профессоров С. Н. Строганова
и К. Н. Королькова были заложены теоретические основы биохи-
мического метода, а их небольшая по объему, но .исключительно
богатая научными идеями книга «Биологическая очистка сточных
вод» (1934 г.) не утратила своей ценности и в наши дни.
Решениями партии и правительства поставлены грандиозные
задачи по дальнейшему развитию промышленности и сельского
хозяйства в нашей стране, а также по дальнейшему благоустройству
городов и поселков. Неустанно, повышать качество научных иссле-
дований, больше уделять внимания практическому внедрению пер-
спективных очистных сооружений — в этом гарантия успешного
разрешения одной из важных народнохозяйственных проблем: очист-
ки сточных вод.
Глава I.
МЕТОД ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ
ВОД АКТИВНЫМ ИЛОМ
1. Активный ил и его физическая структура
Процесс биохимического разрушения органических загрязнений
в аэротенках происходит под воздействием биоценоза, т. е. ком-
плекса всех организмов, развивающихся в данном сооружении. Ос-
новную роль при этом играют бактерии, обладающие способностью
образовывать колонии — активный ил.
По внешнему виду активный ил напоминает мелкие хлопья гид-
рата окиси железа или алюминия с цветом от белесо-коричневого
до темно-коричневого и даже черного. Хлопья состоят из большого
числа многослойно расположенных бактериальных клеток, заклю-
ченных в слизь. Подобные бактериальные скопления получили на-
звание зооглей.
Механизм образования хлопьев активного ила до настоящего
времени еще окончательно не ясен. Предполагается, что хлопьевид-
ные агрегаты бактериальных клеток образуются в основном в ре-
зультате взаимодействия полимеров, выделяемых бактериальными
клетками или адсорбированных ими. Вещество, которое заполняет
межклеточное пространство, выделенное из хорошо флокулирую-
щего активного ила, подобно синтетическим полиэлектролитам (по-
лиакриламиду, полиглутаминовой кислоте и т. п.).
Например, исследованиями механизма хлопьеобразования
Zoogloea ramigera, выделенных из активного ила, установлено, что
флокуляция вызывалась образованием специфических химических
связей (пептидных или эфирных), соединяющих вместе клетки или
клеточные компоненты. Образование этих связей авторы исследо-
ваний связывают с наличием поли-3-гидроксимасляной кислоты,
количество которой составляло от 12 до 55,5% в пересчете на сухой
вес клеток. Прибавление к среде, в которой культивировались клет-
ки 2,5-динитрофенола (5-Ю-4 моля), предотвращало как образова-
ние поли-р-гидроксимасляной кислоты, так, и флокуляцию. Найдено
также, что при величине pH среды менее 5,5 или более 8,5 поли-Р-
гидроксимасляная кислота не синтезируется. Известно, что в этих
же пределах значений pH наблюдается хорошая флокуляция актив-
ного ила,.
Различные микроорганизмы выделяют разные вещества, запол-
няющие межклеточное пространство, но, несмотря на некоторое
различие по химическому составу, все они представляют собой фиб-
риллярный полимер, разрушающийся под действием целлюлазы.
Некоторые исследователи отводят наличию фибрилл решающую роль
в образовании хлопка. Межклеточное вещество (слизь) в значитель-
ных количествах содержит нуклеиновые кислоты и полисахариды.
Установлено, что вязкость слизи стабильна в пределах значений
pH 9; при величине pH < 5 вязкость снижается. Установ-
7
лена корреляция вязкости слизи с содержанием в ней сахаров. Сни-
жения БПК сточных вод вследствие сорбции слизью не наблюдает-
ся. Однако процесс хлопьеобразования взаимодействием только
между молекулами полимерного межклеточного вещества объяс-
нить нельзя. В опытах Тецзика Ясуико с бактериями Flavobacte-
rium, которые были выделены из активного ила, не имеющими кап-
сул и желатиноподобного межклеточного вещества, образование
хлопьев наблюдалось при добавлении в культуру ряда хлористых
и сернистых солей. В то же время в деионизированной воде флоку-
ляция не наблюдалась. Ионы всех исследованных солей индуциро-
вали хлопьеобразование в пределах pH = 4,5 4- 8,3. Можно пред-
полагать, что в этом случае образование хлопьев явилось следствием
физико-химического процесса, когда отрицательно заряженные по-
верхности смежных клеток соединялись ионными мостиками через
катионы.
Способность культуры образовывать хлопья зависит, кроме то-
го, от~вида бактерии, возраста клеток, состава среды и температуры.
Возможно создание таких условий обитания микроорганизмов,
при которых образования хлопка вообще не произойдет. Подобное
явление происходит, в частности, при очистке сточных вод, имеющих
загрязнения в больших концентрациях, с высокими нагрузками.
Напр-имер, в исследованиях М. А. Беляевой и Л. И. Гюнтер была
подмечена следующая зависимость состояния хлопка ила от нагруз-
ки (БПК5 в мг на 1 г ила):
9850 — неоседающая тонкодисперсная взвесь прозрачных аморфных
комочков (размер 0,17—0,25 мм)-,
5300 — неоседающая взвесь крупных слизистых образований
с включениями зооглей, нитчатых бактерий и простейших
(размер до 20 мм)-,
3500 — неоседающая студнеобразная масса, пронизанная нитями
бактерий (размер 30—40 мм);
2720 — неоседающий легкий ветвистый (размер 0,5—0,8 мм);
1240 — хорошо оседающий плотный зооглейный (размер до 8 мм);
162 — уплотняющийся зооглейный однородный (размер 0,3—0,4 мм).
Следует иметь в виду, что клетки, не обладающие способностью
образовывать хлопья, но смешанные с хлопьеобразующими организ-
мами, могут дать хорошее хлопьеобразование и благодаря этому
могут быть выделены из воды отстаиванием.
Таким образом, хлопьеобразование представляет собой сложный
процесс, зависящий от многих факторов и включающий явление по-
лимеризации межклеточного вещества, нейтрализацию поверхност-
ных клеточных зарядов и образование ионных мостиков между
клетками, а также, возможно, другие реакции.
С физико-химической точки зрения активный ил представляет
собой амфотерный коллоид, имеющий в интервале значений pH =
= 4 -г 9 отрицательный заряд.
Исследования показывают, что активный ил обладает значитель-
ной поверхностью, величина которой достигает 100 м2 на 1 г сухого
8
вещества. Благодаря такой поверхности активный ил имеет большую
адсорбционную способность. Ему присуща также способность свя-
зывать значительные количества воды. Например, при содержании
в 100 мл суспензии 1,257 г ила в пересчете на сухое вещество (т. е.
в смеси имеется 98,743% воды) содержание связанной воды составляет
82,485 мл, а свободной — только 16,258 мл. Способность активного
ила связывать воду зависит от его концентрации в смеси: с повыше-
нием концентрации она увеличивается, с понижением — уменьшает-
ся. Склонность активного ила к образованию хлопка увеличивается
с повышением реличины pH. Этим, по-видимому, и объясняется луч-
шая осаждаемость активного ила при щелочной реакции, чем при
кислой. Структуры, образующиеся в суспензии активного ила, до-
вольно прочны.
Измерения электрофоретической подвижности хлопьев актив-
ного ила показдли, что средняя подвижность прямо пропорциональ-
на иловому индексу, который, в свою очередь, является логарифми-
ческой функцией отношения аммонийного азота к растворимым фос-
фатам. Последнее указывает на то, что на иловый индекс оказывают
влияние метаболические процессы, протекающие в клетках, которые
изменяют характер поверхности хлопьев активного ила.
Размер хлопка колеблется от едва различимых глазом хлопоч-
ков до 2—3 мм, а иногда и более. На величину хлопка большое влия-
ние оказывает присутствие в нем нитчатых микроорганизмов: чем
больше нитчатых, тем больше размер хлопка.
Физические свойства активного ила зависят от условий, при кото-
рых протекает процесс очистки. Так, подмечено, что удельное со-
противление сырого активного ила снижается с увеличением периода
аэрирования и температуры, при которой ведется процесс. Золь-
ность активного ила обычно нарастает с увеличением значений pH,
Активный ил обладает землистым запахом, который, возможно,
обусловлен присутствием актиномицетов, обладающих этим запахом.
2. Бактериальный и химический состав
активного ила
С биологической точки зрения активный ил представляет собой
скопление бактерий в виде зооглей, кроме того, в нем присутствуют
актинрмицеты, водны.е грибы и дрожжи. Наиболее многочисленной
группой являются бактерии. В определенных условиях возможно
интенсивное развитие грибов. Кроме микробов в воде аэротенков
присутствуют простейшие и другие более высокоорганизованные
представители фауны (коловратки, черви, личинки насекомых, вод-
ные клещи).
Знание групп бактерий, ведущих биохимическую очистку про-
изводственных сточных вод, дает возможность учитывать требова-
ния, предъявляемые микробами к условиям обитания в аэротенке,
и позволяет создавать в последнем наиболее благоприятный режим
очистки.
9
Микробиальный состав активного ила зависит от вида загрязне-
ний, присутствующих в сточных водах. Перечень микробов, обра-
зующих активный ил, очищающий тот или иной вид производствен-
ных сточных вод, представлен в табл. 1.1. Анализ данных этой таб-
лицы показывает, что самой распространенной и наиболее многочис-
ленной группой являются бактерии рода"Pseudomonas (в сред-
нем околоо4%), затем Mycobacterium (около 11%), Bacterium (около
9%) и Bacillus (около 8%). Таким образом, бактерии данной группы
Таблица 1.1
Сточные воды
Количество микробов рода в %
Винилацетатного произ- водства Винилацетатного и ацет- альдегидного (в соот- ношении 2:1) произ- водства Гидробензолсодержащие 55 50 75 14,4 7,1 7,5 15 3,5 15 25 7,5 5 — 7,5 5 — —
Городские: Москвы (Люблино) 45 35 5 10 — — 5 — — —. — —
Киева 43 10,7 17,8 —- 21,4 —• 7,1 — — — — — —
Харькова 33,2 18,4 21,9 2,6 13,4 7,7 2,9 — — —. — —
Каптакссодержащне . . 80,5 — 13,9 — 5,6 — — — — — — — — 1
Кротоновый альдегидсо- держащие 64 9 —. 9 — 18 — — — — — —
Нефтеперерабатывающего завода 13 40 9 — 2 — 27 — — — 5 4
То же 76,9 7,7 7,7 — 7,7 — — — —- —- —— — —.
Поливинилацетатиой про- дукции производства . 55 8 — 2 35 — — — — — —
Полихлорвинильного производства 44,7 21,2 14,9 — 19,2 — — — — — — — —
Регенерации резины . . 90 — — 5 — — — — — 5 — — —
Синтеза жирных кислот 60 — 12 18 — ь —• — —' Ь — — ——
Сульфитно- и сульфатно- целлюлозного произ- водства 58 3 15 3 3 8 10 ,
Термической переработ- ки бурого угля . . . 50 .— — 34 — 16 — — — — — — —
То же, сланцев .... 60 -— 6 18 — 8 — — 8 — — — ——
Толуолсодержащие 68,3 7,1 17,5 — 7,1 — — — — — — — -—
Ускорителя вулканиза- ции резины: л-нитроди фенилмоно- ортосульфокислоты 28,6 35,7 7,1 28,6 ..
Формальдегидсодержа- щие 53 6,6 13 6,6 — 6 6,6 — — —. — — —
Этриола производства . 43 14 22 14 — 7 —.
to
являются доминирующими в активных илах (на их долю приходится
около 82% всего количества микробов) и принимают основное уча-
стие в разложении различных органических веществ производствен-
ных сточных вод. Последнее подтверждается данными табл. 1.2, из
которой видно, что эти же бактерии обладают способностью потреб-
лять широкий спектр веществ, о чем свидетельствует высокий про-
цент снижения ВПК сточных вод чистыми культурами микробов
этих родов.
Таблица 1.2
Сточные воды Внесенная культура бактерий Снижение БПК субстрата в %*
Бытовые Pseudomonas fluorscens Aeromonas liquefaciens Bacillus mycoides Pseudomonas putida Pseudomonas aeruginosa 93—961 93—96 93—96? поли. 80—82 80—82
Сульфитно- и сульфатно - целлюлозного производства Pseudomonas radiobacter Pseudomonas arguata Pseudomonas capsulata Pseudomonas agile 64 64 61—71 61
* Величина снижения БГ1К под действием культуры активного ила принята за 100%
Имеются попытки вести процесс очистки производственных сточ-
ных вод с помощью культуры специально выращенных микроор-
ганизмов, приспособленных к потреблению каких-либо отдельных
веществ в высоких концентрациях, как это, например, практикует-
ся на коксохимических заводах для разрушения фенолов, роданидов
и цианидов. Однако считать их какими-то особыми видами бакте-
рий нет оснований. О технологических преимуществах и недостатках
данного способа очистки будет сказано далее.
Количество бактерий в активных илах довольно велико и состав-
ляет от 1 • 109 до 4-1010 на 1 г (в пересчете на сухое вещество).
В условиях обильного углеродного питания происходит увеличе-
ние объема слизистых клеточных оболочек, за счет этого уменьшает-
ся количество клеток в 1 г активного ила; в условиях ограниченного
углеродного питания размеры капсул меньше и число клеток в 1 г
активного ила увеличивается.
Химический состав некоторых активных илов представлен в
табл. 1.3.
Данные табл. 1.3 показывают, что, несмотря на существенное раз-
личие очищаемых производственных сточных вод, элементарный хи-
мический состав активных йлов достаточно близок, хотя и не иден-
тичен. Это сходстцо^есть результат общности его основы — бакте-
5 п
Таблица 1.3
Очищаемые сточные воды Компоненты активного ила в % по весу сухого вещества
н N S с р о зола белок
Химического комби- ната производства капролактама . . . 6,31 7,5 0,91 40,88 1,24 25,56 16,6 47,1*
Коксохимического за- вода 6,11 9,64 1,23 43,56 1,39 24,08 13,99 59
Завода гидрирования 2,18 1,79 1,44 15,02 0,56 15,83 63,18 10,5
Городские: А 5,85 6,49 0,53 39,68 1,49 22,05 24,21 39,5
Б** 8,4 9,1 2,4 49,2 0,31 30,9 29,2 42,4
В** 7,69 8,62 0,52 50,4 — 32,77 — 57,3
Молочного завода . . 5,69 11,24 — 47,26 — 27 8,61 70,5
Крахмалсодержащие . 6,-5 3,8 — 35,9 — 39,2 14,6 23,7*
Производства синте- тических витами- нов** 7,1 11,3 50,8 29 70,5*
Капролактама, молоч- ной и коксохими- ческой промышлен- ности** 7,52 9,3 — 51,3 — 31,1 — 58*
• Расчетное содержание белка.
•* Состав элементов дан на беззольное вещество.
риальных клеток. Имеющиеся колебания количества отдельных ком-
понентов состава ила являются следствием в основном трех факто-
ров: 1) некоторого различия видового состава бактерий, ведущих
очистку; 2) отличия режимов процесса очистки; 3) влияния соста-
ва сточных вод.
Например, исследования, проведенные с чистыми культурами
микроорганизмов, которые выделены из активного ила, показали,
что содержание 0,05—0,1 г/л каптакса, 1,25—2,5 г/л анилина,
0,025—0,05 г/л формальдегида подавляет синтез витамина В12 эти-
ми микроорганизмами; содержание 0,15—0,45 г!л ацетальдегида
и 0,1—0,3 г/л метилового спирта не оказывают заметного действия
на образование витамина В12, а содержание 0,1—0,2 г/л толуола
и 2,5—5 г/л нефти в ряде случаев несколько увеличивало активность
образования витамина В12 и прирост биомассы исследуемых штам-
мов.
Аналогичные явления наблюдались при изменении режимов
очистки сточных вод от переработки цитрусовых. Введение азота
в форме NaNO3 в концентрациях 10—100 мг/л снижало содержание
тиамина в активном иле и повышало содержание других витаминов
группы В. Известно, что чем богаче питательная среда азотистыми ве-
ществами, тем больше белка входит в состав протоплазмы клеток.
И в данном случае максимальное содержание протеинов (43,88%)
12
образовывалось при максимальной концентрации вводимого азота
(100 мг!л). Введение фосфатов (10—50 мг/л) снижало содержание тиа-
мина, рибофлавина, протеинов и повышало содержание витамина
В12 и ниацина.
Таким образом, химический состав ила колеблется не только
в стоках различного вида, но и в водах одного и того же производст-
ва, что отражается на его ХПК. Так, по данным М. А. Ломовой,
ХПК 1 мг ила колеблется при очистке сульфитных стоков от 1,19
до 1,64 , а сульфатных — от 1,07 до 1,58.
Изменения в химическом составе клеток коррелируются прежде
всего со скоростью роста культуры. Природа фактора, лимитирую-
щего рост культуры, оказывает меньшее влияние на химический
состав биомассы. Последнее проявляется в основном при низких
скоростях роста культуры и сказывается на характере запасных
веществ в клетках. Так, при недостатке азота накапливаются пре-
имущественно полисахариды, если же ограничивающим рост факто-
ром является источник углерода, происходит отложение в клетках
поли-Р-гидроксимасляной кислоты.
Кроме представленных в табл. 1.3 химических элементов в со-
став бактериальных клеток активного ила входят еще и другие эле-
менты, количество которых, однако, невелико, в связи с чем они
получили название микроэлементов — бор, ванадий, железо, ко-
бальт, марганец, молибден, медь и др. Микроэлементы являются со-
ставными частями ферментов, витаминов и других жизненно важ-
ных соединений клетки. Так, в минеральной части активного ила
из очистных сооружений сланцеперерабатывающего комбината
найдено: 11,9—13,5% железа, 4,1% магния, 0,26% марганца,
0,13% меди, 0,13% молибдена и 0,13% цинка и пр. Основная часть
микроэлементов, поглощенных микробами, прочно связана с ве-
ществом клетки.
Сухое вещество активного ила представляет собой комплекс
минеральных (10—30%) и органических (70—90%) веществ. Основ-
ную массу органических веществ составляют белки, содержание ко-
торых может достигать 70%. Количество белковых веществ не по-
стоянно. Оно зависит от возраста и вида культур микроорганизмов,
образующих активный ил, а также от состава питательной среды.
Кроме белков органическая часть активного ила содержит липиды
(жиры и близкие к ним жироподобные вещества), углеводы и другие
вещества. Процентное соотношение отдельных компонентов органи-
ческой части ила так же, как и его химический состав, не одинаково
для различных сточных вод (табл. 1.4).
Наличие в активном иле белка, витамина В12, микроэлементов,
а также практически всех известных аминокислот (аргинин, ала-
нин, аспаргиновая кислота, валин, гистидин, глутаминовая кисло-
та, глицин, лизин, лейцин, метионин, пиролин, серин и пр.) позво-
ляет использовать ил как белково-витаминный концентрат для кор-
ма скота и птицы. Исследования в этом направлении ведутся как
в СССР, так и за рубежом.
13
Таблица 1.4
Сточные воды Состав органической части активного ила в %
белки ЛИПИДЫ углеводы лигнины и гумины
От производства: синтетического спирта гидролизного » синтетических жирных кислот и синтетического спирта . . . От городов: А Б 51,5 48 38,5 42,4 61,5 12,5 4 5,3 27,6 8,5 9,5 22 1,14* 7,6 8 26 17,4
* Клетчатка.
3. Роль и взаимоотношение
микроорганизмов, обитающих
в аэротенках, при очистке
производственных сточных вод
Ранее уже отмечалось, что в воде аэротенков обитают микробы,
простейшие и другие, более высокоорганизованные организмы. Ка-
кова же роль каждого из них в процессах очистки производствен-
ных сточных вод в аэротенках? Понимание природы и степени взаимо-
действия между микроорганизмами необходимо для обеспечения
правильного функционирования такого сложного биоценоза, как
активный ил.
Известно несколько типов взаимоотношений между микроорга-
низмами: подавление, конкуренция за пищу, хищничество, парази-
тизм и сожительство. Все они в отдельности и в комбинации наблю-
даются в активном иле. Для того чтобы целенаправленно управлять
работой такой экологической системы, как активный ил, необходимо
выявить микроорганизмы, выполняющие основную роль в разложе-
нии органических загрязнений производственных сточных вод и их
взаимоотношения с другими микроорганизмами, присутствующими
в системе. Такая информация позволяет изучить и создать опти-
мальные условия обитания «ведущих» организмов. Какие же это
микроорганизмы?
Чтобы ответить на этот вопрос, Е. Нольте поставил следующий
опыт. Водные растворы маслянокислого кальция с повышающимися
дозами цианистого калия подавались в качестве субстата в лабора-
торный аэротенк. При этом было установлено, что при концентрации
цианистого калия 80 мг/л и более прекращалась всякая жизнедея-
тельность простейших, однако окисление маслянокислого кальция
продолжалось столь же интенсивно, как и прежде: он разлагался на
100%. В аналогичных опытах с мета-крезолом (250 мг/л) был полу-
14
чен тот же самый результат. Таким образом, эти опыты показывают,
что простейшие в окислении загрязнений производственных сточ-
ных вод не принимают участия и очистка идет в результате жизне-
деятельности микробов.
В пользу преобладающей, роли микробов в очистке сточных вод
говорит и то, что в начальный период аэрирования сточных вод раз-
виваются бактерии и только затем появляются простейшие. Напри-
мер, по исследованиям Н. С. Золотаревой, общая численность про-
стейших в условиях неполной биохимической очистки (как извест-
но, снимающей основную часть загрязнений), по среднегодовым
данным, не превышала 2.7 тыс, шт. в 1 мл активного ила, а при пол-
ной очистке составляла 285 тыс. шт. в 1 мл.
Отсюда можно заключить, что простейшим принадлежит роль
«пасущихся» организмов, т. е. живущих за счет потребления в ос-
новном бактерий или мельчайших взвешенных частиц органическо-
го происхождения. Однако роль этих организмов в очистке сточных
вод не пассивна и тем более не вредна, хотя они и пожирают основ-
ных агентов, ведущих очистку, — бактерий. В частности, наличие
простейших оказывает решающее влияние на снижение количества
патогенных бактерий и бактерий кишечной палочки. По среднегодо-
вым данным, полученным Н. С. Золотаревой, наличие в активном
иле обильной фауны простейших обеспечивает высокий процент за-
держания Е. coli (97,95%), вследствие чего в очищенной воде крайне
редко обнаруживаются возбудители острых кишечных заболе-
ваний.
К аналогичным выводам пришли К. Курде и Л. Фей, установив-
шие, что в присутствии простейших скорость отмирания Е. coli
увеличивается в 9 раз. При этом при наличии простейших в актив-
ном иле в процессе очистки сточной воды удалялось 95,5% популя-
ции E.coli, а при отсутствии простейших погибало только 54,4% по-
пуляции.
Однако положительное действие простейших этим не ограничи-
вается. По данным тех же авторов, наличие простейших в активном
иле приводит к значительному (примерно в 10 раз) снижению обще-
го количества бактерий в выходящей из аэротенка воде и улучшает
качество стока по ХПК, ВПК и содержанию взвешенных веществ.
Улучшение качества очищенной сточной воды, особенно снижение
мутности в присутствии простейших, отмечается рядом авторов. По
мнению В. Сладечека, для хорошей работы аэротенка активный ил
должен содержать 200—500 мм3!л простейших.
Наличие простейших может оказывать и непосредственное сти-
мулирующее действие на бактерии, ведущие очистку сточных вод.
Изучая взаимоотношения бактерий и простейших в лабораторных
условиях, исследователи отметили, что в присутствии простейших
не наблюдалось лаг-фазы в развитии бактерий и заметно стимули-
ровался рост последних. Аналогичное действие оказывал отфильтро-
ванный настой из простейших. Однако его кипячение снимало
стимулирующий эффект.
15
Таблица 1.5
Вид организма Ожидаемая степень очистки по ВПК ООО —< сч со Ills ° - N Л
Вероятность появления организма
Coleps hirtus .... Trachelophyllum pu- 10 0 0 0
sillum 3 3 3 1
Amphileptus claparedei 10 0 0 0
Litonotus anguilla 10 0 0 0
Litonotus carinatus . 10 0 0 0
Litonotus fasciola . . 0 10 0 0
Hemiophrys fusidens Hemiophrys pl eurosig- 3 4 3 0
ma 10 0 0 0
Spathidium spathula . 5 5 0 0
Trochilia minuta . . Chilodonella cuccullu- 0 Ю 0 0
lus Chilodonella uncina- 4 4 1 1
ta Drepanomonas revo- 3 6 1 0
luta 1 4 5 0
Uronema nigricans . Tetrahymena pyrifor- 2 4 4 0
mis 1 3 3 3
Sathrophilus oviformis 10 0 0 0
Glaucoma scintillans 2 2 3 3
Colpidium campylum 2 2 2 4
Colpidium colpoda 0 0 4 6
Paramecium aurelia . 10 0 0 0
Paramecium caudatum 2 5 3 0
Paramecium trichium C inetochilum marga- 4 3 2 1
ritaceum 7 3 0 0
Vorticella aequilata 2 2 3 3
Vorticella alba . . . 3 3 3 1
Vorticella campanula 8 2 0 0
Vorticella communis 10 0 0 0
Vorticella convallaria 3 4 2 1
Vorticella elongata . 10 0 0 0
Vorticella fromenteli 5 4 1 0
Varticella hamata 7 2 1 0
Vorticella microstoma Vorticella nebulifera 2 4 2 2
var. similis . . . Vorticella striata var. 5 5 0 0
octava 3 3 2 2
Продолжение табл. 15
Вид организма Ожидаемая степень очистки по ВПК
0—10 1 11—20 21—30 О со Л
Вероятность появления организма
Zoothamnium mucedo Zoothamnium pygmae- 10 0 0 0
um 10 0 0 0
Carchesium polypinum Epistylis plicatilis 3 5 2 0
0 4 4 2
Epistylis rotans . . 10 0 0 0
Opercularia coarctata Opercularia phryga- 2 2 4 2
neae Telotrochidium hen- 0 0 0 10
neguyi 0 0 0 10
Stentor roeseli . . . 10 0 0 0
Spirostomum teres . 0 10 0 0
Aspidisca costata . . 3 3 2 2
Aspidisca lynceus . . 5 5 0 0
Aspidisca turrita . . 10 0 0 0
Opisthotricha similis Tachysoma pellionel- 5 5 0 0
la Hypotrichidium coni- 0 10 0 0
cum 0 0 10 0
Histriculus similis . 10 0 0 0
Euplotes affinis . . 6 4 0 0
Euplotes carinatus . 2 4 4 0
Euplotes eurystomus 2 4 4 0
Euplotes moebiusi 3 3 3 1
Euplotes patella . . 4 3 3 0
Acineta cuspidata . . 10 0 0 0
Acineta grandis . . . 10 0 0 0
Acineta foetida . . . 0 0 10 0
Podophrya fixa . . . 0 2 7 1
Podophrya maupasi 0 10 0 0
Podophrya carchesii . 2 2 3 3
Tokophrya mollis . . Tokophrya quadripa- 0 5 5 0
rtita 4 3 3 0
Discophrya elongata 0 10 0 0
Sphaerophrya magna 0 2 7 1
Flagellated protozoa Ciliated protozoa 0 0 4 6
absent 0 0 0 10
16
Появление той или иной группы простейших обусловливается
качеством жидкости, находящейся в аэротенке. При высоких на-
грузках и низкой степени очистки сточных вод в них присутствует
большое количество растворенных органических веществ,, в связи
с чем в аэротенках интенсивно развиваются формы, поступление
питания у которых идет через всю поверхность тела, — бактерии
и некоторые бесцветные жгутиковые. Обильное развитие этих форм
создает условия для размножения простейших, питающихся путем
заглатывания мелких частиц. При высокой степени очистки коли-
чество свободно плавающих бактерий невелико и простейшие, не
имеющие специальных приспособлений для сгущения пищи, уже
не могут обеспечить себя питанием. Происходит смена биоценоза,
появляются простейшие с хорошо развитым околоротовым полем.
Поэтому простейшие могут являться чувствительными биоинди-
каторами хода очистки сточных вод активным илом. Наблюдения
за сменой биоценозов дают сведения о правильности или нарушениях
хода процесса очистки. Для этой цели К. Р. Курде и А. Коккбурн
составили табл. 1.5 степени относительного развития отдельных ви-
дов простейших в зависимости от качества очищенных сточных вод.
Показатели степени очистки того столбца, в котором сумма относи-
тельных единиц, набранная простейшими, выявленными в конкрет-
ной пробе, окажется наибольшей, принимаются за результат. По
свидетельству авторов при проверке этой методики получено 83%
совпадений предсказываемых результатов с фактическими. Следует,
однако, иметь в виду, что организмы могут служить индикаторами
лишь при значительном их количестве.
Черви, клещи, личинки насекомых, питающиеся илом, не играют
. значительной роли при очистке сточных вод в аэротенках.
Глава II.
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗЪЯТИЯ
ОРГАНИЧЕСКИХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ ИЗ СТОЧНЫХ ВОД
И ПРИРОСТА БИОМАССЫ АКТИВНОГО ИЛА
х\ 1. Механизм изъятия и потребления
вещества микроорганизмами
Механизм изъятия органических веществ из сточных вод и их
потребление микроорганизмами весьма сложен и в настоящее время
еще недостаточно ясен. В целом весь этот процесс может быть разде-
лен условно на три стадии: первая — массопередача органического
вещества из жидкости к поверхности клетки; вторая — диффузия
вещества через полупроницаемые мембраны, в необходимых случаях
гидролиз органических загрязнений с образованием продуктов, спо-
собных диффундировать через мембраны клеток; третья — метабо-
лизм диффундированных продуктов с выделением энергии и синтезом
нового клеточного вещества.
Скорость протекания первой стадии определяется законами диф-
фузии и гидродинамическими условиями в аэротенке.
Процесс переноса вещества в зависимости от его природы от по-
верхности клетки внутрь ее считается возможным:
1) путем последовательного растворения вещества в веществе
стенки и цитоплазматической мембраны, благодаря чему оно диф-
фундирует внутрь клетки;
2) путем присоединения проникающего вещества к специфичес-
кому белку-переносчику, находящемуся в мембране, превращения
комплекса вещесДво-переносчик в растворимое состояние и диффу-
зии его через мембрану в клетку, где комплекс распадается и белок-
переносчик высвобождается для совершения нового цикла.
Как первому, так и второму способу может предшествовать гид-
ролиз вещества под воздействием внеиЛЙцтеточных ферментов
(экзоферментов). wBL
Но прежде чем начнется процесс переноса вещества или его гид-
ролиза, вещество должно попасть на поверхность'клетки, т. е. дол-
жен пройти процесс сорбции.
Такое течение процесса подтверждается, в частности, Е. Г. Да-
выдовой и А. М. Лапотышкиной, показавшими, что первичное вклю-
чение некоторого количества С14 из субстрата в клетки происходит
практически мгновенно (за 1—2 мин) независимо от того, адапти-
рована или не адаптирована культура микроорганизмов. При этом
на сорбционный характер процесса указывает, с одной стороны,
то, что для адаптированной и неадаптированной культуры измерен-
ная удельная радиоактивность оказалась примерно одинакова;
с другой — то, что в этот начальный период не происходит выделе-
ния С14О2. Стадия потребления органического вещества, как пока-
зывают те же опыты, начинается после некоторого периода равно-
весия вещества между раствором и клетками; продолжительность
этого периода различна для адаптированной (5—10 мин) и неадап-
тированной (несколько часов) культур. Период равновесия, по-
видимому, связан с гидролизом и диффузионным передвижением
вещества через клеточную оболочку до цитоплазматической мем-
браны, где, как показывают последние исследования, сосредото-
чены различные ферменты, в том числе и дыхательной цепи.
Начало стадии постоянного накопления клетками меченого угле-
рода практически совпадает с началом выделения С14О2 (рис. II.1).
Последнее указывает на то, что активное поглощение субстрата
обусловлено протеканием метаболических реакций, в том числе
и окислительных реакций дыхательного цикла. Эти реакции нару-
шают сорбционное равновесие и создают соответствующий сорбцион-
ный градиент, обеспечивающий непрерывность поступления углево-
дорода в клетку.
Метаболический характер второй стадии потребления подтверж-
дается также отсутствием, после первой стадии поглощения вещест-
ва, дальнейшего накопления С14 культурой при ингибировании
дыхания бактерий путем введения в субстрат цианистого калия.
18
Итак, изъятие органического вещества из жидкости микроор-
ганизмами осуществляется путем сорбции поверхностью клетки
с последующим превращением в процессе метаболизма под дейст-
вием внутриклеточных ферментов. При этом за исключением началь-
ного момента эти два процесса идут одновременно.
Рис. II.1а. Кинетика включения С14 в клетки и выделения С14 О2
1 - накопление С14 в клетках (без ингибитора); 2 — то же (с ингиби-
тором); 3 — выделение С'*О2 без ингибитора (выделение С|4О2 при добавле-
нии ингибитора отсутствует)
Рис. 11.16. Кинетика включения С14 в клетки адаптированной 1 и не-
адаптированной 2 культурой (стрелками на оси абсцисс показаны мо-
менты появления меченого углерода в углекислом газе соответственно
в адаптированной и неадаптированной культуре)
Какова же степень участия каждой из этих стадий в процессе
биохимической очистки сточных вод? Ответ на этот вопрос представ-
ляет существенный интерес, поскольку предопределяет ведение тех-
нологического процесса и в известной мере конструкцию аэротенков.
Рис. II.2. Потребление кислорода и вы-
деление СО2 активным илом при окис-
лении уксусной кислоты
1 — снижение концентрации уксусной кисло-
ты; 2 — потребление кислорода; 3 — выделе-
ние СО2; 4 — потребление кислорода за выче-
том кислорода, идущего на эндогенное дыха-
ние микроорганизмов; 5 — выделение СО2 за
вычетом углекислого газа, выделяющегося
при эндогенном дыхании микроорганизмов;
6 — эндогенное потребление кислорода; 7 —
выделение СОз при эндогенном дыхании мик-
роорганизмов
Бремя 6 мим
Для выяснения удельного значения каждого из этих явлений
в процессе очистки сточных вод с активным илом К- Бурман и
Ф. Бойзт вели наблюдения за наличием органического вещества
(глюкозы, жирных кислот) в субстрате и ходом его окисления; о
последнем судили по выделению СО2 (рис. II.2). Из этого рисунка
видно, что исчезновение органического вещества из раствора насту-
пает практически одновременно с окончанием его окисления микро-
19
организмами. Отсутствие разрыва во времени, начиная с момента
исчезновения вещества из раствора и до окончания процесса его
окисления, говорит о том, что количество адсорбируемого активным
илом вещества представляет собой относительно небольшую вели-
чину, а потому сорбция, хотя и является необходимым этапом в по-
треблении органических веществ микроорганизмами, существенного
значения в очистке сточных вод не имеет.
Основную же роль в очистке сточных вод играют процессы
превращения вещества, происходящие внутри клеток микроорга-
низмов. В процессе этих превращений происходит окисление вещест-
ва с выделением энергии и синтез новых белковых веществ, который
протекает с затратой энергии. Процесс синтеза белка идет через
образование промежуточных продуктов типа углеводов, поли-fi-
гидроксимасляной кислоты и др.
2. Основные фазы развития микроорганизмов.
Понятие о прерывно и непрерывно
развивающейся культуре микроорганизмов
Основой использования микроорганизмов в очистке сточных вод
является их способность к быстрому размножению и в связи с этим
большая скорость потребления загрязнений. Интенсивность раз-
множения микроорганизмов определяется многими факторами, но
решающим среди них является наличие питательных веществ.
Поэтому динамика роста культуры и ее физиологическое состояние
будут существенно отличаться в зависимости от того, имеется ли
постоянный приток питания или он истощается.
При отсутствии постоянного восполнения потребленного суб-
страта микроорганизмы размножаются вначале в условиях избытка
питательных веществ, однако постепенно уменьшающихся; одновре-
менно в среде происходит накопление продуктов метаболизма. По-
этому микроорганизмы, выросшие в первый период культивирова-
ния, физиологически отличаются от выросших в более поздней ста-
дии. Это ведет к образованию гетерогенной культуры микроорга-
низмов, меняющейся и развивающейся во времени. Динамика роста
культуры во времени выражается кривой роста (рис. П.З).
При внесении микробной культуры в питательную среду клетки
вступают в лаг-фазу I, которая может быть названа также фазой
приспособления. Продолжительность этой фазы зависит, в част-
ности, от адаптированное™ микроорганизмов к органическим ве-
ществам, содержащимся в среде.
В значительной части лаг-фазы скорость роста непрерывно уве-
личивается до своей максимальной величины, которая достигается
к началу следующей фазы развития — экспоненциальной II. Дан-
ная фаза названа так потому, что в этот период скорость роста про-
порциональна количеству биомассы в степени (экспоненте), являю-
щейся функцией времени. Фаза экспоненциального роста является
периодом самого быстрого развития микроорганизмов; все питатель-
20
ные вещества присутствуют в избытке, и развитие не тормозится про-
дуктами обмена веществ. В замкнутой системе питательные вещества
со временем исчерпываются и недостаток их становится лимитирую-
щим фактором роста клеток или же происходит накопление продук-
тов обмена, тормозящих рост клеток. Рост микроорганизмов за-
медляется и постепенно отходит от условий экспоненциального
состояния. Наконец, рост прекращается и культура переходит в ста-
ционарную фазу III. В этой фазе существует равновесие между
ростом живых и распадом отмерших клеток. Количество биомассы не-
которое время находится на одном уровне. Стационарная фаза куль-
туры переходит в дальнейшую стадию, когда наступает сначала
медленный, а затем все более быстрый распад клеток IV; кривая
роста идет вниз, так как отмирание микроорганизмов в культуре
начинает превышать их рост.
Рис. П.З. Схема роста микробной культуры
/ — лаг-фаза; II — экспоненциальная фаза; III —
стационарная фаза; IV — фаза интенсивного отмира-
ния клеток
Однако кривая роста, основанная на измерении биомассы вырос-
ших микроорганизмов, еще не полностью отражает все изменения,
происходящие в культуре. Вслед за изменением состава среды про-
исходит физиологическое изменение клеток. Они проходят опреде-
ленный цикл развития от «молодости» до «старости». При этом физио-
логическое состояние культуры представляет собой значительно
более важный показатель. чем фактическая скорость роста био-
массы.
Жизненный цикл развития культуры заканчивается формиро-
ванием особых репродуктивных клеток, которые, попадая в благо-
приятную среду, дают новое поколение микроорганизмов. Такие
культуры, проходящие определенный цикл развития, получили
название прерывных или непроточных культур.
Регулируя условия среды, можно управлять развитием микроб-
ной культуры. При постоянных условиях среды развитие культуры
остановится на одной точке. Постоянство условий может быть обес-
печено при культивировании микроорганизмов в непрерывно обнов-
ляющей среде, что достигается стационарной подачей в культураль-
ную среду субстрата при интенсивном его перемешивании. Одно-
временно такое же количество культуральной среды постоянно
выводится из установки вместе с частью микроорганизмов. Такой
способ культивирования получил название непрерывного или проточ-
ного способа. Правильно применяя этот вид культивирования микро-
организмов, можно поддерживать их постоянно в стадии молодости,
когда микробы, интенсивно размножаясь, будут быстро потреблять
21
питательные вещества из жидкости, что ведет в конечном итоге к по-
вышению производительности установки.
В заключение хотелось бы обратить внимание на то, что не вся-
кий непрерывный с технологической точки зрения процесс является
также непрерывным и с биологической точки зрения. Характерным
тому примером является способ очистки сточных вод в обычных ко-
ридорных аэротенках, получивших в последнее время название вы-
теснителей. Хотя в данном случае технологический процесс очистки
сточных вод идет непрерывно, развитие микроорганизмов не явля-
ется непрерывным, так как они по мере движения жидкости от впус-
ка до выпуска и истощения питания проходят весь цикл развития.
В противоположность аэротенкам-вытеснителям аэротенки-сме-
сители при определенных режимах эксплуатации (о которых будет
сказано в дальнейшем) могут обеспечить условия непрерывного
выращивания культуры.
3. Прирост биомассы и потребление кислорода
в процессе очистки сточных вод
В процессе потребления микроорганизмами питательных ве-
ществ, содержащихся в сточных водах, в микробной клетке проте-
кают два взаимосвязанных и одновременно происходящих процес-
са — синтез протоплазмы и окисление органических веществ. В про-
цессе окисления клетки потребляют кислород, растворенный в ок-
ружающей сточной жидкости.
Скорость потребления кислорода активным илом зависит от мно-
гих взаимосвязанных факторов: величины биомассы, скорости роста
и физиологической активности клеток; вида и концентрации пита-
тельных веществ; накопления токсических продуктов обмена; коли-
чества и природы биогенных веществ; содержания кислорода м во-
де. Строго разграничить процессы питания и дыхания у микроорга-
низмов невозможно. Обычно относят реакции, идущие с выделением
энергии (экзотермические), к процессам дыхания, а реакции, про-
текающие с поглощением энергии (эндотермические), к процессам
питания. В общем виде эти два процесса упрощенно можно выразить
следующими уравнениями:
окисление органического вещества
СДО, 4- (х + 0,25г/ — 0,5z)O2 ->
->хСОа + 0,5уН2О + АГ;
синтез бактериальных клеток
п (CxHyOz) 4~ nNH3 п (х + 0,25р — 0,5z — 5)О2 ->
-э- n(C8H7NO2) + п(х — 5)СО2 4- 0,5/г (у — 4)Н2О — AW;
окисление клеточного материала
п (C8H7NO2) 4~ 5пО2 -> 5нСО2 4- 2нН2О 4~
4- «NH, 4- АГ.
22
Здесь AW7 — количество выделяющейся или поглощаемой энер-
гии.
Указанные уравнения могут быть преобразованы для конкрет-
ных органических соединений, при этом коэффициенты х, у, z могут
быть положительными числами или равняться нулю. В случае
другого химического состава бактериальной протоплазмы соотно-
шение между коэффициентами будет иным.
Как правило, только часть образующейся энергии используется
в реакциях синтеза, остальная часть энергии превращается в теп-
ло и рассеивается во внешней среде. Энергия, полученная при окис-
лении углеродсодержащего вещества (или другого источника энер-
гии), используется не только для синтеза нового клеточного материа-
ла в процессе роста. Часть энергии расходуется для поддержания
жизнеспособности организма независимо от роста.
В качестве источника энергии микробы могут использовать как
органические, так и неорганические вещества. Однако практически
биохимический метод для сточных вод, содержащих неорганические
вещества, нашел применение только для очистки их от сульфидов,
аммонийных и некоторых кислородсодержащих солей. В части оки-
сления органических веществ считается, что все они за исключе-
нием тех искусственно синтезированных, которым нет аналогов
в природе, способны окисляться микробами. Эта способность микро-
бов окислять разнообразные вещества, относящиеся к различным
классам, показана в табл. II.1. Однако ценность различных угле-
родсодержащих веществ как источников питания микроорганизмов
различна.
Прежде всего следует иметь в виду, что скорость биохимическо-
го окисления растворенных веществ, как правило, выше скорости
окисления веществ, находящихся в коллоидной и грубодисперсной
фазах. Интенсивность и последовательность окисления микробами
того или иного конкретного продукта зависит от многих факторов,
но решающее влияние на эти процессы оказывает химическое стро-
ение вещества. Большое значение имеют длина и топография угле-
родной цепочки (прямая, разветвленная, циклическая) и степень
окисленности углеродных атомов. Наименее доступными источни-
ками углерода являются вещества, не содержащие атомов кислоро-
да — углеводороды.
Углеводороды заключают в себе огромный запас энергии. Но они
трудно поддаются биохимическим превращениям, так как углерод
и водород в них прочно связаны, и для осуществления реакций клет-
ка должна затратить большое количество энергии для преодоле-
ния высокого энергетического барьера.
Кроме того, ряд углеводородов обладает антисептическими
свойствами. Тем не менее углеводороды, хотя и являются труд-
ноподдающимися биохимическому окислению веществами, но осо-
бенно при отсутствии в сточных водах в достаточном количестве дру-
гих легко разлагаемых источников питания расщепляются микро-
организмами активного ила. Микроорганизмы, преобладающие в
23
Таблица 11.1
Вещество Потребность в кислороде при окислении отдельных органических веществ, встре- чающихся в производственных сточных водах (в лег О2 на 1 лег вещества)
БПКполн БПКб хпк
Углеводороды
Бензол 1,15 0,5 3,07
Толуол 1,02 0,19 3,13
Ксилол — 0,98 3,17
Стирол 1,6 1,12 3,07
а-Метилстирол 1,58 1,4 3,11
Изопрен (2-метилбутадиен-1,3) 0,55 0,425 3,29
Тетрамерпропилен 0,47 — 3,43
Пропилбензол 1,4 —
Винилтолуол 0,13 — 3,1
Спирты и их производные
Метанол (метиловый спирт) . 0 98 0 77 1 5
Этанол (этиловый спирт) . 1,82 1’25 2 08
Бутанол-1 (к-бутиловый спирт) . 1ДЗ 126 26
Пентанол-1 (к-амиловый спирт) . 1 62 2 73
Октанол-1 (к-октиловый спирт) . 1 2 2£5
Циклогексанол (анол, циклогек-
силовый спирт) 1,6
Аллиловый спирт 1,5 22
Диметилоксиметилендиоксан (окса-
новый спирт) 0,5 0,035 1,98
Глицерин 0,86 0,77 1,23
Диэтиленгликоль 0,175 1,27
3-Метилбутандиол-1,3 ... 1,35 2,14
Пентаэритрит 0,21 1,37
Пропиловый спирт 1,51 2,16
Этиленгликоль 0,95 0,49 1,26
Изопропанол 1,68 0,16 2,39
Изобутанол 1,78 1,6 - -
Пропиленглнколь 1,52 1,16 1,69
Кислоты органические и их соли
Муравьиная ' 0,276 0,19 0,35
Уксусная 0,86 0,77 1,07
Уксуснокислый кальций .... 0,475 0,28 0,636
Пропионовая — — 1,51
Масляная 1,4 0,89 1,82
Пальмитиновая 2,03 1,1 2,87
Стеариновая 1,79 1,66 2,94
Акриловая 0,83 — 1,33
Бензойная 1,61 0,96 2
Фталевая 1 0,85 1,14
Терефталевая 1,15 — 1,44
Валериановая 1,38 — 2
Адипат натрия 1,02 — 1,28
24
Продолжение табл. 11.1
Вещество Потребность в кислороде при окислении отдельных органических веществ, встре- чающихся в производственных сточных водах (в мг О2 на 1 мг вещества)
БПКполв БПКВ хпк
Орто-сульфо-бензойная .... 0,12 -ж» 1,11
Гликолевая 0,45 —— 0,63
Формиат натрия 0,18 — 0,22
Альгинат натрия 0,58 — 0,84
Щавелевая 0,16 0,16 0,18
Бензоат натрия 1,07 — —
Альдегиды
Формальдегид 0,72 0,68 1,07
Ацетальдегид . . 1,07 0,91 1,817
Масляный : : 1,23 1,16 2,44
Акролеин 0,52 0,43 1,981
Кротоновый : : 2,12 0,8 2,285
Валериановый : : 1,28 — 2,6
Пропионовый : : 1,19 — 2,2_
Фурфурол 1,4 — 1,67
Бензальдегид 1,78 1,62 2,42
Кетоны
Ацетон 1,9 1,7 2,17
«-Метилпиролидон 1,8 — 1,95
Метилэтилкетон 0,11 — 3,54
Эфиры Метилакрилат (метиловый эфир
акриловой кислоты) 1 — 1,4
Этиловый I , 0,5 0,147 2,59
4,4-Диметилдиоксан-1,3 .... 0,45 0,396 2,2
Этилацетат (уксусноэтиловый эфир) 1,5 0,86 1,875
Изобутилацетат 2,05 0,674 2,2
Винилацетат 1 0,8 1,673
Ацетоуксусный 1,156 0,88 1,721
Фенолы
Фенол 1,1 1,1 2,38
о-, м- и п-Крезолы 1,56 1,54 2,52
Пирокатехин 1,47 1,89
Резорцин 1,5 1,89
Третоктилфенол 1,1 —— 2,52
Гидрохинон 0,76 — 1,89
Хлорсодержащие соединения
Хлористый метилен Биохии лически 0,825
Хлороформ не окисляется То же 0,335
Четыреххлористый углерод . . . » 0,208
25
Продолжение табл. II.1
Вещество Потребность в кислороде при окислении отдельных органических веществ, встре- чающихся в производственных сточных
водах (в мг Оа на 1 мг вещества)
БПКполн БПКб хпк
Винилиден хлористый (1,1-дихлор- Биохими- 0,825
этилен) чески не
окисляется 0,592
Монохлоруксусная кислота . . . 0,3 —
Дихлоруксусная кислота .... 0,2 — 0,372
Этиленхлоргидрин 0,482 0,1 0,993
Трихлорэтилен 0,33 — 0,55
Оксициклобутан (3,3-дихлорметил) 0,081 — 1,27
Дихлоргидрин пентаэритрита . . . 0,037 — 1,13
Трихлоргидрин пентаэритрита . . 0,043 — 0,9
Натриевая соль 2,4-дихлорфенокси- уксусной кислоты 0,75 1,05
2,4,5-трихлорфеноксиуксусная кислота 0,17 0,97
Азотсодержащие соединения
Диметилформамид 0,1 1,535
Ацетамид —. 0,63 1,08
Метакриламид 0,9 0,17 1,695
Амид циануровой кислоты (мел- Биохимически
амин) не окисляется 1,416
Диметиламид Азодонитрил изомасляной кислоты 1,4 — 2,15
(порофор) 0,069 1,39
Кротонитрил 1,24 2,15
Акилонитрил 1,5 1,81
Цианистый алил 1,4 2,15
Демитилгидразии несимметричный 1,3 2,1
Диметиламин 2,2 2,35
Диметилнитрозоамип — 0,3 2,05
Тетраметилтетразен 0,4 1,9
Пиридин 2 02 0,06 3,13
Ацетонитрил 1,38 1,1 — 1,57
Сукционитрил — 1,35
о-Толидин 1,1 -— 2,54
Капролактам 2,1 0,22 2,12
Цианистый алил 1,47 — 2,15
Изокротонитрил 0.8 — 2,15
Тринатрийнитрилоацетат .... 0,5 0,33 2,2
Нитрилтриуксусной кислоты . . . 0,67 —• ——
Диэтиламин 1,31 — 2,95
Триэтил амин Лактонитрил (нитрил молочной кис- 0,05 — 3,08
лоты) — 0,8 1,35
Анилин 1,9 1,76 2,41
Диэтаноламин 0,54 — 1,75
Триэтаноламин 0,68 — 1,62
26
Продолжение табл. II.]
Вещество Потребность отдельных о чающихся в водах (в БШуполн й кислороде при окислении рганических веществ, встре- производственных сточных
мг О2 на 1 л БПЩ г вещества) хпк
Гликоколь (глицин) 1,26 0,54 1,5
Акрилонитрил 1,21 — 3,17
Фосфор содержащие соединения Трибутилфосфат од 2,16
Трифенилфосфат — — 2,06
Ди (2-этилгексил) фенилфосфат . 0,1 — 2,97
Трикрезилфосфат 1,3 — 2,2
Прочие соединении и вещества Хлорофос 0,02
Канифолевое мыло 1,2 0,6 2,1
Керосин-бензол 0,162 — —
Ветлужское масло — 0,44 —
Черемховская смола — 0,15 —
Бензин (крекинг) 0,11 — 3,54
Трет-додецилмеркаптаи .... 2,25 — 3,19
Нефть: туймазинская 0,43 —. 3,58—4,3
балаханская .... ... 0,3 — 3,0—3,6
ишимбаевская 0,31 — 3,1—3,72
Мазут (крекинг-остаток) .... 0,33 — 3,3—3,66
активных илах, в особенности рода Pseudomonas, не проявляют спе-
цифической способности расщеплять только один какой-либо углево-
дород, а способны адаптироваться практически к любому виду угле-
водородов простого и сложного строений. Некоторые углеводороды
более, другие менее легко потребляются микроорганизмами. Так,
потребление углеводородов с меньшим молекулярным весом про-
исходит быстрее, чем с большим (из-за уменьшения растворимости
последних); углеводороды с разветвленной цепью окисляются хуже,
чем с неразветвленной. Циклопарафиновые и ароматические углево-
дороды (циклогексан, бензол и пр.) менее доступны для потребления
микробами, чем парафины с прямой и разветвленной цепями. Неко-
торые углеводороды вообще способны окисляться только в смеси
с другим субстратом, способствующим росту, однако количество по-
следнего должно быть не настолько велико, чтобы микробы переста-
ли окислять углеводород.
Разнообразие путей расщепления углеводородов микроорганиз-
мами велико, но во всех случаях конечным продуктом разложения
являются органические кислоты различного строения. Процесс окис-
27
ления идет через образование различных промежуточных продук-
тов (метилкетоны, эфиры, эпоксиды, спирты, альдегиды).
Исследования, проведенные во ВНИИ ВОД ГЕО, подтверждают,
что и при очистке в аэротенках сточных вод, содержащих парафино-
вые, нафтеновые и ароматические углеводороды, процесс их окисле-
ния идет с образованием альдегидов, кетонов и органических кислот.
Природа промежуточных продуктов окисления зависит от строе-
ния углеводорода. Так, образование метилкетонов происходит
лишь при окислении углеводородов, содержащих не более 10—11
атомов углерода, а путь метаболического окисления углеводородов,
содержащих более 10 атомов углерода (менее растворимых в воде),
включает образование эфиров.
Для примера приведем схему окисления алифатических углево-
дородов:
R—СН2—СН3 R—СН2—СН2ОН -
глеводород) (спирт)
.. • R—СН2 — СНО R—СН2—СООН
(альдегид) (жирная кислота)
Итак, в результате окисления углеводородов образуются жир-
ные кислоты. Дальнейшее преобразование жирных кислот может
идти давно известным в биохимии (но не единственным) путем fJ-окис-
ления с образованием уксусной кислоты, если углеводородная цепь
состоит из четного числа атомов углерода, и уксусной и пропионовой
кислот, если число атомов углерода нечетное.
Продукты Р-окисления (уксусная и пропионовая кислоты) рас-
ходуются организмами на прирост биомассы и энергетические нуж-
ды, включаясь в дыхательные циклы (например, цикл Кребса,
рис. II. 4).
Накопление в среде значительного количества промежуточных
продуктов при окислении углеводородов обычно не наблюдается.
Это объясняется более интенсивным потреблением микроорганиз-
мами ближайших кислородных производных углеводородов — фено-
лов, спиртов, жирных кислот и т. д., чем собственно углеводородов.
Однако и среди этих в целом более легко потребляемых веществ име-
ются соединения, в различной мере устойчивые к биохимическому
окислению. Так, альдегиды и спирты нормального строения хорошо
подвергаются биохимическому окислению. Вторичные спирты уже
более устойчивы, чем первичные. Для их окисления требуется нали-
чие адаптированной микрофлоры. Третичные же спирты, гидроксиль-
ная группа которых экранирована углеродными атомами, облада-
ют высокой устойчивостью к биохимическому окислению. Развет-
вленность углеродной цепи спиртов и альдегидов повышает устой-
чивость к окислению.
Частым загрязнением производственных сточных вод являются
фенолы. Одноатомные и двухатомные фенолы и крезолы проявляют
сравнительно слабую устойчивость по отношению к акклиматизиро-
28
ванным микроорганизмам. Многие хлорфенолы ведут себя ана-
логично фенолам. Некоторые многоатомные фенолы (гидрохинон,
пирогаллол и др.) весьма стойки к биохимическому окислению и
разрушаются в основном химическим путем. Увеличение длины бо-
ковых цепей затрудняет метаболизм фенолов.
Наиболее легко используются микроорганизмами органические
кислоты. Микробы способны использовать любые жирные кислоты,
СО'со он
СИ соон
Фумаровая кислота
-CHj-CO'COOH
Пировиноград -
пая кислота
| ,со2
C3He0S
Триоза
СН3-СО0н
шелома
СО-СООН
СН2
СН2-С00Н
С (ОН)-СООН
СН2'С00Н '
Лимонная
кислота ~Н20
Ср -'СООН
СН СООН
СН2-С00Н
Шавелевоянтарная
кислота.
СН2-С00Н
Цис-аконитовая
СНОН-СООН кислота
СН-СООН
СН2-СООН ‘
Изолимонная
кислота
СН2-СООН ’
кетоглутаро-fTpX
бая кислота x^'^j
Рис. II.4. Схема цикла трикарбоновых кислот или цикл Кребса
СН2-С00Н
Щавелевоуксус-
пая кислота
СНОН-СООН
сн2 -соон
1 Яблочная
(лш/ кислота
сн-соон
СН2-С00Н'
С И2- соон
Янтарная
кислота
СН'СООН
с-со он
КоВееидразь/
но предпочтительны с длиной углеродной цепи от С2 до С18. Луч-
шим субстратом для большинства микроорганизмов является уксус-
ная кислота. Добавление муравьиной кислоты повышает скорость
использования других органических кислот, но сама муравьиная
кислота используется только как источник энергетического, а не
конструктивного обмена. Для окисления жирных кислот с длиной
углеродной цепи С16 и более требуется некоторый период адаптации.
29
Скорость разложения солей жирной кислоты активным илом, адап-
тированным к ацетату, зависит от растворимости компонентов и
уменьшается с увеличением длины углеродной цепи жирной кисло-
ты. Скорость потребления кислорода при биохимическом окислении
солей органических кислот не зависит от характера катиона. Двух-
основные кислоты, за исключением янтарной, гораздо более устойчи-
вы по сравнению с одноосновными. Способность усвоения микроорга-
низмами этих кислот ухудшается от янтарной к яблочной. Щавеле-
вая кислота так же, как и муравьиная, может служить только ис-
точником энергии.
Различное поглощение органических кислот микроорганизмами
зависит от проницаемости клеточных оболочек и степени диссоци-
ации кислот. Наличие свободной кислоты оказывает токсическое
действие. Поэтому величина pH среды и постоянные диссоциации
определяют токсичность органических кислот.
Окислительный распад жирных кислот является вторым после
распада углеводородов источником энергии в организме. Шире всего
микробы используют углеводы (сахара) и близкие к ним соедине-
ния. Особенно хорошо окисляются моносахариды; дисахариды име-
ют несколько меньшую скорость окисления, что объясняется нали-
чием дополнительных связей в молекуле. Углеводы используются
и как источник энергии, и как материал для биосинтеза, при этом
они могут накапливаться в клетках, не перерабатываясь в белки.
Внутриклеточные углеводы являются не просто «запасными вещест-
вами», играющими пассивную роль, как это считалось до недавнего
времени; им принадлежат важныефункции в регулировании внутрен-
него обмена веществ в клетке. Использование углеводов для по-
лучения энергии идет через стадию образования органических
кислот с последующим их окислением.
Способность окислять большинство веществ для микроорганиз-
мов является адаптивной и может проявляться даже у одного и того
же вида по-разному, не говоря уже о микроорганизмах, относящих-
ся к различным родам.
При отсутствии данных о возможности биохимического окисле-
ния того или иного вещества они могут быть установлены экспери-
ментально по методике, разработанной во ВНИИ ВОДГЕО.
Однако сама способность вещества биохимически окисляться и
даже его величина ВПК еще не дают представления о практической
целесообразности применения биохимического метода для извлече-
ния этого вещества из сточных вод. Следует иметь в виду, что ско-
рость окисления некоторых веществ очень мала и время, требующее-
ся для их очистки в аэротенках, будет слишком велико; другие ве-
щества могут не окисляться микроорганизмами до конца (т. е, до
СО2 и Н2О), а продукты метаболизма могут быть еще более токсич-
ными, чем первоначальное вещество.
Как правило, вещество, которое служит в процессе окисления
источником энергии, является одновременно основой для синтеза
веществ протоплазмы клетки. Пропорция между количествами ве-
30
щества, пошедшего на окисление и синтез, зависит от структуры
этого вещества и вида микробов, ведущих очистку.
Например, в результате биохимического разложения ацетатов
72—78% окисляется полностью до СО2 и Н2О, 13—15% превращает-
ся в материал для построения новых клеток, а 11—12% остается
неокисленными. Исследованиями Ц. И. Роговской и Л. М. Костиной
по распаду формальдегида установлено, что (при соответствующем
технологическом режиме) основное его количество окисляется до
СО2 и Н2О и лишь 11% расходуется на построение новых бактери-
альных клеток.
Степень использования органического вещества для синтеза
веществ протоплазмы в зависимости от класса окисляемого вещества
может быть охарактеризована следующими цифрами в %:
Углеводы.................................... 65—85
Спирты ..................................... 52—66
Аминокислоты................................ 32—68
Органические кислоты........................ 10—60
Углеводороды ................................. 10—30
Кроме характера окисляемого вещества прирост биомассы зави-
сит еще от многих факторов. Прежде всего он зависит от вида ми-
кроорганизмов, присутствующих в активном иле. При этом для сме-
си культур, каковой является активный ил, прирост биомассы, как
правило, всегда будет больше, чем для монокультуры. Затем на
смеси веществ прирост биомассы интенсивней, чем на одном продук-
те. Имеются вещества, на которых вообще отсутствует прирост био-
массы, и они могут служить только источниками энергетического
обмена.
Чем меньше прирост активного ила, чем больший процент ве-
ществ, содержащихся в сточной воде, окисляется до СО2 и Н2О,
тем полнее сточные воды освобождаются от органических веществ,
ибо «приросшая» биомасса также является загрязнением, но пред-
ставленным уже в новом виде, и нуждается в извлечении из сточных
вод, требуя значительных затрат на свою переработку, следователь-
но', тем целесообразней (при прочих равных условиях) очистка сточ-
ных вод данного типа биохимическим путем.
Производственные сточные воды являются примерами субста-
тов сложного состава, содержащих в себе химические продукты раз-
личного строения.
Значительный интерес представляет изучение потребления ин-
дивидуальных соединений из подобной смеси и установления зако-
номерностей их потребления.
Распад нескольких соединений будет зависеть от количества
и структуры всех растворенных в сточной воде органических ве-
ществ, поэтому рассмотрение превращений вещества того или иного
класса изолированно от окисления сопутствующих соединений, как
это сделано выше, является в значительной мере условным. Присут.
31
ствие в сточной воде нескольких загрязнений осложняет их потреб-
ление и затрудняет прогнозирование хода процесса очистки.
В этом случае в первую очередь и наиболее интенсивно будут
потребляться те компоненты, которые относительно легко могут быть
переработаны микроорганизмами в вещества клеточного тела или
окислены для получения энергии, т. е. для переработки которых
клетки имеют соответствующие ферментные системы. Подобному
явлению может быть дано следующее объяснение.
Известно, что изменение внутренней энергии молекул исходных
веществ в процессе химической реакции может быть изображено
кривой, показанной на рис. II.5. Для процессов окисления продук-
ты реакции будут иметь внутреннюю энергию, меньшую, чем исход-
ные вещества. Между начальным и конечным состоянием реагирую-
щих веществ имеется некоторый энергетический барьер, соответ-
ствующий количеству энергии, которое требуется сообщить моле-
кулам исходного вещества, чтобы они вступили в реакцию и образо-
вали конечный продукт. Величина этого барьера зависит от степени
сродства фермента данному веществу, поскольку роль фермента
в реакциях обмена сводится к понижению этого барьера, что облег-
чает осуществление химической реакции. При наличии двух и более
веществ в первую очередь клетками будет потребляться то вещество,
для которого энергетический барьер меньше. Следовательно, для
участия этого вещества в реакциях окисления (или синтеза) потре-
буются меньшие затраты энергии на активацию молекул реагирую-
щих веществ и на создание самого фермента, если микроорганизмы
не адаптированы к данному веществу.
В зависимости от состава загрязнений производственных сточ-
ных вод возможны следующие варианты их изъятия: 1) все вещества,
присутствующие в сточной воде, потребляются микроорганизмами
одновременно и примерно с одинаковой скоростью (рис. II.6);
2) все вещества потребляются одновременно, но с сильно различаю-
щейся скоростью (рис. II.7); 3) все вещества потребляются последо-
вательно (рис. II.8).
Продолжительность аэрации сточных вод первого типа будетлп-
ределяться скоростью реакции и общей концентрацией веществ. О)и
сточных водах второго типа продолжительность очистки будЖза-
висеть не только от отмеченных выше факторов, но и от соотавше-
ния концентраций отдельных веществ и скоростей их окисления.
На данном'типе сточных вод возможен такой случай, когдЛцэемя
аэрации будет диктоваться необходимой степенью превращения
самого медленно окисляющегося продукта. Для сточных вод
третьего типа время очистки определится суммой продолжительно-
стей окисления каждого вещества в отдельности.
На практике в чистом виде каждый из этих случаев редок,
Чаще встречаются сточные воды, в которых наблюдаются все при-
веденные выше схемы окисления присутствующих загрязнений.
В этом случае продолжительность аэрации будет определяться
суммарным временем, необходимым на окисление каждой из групп
32
Рис. 11.5 Изменение внутренней энергии реаги
рующих веществ в процессе химической реак-
ции
/ _ реагирующие вещества; II — комплекс фер-
мент-субстрат; III — продукты реакции; / — при
отсутствии фермента; 2 — в присутствии фермента
Рис. II.6. Окисление вещестк
с одинаковой скоростью
I — анилина; 2 — фенола; 3 — по-
требленне кислорода
Рис. II.8. Последовательное окис-
ление веществ
1 — глютаминовой кислоты; 2 —
тирозина; 3 — лейцина
Рис. II.7. Окисление ве-
ществ с различной ско-
ростью, но одновременно
1 — диметилнитрозоамина; 2 —
формальдегида
веществ, и соотношением концентрации и скоростей окисления
отдельных продуктов внутри каждой группы.
Процесс потребления органического вещества из сточных вод
определяется кинетикой ферментативных реакций, протекающих
внутри клетки. При этом общая скорость протекания биохимичес-
ких реакций, осуществляющихся внутри клетки, определяется
течением самой медленной реакции. Рассмотрим механизм та-
кой реакции. Допустим, происходит реакция между субстратом S
и ферментом Е с образованием фермент-субстратного комплекса
2 Зак. 1265
33
к,
ES, который распадается с образованием конечного продукта
Р и освобождением фермента:
Схематически эта реакция может быть изображена следующим
образом:
Здесь Klt Кз — константы скоростей соответствующих про-
цессов. В стабильных условиях скорость образования фермент-
субстратного комплекса будет равна скорости его распада:
Л1[Е] [S]=K2[ES] + K3[ES].
Обозначим общую концентрацию фермента через [£]0. Так как
[£]0 = 1£] + [££], то ^([£]0 — [£S]) [S] = К2 [£S] + К3 [£S]
или
К, l£l0 IS] = [£S] (К2 + 4- [51).
Отсюда можно найти концентрацию фермент-субстратного ком-
плекса
[£S] = .
(K2 + K3)+K1[SJ
Разделим числитель и знаменатель на К1( тогда
[£S] = —[-S]-----
Kt 1
Обозначим
^±^ = Кт, тогда [££]=
Скорость образования продукта Р в соответствии со схемой фер-
ментативной реакции (II.1) может быть записана как
— = _= к
dt dt 3 J
Следовательно,
dP. Ks[£]0[S]
dt Km+[S]
(П.2)
34
Данное уравнение, йвляйщееси основным уравнением кинетики
ферментативных реакций, носит название уравнения Михаэлиса —
Ментен. Анализ этого уравнения показывает, что при малых кон-
центрациях субстрата скорость ферментативной реакции изменяет-
ся приблизительно линейно с изменением концентрации субстрата,
а при значительных концентрациях скорость реакции достигает по-
стоянного максимального значения, равного К3 [£]0- Обозначив
dP
скорость ферментативной реакции = V, К3 [£]0 = Vm, полу-
чим уравнение Михаэлиса — Ментен в следующей форме:
V= .......... (II.3)
Нетрудно видеть, что при VIVm = 0,5Кт = S, т. е. константа
Кт численно равна концентрации субстрата, при которой скорость
ферментативной реакции равна половине максимальной скорости.
Совокупным результатом всех ферментативных реакций, про- .
текающих в клетке, является прирост биомассы. Рост биомассы на-
илучшим образом отражает сложную взаимосвязь между условия-
ми обитания микроорганизмов (наличие питания, величина pH, тем-
пература и пр.) и метаболизмом субстрата.
Учитывая это, воспользуемся закономерностями роста биомассы
для установления зависимости «убыли» загрязнений от продолжи-
тельности аэрации сточных вод.
Исходя из положения, что рост биомассы основан на процессах,
регулируемых системой ферментативных реакций, Моно (в 1942 г.)
предложил для выражения скорости роста биомассы р. уравнение,
аналогичное по форме уравнению Михаэлиса — Ментен:
н= sHrk <1L4>
Атт tvj
В этом уравнении |im — предел, к которому стремится ц по мере
повышения остаточной концентрации лимитирующего рост вещест-
ва S. Иерусалимский Н. Д. теоретически доказал правомерность
формулы Моно, Показав, что рост микробной биомассы может быть
описан уравнением простой ферментативной реакции. Объясняется
это тем, что скорость таких комплексных реакций, как биосинтез,
определяется скоростью отдельных ферментативных реакций, про-
текающих медленнее остальных и определяющих общую скорость
процесса. Н. Д. Иерусалимский исходил из того, что обязательной
предпосылкой роста является биосинтез жизненно важных компонен-
тов протоплазмы, в первую очередь, белков и нуклеиновых кислот,
составляющих более половины микробной биомассы.
Скорость роста контролируется количеством некоторого факто-
ра. Количество синтезируемого фактора, лимитирующего рост,
не только является функцией концентрации питательных веществ,
но также зависит и от их типа. Химический анализ бактериальной
2*
клетки показывает, что из Всех компонентов клетки только рибо-
нуклеиновые кислоты (РНК) могут быть таким лимитирующим рост
фактором. Синтез белков происходит из аминокислот, образующихся
из продуктов питания в процессе предшествовавших ферментативных
реакций, под воздействием различных форм РНК.
Схема синтеза белка может быть представлена следующим об-
разом:
—5—
-A»gM(A)A]- у’-Р- . (Ц. 5)
Кг/ I
(/WA)y£- —1 —1
где 5 — исходные питательные вещества;
А — внутренний запас свободных аминокислот;
(RNA)f — свободная часть РНК (не вступившая в реакцию);
[(ДЛМ)Л] — комплекс (аминокислота РНК);
Р — образовавшийся белок;
К2, К3 — константы соответствующих реакций.
Для ферментативной реакции, каковой является синтез белка,
можем, согласно ранее изложенному, записать следующее уравне-
ние:
dP K2(RNA)tA I6
dt Лг+Кз л ' 1 '
Ki +
В уравнении (II.6) (RNA)t = (RNA)f + [(ДЛМ) А] обозначает
общее количество РНК, имеющееся в биомассе.
При сбалансированном росте существует определенное соотно-
шение между внутриклеточным запасом аминокислот Л и концентра-
цией питательных веществ [S], Поэтому можно записать: А = <Д5],
где q — коэффициент пропорциональности. Подставив в уравнение
(II.6) вместо концентрации аминокислот концентрацию источников
углерода в среде, получим: .
dP Кз (RNA)t IS] _ Къ (RNA)t [S]
dt fQi Kr + [S]
отсюда
dP
dt
(RNA)t
bp \
RNA /макс ’
*r+[S]
(II.7)
где символ I -p . = Rs обозначает тот предел, к которому стре-
' л/¥Л/макс
мится активность РНК по мере повышения концентрации субстра-
та 5 до бесконечно большого числа.
36
Содержание РНК в клетках в первом приближении можно при-
нять пропорциональным скорости роста:
। (Rm Rp) Ц
Цмакс
где 7? — содержание РНК в биомассе в %;
Ro — содержание РНК при отсутствии роста в %;
Rm — содержание РНК при максимальной скорости роста
(Н ~ Нмакс)'
Содержание белков в биомассе без больших погрешностей можно
считать постоянным Р/а = л = const (где Р — вес белков; а —
общий вес биомассы). Тогда . Подставляя последнее вы-
ражение в левую часть уравнения (II.7) и заменив в нем (RNA)t
на Ra, получим:
1^1
ft _____ \ 'Макс
Ra'dt~ Кг + А
Так как ц.= — то
r a dt
/ ЬР \
---- Is]
ГСЦ __ \ RNA ' макс_ /ц g\
R Kr + [S] ’ V
Величина R зависит от скорости роста биомассы р. Обе эти вели-
чины достигают своего максимального значения при [S] = оо.
В этом случае уравнение (II.8) принимает вид:
лЦмакс / &Р \ (II 9)
Rm \ RNA , макс
Поделив почленно уравнение (П.8) на уравнение (II.9), полу-
чим:
__ I1^]
К|Хмакс Кг + [$]
Подставив вместо R ее развернутое выражение и проделав не-
обходимые преобразования, приходим к следующему уравнению:
, _ Цмакс [-S] Ro __ Цмакс [<S] /тт
ЯтКг + Яо[$1 RmXr^' 1 ‘ 7
Ro 1
После замены в нем RmKr/R0 константой Кт, имеем:
Цмакс[5] /П ,Ц)
Г Km-HS] ’
37
Таким образом приходим к уравнению, характеризующему связь
между концентрацией питательных веществ и удельной скоростью
роста микроорганизмов. Связь между количеством потребляемого
субстрата S и приростом биомассы а можно записать уравнением
где а — количество вещества, из которого образуется одна весовая
единица биомассы.
В то же время = ца. Учитывая выражение для р, (Н.П),
можно записать, что
dS _____а Pm I-SJ
dt ~~ Km + [S]
(11.13)
Выразим применительно к сточным водам концентрацию потреб-
ляемого субстрата [S] через его БПКп0Лн в мг^л и обозначим ее
через L. Величина биомассы а будет представлять в этом случае до-
зу активного ила в г!л, величина а — количество мг БПКп суб-
страта, из которого образуется 1 г ила. Тогда выражение примет вид:
= (П-14)
dt Km^-L v
Учитывая, что прирост ила относительно мал по сравнению с
первоначальной его массой, величину а можно принять постоянной1.
Разделим переменные и проинтегрируем это выражение. Тогда
а£(^±а=ИтааЛ;
—(Кт in Lt + Lt) = p,m aa dt + C.
Здесь Lt—значение БПКПОлпзагРязнениясточноя воды в момент
времени t.
При t = О С = — (/CmlnL0 + Lo), где Lo — начальная величина
БПКполн загрязнений сточной воды. Тогда
—(Кт In Lt + Lt) = aat—(Km In Lo + Lo),
отсюда
t = (In Lp-ln Lf) + (L0-H) = La-Lt + Lt
a Pm a
ajxma
ИЛИ
__ Lq Lt
ац.та
2,31g 4*-
_________U
a.pma
(11.15)
1 Для случая определения БПК сточной воды методом разведения такое
допущение неправомерно, так как в этом случае прирост биомассы будет
велик по сравнению с первоначальной, что и следует учитывать.
38
Для сточных вод с одним и тем же составом загрязнений и одина-
ковой степенью очистки величина а будет постоянной. Постоянными
в этом случае будут р,га и Кт. Тогда, приняв р.та = сг = const и
Кт-2,3 ’ ,
—-----= с2 ~ const, с учетом этих выражении можем записать
__ ^0 Lf J Сд jg Lp
Ci a a Lt
где с,—скорость окисления загрязнений в мг БПКполн на 1 г ила в ч.
Нетрудно показать, что полученное выражение (11.16) во многом
аналогично ранее предложенному и широко известному уравнению
К- Н. Королькова, имеющему вид
_ Lg—1 1 t,g
“ к2/ ё Lb '
Следует иметь в виду, что скорость подачи кислорода К2 I в этом
уравнении принимается равной скорости потребления кислорода,
т. е. аналогична с^а.
Но в отличии от уравнения К. Н. Королькова предлагаемое нами’
уравнение имеет несколько другой физический смысл и более пра-
вильно отражает взаимосвязь продолжительности аэрации, наличия
питания и количества активного ила.
Анализ полученного уравнения показывает, что при низких ве-
личинах Lo разница Lo — Lt мала и основное значение приобре-
тает второй член уравнения, при высоких — основное значение /
дает первый член. Поэтому для разбавленных растворов (водоемы)
можно пренебречь первым членом, а в случае высококонцентриро-
ванных сточных вод — вторым.
В случае очистки сточных вод в сооружениях с интенсивным пе-
ремешиванием всего объема в установившемся состоянии концентра-
ция загрязнений на выходе равна концентрации вещества в самом
аэротенке и скорость поступления загрязнений равна скорости
их удаления.
Запишем уравнения материального баланса для этого случая:
Lp _ _dL . Lf LB Lf _____ цт Lt
t ~ dt t ’ t “ Km + Lt ’
тогда
t =---. (Ц.17)
Lf
A/n'V’M
Из данного уравнения следует, что чем тщательней очистка,
т. е. чем большее влияние на величину дроби „ . оказывает
АттЧ
константа Кт, тем меньше скорость очистки сточных вод в аэротен-
ке. Константа Кт характеризует устойчивость вещества к биохими-
ческому воздействию.
39
4. Влияние физико-химических и гидродинамических факторов
на скорость биохимического окисления органических веществ
Рассматривая выше кинетику биохимической очистки сточных
вод, мы установили, что основными факторами, влияющими на про-
должительность процесса, являются концентрация поступающих
загрязнений, необходимая степень очистки, химическая природа
загрязнений (от этого зависят величины a, pm, и доза активного
ила). Остановимся более подробно на влиянии этих факторов на
процесс очистки.
Очевидно, что скорость очистки для сточных вод, имеющих
идентичные загрязнения и одинаковую степень очистки, в первую
очередь будет зависеть от количества микроорганизмов (дозы ак-
тивного ила), находящихся в аэротенке, и условий их обитания.
Ранее было показано, что для различных производственных и бы-
товых сточных вод видовой состав микробов активного ила, хотя
и разнится, но не настолько, чтобы оказывать решающее влияние
на процесс очистки. Количество микроорганизмов, как видно из
уравнений (11.16) и (11.17), оказывает обратно пропорциональное
вляние на продолжительность очистки. Данное положение хорошо
согласуется с имеющимися лабораторными (рис. II.9) исследования-
ми и производственным опытом.
Лабораторные исследования показывают, что принципиально
доза активного ила в аэрационных сооружениях может быть уве-
личена в 10 раз и более вместо принятой в настоящее время в эксплу-
атации. Вся проблема заключается в таком конструктивном офор-
млении процесса, который позволил бы удержать столь высокую
дозу, поскольку, как известно, вторичные отстойники при стандарт-
ном 1,5-часовом периоде отстаивания не способны удерживать
дозу ила более 2—3 г/л.
На величину поддерживаемой в аэротенке дозы активного ила
существенное влияние может оказать иловый индекс, характеризу-
ющий способность активного ила к осаждению во вторичных от-
стойниках. При прочих равных условиях, чем меньше иловый ин-
декс, тем большую дозу ила можно поддерживать в аэротенках, и на-
оборот. На основании проведенных исследований А. И. Жуков
и А. А. Бондарев рекомендуют для производственных сточных вод
следующие оптимальные дозы ила в зависимости от илового индек-
са (при концентрации ила 1 г/л):
Иловый индекс в мг/г . 50 80 120 150 200 250 300
Доза ила в г/л .... 6 4,3 3 2,5 2 1,5 1
Повышая дозу активного ила в аэротенках, следует иметь в ви-
ду, что при высоких концентрациях биомассы не сохраняется пря-
мая пропорция между дозой и скоростью потребления загрязнений.
Интенсивность потребления уменьшается с повышением начальной
дозы. Это объясняется ухудшением условий питания отдельных кле-
ток. Дело в том, что потребление веществ микроорганизмами про-
40
исходит очень быстро, ё то Время как приток новых,"порций вещества
осуществляется медленно. В результате этого вокруг отдельных
бактериальных клеток создаются микрозоны с неблагоприятными
условиями обитания.
Для того чтобы таких микрозон не возникало, необходимо обес-
печить интенсивную турбулентность потока в аэротенке. Турбу-
лентность потока вызывает распад хлопьев активного ила на мель-
чайшие колонии микробов и приводит к быстрому обновлению по-
верхности раздела между микроорганизмами и окружающей сре-
дой. Оба эти фактора обеспечивают увеличение скорости поступле-
ния питания и кислорода к микроорганизмам, отток продуктов
метаболизма и в конечном итоге приводят к повышению скорости
очистки. По данным У. Бойла и Дж. Ролиха, за счет тщательного
перемешивания сточных вод с активным илом можно увеличить сни-
жение БПК с 88 до 96%, или, не ухудшая качества очистки, сокра-
тить период аэрирования с 8,2—10,6 до 4,6 ч.
Об интенсивно идущих процессах окисления при повышенной
турбулентности потока свидетельствуют снижение содержания в
активном иле углеводов и увеличение содержания протеинов.
Повышение активности микроорганизмов в условиях высокой
турбулентности, вероятно, связано не только с улучшением условий
обитания отдельных бактериальных клеток, но также с избиратель-
ным действием перемешивания на различные микроорганизмы,
приводящим к преобладающему развитию форм, которые облада-
ют максимальной способностью разлагать загрязнения. И. Кулик-
Куцимска в лабораторных условиях наблюдала следующее: уве-
личение турбулентности потока (за счет работы мешалки) вызывало
исчезновение в активном иле свободно плавающих простейших.
Скорость их исчезновения возрастала с повышением интенсивности
перемешивания. При относительно слабом перемешивании в актив-
ном иле появлялись нитевидные бактерии, наиболее интенсивное
перемешивание создавало благоприятные условия для массового
развития свободных цилиндрических бактерий и мелких зооглейных
форм активного ила, в котором первоначально преобладала Sarcina.
Активный ил с преобладанием нитевидных бактерий и Sarcina слабо
разлагал органические вещества, и, наоборот, активный ил с преоб-
ладанием зооглейных и цилиндрических форм бактерий имел
самую высокую биохимическую активность.
. Условия обитания микроорганизмов, как это видно на примере
перемешивания активного ила, оказывают существенное влияние на
скорость окисления загрязнений сточной воды. Снабжение кислоро-
дом является одним из основных факторов, влияющих на жизне-
деятельность микроорганизмов активного ила. В процессе очистки
сточных вод скорость растворения кислорода должна быть, по край-
ней мере, равна скорости потребления его микробами, иначе может
произойти временное или местное исчерпание содержания кислоро-
да, что приведет к нарушению обмена веществ клетки и снижению
скорости окисления загрязнений. Скорость потребления кислорода
41
активным илом практически не зависит от концентрации растворен-
ного кислорода, но только до тех пор, пока последняя остается выше
некоторой критической величины. Критическая концентрация кис-
лорода колеблется в зависимости от размеров хлопьев активного
ила, не превышая обычно 1 — 2 мг'л. Например, изучая меха-
низм диффузии кислорода в хлопьях чистой культуры Zoogloea
ramigera, И. Мюллер с соавторами установили, что понижение кон-
центрации растворенного кислорода с5доО,5л<г/л вызывало сниже-
ние скорости потребления кислорода для хлопьев диаметром 70 мк на
50%, а для хлопьев диаметром
I 30 мк—лишь на 8%. Очевидно, что
в аэротенках, работающих с низ-
кой концентрацией кислорода, сте-
Рис. II.9. Изменение скорости
окисления глюкозы в зависимо-
сти от концентрации активного
ила
1 — при концентрации 185 мг!л',
2 — то же, 570 мг)л\ 3 — то же,
960 мг(л\ 4 — то же, 1700 мг!л-,
5 — то же, 3500 мг[л
Рис. П.10. Зависимость скорости
потребления от концентрации рас-
творенного кислорода (кривая по-
строена при Кт=0,032)
пень перемешивания должна быть достаточно высокой, чтобы иметь
в иловой смеси хлопья минимальных размеров. В тех случаях когда
концентрация кислорода падает ниже критической, скорость потреб-
ления также снижается и становится функцией концентрации кис-
лорода. Зависимость скорости потребления кислорода бактериаль-
ными клетками от его концентрации в растворе может быть описана
уравнением Михаэлиса — Ментен (рис. 11.10).
Для многих микроорганизмов значение константы Кт может быть
принято равным около 0.032 мг Ch/л. Из графика, приведенного
на рис. 11.10, видно, что скорость потребления кислорода при кон-
центрации растворенного кислорода 2 мг!л и более приближается
вплотную к максимально возможной; достаточно высокой она оста-
ется и при концентрации 1 мг О2/л; при снижении растворенного
кислорода менее 0,5 мг/л скорость потребления начинает резко па-
42
дать. Учитывая, что константа Кт для различных микроорганиз-
мов, образующих активный ил, не одинакова, а также возможность
образования крупных хлопьев, величину растворенного кислорода
следует поддерживать в пределах 1—2 мг!л.
Низкие концентрации растворенного кислорода не только пони-
жают скорость потребления загрязнений, но и сказываются на сте-
пени их переработки. Исследования Д. Мекленана и С. Пирта
с культурой Pseudomonas sp. при выращивании ее на декане по-
казывают, что при высокой концентрации растворенного кислорода
количество углерода (в процентах от потребленного) распре-
деляется следующим образом: переходит в клетки 20,5%, выде-
ляется в виде СО2 23,4% и остается в растворе в виде продуктов об-
мена 56,1%; при низкой концентрации кислорода углерод распре-
деляется соответственно 13,6; 7,2 и 79,2%. Следовательно, при низ-
ких значениях растворенного кислорода только незначительная
часть потребленного углерода окисляется или переходит в прото-
плазму клетки, большая же часть остается в растворе в виде продук-
тов обмена, при этом чем меньше было кислорода в растворе, тем
более восстановленными оказываются продукты обмена.
Столь же сильное воздействие, как и нехватка кислорода, на
процесс биохимической очистки сточных вод оказывает недостаток
биогенных веществ. Основные из них — азот, фосфор и калий. Кро-
ме этих элементов нужны Mg, Са, S, Fe и др., но количества их дол-
жны быть незначительные, и их, как правило, содержится в сточных
водах достаточно.
Отсутствие или недостаток биогенных элементов приводит к ухуд-
шению физических и биохимических свойств активного ила.
Биогенные элементы наиболее легко усваиваются в том случае, ко-
гда они находятся в соединениях, аналогичных соединениям прото-
плазмы клетки. Например, азот в веществах клетки содержится в вос-
становленном (NH4), а фосфор — в окисленном (в форме Н3РО4)
состоянии; следовательно, эти формы и будут наиболее подходящими
для усвоения микроорганизмами.
Недостаток биогенных элементов тормозит процесс биохимичес-
кого окисления углеродсодержащего вещества, так как новый при-
рост микроорганизмов может начаться только после выделения био-
генных веществ в среду в результате отмирания микроорганизмов.
Искусственная добавка биогенных веществ в этом случае будет
стимулировать процесс роста бактерий, а.,следовательно, и окисле-
ние углеродсодержащего вещества.
Исследования К. Гоул и А. Годи показывают, что для выра-
жения зависимости между удельной скоростью роста активного
ила и концентрацией азота, являющегося лимитирующим рост ком-
понентом, может быть использовано уравнение, аналогичное урав-
нению Михаэлиса — Ментен.
Отмечено, что чем выше доза активного ила, тем дольше
система может выдерживать отсутствие биогенных элементов. Про-
должительный недостаток азота при очистке сточных вод кроме
43
торможения биохимического процесса приводит еще и к образованию
труднооседающего активного ила. При недостатке в сточных водах
фосфора в активном иле преобладают нитчатые формы бактерий,
в результате чего он плохо оседает. Одновременно происходит за-
медление роста активного ила и снижение интенсивности окисления
Роль
Н едо-
Таблица II.2
Сточные воды завода Соотношение БПК: N: Р
Синтетических жирных кислот . Сухой перегонки дерева листвен- ных пород . . . Канифолевого . . Поливинилацетат- ных пластмасс . Изопренового кау- чука Нефтеперерабаты- вающего .... Нефтехимического Синтетического глицерина . . . Нефтемаслозавода Химического (со- держащие дихло- рфенол, фенол, анилин, нитро- бензол и др.) . Картонного . . . Целлюлозно-бу- мажного комби- ната 100:3 :0,8 100:2,6:0,6 100:2,3:0,3 100:3,9:0,8 100:3,3:0,9 100:5: 1 100:5: 1,3 100:5: 1,2 100:7: 1,5 100:5: 1,3 100:5:0,7 100:4:1
органических веществ,
остальных элементов еще
статочно ясна.
Потребное количество био-
генных элементов при очистке
сточных вод не является посто-
янным, так как не одинаков при-
рост живого вещества микроор-
ганизмов при окислении различ-
ных веществ. Как видно из табл.
П.2, соотношение между сни-
женной БПК и использованным
азотом и фосфором для различ-
ных вод не одинаково. Поэтому
при очистке производственных
сточных вод в каждом конкрет-
ном случае потребное количество
биогенных элементов должно
устанавливаться эксперимен-
тально.
При отсутствии эксперимен-
тальных данных для ориентиро-
вочных расчетов потребного ко-
личества биогенных элементов
(азота и фосфора) можно поль-
. зоваться соотношением БПК:
: N : Р = 100 : 5 : 1. Полученное
в этом случае потребное количество биогенных элементов долж-
но быть уточнено в процессе эксплуатации сооружений. Так
как в большинстве случаев производственные сточные воды со-
держат азот и фосфор в недостаточном количестве для их биохими-
ческой очистки, то биогенные вещества должны добавляться искус-
ственно. В качестве биогенных веществ могут добавляться различные
азотные, фосфорные и калийные удобрения (табл. II.3, II.4).
Таблица П.З
Соединение Стандарт Содержание азота в пересчете на сухое вещество по N в %
Сульфат аммония ВТУГХК АУ 143-60 20,8
Нитрат аммония (аммиачные
селитры) МРТУ 6-03-1962-64 26
Мочевина ГОСТ 2081—61 46
Аммиачная вода ГОСТ 9—67 с изм. № 4 20,5
44
Таблица II.4
ГОСТ
8382—57
10678—68
Соединение
Содержание фосфора
в пересчете ла сухое
вещество по Р2 О. в %
Суперфосфат простой . . . .
Ортофосфорная кислота тер-
мическая .................
19
54
Применение аммиачной воды совместно с суперфосфатом не реко-
мендуется, так как в случае повышения величины pH раствора воз-
можно образование нерастворимых в воде двузамещенных кальцие-
вых солей фосфорной кислоты.
Сооружения по приготовлению биогенных добавок должны устра-
иваться таким образом, чтобы к сточным водам, поступающим на
сооружения биохимической очистки, добавлялись азотные'и фос-
форные соли в растворенном состоянии без механических примесей,
которые могут зашламить аэротенки и вторичные отстойники.
Наиболее дешевый источник биогенных элементов — бытовые
сточные воды. Однако получение их в количествах, необходимых для
полного обеспечения процесса очистки производственных сточных
вод биогенными веществами, не всегда возможно.
Определение потребного количества бытовых сточных вод вслед-
ствие значительного колебания их состава должно производиться
исходя из численности населения, количества азота и фосфора, вы-
деляемого человеком за сутки1, а также нормы водоотведения.
Однако, проектируя совместную очистку производственных сточ-
ных вод химических заводов и бытовых сточных вод, следует иметь
в виду, что большинство бактерий, использующих углеводороды
и прочие химически стойкие органические соединения, предпочти-
тельнсГокисляют углеводы, белки и жиры. Поэтому при очистке
прбизвбдотвецных' сточных вод, содержащих' химически устойчивые
органические загрязнения, совместно с большим количеством быто-
вых вод возможно понижение эффекта очистки смеси от производ-
ствецныхзагрязнений.
Интенсивность жизнедеятельности микроорганизмов в значи-
тельной мере зависит от температуры среды, в которой они оби-
тают.
Так, исследования, проведенные Ц. И. Роговской с сотрудника-
ми, показывают, что чем выше температура, тем активней ферменты
бактериальных клеток ила. Результатом повышения активности фер-
ментов по данным этих исследований явилось увеличение окисли-
тельной мощности на 60% при температуре 37—40° С по сравнению
с получаемой при тейпёратур^20°Т'
1 По данным СНиП Н-Г.6-62, один человек выделяет 8 г азота и 0,74 г
фосфора в сутки. Так как 2 г азота и 0,4 г фосфора будет израсходовано при
ликвидации загрязнений бытовых сточных вод, то можно получить около 6 г
азота и 0,3 г фосфора для очистки производственных сточных вод.
45
Для различных видов микроорганизмов имеются неодинаковые
оптимальные температуры жизнедеятельности. В зависимости от тем-
пературных границ обитания микроорганизмы активного ила под-
разделяются на психрофильные, живущие при температуре 0—30°С
(оптимальная температура около 20° С); мезофильные, развивающие-
ся при температуре 3—45°С (оптимальная температура 20—35°С), и
термофильные, имеющие оптимальную температуру развития
30—60° С, но могущие расти и при температуре 80° С.
Для большинства микробов активного ила величина оптималь-
ной температуры лежит в пределах 20—30° С.
В последнее время ведутся исследования возможности примене-
ния термофильных микроорганизмов для очистки сточных вод с тем-
пературой 50—60° С. Эти исследования показывают, что данный про-
цесс очистки не уступает по эффективности обычному мезофильному
процессу аэробной очистки. Достоинством очистки сточных вод при
высоких температурах является более полное уничтожение болезне-
творных бактерий.
Превышение температуры за границы обитания микроорганизмов
приводит к их гибели, понижение температуры менее опасно и вы-
зывает лишь временное прекращение жизнедеятельности микробов.
Особенно неблагоприятно на микроорганизмах сказываются рез-
кие значительные колебания температуры. Медленное изменение
температуры в пределах оптимума не является опасным для бак-
териальных клеток. Адаптацию микроорганизмов активного ила
к высоким температурам целесообразно проводить постепенно, уве-
личивая температуру свыше 30° С на 2° через две-три недели.
Повышение температуры от 20 до 40° С сказывается на микрофло-
ре и микрофауне активного ила. Происходит изменение формы и
структуры зооглейных скоплений бактерий, уменьшение размеров
отдельных микробиальных клеток, сокращается видовой состав
микроорганизмов (табл. II.5).
Таблица II.5
Окисляемое вещество Число видов микроорганизмов в среде при температуре в °C
20 30 35 37 39 40
11 7 5 4 4 4
Формальдегид
20 19 11 8 5 3
13 8 6 6 5 4
Ацетон
19 16 10 8 6 4
Примечание. В числителе приведено число видов микрофлоры, а в знаме -
нателе — число видов микрсфауны.
Низ-кие температуры кроме понижения скорости очистки тор-
мозят процесс акклиматизации микроорганизмов к новым видам за-
грязнений, вызывают, ухудшение процесса нитрификации. Отмечено,
что понижение температуры ведет к увеличению содержания беззоль-
ного вещества активного ила, ухудшению процесса флокуляции,
46
повышению илового индекса и, как следствие, к увеличенью
выноса взвешенных веществ из вторичных отстойников.
При повышении температуры, напротив, наблюдается тенден-
ция к сокращению выноса взвешенных веществ, что является след-
ствием уменьшения вязкости среды.
Отрицательное воздействие неблагоприятных температур усили-
вается при отклонениях реакции среды pH от оптимальных значе-
ний.
Наиболее эффективное действие активного ила наблюдается в
интервале значений pH = 6,5-ь8 (и даже при pH = 5 4-9). Вне
этих пределов эффективность активного ила резко снижается, что
объясняется влиянием активной реакции на ход ферментативных
процессов, протекающих в бактериальной клетке.?
Активный ил обладает значительной способностью авторегулиро-
вания величины pH. Способность эта постепенно уменьшается,
когда значения pH лежат ниже 4—5 и выше 9.
Кроме сдвига величины pH и температуры за оптимальные пре-
делы ингибирующее действие на активность ферментов оказывают
соли тяжелых металлов, хлориды и токсичные органические веще-
ства.
В процессе биохимической очистки часть ионов тяжелых метал-
лов аккумулируется активным илом, при этом происходит образова-
ние комплексов ионов с белком активного ила. Следствием этого яв-
ляется снижение скорости биохимической очистки.
Существует определенный уровень концентрации того или ино-
го иона тяжелого металла, при котором начинает сказываться его от-
рицательное воздействие. Величины таких предельно допустимых
концентраций (ПДК) некоторых веществ в сточных водах, посту-
пающих в аэротенки-смесители для адаптированного ила при от-
сутствии других ингибиторов представлены в табл. II.6. По степени
токсичности тяжелые металлы можно расположить в следующем
порядке:
Sb > Ag>Cu > Hg>Co^Ni >Pb>Cr3+>V^Cd >Zn>Fe. Допус-
тимый уровень для Сг3+ при биохимической очистке более вы-
сокий, чем для Сг8+. Следует отметить, что различные авторы полу-
чали неодинаковые величины предельно допустимых концентраций
ионов тяжелых металлов. Так, по литературным данным, ПДК
колеблются для Си от 0,4 до 10мг/л, для Zn от 2,5 до 10 мг!л, для Ni
от 1 др 10мг!л. Из этого видно, что абсолютная величина концентра-
ции токсических веществ не является объективным показателем. Бо-
лее правильно степень отрицательного воздействия отражает удель-
ная нагрузка на активный ил по данному компоненту. Степень влия-
ния ионов тяжелых металлов, как и других ингибиторов, кроме их
концентраций зависит от величины pH, температуры, вида сопутст-
вующих загрязнений, степени акклиматизации и ряда других факто-
ров.
Действие ионов тяжелых металлов часто не ограничивается толь-
ко снижением биохимической активности ила, но и приводит к его
47
Таблица II.6
Продолжение табл. II.6
Вещество Предельно допустимая концентрация в сточных водах в г/м9
Акриловая кислота . 100
Амиловый спирт . . 3
Анилин 100
Ацетальдегид .... 750
Ацетон 700
Ацетонитрил .... 600
Бензоат натрия . . . 250
Бензойная кислота 150
Бензол 100
Ванадий (ион) . . . 5
Винилацетат .... 250
Винилиден хлористый Гексаметафосфат нат- 1000
рия 150
Гидрохинон 15
Глицерин 500
Димеишамин • Ди (2-этилгексил) фе- 200
нилфосфат .... 100
Диметилформамид . . Дихлор уксусная кис- 200 .
лота 100
Диэтаноламин . . . 300
Диэтиламин .... 100
Д'иэтилеигликоль . . 300
Железо (ион) .... 5
Кадмий (ион) .... 5
Капролактам. .... 300
Керосин 500
Контакт Петрова . . 100
Крезолы 100
Лауринова кислота 340
Лактоиитрил .... 160
Масло 100
Масляная кислота 500
Медь (ион) 0,4
Меламин 50
Метакриламид . . . 300
Метилакрилат .... 100
Метиловый спирт . . 200
Монохлоруксусиая 100
кислота
Моноэтаноламии . . 260
Муравьиная кислота 130
Мышьяк (ион) . . . 0,2
Некаль 100
Вещество Предельно допустимая концентрация в сточных водах в г/м9
Нефтепродукты . . . 100
Никель (ион) : . . . 1
Нитрилотриуксусная
кислота 320
Оксиметилфурфурол . 165
Пиридин 400
Пирокатехин .... 100
Резорцин ...... 100
Роданистый аммоний 500
Ртуть (ион) 0,5
Салициловая кислота 500
Свинец (ион) .... 1
Серебро (ион) .... 0,25
Стеариновая кислота 300
Стирол 65
Сульфанол 10
Сульфиды (в пересче-
те на Н2 S) ... 20
Сурьма (ион) .... 0,2
.и-Толуиловая кислота 120
Толуол 200
Трибутилфосфат . . 100
Тринитротолуол . . 12
Трифенилфосфат . . 10
Триэтаноламин . . . 890
Триэтиламии .... 85
Уксуснокислый аммо-
НИЙ 500
Фенол 1000
Формальдегид . . . ЮОО
Хлорбензол 10
Хлорвинил 5
Хлористый метилен . 1000
Хлориитрозоцикло-
гексан 12,5
Хлороформ 200
Хлорофос 100
Хром (ион):
трехвалеитный 2,7
шестивалентный . 0,5
Четырех хлористый
углерод 50
Цианистый калий . . 8
Цинк (ион) 5
Этилацетат 500
Этиленхлоргидрин . . 350
48
вспуханию из-за преимущественного интенсивного развития нит-
чатых форм бактерий.
В процессе биохимической очистки происходит снижение ионов
тяжелых металлов примерно на 75%, что является следствием их
сорбции активным илом и последующего удаления с его избытком.
Отрицательное воздействие на процесс очистки сточных вод
в аэротенках может оказать повышенная минерализация стока.
Верхним пределом минерализации производственных сточных вод,
поступающих в аэротенк, считается содержание солей в количестве
10 г!л. Наиболее часто минерализация стока вызывается поступле-
нием в него хлоридов. В этом случае концентрация солей может быть
допущена более высокой — до 20 г!л, за исключением хлористого
магния', содержание которого как наиболее токсичного не должно
превышать в смеси 10 г!л. При концентрации хлоридов до 30 г/л
оезко снижается качество очистки.сточных вод. При очистке высоко-
минерализованного стока важную роль играет процесс адаптации
микроорганизмов активного ила к повышенным концентрациям
солей. Резкие колебания в степени минерализации неблагоприятно
отражаются на качестве очищенного стока. Осмотический шок при-
водит к выделению органического вещества из клеток активного
ила, что ведет к нарушению окислительных процессов. Низкие на-
грузки и высокие концентрации активного ила делают менее за-
метным влияние высоких концентраций солей на эффективность
работы аэротенков. Плавное повышение минерализации менее за-
метно сказывается на процессе очистки, но и при нем происходит
некоторое изменение в качестве очистки: ухудшается флокуляция
активного ила, повышается концентрация взвешенных веществ в
Очищенной воде, несколько увеличивается ВПК выходящей воды.
В связи с этим при высокой минерализации рекомендуется проекти-
ровать вторичные отстойники на нагрузку, в 2 раза меньшую, чем
для отстойников, работающих в обычных условиях.
Токсичными для микроорганизмов активного ила могут ока-
заться не только ионы тяжелых металлов, но и некоторые органи-
ческие вещества. Однако в отличие от первых органические вещест-
ва в концентрациях, ниже предельно допустимых, могут усваивать-
ся бактериями и служить источником углерода и энергии. Токси-
ческое действие органических веществ проявляется, как правило,
при концентрациях, значительно более высоких, чем солей тяжелых
металлов. Таким образом, процесс биохимической очистки может тор-
мозиться целым рядом ингибиторов. В зависимости от того, на какие
ферментативные ^реакции, протекающие в клетке, действуют одно-
временно присутствующие в сточной воде ингибиторы, воздейст-
вие их может или суммироваться, если они снижают скорость одной
и той же биохимической реакции, или влияние будет оказывать толь-
ко один ингибитор, если они воздействуют на различные биохими-
ческие реакции. В последнем случае определяющим окажется тот
ингибитор, который будет тормозить самую медленную реакцию в
цепи биохимических реакций, протекающих в клетке.
49
Ввиду ^сложности влияния отдельных компонентов сточных вод
на процесс очистки наиболее надежные результаты по влиянию ин-
гибиторов могут быть получены только в процессе эксперимента.
Часто процесс биохимической очистки при поступлении в аэро-
тенки со стоками токсичных веществ нарушается только в началь-
ный период времени, но затем вновь восстанавливается. Это про-
исходит в результате акклиматизации микроорганизмов активного
ила к поступающим загрязнениям. Например, в опытах Э. К. Голу-
бовской с соавторами скорость потребления неадаптированным ак-
тивным илом кислорода в аппарате Варбурга на среде с летучими
фенолами составляла 4,7 мкл O Jmz ила в 1 ч, а после адаптации
ТмклТмг, на среде с нелёт'учими фенолами — соответственно 10,1
и 20,1 мкл/мг и на среде со смесью фенолов — 5,8 и 17,7 мкл/мг.
В зависимости от вида вещества и его концентрации процесс адап-
тации может иметь различную продолжительность. В процессе адап-*
тации могут быть выделены следующие фазы: первая — скрытая
фаза продолжительностью 1—2 суток, когда эффективность очист-
ки и состав микроорганизмов активного ила, несмотря на поступ-
ление токсичных веществ, не изменяются; вторая — фаза резкого
снижения эффекта очистки и изменения в составе биоценоза актив-
ного ила, в частности, особо существенно изменяется состав простей-
ших; третья — фаза возрастания эффективности очистки в резуль-
тате адаптации микроорганизмов к новым веществам; четвертая —
фаза окончательной стабилизации эффекта очистки и состава микро-
организмов активного ила.
Технологическим приемом, позволяющим интенсивно вести про-
цесс биохимической очистки, является регенерация активного ила.
Применение регенераторов приводит к повышению удельной
производительности аэротенков по ряду причин: 1) благодаря окис-
лению в регенераторе при более высокой (в 3—4 раза), чем в аэро-
тенке, дозе активного ила коагулированных илом нерастворенных
органических веществ, которые содержатся в сточной жидкости;
2) вследствие увеличения при регенерации числа жизнеспособных
микроорганизмов в активном иле; 3) вследствие отмирания в реге-
нераторе развивающихся в аэротенках при высоких нагрузках бак-
терий, препятствующих хорошему оседанию активного ила и сни-
жающих допустимую дозу ила в аэротенке.
Основным, по нашему мнению, является второй фактор.
Несмотря на то что эффект регенерации активного ила отмечен
давно, до сих пор нет четкого объяснения этому явлению. Существо-
вавшее до недавнего времени представление, что процесс регенера-
ции — это окисление ранее сорбированных активным илом загряз-
нений и таким образом восстановление его способности вновь раз-
рушать органические загрязнения, в настоящее время не может быть
признано удовлетворительным. Установлено, что количество сор-
бируемого клеткой вещества относительно невелико и что процесс
потребления микроорганизмами питательного вещества происходит
значительно интенсивней, чем скорость притекания его к микроб-
50
ной клетке. Потому питательное вещество не может находиться на
поверхности клетки столь длительное время, в течение которого
активный ил пребывает во вторичном отстойнике и регенераторе.
Н. А. Базякина еще в 1958 г. указывала, что регенерация —
это не окисление сорбированных илом органических веществ, а спо-
соб поддержания ила определенного состава, способного к быстро-
му осаждению. Вне сомнения, регенерация способствует поддер-
жанию состава ила, способного оседать за счет отмирания и разру-
шения нитчатых форм микробов. Но действие регенерации этим
не ограничивается. Известно, что в аэротенках-вытеснителях пос-
ле регенерации увеличивается скорость окисления. По нашему мне-
нию, это происходит в результате~увеличения числа жизнеспособ-
ных бактерий в регенерированном активном иле,
Подобное явление, в частности, наблюдала О. Т. Болотина при
исследовании влияния регенерации на активный ил. Было отмече-
но увеличение в активном иле числа жизнеспособных бактерий
Zoogloea ramigera с 14 570 до регенерации до 22 320 после регене-
рации. Подобное увеличение может быть объяснено следующими
причинами. Ранее было сказано, что в процессе очистки сточ-
ных вод в аэротенках-вытеснителях микроорганизмы активного ила
проходят определенный цикл развития от «молодости» к «старости».
Известно, что микробы, которые проходят такой цикл развития, в
конце его образуют особые покоящиеся или репродуктивные
формы, которые при попадании в среду, богатую питатель-
ными веществами, дают начало новому поколению микробов.
Однако, как указывал акад. Н. Д. Иерусалимский, необходимо
учитывать, что состав бактериальной культуры никогда не бывает
однородным и отдельные клетки могут оказываться на разной ста-
дии развития. Поэтому в конце очистки некоторая часть микроорга-
низмов может еще не закончить своего цикла развития, и так как
физиологическое развитие клеток необратимо, то при возвращении
их в начало аэротенка на среду, богатую питательными вещества-
ми, т. е. не соответствующую их фазе развития, они отмирают. Введе-
ние регенератора, в котором отсутсгвуют питательные вещества,
позволяет закончить таким клеткам цикл развития. В результате
при той же массе активного ила число жизнеспособных микробиаль-
ных клеток оказывается большим, чем в нерегенерированном иле,
что и ведет к повышению общей скорости окисления.
При очистке сточных вод в аэротенках-смесителях микроорга-
низмы постоянно находятся в стадии «молодости», но при поступ-
лении активного ила во вторичные отстойники, где отсутствует при-
ток питания, и длительном Пребывании в них у микроорганизмов
могут наступить необратимые физиологические изменения, которые
потребуют введения регенератора. Поэтому аэротенки-отстойники,
в которых продолжительность пребывания ила в отстойной зоне
мала, и аэротенки-смесители, работающие с повышенным отбо-
ром количества возвратного ила, не требуют устройства регене-
ратора.
51
Контролировать процесс регенерации в условиях эксплуата-
ции можно по интенсивности потребления кислорода активным илом
(например, в аппарате Варбурга). Об окончании. процесса-реге-
нерации будет свидетельствовать установление постоянной-скорос-
ти потребления кислорода активным илом.
Длительный период регенерации (голодания) активного ила при-
водит к гибели клеток и снижает его способность удалять органи-
ческие примеси.
Глава III
АЭРАЦИЯ В ПРОЦЕССЕ ОЧИСТКИ
СТОЧНЫХ ВОД В АЭРОТЕНКАХ
Под системой аэрации понимается комплекс сооружений и ус-
тройств, обеспечивающих подачу и распределение воздуха (кисло-
рода) в аэротенке и поддержание активного ила во взвешенном, со-
стоянии. Система аэрации не является непосредственным элементом
биохимического процесса и не должна ни прямо, ни косвенно нару-
шать этот процесс. Это значит, что функции системы аэрации явля-
ются чисто физическими, сводящимися к подаче требующегося в еди-
ницу времени количества кислорода при минимальных затратах
энергии в заданных условиях и созданию благоприятных гидроди-
намических условий работы аэротенков.
В зависимости от способа подачи и распределения воздуха в аэро-
тенке все применяемые в настоящее время системы аэрации можно
классифицировать следующим образом: 1) пневматическая — тон-
кого диспергирования и крупнопузырчатая; 2)механическая; 3) ком-
бинированная (сочетание пневматической и механической систем
аэрации).
1. Пневматическая система аэрации
Пневматическая система аэрации характерна тем, что воздух
выполняет как функцию обеспечения активного ила кислородом,
так и функцию перемешивания всего содержимого аэротенка.
Воздух, подаваемый от воздуходувок под определенным давлением
по системе магистральных и распределительных трубопроводов,
поступает в аэротенки в виде отдельных пузырьков. Пузырек воз-
духа, поднимаясь через слой жидкости, с одной стороны, передает
в жидкость кислород путем диффузии, а с другой — вызывает дви-
жение жидкости в аэротенке, приводящее к перемешиванию всего
содержимого аэротенка. При этом в зависимости от размера обра-
зующихся на выходе из аэратора пузырьков воздуха пневматичес-
кую систему аэрации разделяют на систему аэрации тонкодис-
пергированным воздухом и крупнопузырчатую, разновидностью
которой является низконапорная аэрация.
Система аэрации тонкодиспергированным воздухом. Последний
можно считать тонкодиспергированным, если диаметр образующих-
52
ся пузырьков не превышает 2,5 мм. В результате этого получается
сильно развитая площадь межфазового контакта и достаточная ско-
рость всплывания пузырьков, что благоприятно отражается на про-
цессе диффузии кислорода в жидкость. Для получения пузырьков
такого размера применяются разные диффузоры как пористой, так
и непористой структуры. При этом с уменьшением диаметра пор раз-
мер пузырьков также уменьшается, но при диаметрах пор менее
80—100 мк резко возрастает сопротивление диффузора прохожде-
нию воздуха, а также закупориваемость пор. Поэтому диаметр ос-
новных пор диффузоров обычно принимают около 150 мк.
В настоящее время в практике аэрации применяются пористые
диффузоры в виде фильтросных пластин, трубок, куполов, дис-
ков, грибов и пр.
В отечественной практике наиболее широкое распространение
получили фильтросные пластины, которыми оборудованы аэротенки
таких станций, как Люберецкая, Курьяновская, Люблинская в
Москве и ряд станций в других городах. В СССР фильтросные
пластины изготовляют размером 300 X 300 X 35 мм из огнеупор-
ного шамота определенной крупности, смешанного с жидким стек-
лом и кремнефтористым натрием, путем формовки под давлением
50 кгс/см2, сушки при температуре t = 100 4- 150° С и после-
дующего обжига при t — 1180° С.
В американской практике фильтросы изготовляют либо из
кристаллической окиси алюминия, либо из фарфоровых гранул,
связанных глиноземистым стеклом, размерами 300 X 300 х 25,4
и 300 X 300 X 38 мм. Фильтросные пластины могут заделываться
в специально предусмотренные для этой цели каналы в днище аэро-
тенка или в сборные бетонные держатели, или в металлические
обоймы, позволяющие быструю их замену. Выбор способа заделки
фильтросных пластин зависит от экономических показателей, бази-
рующихся на длительности срока службы, возможности их ремонта
и замены.
Применение пористых труб вместо фильтросных пластин по-
зволяет избежать целого ряда затруднений, связанных с монтажом
фильтросных пластин. Особые преимущества имеет аэрационный
агрегат (рис. III. 1), разработанный западногерманской фирмой
«Шумахер». Этот агрегат длиной 3,9 м имеет от 6 до 20 трубок (диа-
метром 70 или 100 мм и длиной 500 мм) на 1 пог. м его длины.
Последний подвешивается на двух стояках, шарнирно связанных
с разводящим воздуховодом. Во время ремонта агрегат с помощью
ручной лебедки может быть легко поднят над поверхностью жид-
кости.
В Англии получили распространение керамические диффузоры
в виде куполов и дисков диаметром 17,8 см (расход воздуха около
14—21 л!мин) или грибовидной формы, целью создания которых
явилось стремление уменьшить закупориваемость пор (см. далее
рис. III.20).
В, последнее время все более широкое распространение получают
53
пластиковые диффузоры. Из более ранних диффузоров такого типа
известны, например, сарановые трубки, изготовляемые путем нама-
тывания шнура из сарановой ткани на рифленую сердцевину
из нержавеющей стали или из стекловолокна. Длина сарановой
трубки 0,6 м, диаметр 7,6 см, вес 1,47 кг, т. е. эта трубка в 2 раза
легче фильтросной пластины (рис. II 1.2). Применяются также тка-
Рис- Ш-1. Аэрационный аг-
регат из пористых трубок
/ — пористые трубки; 2 — стояк;
3 — шарнир; 4 — подвижная ле-
бедка
ни из пластика в виде чехлов длиной до 0,6 м и диаметром 5,1—7,6 см,
которые натягивают на основу из стекловолокнистого или дру-
гого материала. Чехлы периодически можно снимать и подвергать
стирке в растворах детергентов, восстанавливая таким образом их
первоначальную воздухопропускную способность.
Во ВНИИ ВОДГЕО была исследована возможность применения
капроновых тканей для изготовления аэраторов. Было установлено,
Рис. Ш.2. Конструкция
аэратора из синтетической
, .. „ ? ткани или с навивкой из син-
" тетического волокна
»в=айва—1" / — отверстие для подачи воз-
_г. духа; 2 — фланец; 3 — стяж-
‘Л,i.Х'Л/П.1 лДи ка; 4 — хомут; 5 — проволоч-
S 5 * * ный каркас; 6 — покрытие из
* синтетической ткани или навив-
ка из синтетического волокна;
7 — соединительная часть
что капроновая ткань (артикул 1528) может успешно конкурировать
с фильтросной пластиной по качеству диспергирования воздуха
и значительно дешевле ее (примерно в 6 раз). Транспортирование
и монтаж этой ткани также имеют существенные преимущества перед
фильтросными пластинами.
Пористые диффузоры характеризуются не только диаметром
основных пор, но и общей пористостью материала, учитываемой воз-
духопроницаемостью. Новые диффузоры обладают значительно бо-
лее высокой воздухопроницаемостью (в 2—3 раза), чем бывшие
в эксплуатации. Это означает, что по мере эксплуатации поры диффу-
зоров забиваются. Одной из причин этого бывает наличие загрязне-
ний в подаваемом воздухе. Для устранения этого явления обычно
прибегают к очистке воздуха специальными воздухоочистительны-
ми фильтрами.
54
Однако, учитывая определенные затруднения, вызываемые уст-
ройством и эксплуатацией фильтров для очистки воздуха, были сде-
ланы попытки разработать_ конструкции диффузоров, не чувстви-
тельных к загрязнениям.
К ним можно отнести диффузор «Вибрэйр», разработанный фран-
цузской фирмой «Дегремонт». Диффузор, рассчитанный на расход
воздуха 2,5 и 7 л:3 воздуха в 1 ч, представляет собой клапанное уст-
ройство из некорродирующего материала. Под давлением воздуха
клапан приподнимается, между ним и гнездом образуется зазор
по всей окружности, равный десятым долям миллиметра. В случае
прекращения подачи воздуха клапан плотно закрывает отверстие,
предназначенное для этой цели, и предотвращает возможность по-
падания в систему аэрации взвешенных веществ и забивания диф-
фузора. Диффузоры монтируются путем ввинчивания в воздухорас-
пределитель, расположенный у дна, или в специально устроенную в
днище аэротенка плиту, перекрывающую воздухораспределительный
железобетонный канал. Аналогичным аэратором является и диф-
фузор типа II диаметром 15,2 см, разработанный американской фир-
мой «Эймко» на расход воздуха от 0,1 до 0,6лг3/лш« (рис. III.3). Воз-
дух выходит через кольцевой зазор между корпусом и верхним дис-
ком. Потери напора составляют 2,5—19,1 см вод. ст. при расходе
воздуха 0,1—0,6 м?1мин.
К этому же классу относятся и диффузор диаметром 7,6 см,
разработанный американской фирмой «Шикагоу Памп» и клапанный
диффузор фирмы «Рекс Чейнбелт», состоящий из корпуса и диска
диаметром 5,1 см из нержавеющей стали. Между корпусом и диском
имеется регулируемый зазор, обеспечивающий выход воздуха в жид-
кость. В воздуховводящей трубке диффузора имеется гнездо с теф-
лоновым шариком, поднимающимся под давлением воздуха и позво-
ляющим воздуху войти в диффузор. При отключении воздуха или
падении давления его ниже допустимого шарик опускается и плот-
но перекрывает отверстие, не пропуская сточную воду в систе-
му аэрации. Но наблюдения, проведенные трестом Мосочиствод
(инж. В. И. Шпицберг), показали, что диффузоры типа «Вибрэйр»
хотя и не имеют пористой структуры, тем не менее также подверже-
ны засорению загрязнениями, содержащимися в сточных водах. При
попадании загрязнений под клапан аэратор перестает нормально
функционировать и, следовательно, основной недостаток диффузо-
ров не устраняется.
Диффузоры тонкого диспергированного воздуха позволяют по-
лучить 1 кг растворенного кислорода при затратах энергии 0,325—
0,75 кет ч. Теоретическая потребность в энергии на растворение
1 кг кислорода, например, при одностороннем расположении диф-
фузоров поясом 1,5 Л1 и давлении 0,5 кгс/см2 составляет 0,4 кет • ч;
это возможно благодаря высокому коэффициенту использования
воздуха, который для отечественных фильтросов составил около
12 г/jn4 и был заложен в нормативные данные. Однако в реальных
условиях величина этого коэффициента значительно ниже. Так,
55
по данным эксплуатации, коэффициент использования воздуха на
московских станциях аэрации в различные периоды составлял
4,93—9,8 г/л4. Было установлено, что это происходит из-за крайне
неравномерной интенсивности аэрации как по длине, так и по по-
перечному сечению аэротенка вследствие различной воздухопро-
ницаемости фильтросных пластин, их засорения и разрушения.
Следовательно, к недостаткам диффузоров следует отнести не-
обходимость тщательной их заделки (особенно фильтросных пла-
стин), большое сопротивление прохождению воздуха через диффу-
зор, необходимость установки воздуходувок компрессорного типа,
возрастание сопротивления диффузоров по мере их эксплуатации,
сложность проведения ремонта,
необходимость полной остановки
и опорожнения аэротенка (если не
предусмотрены мероприятия по
подъему диффузора на поверх-
ность) для проведения ремонтных
работ.
Крупнопузырчатая аэрация.
Стремление снизить потери давле-
Рис. II 1.3. Клапанный диф-
фузор
Рис. III.4. Аэраторы
а — комбинированный; б — «спарджер»
ния на преодоление сопротивления диффузоров прохождению воз-
духа и устранить возможность закупоривания воздухопроводящих
отверстий привело к созданию крупнопузырчатой системы аэрации.
При этом размер пузырька воздуха, выходящего из аэратора,
превышает 0,25 см. Размер отверстий, через которые воздух выходит
из аэратора, колеблется от 1—2 мм до нескольких сантиметров
в зависимости от вида аэраторов. Наиболее простым аэратором этой
системы являются трубы d = 50 мм с открытыми концами, опущен-
ные вертикально вниз на глубину 0,5 м от дна аэротенка. Эта си-
стема была впервые применена на станции Ашер в Париже. Пузыри,
выходя из трубы, вызывают сильную турбулизацию жидкости и пов-
торно дробятся ею. Другим видом таких аэраторов являются перфо-
рированные трубы, укладываемые у дна аэротенка, диаметр от-,
верстий в которых может достигать нескольких миллиметров.
В американской практике очень широкое распространение полу-
чил аэратор «спарджер», представляющий собой литую крестовину
из четырех коротких трубок (диаметром 7,6 см) с открытыми конца-
66
ми. Трубки с внутренним диаметром 0,3—1,8 см рассчитаны на
пропуск 0,2—0,3 м3 воздуха в 1 мин (максимально до 0,6 м3!мин).
Спарджеры насаживаются на общий воздухораспределитель, рас-
полагаемый у дна аэротенка, через каждые. 0,3—0,6 м (рис. П1.4).
Воздухораспределитель может быть как неподвижным, так и
подъемным на случай проведения ремонтных работ. Благодаря
получению компактной, определенно направленной и выходящей
с большой скоростью струи воздуха над спарджером развивается
высокая турбулентность потока, в результате которой происходит
вторичное дробление воздуха и образуется облако мелких пузырь-
ков, сравнимых по размеру с пузырьками тонкодиспергированного
воздуха.
Разновидностью спарджеров являются дефлектофузоры,
имеющие также четыре отверстия диаметром 0,3—0,8 см, но рас-
положенные под диском диаметром 7,6см, который служит дефлек-
тором для струй воздуха, выходящих из отверстий.
, Несколько лет назад в США начали применять аэратор с регу-
лируемым расходом и давлением воздуха. Он состоит из литого
х корпуса диаметром 3,6 см с впускным отверстием внизу, имеющим
шаровой клапан, который расположен ниже выпускных отверстий
диаметром 0,4 см. Отверстия расположены в три вертикальных
ряда по 4 шт. в боковой стенке корпуса. С помощью регулировоч-
ного болта можно менять количество отверстий от 4 до 12 путем
открывания (или закрывания) их подвижным кожухом. Воздух
выходит из отверстий со скоростью 30—90 м!сек, что приводит к-его
вторичному дроблению. Потери давления в аэраторе при 4, 8, 12
отверстиях составляют соответственно 0,04, 0,02 и 0,017 кгс'см1.
Аэратор рассчитан на пропуск 0,2—0,4 лР воздуха в 1 мин.
Гребневый аэратор представляет собой продолговатую шляпку
' пирамидальной формы, в нижней части которой имеется серия про-
резей. Гребни насаживаются либо непосредственно на воздухорас-
пределитель диаметром 7,6 см, либо на отводные трубки, позволяю-
щие смонтировать гребни на удалении от воздухораспределителя
(рис. III.5). Производительность одного «гребня» составляет
0,08—0,3 м31мин (иногда до 0,6 м31мин) при потере давления
10—12,5 см вод. ст. Это говорит о большой скорости выхода возду-
за из отверстий. Гребни могут монтироваться на подъемном возду-
хораспределителе (до ПО единиц на распределитель).
Коробчатые аэраторы представляют собой продолговатую ко-
робку квадратного сечения, закрытую снизу и открытую сверху.
Коробка устанавливается на воздухораспределителе, и в нижнюю
часть ее подается воздух соплом с большим отверстием. Вызываемое
движением воздуха встречное движение жидкости в коробке разры-
вает крупные пузыри воздуха и измельчает их.
В последние годы получил распространение аэратор системы
«Инка», разработанный шведскими специалистами и названный
в СССР низконапорным (рис. III.6). Аэратор представляет собой
решетку из легких трубок из нержавеющей стали или другого ма-
57
териала с круглыми отверстиями диаметром от 1—2 до 6—7 мм
(а иногда и более). Решетка весит около 23 кг и может легко выни-
маться для осмотра и ремонта. Решетки устанавливаются вдоль
одной из продольных стен аэротенка на глубине 0,6—0,9 м от по-
верхности жидкости. Для придания циркуляционного движения
жидкости в аэротенке устанавливается продольная перегородка (из
стекловолокна) определенной высоты. В зоне выхода воздуха
развивается высокая турбулентность, благодаря чему воздух дро-
бится, образуя водовоздушную эмульсию, которая, будучи легче
воды, вызывает поперечную циркуляцию жидкости в аэротенке
(см. рис. III.6). При этом требуемое количество воздуха обратно
пропорционально глубине погружения аэратора в жидкость, что
означает: при небольшой глубине расположения аэратора нужно
Рис. Ш.5. Гребневый аэратор
Рис. II 1.6. Аэратор «Инка»
подавать в несколько раз больше воздуха, чем при глубинном его
расположении. Однако благодаря низкому гидростатическому дав-
лению жидкости воздух может/быть подан обычными центробежными
вентиляторами, к. п. д. которых на 15—20% выше, чем у воздухо-
дувок компрессорного типа. Кроме того, можно отказаться от ме-
таллических воздуховодов и использовать железобетонные каналы,
встроенные в разделительное перегородки аэротенков. Сами же
вентиляторы могут быть усТаПовлены непосредственно у аэротен-
ков в легких укрытиях, защищающих их от влияния атмосферных
осадков. 1
- В настоящее время в США имеются станции с этими аэраторами
производительностью 4—45 тыс. м3 сточных вод в сутки, в Швеции —
производительностью до 76 тыс. м3 сточных вод в сутки.
В СССР эти аэраторы нашли применение для очистки сточных
вод целлюлозно-бумажной и молочной промышленности.
2. Механическая система аэрации
Применение механических аэраторов в практике аэрации сточ-
ных вод имеет более чем 50-летний опыт. Уже в 1916 г. в Шеффил-
де (Англия) в аэротенках был применен винт Архимеда для целей
аэрации, а в 1920 г. там же аэротенк крупного размера был обору-
58
дован лопастными колесами, вращающимися относительно гори-
зонтальной оси. При этом аэротенк был разбит на узкие каналы,
в каждом из которых были установлены эти колеса. Аэраторы в виде
щеток (типа Кессенера) появились около 1930 г. В 1932—1936 гг.
были проведены опыты по применению механического аэратора ка-
витационного типа в СССР. Однако только в последнее десятиле-
тие механические аэраторы получили самое широкое распростра-
нение в процессах аэрации. В прошлом применение механических
аэраторов сводилось к использованию их на небольших (скорее
на малых) очистных сооружениях. Сегодняшняя тенденция —
стремление к широкому применению аэраторов механического типа
на средних и крупных очистных сооружениях (уже не говоря о ма-
лых). Этому способствовало, с одной стороны, создание новых высоко-
производительных конструкций аэраторов и, с другой стороны,
более чем сорокалетний положительный опыт эксплуатации аэра-
тора «Симплекс».
Механические аэраторы весьма разнообразны в конструктивном
отношении, но принцип их действия одинаков: вовлечение воздуха
непосредственно из атмосферы вращающимися частями аэратора
(ротором) и перемешивание его со всем содержимым аэротенка. В за-
висимости от конструкции ротора, его расположения относительно
уровня жидкости в аэротенке все механические аэраторы представ-
ляется возможным классифицировать следующим образом:
1) по глубине расположения — импеллерные (кавитационные),
поверхностные;
2) по расположению оси вращения ротора — с горизонтальной
и вертикальной осями вращения;
3) по конструкции ротора — конические, дисковые, цилиндриче-
ские, колесные, турбинные, винтовые.
Импеллерные аэраторы характеризуются глубоким расположе-
нием ротора /год слоем жидкости. Для связи ротора с воздухом
атмосферы применяется вертикально установленная труба, через
которую пропущен вал, предназначенный для вращения ротора
в нижней части трубы. При вращении аэратора жидкость отбрасы-
вается лопастями в стороны, труба освобождается от жидкости
и обеспечивает поступление воздуха в зону действия аэратора. В не-
которых случаях импеллеры работают по принципу вовлечения
воздуха движущейся по трубе вниз к ротору жидкостью, т. е.
труба не освобождается полностью от жидкости, но расход ее через
трубу регулируется. При этом ротор может быть выполнен в виде
винта, лопастного колеса, турбин с различным профилем лопастей
для обеспечения наиболее эффективного вовлечения воздуха. К ним
можно отнести импеллер Дурова, Писта, «Кавитатор». Все импел-
леры имеют вертикальную ось вращения. При этом жидкость, вы-
брасываемая из аэратора внизу трубы, поднимается через аэротенк
и снова поступает в трубу сверху.
Кавитатор, разработанный Институтом химии древесины Ака-
демии наук Латвийской ССР, выполнен в виде пустотелого зубча-
5 J
того колеса, ПОЛОСТЬ которого связана с воздухом атмосферы тру-
бой. Для выхода воздуха в жидкость колесо имеет специальные от-
верстия. Производительность кавитатора 4,5—6 кг кислорода в 1 ч
при глубине погружения ротора 90—100 см.
Следует, однако, иметь в виду, что в связи с относительно боль-
шой глубиной погружения импеллерных аэраторов для преодоле-
ния статического напора жидкости приходится развивать высокую
скорость вращения (иногда до 15 м/сек по периферии диска), что
ведет к значительному потреблению энергии даже при малых разме-
рах ротора, а это в свою очередь не позволяет применять аэраторы
данной конструкции крупных размеров (диаметром более 1 м). Об
этом свидетельствует крайне малое распространение импеллерных
аэраторов в практике аэрации сточных вод. Наиболее широкое
распространение из механических аэраторов получили аэраторы
поверхностного типа, особенностями которых являются незначитель-
ное погружение в жидкость и непосредственная связь ротора с воз-
духом атмосферы. Эта группа аэраторов характеризуется большим
разнообразием конструктивных решений, применяемых в настоя-
щее время-. Сюда можно отнести аэраторы типа «Симплекс», «Сим-
кар», «Диффума», дисковые, «Лайтнин», щетки Кессенера и их мо-
дификации (цилиндрические, Маммут, вальцовые и др.).
Аэратор «Симплекс» является одним из первых механических
аэраторов, в 30-е годы известный как аэратор системы Болтона. Он
представляет собой полый усеченный конус из листовой стали с рас-
ширенной частью, обращенной кверху. К внутренней поверхности
конуса прикреплено несколько лопастей специальной формы
(рис. III.7). Вверху, со стороны оси вращения, лопасти приварены
к колесу, ступица которого связана с валом, передающим вращение
от двигателя на конус. Конус погружен в жидкость так, что верх-
няя часть его высотой 5—20 см (в зависимости от производитель-
ности) выступает над уровнем жидкости в аэротенке. Внизу под
конусом устанавливается вертикальная труба, опирающаяся на
три регулируемые опоры. Конус связан с трубой с помощью спе-
циальной втулки, обеспечивающей плотность соединения вращаю-
щегося конуса и неподвижной трубы. При вращении относительно
вертикальной оси конус выбрасывает жидкость, разбрызгивая ее над
уровнем жидкости в аэротенке, в процессе чего жидкость аэрирует-
ся. Английская фирма «Амес Кроста Миллс» и другие фирмы выпуска-
ют аэраторы «Симплекс» диаметром 0,6—3 м, предназначаемые для
очистных сооружений различной производительности. Наличие
трубы-стабилизатора под конусом позволяет создать хорошие гидро-
динамические условия даже при глубине аэротенка до 3—5 м.
Модификацией «Симплекса» является разработанная фирмой
«Еоменс Клоу» конструкция аэратора «Сигма», у которого лопасти
прикреплены к вращающемуся кольцу. Форма и размеры лопастей
таковы, чтобы способствовать наибольшей производительности аэра-
тора по перекачиванию жидкости при низком напоре. Аэраторы
«Сигма» также выпускаются нескольких типоразмеров.
60
Аэратор «Симкар» представ-
ляет собой опрокинутый невы-
сокий конус, но в отличие от
«Симплекса» конус не усечен и
лопасти крепятся к нему с на-
ружной стороны почти радиаль-
но и отходят от вершины кону-
са. Конус вращается относи-
тельно вертикальной оси с
определенной скоростью, зада-
ваемой расчетом. Фирмой «Эйм-
ко Корпорэйшн» этот аэратор
выпускается девяти типоразме-
ров диаметром 0,6 — 3,55 м
(мощность электродвигателя
0,5— 100 кет).
Аэратор «Диффума» представ-
ляет собой насос с одно-
сторонним осевым входом жид-
кости. Турбина имеет не-
сколько изогнутых лопастей,
идущих от ее центра до перифе-
рийной кромки. Боковая по-
верхность турбины не имеет
направляющего аппарата, т. е.
открыта, и через нее происхо-
дит выброс жидкости отдельны-
ми компактными струями. Жид-
кость входит в турбину снизу
через центральный патрубок,
являющийся составной частью
турбины и имеющий направляю-
щий аппарат на входе (рис.II 1.8).
Поскольку верхний диск турбины
не имеет отверстий для входа воз-
духа, то внутренняя часть турби-
ны связана с атмосферным возду-
хом трубой. Турбина вращается
относительно вертикальной оси
со скоростью 3,5—4 м/сек на
краю диска.
Дисковый аэратор предствля-
ет собой диск, с нижней стороны
которого крепятся радиально
направленные лопасти. Диск вра-
щается относительно вертикаль-
ной оси со скоростью 3,5—4,5
м/сек в зависимости от диаметра
Рис. III.7. Аэратор «Симплекс»
Рис. III.8. Аэратор «Диффума»
Рис. III.9. Аэратор «Лайтнин»
61
аэратора. За рубежом наиболее широкое распространение получили
эти аэраторы, разработанные фирмой «Лурги» (ФРГ) и фирмой
«Инфилко» (США), диаметром 0,5—4,5 м и производительностью
0,08—5 т кислорода в сутки.
Кафедрой канализации МИСИ им. В. В. Куйбышева также раз-
работана конструкция дискового аэратора, имеющая в отличие от
аэраторов «Лурги» и «Инфилко» стабилизатор потока, устанавливае-
мый под аэратором с небольшим зазором.
Аэратор «Лайтнин» представляет собой полностью открытую
турбину, т. е. лопасти (обычно четыре) прикреплены непосредствен-
но к валу и наклонены под углом 45° к горизонту (рис. III.9),
скорость их вращения, как правило, 30—60 об/мин. (в зависимости
от диаметра). Иногда вал удлиняется почти до дна аэротенка и
на нем навешивается еще одна турбина меньшего диаметра для
улучшения перемешивания жидкости у дна. Аэратор «Лайтнин»
вызывает высокую поверхностную скорость движения жидкости
и интенсивную турбулизацию потока даже на значительном уда-
лении от аэратора, что весьма благоприятно отражается на про-
цессе аэрации.
Аэратор системы «Кессенер» является одним из первых меха-
нических аэраторов. Первоначально он представлял собой цилиндр,
поверхность которого была покрыта металлическим ворсом из
нержавеющей стальной проволоки диаметром 1—2 мм (подобно
щеткам подметальных машин). Аэратор имел 12 «гребней» из ворса,
которые вставлялись в специальные прорези на валу диаметром
8 см, образуя таким образом щетку диаметром до 40 см. Скорость
вращения вала относительно горизонтальной оси составляла до
100 об/мин. Вал поддерживался цапфами подшипников, установлен-
ных через каждые 3 м. Подшипники изготовлялись из бокаута (же-
лезного дерева), угля, ламинированного пластика или любого другого
материала, пригодного для водяной смазки. Последняя осуществля-
лась сточной жидкостью, набиравшейся черпачком, который был
прикреплен на валу рядом с подшипником. Аэратор погружался
в жидкость на глубину 10—12 см, а для обеспечения необходимых
гидродинамических условий аэротенк устраивали определенной
формы (сечения) и применяли отражательные перегородки. Глуби-
на погружения аэратора регулировалась с помощью водослива.
В последние годы было разработано несколько модифика-
ций аэратора Кессенера, в которых вместо ворса применены либо
стальные пластинки, либо стальные уголки, приваренные или
вставленные в специальные зажимы на цилиндрическом валу. Из-
вестны аэраторы этого класса под названием цилиндрические, валь-
цовые (или «Маммут») и «Каге-ротор» (своего рода цилиндрическая
клетка).
Цилиндрические аэраторы представляют собой вал, к которому
приварены пластины шириной 50 мм, устанавливаемые, как прави-
ло, через 50 мм друг от друга. Иногда вместо пластин устанавливают-
ся уголки сечением 50 X 50 мм. Наиболее полно цилиндрические
62
5
аэраторы в Советском Союзе изучены в НИКТИ городского хозяй-
ства УССР.
Вальцовые аэраторы представляют собой тот же цилиндриче-
ский аэратор, но при этом цилиндр набирается из нескольких
вальцов (от одного до восьми). Длина каждого вальца составляет
около 3 м. Мощность электродвигателя для аэратора из восьми валь-
цов около 22 кет. Разновидностью вальцового аэратора является
«Маммут-аэратор», разработанный фирмой «Пассавант» (ФРГ). Его
диаметр 1 м, длина лопаток 30 см. Лопатки крепятся к цилиндриче-
скому валу диаметром 40 см. Применение такого вала позволяет
увеличить расстояние между опорами
до 8 м. Обычно аэратор набирается
из нескольких цилиндров, имеющих
один общий привод, и 'предназна-
чается для аэрации жидкости в ка-
налах различной ширины (мощность
электродвигателя до 75 кет).
Клеточный («Каге-ротор») аэратор
представляет собой цилиндрический
вал с двумя дисками на его концах.
По периферии дисков параллельно
валу прикреплено 12 Т-образных
балок, под прямым углом к которым
болтами крепятся стальные лопатки
длиной 15 см, шириной 5 см и толщи-
ной 0,5 см на расстоянии 5 см друг
от друга, образуя общий диаметр
аэратора 70 см. Аэратор также наби-
рается из нескольких звеньев.
К этому же классу аэраторов
следует отнести и механические
аэраторы, состоящие из погруж-
ного (или непогружного) насоса
и вертикально установленной трубы. Насос перекачивает жидкость
по трубе вверх, где имеется диффузор (он может иметь различную
форму в зависимости от требований), который рассеивает жидкость
либо до капель определенной величины, либо до струй, траектория
падения которых также контролируется (аэратор «Аква-лейтер»),
Иногда вместо диффузора над трубой устанавливают дефлектор,
который отклоняет вертикальный поток в горизонтальном направ-
лении. В результате перекачки больших объемов жидкости в аэро-
тенке наблюдается высокая турбулентность, приводящая к интен-
сивному массообмену. Мощность таких аэраторов может быть до
75 кет.
Разновидностью механической аэрации является аэрация, осно-
ванная на вовлечении воздуха струей жидкости. Жидкость пода-
ется насосом, который устанавливают за пределами аэротенка (рис.
III. 10), по трубе на определенную высоту, откуда под собст-
Рис. III.10. Аэрационная на-
сосная установка
1 — бетонный резервуар; 2 — на-
сос; 3 — электродвигатель; 4 — вер-
тикальная труба с камерой для по-
дачи воздуха; 5 — подача возду-
ха; 6 — перекрытие; 7 — электро-
двигатель; 8 — направляющий па-
трубок
63
венной тяжестью она сбрасывается по трубе 4 в резервуар, вовле-
кая воздух.
На том же принципе основано действие каскадно-адгезионных
установок, применяемых для флотации нефтепродуктов из сточных
вод.
Сюда же, хотя и несколько условно, можно отнести и аэрацию
с помощью водосливов, представляющих собой каскад перегородок
высотой 0,6—1 м, при падении жидкости с которых происходят про-
цесс вовлечения воздуха и аэрация жидкости. Расчеты показывают,
что при падении с такого водослива жидкость имеет скорость в пре-
делах 3,5—4,5 м!сек, т. е. такую же, что и на выходе из механических
аэраторов.
Механическая система аэрации обладает целым рядом сущест-
венных преимуществ перед системой пневматической. К ним следует
отнести исключение из системы аэрации воздухораспределительных
устройств, способных к «забиванию» и зарастанию (в особенности
пористых диффузоров); системы воздухоподводящих коммуника-
ций, воздуходувок и воздухоочистительных фильтров. Кроме того,
механические аэраторы, как показывает приведенный выше анализ,
просты в конструктивном отношении и доступны осмотру, ремонт
их провести значительно проще, чем пневматических. Наиболее
широкое распространение в настоящее время получили поверхност-
ные механические аэраторы. Для их ремонта вообще не требуется
остановка и опорожнение аэротенка.
К недостаткам механических аэраторов следует отнести то, что
они требуют специальных мероприятий для обеспечения вертикаль-
ной циркуляции жидкости, что заставляет уменьшать глубину аэро-
тенка, а следовательно, увеличивать их площадь. При значитель-
ных мощностях очистных сооружений требуется большое количество
аэраторов, что усложняет их эксплуатацию. Поэтому считалось, что
применение механических аэраторов следует ограничить произво-
дительностью 6—10 тыс. м3 сточных вод в сутки. Некоторые исследо-
ватели высказывают мнение, что в настоящее время диапазон
применимости механических аэраторов может быть увеличен
до 50—60 тыс. м3 сточных вод в сутки. Однако известно, чтоб зару-
бежной практике механические аэраторы применяются даже на круп-
ных очистных сооружениях (например, Южная станция в Лондоне,
станции в Бомбее, Оттаве и других городах).
Все это говорит о том, что вопрос о диапазоне применимости
механических поверхностных аэраторов еще далеко не изучен, и толь-
ко накопление опыта позволит определенно сказать об экономиче-
ской целесообразности применения их на средних и крупных очист-
ных сооружениях.
3. Комбинированная система аэрации
Эта система характерна сочетанием пневматических и механиче-
ских аэраторов. При этом сочетание может быть самым разнообраз-
ным в конструктивном отношении. Наиболее ранней попыткой уст-
64
ройства комбинированной аэрации является применение эжекто-
ров. Одним из таких аэраторов является струйный аэратор фирмы
«Америкэн Уэлл Уоркс». Жидкость под давлением 1,05—1,75 кгс!см2
качается по трубе, располагаемой вдоль аэротенка, у его дна.
Параллельно ей располагается воздухоподводящая труба. Обе
трубы через определенные расстояния связаны соединительными
трубами, в которых находятся сопла, устроенные так, что выходя-
щая жидкость вовлекает воздух.
Другим аэратором этой системы является разработанное в 1947 г.
фирмой «Уолкер процесс» устройство для дробления сравнительно
крупных пузырей воздуха струей жидкости. При этом жидкость
перекачивается эрлифтом по трубопроводу, под которым расположен
воздуховод. Жидкость из трубопровода выбрасывается вниз через
сопло сечением 3,8 X 1,6 см и направляется в розетку диаметром
7,6 см, насаженную на воздухораспределителе (см. рис. III.4, а).
Воздух поступает в розетку через четыре отверстия диаметром
0,6—1,3 см в зависимости от производительности аэратора. Избы-
точное давление жидкости не превышает 0,9 м вод. ст. при расходе
жидкости 0,9—1,1 л/сек для диспергирования от 0,1 до 0,6 м3 воз-
духа в 1 мин. В настоящее время эта система практически не при-
меняется из-за создания более совершенных систем диспергирова-
ния воздуха. К этому же виду аэрации следует отнести и эжек-
ционную аэрацию с вовлечением воздуха из атмосферы с помощью
различных сопел, хорошо изученную в Каунасском политехни-
ческом институте.
Наибольшее распространение из комбинированных аэраторов
получили турбинные аэраторы, разработанные фирмами «Дорр-
Оливер» и «Пермутит».
Турбинный аэратор фирмы «Дорр-Оливер» представляет собой
одну-две (и более) турбины, 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. Под нижней турбиной располагается перфорирован-
ное воздухораспределительное кольцо, в которое подается воздух
от воздуходувок (рис. III.11).
Воздух выходит из кольца по периферии нижней турбины, бла-
годаря действию которой он тонко диспергируется и хорошо переме-
шивается. В Южной Дакоте для очистки смешанных бытовых и про-
изводственных сточных вод применены 24 таких аэратора мощнос-
тью каждый около 20 кет.
Аэратор фирмы «Пермутит» использует две турбины. Нижняя
также помещается у дна аэротенка над перфорированным кольцом
для диспергирования воздуха, выходящего сравнительно крупными
пузырями из кольца. Верхняя же турбина расположена около по-
верхности и работает как поверхностный аэратор. Таким образом,
аэратор выполняет три функции: диспергирование воздуха, под-
держание активного ила во взвешенном состоянии нижней турбиной
и поверхностную аэрацию верхней турбиной. Аэратор выпускается
3 Зак. 1265
65
нескольких типоразмеров диаметром 0,6—1,5 м с мощностью элек-
тродвигателя 5—75 кет.
Турбинные аэраторы могут с успехом применяться для очистки
сточных вод с высокой концентрацией взвешенных веществ (на-
пример, в бумажной промышленности), содержащих высокие кон-
центрации легкоокисляемых органических загрязнений.
Рис. III.11. Турбинный аэратор «Дорр-Оливер»
Анализ принципа работы комбинированных аэраторов показы-
вает, что они, сочетая элементы как пневматической, так и механиче-
ской систем, обладают отдельными достоинствами и недостатками
указанных систем, занимая промежуточное между ними положение.
4. Диффузия кислорода в жидкость
В применяемых в настоящее время системах аэрации функцию
«поставщика» кислорода в жидкость выполняет воздух, подавае-
мый в аэротенк или с помощью воздуходувок через систему под-
водящих и распределительных воздуховодов, или непосредственно
из атмосферы вовлечением его вращающимся ротором. Распределение
воздуха в аэротенке производится аэратором, из которого воздух
выходит в виде отдельных пузырьков, контактирующих с жидкостью
и передающих ей кислород. В некоторых случаях в очищаемую жид-
кость подается не воздух, а кислород.
Кислород является гйзом,малорастворимым s-воде. Концентра-
ция насыщения его в водопровощнцщша11^.Д1ри^2(ГС и давлении
760 мм рт. ст. составляет 9,17 г/лё. Процесс растворения кислоро-
да в воде является диффузиб*нным"процессом («массопередача», «мас-
соперенос»), проходящим в двухфазной системе: газ (воздух) —
жидкость (вода). Силой, вызывающей этот процесс, является гра-
диент концентрации растворенного кислорода в жидкой среде. При
этом процесс массопередачи диффузией происходит через поверх-
ность раздела фаз и его скорость определяется законом Фика:
— = —D — , (HI.1)
dt dt
dm
где --------скорость массопередачи;
D — коэффициент диффузии газа в жидкости или коли-
чество газа, переносимое через единицу поверхности
в единицу времени (физическая константа);
de
— — градиент концентрации в направлении, нормальном
к площади диффузии.
Знак минус в формуле (II 1.1) означает, что процесс массопере-
дачи идет в сторону понижения концентрации диффундирующего
газа.
Наиболее ранней попыткой описать механизм массопередачи
была «пленочная теория» Льюиса и Уитмена, введших понятие двой-
ной пленки на границе раздела фаз — фазовой и жидкой. При
этом полагается, что обе «пленки» находятся в ламинарном движении,
тогда как вся остальная жидкость и весь объем газа находятся
в турбулентном движении и что в них, следовательно, устанавливает-
ся равномерная концентрация по всему объему. Процесс массопере-
дачи протекает только за счет молекулярной диффузии и сравни-
тельно медленно, в связи с чем пренебрегают зависимостью коэффи-
циента диффузии от концентрации диффундирующего элемента,
т. е. коэффициент D в выражении (III. 1) полагают величиной, по-
стоянной для данной двухфазной системы.
Каждая пленка обладает определенным сопротивлением массо-
передаче, которое характеризуется коэффициентом сопротивления
диффузии.
Поскольку для малорастворимых в жидкости газов фактором,
лимитирующим скорость массопередачи, будет сопротивление диф-
фузии жидкой пленки (диффузность в газе в 104 раз выше, чем
в жидкости), то уравнение (III.1) преобразуется в форму
— =— — Л(Сз — С), (Ш.2)
dt у
где у — толщина жидкой пленки;
А — площадь межфазового контакта;
Cs — концентрация насыщения жидкости газом;
С — концентрация растворенного в жидкости газа.
3*
67
Отношение коэффициента диффузий к толщине жидкой пленки,
называемое коэффициентом массопередачи жидкой пленки Къ,
равно:
KL = D!y. (II 1.3)
Тогда уравнение (II 1.2) принимает вид
~ = KlA{Cs~C). (III.4)
at
Коэффициентом сопротивления диффузии принято называть
величину, обратную коэффициенту массопередачи, т. е. 1/Kl- Если
учитывается и сопротивление газовой пленки, то общее сопротив-
ление диффузии обеих пленок будет равно сумме частных, т. е.
— 1— = —— -lJL, (Ш.5)
общ ^Ьгаз %L
где Кггаз — коэффициент массопередачи газовой пленки;
ф — коэффициент распределения, который по Льюису
и Уитмену принимают равным отношению концен-
траций диффундирующего компонента по обе сто-
роны от границы раздела фаз.
Уравнение (III.5) получило название уравнения аддитивности
сопротивлений.
Таким образом, основные положения двухпленочной теории
Льюиса—Уитмена можно сформулировать следующим образом.
1. Массопередача осуществляется только путем молекулярной
диффузии в направлении, перпендикулярном поверхности раздела
фаз.
2. Изменение концентраций диффундирующего вещества про-
исходит в тонких пленках, примыкающих к границе раздела фаз;
концентрации же этого вещества в основном объеме газа и жидкости
являются равномерными для каждой фазы.
3. Поскольку скорость молекулярной диффузии сравнительно
мала, то на границе раздела фаз успевает установиться равновесие
концентраций, отношение которых равно коэффициенту распре-
деления.
4. Так как поверхностные пленки очень тонки, то количество
диффундирующего вещества, заключенного в них, значительно
меньше количества вещества, диффундирующего через них, и, сле-
довательно, концентрация этого вещества в пленке не зависит от
времени, что позволяет процесс диффузии считать квазистационар-
ным.
5. Общий коэффициент сопротивления процессу диффузии равен
сумме частных коэффициентов. Для газов малой растворимости
сопротивлением газовой пленки можно пренебречь.
В дальнейших исследованиях процесса массопередачи некоторые
положения теории Льюиса—Уитмена были подвергнуты критике,
68
как не отражающие действительную картину процесса. Хигби
полагал, что в жидкости, находящейся в турбулентном состоянии,
жидкая пленка на границе раздела фаз постоянно обновляется
жидкостью из более глубоких слоев. В момент обновления новый
элемент жидкой пленки имеет концентрацию растворенного газа,
равную средней концентрации всего объема жидкости. С течением
времени начинается молекулярная диффузия газа в эту пленку
и градиент концентрации достигает своего постоянного значения.
Поэтому, очевидно, коэффициент массопередачи должен изме-
няться во времени за любой период нахождения жидкого элемента
на границе раздела фаз. Исходя из этого Хигби считает, что кон-
центрация диффундирующего компонента на границе раздела фаз
является функцией времени их контакта, и поэтому первым этапом
процесса массопередачи должно быть «проницание» диффундирую-
щим компонентом самой жидкой пленки. Если «проницание» длит-
ся достаточно долго, то на границе раздела фаз успевает установить-
ся равновесное распределение концентраций, на котором основана
теория Льюиса и Уитмена. А так как в обычных условиях продол-
жительность контакта фаз значительно меньше «периода проница-
ния» или «времени экспозиции», то равновесие на границе раздела
фаз не реализуется и процесс массопередачи происходит путем не-
стационарной диффузии, которая и получила у него название «про-
ницания». Под периодом проницания с позиций современной физико-
химической гидродинамики понимается время релаксации диффу-
зионного пограничного слоя, т. е. время установления равновесных
концентраций на границе раздела фаз. При этом Хигби считает, что
на границе раздела фаз имеется ламинарный слой жидкости, кото-
рый всегда находится в движении относительно остального объема
жидкости. По отношению к газовой фазе элемент этого слоя можно
рассматривать неподвижным (так как движением элемента относи-
тельно газовой фазы под действием собственного веса можно прене-
бречь из-за малого его веса), т. е. он движется со скоростью газовой
фазы как единое целое. В течение определенного времени происхо-
дит массопередача газа в этот элемент путем нестационарной моле-
кулярной диффузии до тех пор, пока он не сольется с остальным
объемом жидкости. Процесс массопередачи определяется уравне-
нием (II 1.2).
Приняв коэффициент диффузии постоянным, а толщину жидкого
слоя бесконечной, концентрация диффундировавшего в него
компонента на расстоянии х будет равна:
г е ~х*
С,= С + —f e4Di dx, (Ш.6)
~\/nDt *
где С — первоначальная концентрация диффундировавшего эле-
мента в жидком элементе;
t — время с момента экспозиции;
х — расстояние от границы раздела фаз.
69
Количество газа, диффундировавшего в жидкость за «время
экспозиции» te,
f=2(Cs—С)|/ (Ш.7)
Отсюда коэффициент массопередачи определится как
Кь=2|/4-’ (Ш-8)
У Ме
За время экспозиции Хигби принимает время, в течение кото-
рого пузырек газа переместится на расстояние, равное его диаметру,
т. е.
te = dn/vn; (III.9)
где dn — диаметр пузырька газа;
vn — скорость подъема пузырька.
За это время пленка жидкости, контактирующая с газовым пу-
зырьком, обновится и процесс нестационарной диффузии повторит-
ся.
Как видно из уравнения (III.8), коэффициент массопередачи
увеличивается с уменьшением времени экспозиции. Другими сло-
вами, с увеличением интенсивности перемешивания коэффициент
массопередачи возрастает. Однако, как показал Хигби, это возра-
стание не является бесконечным. Повышение интенсивностй пере-
мешивания фаз выше определенного предела бесполезно, так как,
по-видимому, существует какое-то максимальное или первоначаль-
ное значение скорости массопередачи, к которому приближаются,
сокращая «время экспозиции».
Идею кратковременного насыщения элемента жидкой поверх-
ности путем нестационарной диффузии использовал позднее Киши-
невский. Но в отличие от Хигби он считал, что массопередача в плен-
ку осуществляется не молекулярной, а турбулентной диффузией,
происходящей при турбулентном режиме движения жидкости за
счет ее беспорядочного перемешивания вследствие турбулентных
пульсаций. Массопередача при этом характеризуется коэффициентом
турбулентной диффузии £)т и скорость ее определяется как
(ШЛО)
at at
Величина DT в отличие от величины D не является физико-
химической константой, а скорее служит характеристикой гидро-
динамических условий среды.
Коэффициент массопередачи определяется по формуле
Kl = 21/4- (III.11)
у лг
При этом время обновления поверхности t Кишиневский пред-
лагает определять для пузырьков газа как длительность прохожде-
70
ния пузырьком расстояния, равного его радиусу (а не диаметру,
как у Хигби).
Дальнейшее развитие теория «проницания» Хигби получила
в работе Данквертса, который ставит под сомнение существование
ламинарной пленки на границе раздела фаз. По его мнению, тур-
булентные вихри достигают границы раздела фаз и элементы жид-
кости находятся в контакте с газовой фазой в течение какого-то
времени, по истечении которого заменяются новыми. При этом
предполагается чисто молекулярный механизм диффузии и вводит-
ся понятие вероятности смены каждого элемента жидкости новым
элементом или спектра времен пребывания жидких элементов на
поверхности раздела. Турбулентные вихри жидкости и газа непре-
рывно подходят к границе раздела фаз, имея при этом концентра-
ции диффундирующего компонента, равные концентрациям его
в ядре жидкого потока и пузырька газа. На границе раздела фаз
мгновенно устанавливается равновесие, и дальнейшее насыщение
свежего элемента жидкости происходит за счет молекулярной диф-
фузии до тех пор, пока новый турбулентный вихрь не передаст
этот частично насыщенный элемент в ядро потока. Величина
элемента жидкости принимается достаточно большой, так что фронт
диффузии не успевает дойти до границы элемента за время контакта.
Вероятность смены данного элемента жидкости новым не зависит
от возраста элемента, а средняя скорость обновления поверхности
жидкости, контактирующей с газовой фазой, зависит от гидродина-
мических условий и является величиной, постоянной при устано-
вившемся режиме. Для характеристики этой скорости вводится по-
нятие фактора обновления поверхности S, равного доле поверхности,
которая обновляется в единицу времени. Коэффициент массопере-
дачи определяется как
Kl=KDS. (III. 12)
При этом Данкверте не предлагает какого-либо конкретного
подхода для определения величины S. Им не учитывается также воз-
можность того, что не все пульсации турбулентных вихрей могут
достигать границы раздела фаз, считая, что масштаб турбулентно-
сти намного выше «глубины проницания» диффундирующего компо-
нента от поверхности раздела фаз. При выводе приведенных выше
уравнений Данкверте, как и Хигби, исходил из неограниченной
высоты колонны (глубины жидкости).
Аналогичной точки зрения на отсутствие ламинарной пленки
на границе раздела фаз придерживался и Доббинс. Но в отличие
от Данквертса он считал, что на коэффициент массопередачи влияют
также параметры колонны. Поэтому уравнение коэффициента массо-
передачи, полученное им, имело вид
Kz.= yDStg|/S+^ , (HI.13)
где Н и d — высота и диаметр колонны.
71
Позже, однако, Доббинс изменил свою точку зрения и признал
существование пленки в динамическом смысле: пленка существует
как таковая, но молекулы, ее составляющие, заменяются произ-
вольно. При этих условиях уравнение (III. 13) принимает вид
/fL = KOSctg (III.14)
где I —• длина смешения фаз.
Однако, по его мнению, при нормальной температуре в боль-
1 / S12
шинстве практических случаев величина ctg у приближается
к единице и уравнение (III. 14) обращается в уравнение (III. 12).
Тем не менее им тоже не было предложено метода определения ве-
личины S. Такая попытка была сделана Кэмпом для случая массо-
передачи из поднимающихся пузырьков газа. Он получил уравнение
S = /n-^, (III.15)
da
где т — константа пропорциональности.
Поэтому по аналогии с уравнением (III. 12) Кэмп развил урав-
нение для определения коэффициента массопередачи
= (III.16)
F da
Пенетрационная модель Хигби получила дальнейшее развитие
в работах Рукенштейна и Харриота. Рукенштейн считает, что вдоль
границы раздела фаз образуется пограничный ламинарный слой
таким образом, что каждый его элемент толщиной проходит вдоль
границы раздела только отрезок длиной /0 и затем растворяется
в массе жидкости. Величина отрезка /0 будет определяться гидро-
динамическими условиями, а именно, средней скоростью движения
элемента на начальном участке каждого отрезка. При этом вели-
чины отрезка /0 и скорость v0 связаны зависимостью
f0/0«v, (III.17)
где v — кинематический коэффициент вязкости жидкости.
Скорость v0 определяется как зависимость
(III.18)
где <т0 — касательное напряжение вблизи раздела фаз;
р — плотность жидкости.
Значение коэффициента массопередачи (как среднее) определит-
ся как
K^=0'68Z,Ur(ir- (Ш19>
72
Харриот в своем подходе к механизму массопередачи исходил
из того, что не все турбулентные пульсации, осуществляющие пере-
нос растворенного компонента з глубь потока жидкости, могут
проникать к границе раздела фаз. Поэтому наряду со спектром
времени пребывания элемента жидкости на границе раздела фаз
(как у Данквертса) он рассматривает также и спектр расстояний,
с которых турбулентные пульсации могут доходить до границы
раздела. Здесь Харриот вплотную подошел к современным взгля-
дам на механизм массопередачи, но при этом не сделал попытки
описать спектр расстояний исходя из представлений о структуре
турбулентного потока.
Наиболее полное отражение механизм массопередачи получил
в теории В. Левина о диффузионном пограничном слое, развитой
на основе современных представлений гидродинамики турбулентных
потоков. Эта теория учитывает как молекулярную, так и конвек-
тивную диффузию, т. е. перенос вещества потоком жидкости, который
имеет место в гидродинамическом пограничном слое главным обра-
зом в результате проникания в него турбулентных пульсаций. Мо-
лекулярный перенос становится определяющим лишь в узкой обла-
сти около границы раздела, где коэффициент турбулентной диффу-
зии меньше молекулярного. Диффузионный пограничный слой
принципиально отличается от жидкой пленки Льюиса—Уитмена,
так как его толщина зависит от гидродинамических условий, свойств
жидкости и собственно коэффициента диффузии. В этом слое проис-
ходит резкое изменение концентрации и толщина его определится
уравнением
i/ = D7.v*/. j/jL, (III.20)
где v0 — скорость набегания турбулентного потока.
Таким образом, величина у в теории Левина приобрела новый
смысл и, как видно из уравнения (III.20), она не обладает фиксиро-
ванным значением, а поэтому этот слой не имеет четко выраженной
границы. Толщина слоя будет зависеть от гидродинамических усло-
вий и определяться законом затухания турбулентных пульсаций
в вязком подслое.
Однако закон затухания турбулентных пульсаций даже вблизи
твердых стенок, уже не говоря о пульсациях вблизи подвижных
фаз (газ—жидкость, жидкость—жидкость), как теоретически,
так и экспериментально является еще малоизученным, что препят-
ствует дальнейшему развитию теории массопередачи и более строго-
му теоретическому обоснованию метода определения коэффициента
массопередачи.
Нужно отметить, что каждая из описанных выше теорий массо-
передачи подвергалась как теоретическому углублению, так и эк-
спериментальной проверке различными исследователями. При этом
в разных работах подвергаются критике различные аспекты той
73
или иной теории. Так, например, В. Кафаров вообще отрицает на-
личие диффузионного слоя в системах «жидкость — жидкость».
По мнению Р. Кишиневского и В. Кафарова, с ростом турбулент-
ности фаз влияние молекулярной диффузии на коэффициент массо-
передачи резко сокращается. Как уже было показано выше, осо-
бенно сильной критике подверглась двухпленочная теория Льюиса—
Уитмена. Тем не менее некоторые исследователи считают, что, не-
смотря на некорректность отдельных допущений этой теории, до
настоящего времени не потеряли своего значения допущение о на-
личии равновесной концентрации, на границе раздела фаз и вывод
об аддитивности сопротивлений, а основные уравнения массопере-
дачи в форме (II 1.3), (II 1.5) и (II 1.6) для достаточно интенсивного
перемешивания в обеих фазах остаются в силе. Теория обновления
поверхности также подвергалась критике, однако эта теория полу-
чает все более широкое распространение. В целом ряде работ под-
тверждается зависимость коэффициента массопередачи от гидроди-
намических условий в системе и делаются попытки объяснить те или
иные факторы, характеризующие процесс массопередачи.
Анализируя приведенные выше данные, можно записать, что
коэффициент массопередачи зависит от коэффициента диффузии,
т. е.
(1П.21)
При этом для пленочной теории Льюиса—Уитмена величина
/= 1, а для теории обновления поверхности Хигби—Данквертса
величина f = 0,5 . Исходя из этого Тур и Марчелло сделали попыт-
ку объединить эти две теории в одну, полагая, что они являются
лишь двумя крайними случаями общей теории массопередачи, т. е.
пленочно-пенетрационной. При этом они полагают, что жидкие эле-
менты, находящиеся на межфазовой границе, непрерывно обновляют-
ся за счет турбулентных вихрей, приходящихся на поверхность
из ядра потока. Если такое обновление происходит достаточно бы-
стро и часто, то процесс молекулярной диффузии, осуществляющей-
ся в период между вихрями, будет нестационарным и подчиняется
теории Хигби. Если же на границе раздела фаз будет успевать уста-
навливаться равновесная концентрация, то массопередача будет
подчиняться законам пленочной теории. А поскольку в реальных
условиях скорости ухода и прихода вихрей могут быть самыми разно-
образными, то имеют место как стационарный, так и нестационарный
режимы переноса. Количественный учет массопередачи осуществ-
ляется с помощью элемента I, т. е. некоторого конечного расстоя-
ния от границы раздела фаз до точки, где концентрация является
постоянной, по крайней мере, в течение времени пребывания элемен-
та жидкости на поверхности.
При малых скоростях обновления поверхности величина I ста-
новится равной толщине жидкой пленки на границе раздела фаз у,
входящей в уравнение (III.3), и коэффициент массопередачи опре-
деляется по этому уравнению; при величине I -> оо коэффициент
74
массопередачи определяется уравнением Хигби. Однако физический
смысл величины I остается неясным.
Такого же взгляда придерживался и Кинг, предложивший модель
массопередачи, учитывающую как обновление поверхности раздела
фаз, так и затухание турбулентных вихрей в этой области. При этом
он полагает, что в зависимости от состояния фаз модель может быть
рассмотрена с точек зрения как теории проницания, так и пле-
ночной и пленочно-пенетрационной теории. Однако в связи с труд-
ностью выявления возраста элемента практическое использование
модели, по мнению Кинга, также затруднено. Массопередача кисло-
рода в окружающую жидкость происходит из отдельных пузырьков
воздуха. При этом пузырек воздуха движется с определенной ско-
ростью от места выхода из аэратора до выхода на поверхность жид-
кости. Жидкость, соприкасающаяся с пузырьком, также движется,
и скорость ее движения зависит от условий аэрации. Поэтому про-
должительность контакта пузырька воздуха с жидкостью будет за-
висеть от скорости движения пузырька относительножидкости. а так-
же от скорости движения и направления движения самой жидкости
в аэротенке. ~ "
Перенос кислорода из пузырька воздуха в жидкость происхо-
дит в три фазы: а) в момент образования пузырька; б) при прохожде-
нии его через слой жидко'стйЦЗв^в момент выхода пузырька на
поверхность.
В пневматических системах аэрации пузырьки воздуха образуют-
ся при выходе из отверстия аэратора. При этом пузырек как бы
постепенно увеличивается и, достигая определенного размера, от-
рывается от поверхнрсти аэратора.. В момент образования пузырька
происходит очень интенсивное обновление поверхности контакта
фаз. Движение оторвавшегося от отверстия пузырька на некотором
расстоянии от аэратора стабилизируется, и пузырек поднимается
через слой жидкости с определенной конечной скоростью, поэтому
скорость массопередачи в этой фазе можно считать постоян-
ной. При выходе пузырька на поверхность жидкости он лопается и
сбрасывает в жидкость насыщенную кислородом пленку. Кроме того,
движение жйдкостйв аэротенке способствует поступлению кисло-
рода через поверхность жидкости из воздуха атмосферы.
Принимая во внимание сказанное выше, уравнение (III.4)
примет вид
(С5ф-Сф) + 4 (С5д-С„) +
+KL,A(Cs,-C,)+r„ (111.22)
где^Ф’ и — коэффициенты массопередачи соответственно для
фазы формации, подъема и выхода пузырька;
Аф, Лп и Ав — площади межфазного контакта в соответствую-
щих фазах существования пузырька;
гп — поступление кислорода через поверхность жид-
кости в аэротенке.
75
Были сделаны попытки дифференцированного определения ко-
эффициента массопередачи в каждой фазе. Так, Адени и Беккер пока-
зали, что в фазе подъема пузырька при скорости его подъема около
9 см/сек коэффициент массопередачи достигал значения 230 см/ч
на верхней части пузырька. При этом они отметили неодинаковую
скорость диффузии на поверхности пузырька. Коэффициент массо-
передачи через боковую поверхность составлял только 32 см/ч.
Они объясняют это более высокой скоростью обновления поверхности
на верхней части пузырька за счет большего значения поверхност-
ного сдвига. Преттл получил значение коэффициента массопередачи
во время подъема пузырька диаметром 0,03 см, равное 45 см/ч. Косвен-
ные вычисления Пасвира показали, что значение коэффициента
массопередачи для пузырьков диаметром 0,076—0,118 см колеблет-
ся в пределах 25—115 см/ч.
В фазе выхода пузырька воздуха на поверхность жидкости в аэро-
тенке значение коэффициента массопередачи Къв было определено
как экспоненциальная функция от скорости движения жидкости
на поверхности. При скорости движения жидкости 0,7—1,1 м/сек
Кинг получил значение Кдв = 40 4- 80 см/ч. С повышением турбу-
лентности коэффициент массопередачи на поверхности жидкости
также возрастает и может достигать значения 250 см/ч.
Что касается скорости процесса массопередачи в момент образо-
вания пузырька, то по этому вопросу имеется очень мало данных.
Так, Каунтс указывает, что количество кислорода, переданное
в жидкость в процессе образования пузырьков, может достигать
20—30% общего. Экстраполяция данных-Лэмашоказала. чтжодице-
ствожисдорода, пепешедшет в жидкость в процессе формирования
пузырьков в аэротенке глубиной около составило. _25% обще-
го, причем это количество значительно изменялось ^-изменением
Расходд-доздуха. размера отверстий в аэраторе, глубины аэротенка.
Анализ уравнения (II 1.4) показывает, что скорость массопере-
дачи зависит от площади межфазового контакта и коэффициента
массопередачи (при условии поддержания постоянной концентра-
ции растворенного в жидкости кислорода). Площадь межфазового
контакта зависит от размера пузырька, продолжительности его кон-
такта с жидкостью и количества пузырьков, находящихся одновре-
менно в жидкости. Для конкретной системы площадь раздела фаз
зависит от размера пузырька воздуха и скорости его всплывания
(при постоянстве расхода газа и глубине погружения аэратора).
А так как скорость всплывания пузырька также зависит от диаметра
пузырька, то можно записать
A^f(da). (Ш.23)
В свою очередь коэффициент массопередачи также зависит от
многих факторов не только физического, но и гидродинамического
характера. Помимо физико-химических свойств жидкости, таких,
как плотность, вязкость, наличие и состав загрязнений (в том числе
76
поверхностно-активных веществ), температура и др., на процесс
массопередачи большое влияние оказывают расход воздуха, ско-
рость его подачи, скорость движения жидкости и размер отверстий,
через которые выходит воздух, т. е. гидродинамические условия ре-
жима протекания процесса диффузии, определяющие размер пузырь-
ка, скорость его всплывания и длительность контакта с жидкостью
(те же параметры, что и для площади межфазового контакта). По-
этому рассмотрим факторы, влияющие на размер пузырька воздуха.
Размер пузырька воздуха зависит при прочих постоянных усло-
виях от размера отверстий аэратора, расхода воздуха и скорости
его выхода из отверстия. Установлено, что для пористых пластин
распределение пузырьков по размерам не зависит от вида пористой
пластины, а зависит только от скорости выхода воздуха. При этом
при малых расходах воздуха получается смесь маленьких устойчи-
вых пузырьков диаметром 1—2 мм; при больших расходах воздуха —
диаметром 3—4 мм. Другого размера пузырьков получить не уда-
ется (исследовалась пористая пластина толщиной 3 мм с размером
пор 5—70 мк при скорости выхода воздуха 0,028—22,6 см/сек
в пересчете на полное сечение колонны d = 150 мм при высоте
слоя жидкости над пластиной 400 мм и температуре воды 20° С).
При диаметре отверстий 0,5—2 мм была получена явная зави-
симость размеров пузырьков воздуха от его расхода через пластину.
Исследованиям подверглась перфорированная пластина при скорости
выхода воздуха 0,04—24,6 см/сек (то же в пересчете на полное сече-
ние колонны) при площади отверстий 0,041—1,48%). Были выявлены
три характерных режима образования пузырьков:
а) при малых скоростях движения воздуха размеры пузырьков
почти одинаковы и зависят от диаметра отверстий (da = ^о(верстия);
б) при увеличении скорости движения воздуха выше определен-
ного предела размер пузырьков становится произвольным из-за
их слияния или разрушения;
в) при дальнейшем увеличении скорости движения воздуха
образуются однородные по размеру пузырьки с малым диаметром.
Для малых скоростей газа диаметр пузырьков Азбель рекомендует
определять по уравнению
,,2
4=^. (III.24)
где — коэффициент сопротивления относительному движению
пузырьков газа;
v0—скорость подъема пузырьков в основной зоне барбо-
тирования;
g — ускорение силы тяжести.
Маккоуэн и Окун также показали, что при низких расходах
воздуха диаметр его пузырьков пропорционален диаметрам отвер-
стий, из которых он выходит. Для.диапазона расходов, обычно при-
77
меняемых в практике аэрации, средний диаметр пузырьков является
экспоненциальной функцией расхода воздуха, т. е.
dn=GnB, (III.25)
где п — показатель, зависящий от типа диффузора.
По данным Пасвира, исследовавшего четыре типа диффузоров,
показатель степени п изменялся в пределах от 0,1 до 0,44 для раз-
личных диффузоров.
Скорость всплывания пузырьков является функцией диаметра
пузырька, т. е. его объема. Однако, как показал Иппен, в определен-
ном диапазоне размеров пузырьков скорость подъема пузырька не
очень существенно зависит от его диаметра. Так, для пузырьков
диаметром 0,2—0,6 см скорость их подъема была около 23 см/сек.
При диаметре пузырьков 0,2—1,5 см скорость их всплывания
28—30 см1сек. Пузырьки большего диаметра имеют скорость
подъема 35—40 см/сек, но оказываются мало устойчивыми и дро-
бятся на более мелкие. При этом пузырьки диаметром до 0,2 см
поднимаются прямолинейно, а диаметром более 0,2—0,3 см — по
спирали.
Нужно отметить, что один и тот же пузырек за время своего
подъема не остается постоянным в объеме в результате диффузии
кислорода в жидкость, с одной стороны, и уменьшения гидростати-
ческого давления на него по мере подъема, с другой. Маккоуэн
и Окун методом фотографирования установили, что после переме-
щения на 2/3 высоты колонны пузырек имеет поверхность, на 20%
большую первоначальной. Естественно, что это приведет и к изме-
нению скорости подъема пузырька. Кроме того, на скорость подъе-
ма пузырька будут оказывать влияние гидродинамические условия
в аэротенке. Иппен отмечает, что в результате газонасыщенности
жидкости и повышенной турбулентности, приводящей к захвату
пузырей вихревыми потоками жидкости, конечная скорость подъема
будет несколько ниже, чем для пузырьков в колонне.
Различными исследователями были сделаны, попытки установить
зависимость коэффициента массопередачи от диаметра пузырька
с учетом скорости его подъема. Обработанные Барнхартом резуль-
таты некоторых исследований в этом направлении показали, что
коэффициент массопередачи достигает своего максимального значе-
ния при диаметре пузырьков 0,22—0,25 см и резко падает при уве-
личении их диаметра до 0,5 см (без учета глубины погружения аэра-
тора) или уменьшении его ниже 0,18—0,2 см.
Однако известно, что пузырек не всегда имеет сферическую форму,
определяемую диаметром da. В зависимости от скорости подъема
пузырьки изменяют свою форму и могут приобретать вид сплющен-
ного сфероида с большей осью, нормальной к направлению движе-
ния пузырька, что, в свою очередь, приводит к увеличению лобо-
вого сопротивления движению и уменьшению скорости его подъема.
78
Характер всплывания пузырьков хорошо описывается модифици-
рованным числом Рейнольдса, т. е.
Ре =-^5-. (III.26)
V
В зависимости от числа Рейнольдса могут быть выделены следую-
щие режимы всплывания пузырьков:
а) режим Стокса имеет место, когда пузырек строго сферической
формы, жидкость по отношению к стенкам пузырька находится
в состоянии «ползущего» движения, поверхность раздела фаз ведет
себя как твердое тело;
б) режим Адамара — пузырек имеет сферическую форму, но в от-
личие от режима Стокса скорость жидкости на границе раздела
фаз не равна нулю, т. е. наблюдается свободное движение поверх-
ности раздела фаз;
в) режим Левина соответствует движению пузырьков диамет-
ром менее 0,2 см; в отличие от режима Адамара здесь учитывает-
ся касательная составляющая скорости движения жидкости на
границе раздела фаз;
г) режим Тейлора имеет место, когда образуется сплющенный
сфероид.
По данным Хабермана и Мортона, при Re < 300 пузырьки
ведут себя как твердая сфера и всплывают прямолинейно либо по
спиральной кривой. При Re = 300 4- 4000 пузырьки имеют эллип-
тическую форму и поднимаются прямолинейно с покачивающимися
движениями. При Re > 4000 пузырьки имеют форму сферических
шляпок, т. е. имеет место режим всплывания Тейлора. При этом ра-
диус кривизны сфероида R зависит от объема пузырька V, т. е.
R = KV'!>, (III.27)
где К — постоянная, зависящая от степени отклонения свойств
реальной жидкости от ньютоновской.
Учитывая влияние гидродинамических факторов при определе-
нии коэффициента массопередачи, исследователи зачастую прибе-
гают к теории подобия, принимая по аналогии с массопередачей
на границе с твердой стенкой критериальные уравнения вида
Nu~RenPrm, (Ш.28)
где Nu — критерий Нуссельта (в американской и английской
литературе критерий Шервуда Sc), равный:
Nu=^^; (III.29)
Рг — критерий Прандтля (в американской и английской
литературе критерий Шмидта)
Pr=v/Z>. (III.30)
79
Однако уравнения этого типа не отражают влияния глубины
погружения аэратора. Некоторые исследователи считают, что глу-
бина слоя жидкости над аэратором не оказывает влияния на ко-
эффициент массопередачи. Но это противоречит современным пред-
ставлениям о механизме массопередачи из пузырьков воздуха.
Принимая во внимание высокую скорость массопередачи в момент
формирования пузырька, а также уменьшение парциального давле-
ния кислорода в пузырьке по мере его подъема, вполне логично ожи-
дать уменьшения коэффициента массопередачи с увеличением слоя
жидкости над аэратором.
Это подтверждается зависимостью коэффициента массопередачи
от скорости подъема пузырька для разных глубин, выраженной
Экенфельдером в виде
NuA*/. = /(Re)Pr*/2 (III.31)
или в развернутой форме
I"1-32)
где h — глубина слоя жидкости над аэратором.
Решая это уравнение относительно Кь, можно определить ко-
эффициент массопередачи жидкой пленки, а следовательно, и ско-
рость массопередачи.
В практике аэрации скорость массопередачи зачастую удобнее
выражать в единицах концентрации. С этой целью в уравнение
(II 1.4) вводится объем жидкости V, и тогда скорость массопередачи
через концентрацию определится
^-=Kl±(Cs-C). (Ш.ЗЗ)
Отношение AIV — площадь межфазового контакта, приходя-
щаяся на единицу объема жидкости, принято называть удельной
межфазовой площадью Ау. Произведение же этой площади на коэф-
фициент массопередачи называют объемным коэффициентом массо-
передачи, т. е.
KLa = KL~i/4. (Ш.34)
Тогда уравнение (Ш.ЗЗ) принимает вид
^ = Кьа(С5—С). (Ш.35)
Объемный коэффициент массопередачи может быть найден из
уравнения (III.32), решение которого приведет к виду
/ GRh'l* \
KLa=f М-— . (Ш.36)
\ ” «п /
80
А так как dn ж Gb, то уравнение (Ш.36) приобретает вид
Ята-=ЦуСГ'г/г,/а j . (Ш.37)
Показатель степени 2/3 для глубины более 1 м был подтвержден
различными исследователями при аэрации в высоких колоннах.
Было обнаружено, что его величина колеблется лишь в очень незна-
чительных пределах в зависимости от вида и параметров аэратора,
а также от его расположения в резервуаре. Так, для фильтросных
пластин, расположенных на дне аэротенка, значение показателя сте-
пени колебалось в пределах 0,71—0,77, а для спарджеров, распо-
ложенных на середине аэротенка, составляло 0,78.
Этот факт получил отражение в проекте СНиП новой редакции
(раздел «Аэротенки»), где коэффициент, зависящий от глубины по-
гружения аэратора, принят равным 1 при глубине 1 м и 3,3 при
глубине 6 м.
Показатель степени 1—и для расхода газа практически отра-
жает различие в размере пузырьков воздуха и влияние формы и раз-
меров аэротенка на распределение воздуха в нем. Для отверстий
малых диаметров этот показатель колеблется в пределах 0,8—1.
В случае применения дырчатых аэраторов (типа спарджеров)
с увеличенными расходами воздуха, а следовательно, повышения
турбулентности показатель 1—п колеблется в пределах 0,86—1,35.
Объемный коэффициент массопередачи также зависит от размера
пузырьков и скорости их всплывания. С одной стороны, с уменьше-
нием диаметра пузырька площадь межфазового контакта увеличи-
вается, что должно вести к увеличению объемного коэффициента
массопередачи. Однако с уменьшением диаметра пузырька умень-
шается скорость его подъема, что приводит к замедлению процесса
обновления поверхности пузырька, а следовательно, и к замедлению
процесса диффузии. Поэтому объемный коэффициент массопередачи
достигает своего максимального значения при пузырьке воздуха
диаметром 0,22—0,25 см, являющимся наиболее благоприятным
с точки зрения как площади диффузии, так и скорости обновления
поверхности пузырька. При уменьшении диаметра пузырька воздуха
менее 0,2 см, несмотря на увеличение площади диффузии, значение
объемного коэффициента массопередачи резко падает.
Влияние температуры жидкости на коэффициент массопередачи
учитывается зависимостью
Kl (T) = 0^-2O)KL(2O), (Ш.38)
где Кцт) и Kl(2o) — коэффициенты массопередачи при температу-
ре Т и 20° С;
6 — температурная константа, среднее значение ко-
торой принимается равным 1,028.
81
Объемный коэффициент массопередачи характеризуется ана-
логичным уравнением
Кта(7) = 0(/-2О)Кта(2О), (III.39)
где К La(T) ^ьа(2о)—объемные коэффициенты массопередачи соответ-
ственно при Т и 20° С;
6j — температурая константа, принимаемая рав-
ной 1,02.
На коэффициент массопередачи существенное влияние оказы-
вают различные примеси, содержащиеся в аэрируемой воде. Много-
численные исследования указывают на снижение эффекта аэра-
ции сточных вод, содержащих промышленные или бытовые загряз-
нения, по сравнению с эффектом аэрации чистой воды.
Влияние подавляющего большинства загрязнений на эффект
массопередачи сказывается на свойствах жидкости (таких, как
плотность, вязкость, поверхностное натяжение), что, в свою очередь,
сказывается на коэффициентах диффузии и массопередачи, а также
на площадь межфазового контакта. Концентрируясь на границе
раздела фаз, эти загрязнения создают дополнительный барьер
процессу диффузии. Влияние загрязнений на процесс диффузии,
как правило, учитывается коэффициентом качества воды, характери-
зующим отношение объемного коэффициента массопередачи в сточ-
ной воде к объемному коэффициенту массопередачи в чистой водо-
проводной воде, взятых при одних и тех же условиях (т. е. для одной
и той же системы аэрации):
& — Kba ст. воды / K-La водопр. воды
В табл. III. 1 приведены коэффициенты качества воды для не-
которых видов сточных вод.
(111.40)
Таблица III.1
Сточные воды ВПК для сточных вод Значение а для сточных вод
входящих выходящих входящих выходящих
От фабрик бумажной пульпы (пульпа из бумаги) От фабрик крафт-бумаги (смешан- 187 50 0,68 0,77
ные стоки) 150—300 37—48 0,48—0,86 0,7—1,11
От фабрик отбеленной бумаги (пульпа и бумага) От фабрик бумажной пульпы 250 30 0,83—1,98 0,86-1
(пульпа и бумага) 205 — 0,66—1,29 —
От картонажных фабрик 660 — 0,53—0,64 —
От фармацевтических заводов . . 4500 380 1,65—2,15 0,75—0,83
От заводов синтетического волокна От хозяйственно-бытовых источ- 5400 585 1,88—3,25 1,04—2,65
ииков 180 9 0,82 0,98
82
Колебания коэффициента а объясняются колебаниями в харак-
тере состава сточных вод, а также в некоторых характеристиках
системы аэрации (температура, давление и пр.). Из табл. III. 1 видно,
что с уменьшением концентрации загрязнений в сточных водах
коэффициент качества сточных вод приближается к единице. В не-
которых случаях значение а превосходит единицу в несколько
раз. Исследователи объясняют это влиянием поверхностно-актив-
ных веществ ПАВ в аэрируемой воде на величину коэффициента
массопередачи. При этом отмечено, что при низких концентрациях
ПАВ величины Кьа уменьшаются. Затем при более высоких
концентрациях ПАВ обе величины начинают возрастать, при этом
значения объемного коэффициента массопередачи возрастают более
интенсивно по сравнению со значениями коэффициента массопере-
дачи жидкой пленки. Каллэн и Дэвидсон полагают, что при низких
концентрациях мицеллы ПАВ адсорбируются на поверхности раз-
дела фаз, создавая барьер диффузии кислорода, а при высоких кон-
центрациях они снова десорбируют в жидкость. Было показано, что
величина отклонений коэффициента массопередачи зависела не толь-
ко от концентрации загрязнений, но и от техники аэрации, гидродина-
мических условий в аэротенке, а также вида ПАВ. Последние,
у которых на границе раздела фаз равновесие адсорбции устанавли-
вается быстро, имеют более глубокое влияние на процесс массо-
передачи, чем ПАВ, медленно достигающие значения равновесий
концентрации на границе раздела фаз. Это означает, что постоянно
обновляющаяся поверхность будет менее подвержена влиянию ПАВ,
чем поверхность с длительным временем экспозиции. При этом в за-
висимости от вида ПАВ коэффициент массопередачи может быть
как ниже, так и выше значения его в воде, свободной от ПАВ.
Таким образом, условия и режим работы аэратора характери-
зуются такими показателями, как состав сточных вод, глубина
погружения, интенсивность аэрации, расположение аэратора в аэро-
тенке и пр. При этом одни и те же условия по-разному отражаются
на работе аэраторов различных конструкций. Поэтому влияние раз-
личных факторов целесообразно рассматривать отдельно для каждой
системы аэрации.
5. Факторы, влияющие на работу
пневматических аэраторов
Выше было рассмотрено влияние размера пузырька воздуха
и скорости его всплывания, а также состава загрязнений сточных
вод и их температуры на эффект работы аэратора. Эти факторы
являются определяющими для оценки пневматических аэраторов.
Однако весьма существенную роль на эффективность аэрации ока-
зывают интенсивность аэрации, глубина погружения и расположе-
ние аэратора в аэротенке.
Под интенсивностью аэрации понимается количество воздуха,
подаваемого на 1 м2 площади аэротенка в единицу времени. Ин-
83
тенсивность аэрации или, иными словами, расход воздуха через
аэратор существенно влияет на эффективность работы.
Это хорошо иллюстрируется на рис. III. 12, из которого видно,
что с увеличением интенсивности аэрации выше 4—4,5 м3 на 1 м2 пло-
щади аэротенка в 1 ч процент использования воздуха значительно
падает. Первая часть кривой, свидетельствующая об уменьшении
эффективности аэрации с уменьшением интенсивности ниже
4 м31м2-ч, может быть объяснена тем, что уменьшение интенсив-
ности аэрации ниже определенного значения не приводит к улуч-
шению условий образования пузырьков, в то время как турбулент-
ность в зоне аэрации уменьшается, что и приводит к снижению
эффективности аэрации. Факт уменьшения эффективности аэрации
с увеличением интенсивности подтверждается и данными на
рис. III. 13 для купольных диффузоров в зависимости от глубины
погружения аэратора. Влияние расхода воздуха на крупнопузыр-
чатые аэраторы значительно менее заметно. Так, например, для
спарджеров увеличение расхода от 15 до 80 м3 на I пог. м длины
аэротенка совершенно не отразилось на эффективности аэрации.
Это объясняется тем, что перенос кислорода происходит в основном
в двух фазах: во время образования пузырька и подъема его через
слой жидкости. Для пористых диффузоров количество кислорода,
переданного в фазе формации пузырька, является весьма значитель-
ной частью от общего, в то время как для аэраторов с крупными
отверстиями оно весьма незначительно. Поэтому увеличение расхода
воздуха через пористый диффузор и особенно выше определенного
предела резко изменяет процесс формирования пузырьков, ускоряя
их отрыв от отверстия, что приводит к уменьшению процента пере-
носа кислорода из одного и того же объема воздуха в этой фазе и,
следовательно, отрицательно сказывается на эффективности аэрации.
Однако следует при этом иметь в виду, что уменьшение интенсив-
ности аэрации ниже определенного предела также приведет к сни-
жению степени турбулентности в зоне аэрации и эффекта вторичного
дробления пузырьков воздуха. Это хорошо видно из графика
(рис. III. 14), построенного поданным исследований системы «Инка».
Благоприятной является интенсивность аэрации в пределах
50—100 л? воздуха на 1 лт2 в 1 ч. Сравнение кривых 4 и 5 этого
графика показывает, что с увеличением размера отверстий аэратора
увеличение интенсивности аэрации меньше отражается на ее эффек-
тивности. Окислительная способность аэрации увеличивается с по-
вышением ее интенсивности. Это означает, что при необходимости
получения высокой окислительной способности нужно повышать
эффективность аэрации, хотя это и приводит к снижению эффек-
тивности. Следовательно, между окислительной способностью и эф-
фективностью работы аэратора существует определенная взаимо-
связь. Например, для аэратора системы «Инка» она выражена гра-
фиком (рис. III.15), из которого видно, что оптимальной является
окислительная способность в пределах 300—500 г О2/ч на 1 лг3 аэро-
тенка в зависимости от диаметра отверстий аэратора. Однако такая
84
Рис. Ш.12. Зависимость окислитель-
ной способности 1 и коэффициента
использования воздуха 2 от интен-
сивности аэрации
Рис. III.14. Зависимость эф-
фективности аэрации от ин-
тенсивности аэрации при
различных диаметрах отвер-
стий
1 — при 02,5 мм; 2 — при
03,5 мм; 3 — при 05,5 мм; 4 —
при 05,5 мм (50% отверстий);
5 — при 07,5 мм (50% от-
верстий)
Рис. III.13. Зависимость эф-
фективности аэрации от глуби-
ны погружения аэратора при
различных интенсивностях аэ-
рации
1 — при 0,15 Л13/Л1'‘-.иин; 2 — при
0,12 м3/м,-ми.н; 3 — при
0,091 м3/м2-мин; 4 — при 0,061
м3]м2-мин; 5 — при 0,03 м3!м2-мин
Пкиспитепна» спке^юсть гО^ ч
Рис. III.15. Зависимость эффек-
тивности аэрации от окислитель-
ной способности для аэратора си-
стемы «Инка» при различных диа-
метрах отверстий
I — при 02,5 мм; 2 — при 03,5 мм;
3 — при 05,5 мм; 4 — при 05,5 мм
(50% отверстий) и 5 —при 07,5 мм
(50% отверстий)
Расход Воздуха 6 н!/ч на let’аэротенка
Рис. III.16. Зависимость ско-
рости движения жидкости
от интенсивности аэрации
Рис. III.17. Зависимость коэф-
фициента использования возду-
ха от глубины погружения (для
различного размера пузырьков)
85
окислительная способность с точки зрения процесса биохимиче-
ской очистки является нереальной. Интенсивность аэрации имеет
существенное значение и для создания гидродинамических условий
в аэротенке, обеспечивающих пребывание активного ила во взвешен-
ном состоянии. Равномерность распределения ила в аэротенке до-
стигается при скоростях движения жидкости около 0,2—0,3 м/сек.
Исследования показывают, что расход воздуха для этой цели в зна-
чительной степени зависит от ширины аэротенка, конструкции аэра-
тора и глубины его погружения. Так, из рис. III.16 следует, что
для достижения в аэротенке скорости циркуляции жидкости около
0,2 м/сек через аэратор системы «Инка» нужно подать расход воз-
духа около 25 м3/ч на 1 м3 аэротенка при глубине погружения его
около 1 м. С уменьшением глубины погружения расход воздуха
должен быть увеличен только из соображений создания необхо-
димых гидродинамических условий, даже если это не требуется
по условиям окислительной способности.
Глубиiia погружения аэратора оказывает весьма существенное
влияние на работу аэратора и определяет длительность контакта
пузырька с жидкостью.
Поскольку значительная часть кислорода передается в жид-
кость именно в фазе образования пузырька, то с увеличением глубины
погружения жидкости—падает удельный прирост коэффициента
использования воздуха на каждый метр глубины аэротенка. Здесь,
конечно, отразится и обеднение кислородом пузырька воздуха по
мере его подъема. Поэтому с точки зрения эффективности аэрации
необходимо стремиться к минимально допустимому заглублению
аэратора. Однако с уменьшением глубины аэратора падает его окис-
лительная способность, так как снижается процент использования
подаваемого в жидкость воздуха (рис. III. 17). Это значит, что с
уменьшением глубины погружения аэратора требуется подавать
значительно больший расход воздуха (рис. III.18). Так, например,
при глубине расположения аэратора «Инка» 0,45 м и расходе воз-
духа 25 м3/ч на 1 м3 аэротенка окислительная способность составила
около 65гЛи3-ч на 1 м3 аэротенка, т. е. расход зоздуха обратно про-
порционален его глубине. Уменьшение глубины погружения при
применении пористых диффузоров является неприемлемым, по-
тому что сопротивление диффузоров прохождению воздуха значи-
тельно и уже само по себе требует применения воздуходувок ком-
прессорного типа. По данным Товстолеса, процесс сжатия воздуха
при этом будет политропическим и с увеличением глубины погруже-
ния удельный расход электроэнергии на подачу 1 м3 воздуха будет
уменьшаться, т. е. расход энергии на увеличение степени сжатия
воздуха растет несколько медленнее, чем увеличение степени
сжатия. Учет же расхода электроэнергии на преодоление сопротив-
ления самого диффузора, по данным А. Деминой, приводит к сни-
жению удельного расхода энергии на 39% при увеличении глубины
погружения аэратора с 1,5 до 4,5 м. Таким образом, увеличение
глубины погружения аэратора приводит, с одной стороны, к сни-
86
жению удельных затрат энергии на подачу воздуха на каждый метр
глубины, а с другой — к снижению удельного коэффициента ис-
пользования воздуха, приходящегося также на каждый метр глу-
бины. Однако глубина погружения аэратора не должна назначать-
ся только из условия наибольшей эффективности аэрации, т. е.
затрат энергии на единицу растворенного кислорода. Следует иметь
в виду, что с изменением глубины погружения аэратора (и глубины
аэротенка) изменяется стоимость единицы объема аэротенка, и,
следовательно, вопрос о выборе глубины погружения аэратора дол-
жен решаться одновременно с учетом капитальных и эксплуата-
ционных затрат. Так, по данным Бэйли, наиболее экономичной
Рис. Ш.18. Зависимость
окислительной способно-
сти от интенсивности аэ-
рации системы «Инка»
Рис. III.19. Влияние расположения аэратора на
циркуляцию жидкости через аэратор «Инка»
1 — при боковом расположении; 2 — при цен-
тральном расположении
является глубина аэротенка 3 м при стоимости 1 м3 объема аэротен-
ка 15 фунтов стерлингов и 1 квт-ч электроэнергии 1,5 пенса. При
стоимости энергии 2 пенса за 1 квт-ч оптимальной является глу-
бина аэротенка, равная 2 м. На сооружениях средней и большой
производительности глубина аэротенка имеет большое значение,
так как с уменьшением глубины аэротенка увеличивается площадь
сооружений (а следовательно, и длина коммуникаций) и услож-
няется их эксплуатация. Поэтому в настоящее время глубина
аэротенков в большинстве случаев превосходит 4 м. Конечно, этот
вопрос требует дальнейшего всестороннего изучения и обосно-
вания.
Весьма важное значение для эффективности аэрации имеет рас-
положение аэратора в аэротенке. Выше было рассмотрено влияние
глубины погружения аэратора, т. е. расположение аэратора в аэро-
тенке по вертикали. Расположение аэратора в плане также требует
обоснованных решений: оно оказывает влияние как на гидродина-
мические условия в аэротенке, так и на эффективность использова-
ния подаваемого воздуха. Из рис. III. 19 видно, какое влияние
оказывает расположение аэратора «Инка» на циркуляцию жидкости
через аэратор, а следовательно, и на условия перемешивания в аэро-
87
тенке. При наиболее часто применяемых интенсивностях аэрации
целесообразным является боковое расположение аэратора, при ко-
тором обеспечивается большая циркуляция жидкости через аэра-
тор, чем при центральном его расположении.
Вопросу расположения аэраторов в аэротенке в плане всегда
придавалось большое значение. Так, например, на заре применения
биохимического метода для очистки сточных вод в аэротенках
Рис. III.20. Пятирядное продольное
расположение купольных диффузо-
ров
Рис. Ш.21. Зависимость коэффици-
ента использования кислорода от
расхода воздуха при различном ко-
личестве аэраторов
1 — две трубки; 2 — четыре трубки; 3 —
шесть трубок на 1,2 м длины аэротенка
Рис. Ш.22. Зависимость коэффи-
циента использования кислорода
от ширины аэротенка для диф-
фузоров
1 — для сараиовык трубок; 2 — для
крупнопузырчатых (спарджеров)
в Англии была применена система «гребней и борозд». Эта сис*
тема предусматривала расположение аэраторов в бороздах, от-
стоящих друг от друга на расстоянии 1,5 м. Для предотвращения
выпадания взвешенных веществ между бороздами дно имело уклон
45° и таким образом образовывало гребень, разделявший борозды.
Иными словами, аэраторы устанавливались в канале трапецеидаль-
ного сечения со стенками, наклоненными к горизонту под углом
45°. При этом вначале применялось поперечное расположение гребней
и борозд, впоследствии замененное продольным. По мере изучения
условий перемешивания жидкости в аэротенке было обнаружено,
что плоское днище аэротенка при определенных интенсивностях
аэрации вполне обеспечивает поддержание ила во взвешенном
88
состоянии. Тогда получило применение расположение аэраторов
вдоль одной из стен коридора аэротенка, способствующее спирале-
образному движению жидкости в аэротенке.
Однако еще в 1949—1950 гг. Г. С. Попковичем были показаны
преимущества двустороннего расположения фильтросных пластин
в коридоре, что позволило наиболее полно использовать подавае-
мый в аэротенк воздух. За рубежом широко применяется трехрядная
система расположения аэраторов, а с целью повышения равномер-
ности распределения воздуха или окислительной способности даже
пятирядная система (рис. II 1.20). В этом отношении весьма инте-
ресными представляются результаты исследований группы аме-
риканских ученых, изучивших разные виды расположения
фильтросных пластин (и один вид расположения пористых тру-
бок). Исследованиям подверглись: одностороннее расположение
аэраторов вдоль стены (пористые трубки), система «гребни и бороз-
ды» поперечная (пластины), продольная пятирядная (пластины)
и две системы разбросанного расположения («вороньи шаги»). Ис-
следования показали, что наиболее эффективным с точки зрения
переноса кислорода было пятирядное продольное расположение
аэраторов и самым худшим оказалось одностороннее расположе-
ние аэраторов (спиральное движение жидкости). Это объясняется
тем, что основная масса воздуха уходит в атмосферу почти над
аэраторами и очень незначительная часть его вовлекается потоком
жидкости к противоположной стенке. Было отмечено, что наимень-
ший коэффициент использования воздуха имел место в начале
и максимальный в конце аэротенка, где было меньшее количество
аэраторов. Увеличение количества аэраторов на 1 пог. м длины
на отдельных участках аэротенка приводит к увеличению интен-
сивности аэрации именно в месте расположения аэраторов (хотя
в среднем по площади аэротенка она может оставаться постоян-
ной), и, следовательно,’’к снижению эффективности аэрации. Влия-
ние количества аэраторов на единицу длины аэротенка показано
на рис. II 1.21, по данным Моргана и Бьютра, для сарановых тру-
бок длиной 60 см и диаметром 7,6 см (при восьми витках ткани на
1 пог. см трубки) при различных расходах воздуха. Из этого ри-
сунка видно, что при одном и том же расходе воздуха на аэратор
увеличение количества аэраторов на единицу площади или дли-
ны аэротенка приводит к снижению коэффициента использования
кислорода.
Размеры аэротенка в плане также оказывают влияние на работу
аэратора. На рис. III.22 показана зависимость коэффициента ис-
пользования кислорода в процентах от ширины аэротенка. При
этом кривая / дана для пористых диффузоров (восемь сарановых
трубок, расположенных широким поясом), кривая 2 — для спард-
жеров (тоже восемь единиц, расположенных широким поясом)
при одном и том же расходе 40 фут?/мин (1,12 м?1мин). С увеличе-
нием ширины аэротенка при постоянной ширине зоны аэрации ко-
эффициент использования воздуха падает. При этом можно выделить
89
три участка на кривых: участки а—а' и b—Ь' соответствуют аэра-
ции в барботажных колонках с движением жидкости в вертикальном
направлении; участки а’—с и Ь'—d соответствуют аэрации в аэро-
тенке, когда имеет место захват воздуха нисходящим потоком
жидкости у противоположной стенки; участки с—с' и d—d’, когда
ширина аэротенка достигает такой величины, что захвата воздуха
в глубь аэротенка не происходит. Этим объясняется увеличение
количества рядов аэраторов (или ширины зоны аэрации) с увеличе-
нием ширины аэротенка. По-видимому, по этой же причине не при-
водит к увеличению процента использования воздуха неупорядочен-
ное расположение аэраторов по площади аэротенка («вороньи
шаги»), так как при этом не создается определенно направлен-
ной циркуляции жидкости в нем.
Таким образом, расстояние между аэраторами должно быть
оптимальным и определяться для каждого вида аэратора с учетом
его конструктивных и технологических особенностей, а расположе-
ние аэраторов по площади днища должно быть по возможности
равномерным с учетом потребности в кислороде по длине аэро-
тенка.
6. Факторы, влияющие на работу
механических и комбинированных аэраторов
Принцип действия механических аэраторов основан на перекачи-
вании значительных расходов жидкости и создании специально
направленных потоков, вовлекающих воздух из атмосферы и пере-
мешивающих все содержимое резервуара. Это означает, что меха-
нический аэратор должен соединять в оптимальном соотношении
два принципа: вовлечение воздуха в жидкость и перемешивание ее.
Рассмотрим, как осуществляются эти принципы в работе механиче-
ского аэратора.
Жидкость, выбрасываемая лопастью в виде струи, вовлекает
воздух из атмосферы в окружающую аэратор жидкость. Встречая
сопротивление жидкости вокруг аэратора, воздух дробится на
мелкие пузырьки, увлекаемые потоком в глубь аэротенка, вследствие
чего жидкость насыщается кислородом. Таким образом, принцип
действия механических аэраторов основан на использовании явле-
ния вовлечения воздуха движущейся струей воды. Это явление
известно в гидравлике с давних пор и особенно ярко наблюдается
при гидравлическом прыжке, имеющем место, например, в нижнем
бьефе плотины. Однако до настоящего времени, несмотря на широкую
известность этого явления, не найдена точная зависимость количества
вовлекаемого воздуха от различных факторов, воздействующих на
поток.
Впервые наиболее полно механизм вовлечения воздуха падаю-
щей струей жидкости был исследован и описан Лином и Донелли.
Они показали, что режим движения струи определяет механизм
вовлечения воздуха. При ламинарном характере потока вовлечение
воздуха происходит вследствие образования тонкой и гладкой воз-
90
душной пленки вокруг струи в месте входа ее в жидкость. За счет
развития колебаний эта пленка становится неустойчивой и лопает-
ся, образуя мелкие пузырьки воздуха.
При турбулентном режиме движения струи механизм вовлече-
ния воздуха иной, и это явление протекает вследствие постоянного
возмущения свободной поверхности жидкости, вызываемого не-
стабильностью струи, поверхность которой является в этом случае
весьма неопределенной. Минимальная скорость движения струи
ие, при которой имеет место вовлечение воздуха, зависит от разме-
ра струи, физических характеристик жидкости и выражается урав-
нением
1ЛО - , » Л Л А . А Л >
е £>0,206 р0,208 цО,587 4 7
где Dc — диаметр струи в мм;
у — поверхностное натяжение в дин!см;
р — плотность в г/см2;
р. — вязкость жидкости в спз.
Как видно из уравнения (III.41), с увеличением вязкости жид-
кости минимальная скорость, при которой начинается вовлечение
воздуха, уменьшается, т. е. процесс вовлечения воздуха начинается
ранее. Размер пузырьков воздуха и частота их образования зависят
от скорости движения струи и ее диаметра. Увеличение диаметра
струи, или скорости движения, при том же диаметре приводит к уве-
личению частоты образования и уменьшению размера пузырьков,
т. е. к усилению процесса вовлечения воздуха в жидкость.
Более подробно сам механизм процесса вовлечения был описан
Мак-Карти и др. Они показали, что при низких скоростях падения
струи в жидкость у места падения струи образуется выпуклый
мениск, т. е. поверхность жидкости как будто приподнимается в этом
месте навстречу струе. С увеличением скорости струи мениск исче-
зает, а на его месте образуется вогнутость, которая становится
как бы воздухопроводящей трубкой, когда начинается процесс во-
влечения. В начале процесса степень вовлечения воздуха колеблется
в очень широком диапазоне. При дальнейшем увеличении скорости
струи поверхность ее становится крайне «нерегулярной» и вовле-
чение воздуха происходит в весьма сложной форме по принципу
эжекции, причем преобладает явление защемления воздушных
пузырьков между струей и стенками вогнутости. При этом степень
вовлечения воздуха довольно постоянна и не подвержена колеба-
ниям. Превышение этой скорости приводит к полному разрушению
поверхности вогнутости, а вовлечение воздуха происходит вслед-
ствие образования воздушных полостей и защемления воздуха около
каждой отдельной капли падающей жидкости, что приводит к рез-
кому усилению процесса вовлечения воздуха.
Процесс вовлечения воздуха потоком жидкости в нижнем бьефе
плотины изучался инж. Эффендиевым. Им показано, что скорость
91
движения потока, при которой имеет место аэрация, должна быть
более 2,5 м/сек.. ,
Исследуя процесс вовлечения воздуха жидкостью, движущейся
в частично заполненных трубах, А. Калински показал, что для
образования гидравлического прыжка, при котором происходит
основной процесс вовлечения воздуха, поверхностная скорость
движения жидкости должна быть выше критической, т. е. если оце-
нивать ее количественно, критерий Фруда должен быть более еди-
ницы. Критерий Фруда для потока можно определить как
Fr=-^, (III.42)
Vgy
где vH — начальная скорость движения потока в м/сек-,
g — ускорение силы тяжести, равное 9,81 м/сек2-,
у — начальная глубина потока в м.
Количество воздуха, вовлеченное потоком, пропорционально
расходу жидкости, параметрам потока (которые, кстати, определяют
и площадь контакта с воздухом), т. е.
QB = ^Q)K(Fr-l)1< (Ш.43)
где k — коэффициент пропорциональности.
Применяя это уравнение для потока жидкости, выходящей из
аэратора, А. Калински предложил уравнение
QB = £p.Da/wn(Fr—l)m, (II 1.44)
где р — плотность жидкости в кг/м9-,
D;i — диаметр аэратора в м;
h — высота лопасти аэратора в м;
vn — периферийная скорость вращения аэратора в м/сек-,
т — показатель степени, равный около 1,4.
Анализ уравнения позволяет сделать заключение, что при со-
блюдении условия обеспечения доступа воздуха в зону действия аэра-
тора количество вовлекаемого в жидкость воздуха является функ-
цией расхода потока Q^. и скорости его выхода из аэратора иж, т. е.
= (И 1.45)
Такими же параметрами определяются и затраты энергии на
работу аэратора, т. е.
^=f2(Q!K, пж). (III.46)
Поэтому уравнение количества вовлекаемого воздуха может
быть записано в форме
QB=f3(^), (Ш.47)
т. е. оно может быть оценено затратами энергии.
92
На работу механического аэратора с этой точки зрения Весьма
существенное влияние оказывают параметры аэратора (количество
лопастей или лопаток, их размер), режим работы (глубина погруже-
ния, скорость вращения аэратора),
геометрическая форма и пара-
метры резервуара.
Рис.
окислительной
III.23. Зависимость
способности
аэратора «Симплекс» от ско-
рости его вращения при
различных глубинах h по-
гружения
1 — при Л=4"; 2 — при h =8";
3 — при Л=12"
Скорость вращения аэратора
весьма существенно отражается
как на окислительной способ-
ности аэратора, так и на эффек-
тивности его работы. На рис.
II 1.23 показано, что с увеличе-
нием скорости вращения окис-
лительная способность аэрато-
ра «Симплекс» возрастает. Из
рис. II 1.24 видно, что скорость
вращения определяет и опти-
мальную глубину погружения
цилиндрического аэратора диа-
метром d = 50 см с уголками
сечением 2 X 2 см. По выбору
оптимальной скорости вращения
механических аэраторов в ли-
тивности работы цилиндрического
аэратора от скорости его враще-
ния при различных глубинах h по-
гружения
/-—при /i=7 см; 2 — при h —10 см;
3 — при /г=13 см; 4—при h=16 см;
5 — при /1=20 см
Рис. III.25. Схема установки аэра-
торов
а —при производительности секции 1,5—
3 тыс.м3(сутки; б — при производительно-
сти секции 3—4 тыс. м3 (сутки
тературе содержится мало дан-
ных. В отдельных работах указывается, что для аэраторов с верти-
кальной осью вращения оптимальная скорость лежит в преде-
лах 3—5 м/сек. Исследования кафедры канализации МИСИ им.
В. В. Куйбышева показали, что скорость вращения дискового аэра-
93
тора зависит от его диаметра и вбзрастает С увеличением диаметра.
Это необходимо для обеспечения связи аэратора с воздухом атмо-
сферы.
Глубина погружения зависит от конструктивного исполнения
аэратора и связана, как это видно из рис. III.23, со скоростью вра-
щения. Так, например, для аэратора «Симплекс» выступающая над
уровнем жидкости в аэротенке часть конуса составляет 0,5 см.
Для дискового аэратора глубина погружения диска составляет
8—10 см. Вообще глубина погружения в жидкость определяется из
условия обеспечения связи ротора с воздухом атмосферы и необхо-
димого захвата массы жидкости.
Как и у пневматических аэраторов, взаимное расположение меха-
нических аэраторов также оказывает существенное влияние на их
работу, потому что поток жидкости, образуемый аэратором, будет
воздействовать на поток жидкости, вызываемый соседним аэра-
тором, и будет либо ослаблять, либо усиливать его влияние. По-
этому расстояние между аэраторами должно быть таким, чтобы их
влияние друг на друга не сказывалось в сильной степени. С этой
же целью иногда аэраторы устанавливают так, чтобы они вращались
в разные стороны (рис.111.25), что, однако, не является целесообраз-
ным. Для исключения взаимного влияния аэраторов их следует
располагать на расстоянии четырех-пяти диаметров друг от друга.
При этом следует стремиться к тому, чтобы зона, обслуживаемая
одним аэратором, представляла собой квадрат в плане.
Глава IV
ВЫБОР, РАСЧЕТ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ
СИСТЕМ АЭРАЦИИ
1. Анализ эффективности систем аэрации
В настоящее время имеется очень большое количество конструк-
ций аэраторов. Достаточно сказать, что только широко применяе-
мых механических аэраторов насчитывается около 12 типов,
пневматических же аэраторов — еще больше. В связи с этим перед
проектировщиком зачастую возникает проблема выбора не только
системы аэрации, но и ее конструктивного решения. Эта задача за-
трудняется тем, что каждому аэратору присущи как положитель-
ные, так и отрицательные качества. Поэтому для возможности срав-
нения аэраторов разных систем между собой пользуются такими
показателями, как: затраты на очистку 1000 м3 сточных вод; затра-
ты на работу очистных сооружений, приходящиеся на 1000 чело-
век; коэффициенты использования воздуха и кислорода, эффектив-
ность аэрации, окислительная способность и др.
Коэффициент использования воздуха был определен К- Н. Ко-
рольковым
«= г!м\ (IV. 1)
VB Hd.
94
где VK— количество растворенного кислорода в г/ч;
VB — расход воздуха на 1 м3 сточных вод в м3/ч;
Н — глубина аэротенка в м\
d —дефицит кислорода.
Коэффициент использования воздуха позволяет учитывать та-
кие переменные факторы, как глубину, дефицит кислорода, а так-
же позволяет оценить эффективность всей системы аэрации.
Коэффициент использования кислорода — отношение количес-
тва растворенного кислорода Кк.р в г/ч к количеству кислорода, со-
держащегося в прошедшем через аэратор воздухе, Ук.пр в г/ч, т. е.
п=2±±Ю0%. (IV.2)
Ук. пр
Под эффективностью аэрации понимается количество растворен-
ного кислорода на единицу затраченной энергии (гО2 квт-ч или кг
О2 квт-ч). За «стандартную» принята эффективность аэрации во-
допроводной обескислороженной воды при температуре 20° С и дав-
лении 760 мм рт. ст.
Понятие «окислительная способность» было впервые введено
Кессенером и Риббиусом и характеризовало скорость растворения
кислорода в процессе аэрации полностью обескислороженной воды
при температуре 10° С и давлении 760 мм рт. ст. Окислительная
способность измеряется в г О2 или кг О2/ч. В настоящее время боль-
шинством исследователей за «стандартную» стала приниматься тем-
пература 20 ° С. Понятием «окислительная способность» стали поль-
зоваться и для аэрации сточных вод. Однако, учитывая, что «поведе-
ние» активного ила зависит от характера загрязнений, содержащихся
в сточных водах, следует иметь в виду, что окислительная способ-
ность аэратора, полученная для какой-то конкретной воды, не бу-
дет пригодна для сравнения с окислительной способностью другого
аэратора, полученной на другом виде сточных вод. Поэтому за «эта-
лонную» принята окислительная способность аэратора на водо-
проводной обескислороженной воде. Это же относится и ко всем дру-
гим показателям работы аэраторов. Окислительная способность
аэратора определяется по уравнению
OC=^-KLaCSV, (IV.3)
10d
где V — объем резервуара в м3.
Исследования показывают, что в пределах температуры 0 —
30° С окислительная способность практически не зависит от тем-
пературы, так как при ее увеличении на 1° величина Cs падает при-
мерно на 2%, но величина Кьа возрастает примерно на эту же ве-
личину. Иногда для учета объема емкости, обслуживаемой одним
аэратором или всей системой аэрации (для определения возможных
нагрузок на единицу объема сооружения), понятием «окислитель-
ная способность» выражают количество кислорода, растворенное
95
в единицу времени в единице объема сооружения (т. е. гО2/м3-ч
или кг О2/м3-ч.)
Трудность определения в каждом отдельном случае диаметра
пузырька и скорости его подъема, а следовательно, и режима подъе-
ма пузырька (уже не говоря о прочих гидродинамических и физи-
ко-химических факторах) требует практически в каждом конкрет-
ном случае проводить экспериментальное определение коэффици-
ентов массопередачи. При этом объемный коэффициент массопере-
дачи можно определить одним из следующих четырех методов.
1. Метод окисления сульфита натрия основан на процессе срав-
нительно быстрого перехода сульфита натрия в сульфат натрия за
счет присоединения кислорода. Реакция окисления проходит в одном
направлении, и по скорости окисления можно судить о скорости
массопередачи кислорода в жидкость. Методика определения коэф-
фициента массопередачи сводится к следующему: резервуар запол-
няют раствором сульфита натрия (обычно концентрацией не выше
10 г/л в пересчете на SOI-). Воздух подают по заранее назначен-
ным расходам и через определенные интервалы времени (1—2 мин),
в зависимости от скорости подачи воздуха, берут пробы на анализ
остаточной концентрации сульфита натрия. г
Для ускорения процесса окисления сульфита натрия в раствор
вводится катализатор (обычно хлорид кобальта). При этом в про-
цессе аэрации концентрация сульфита натрия уменьшается линей-
но во времени в очень широком диапазоне концентраций. Посколь-
ку концентрация растворенного кислорода все время равна нулю,
то объемный коэффициент массопередачи определяется по уравне-
нию
(IV.4)
5С5
где S — скорость уменьшения концентрации сульфита натрия
в мг/л-ч\
Cs — концентрация насыщения кислорода для данных усло-
вий в мг/л.
Этот метод весьма прост и широко применялся в прошлом. Од-
нако, как показали исследования, он обладает целым рядом сущес-
твенных недостатков, заключающихся в том, что опыт трудно вос-
произвести, так как скорость окисления сульфита натрия зависит
от концентрации катализатора, температуры и турбулентности жид-
кости, а также от собственно концентрации сульфита. Так, при кон-
центрации сульфита натрия ниже 0,5 — 0,6 г/л имеет место резкое
нарушение пропорциональности скорости окисления расходу воз-
духа. Имеет значение и концентрация сульфата натрия в растворе.
Поэтому в настоящее время этот метод применяется только для
сравнения систем аэрации в сугубо идентичных условиях.
2. Метод переменного дефицита кислорода. При этом методе аэ-
рационный резервуар заполняется водопроводной водой. Имеющий-
ся в воде растворенный кислород удаляется путем введения в воду
96
сульфита натрия с кобальтовым катализатором в количестве, необ-
ходимом для полного обескислороживания жидкости. Подавая воз-
дух по заранее намеченным расходам, через определенные проме-
жутки времени берут пробы на анализ растворенного кислорода,
по изменению концентрации которого судят о скорости поступле-
ния кислорода в жидкость до полного ее насыщения. Объемный ко-
эффициент массопередачи определяют по уравнению
KLa=^-lg^, (IV.5)
?2—Г1 ^2
где dx и d2 — дефицит кислорода в момент времени и t2 в ч.
Если же этот отрезок времени принимать в минутах, то пра-
вую часть уравнения необходимо умножать на 60 для перевода
в единицы измерения К La (1/ч), т. е.
138J8 ig^_. (1у б)
3. Метод переменного дефицита для сточной воды с активным
илом. В некоторых случаях представляется необходимым иметь
данные поведения той или иной аэрационной системы в реальной
жидкости при наличии активного ила в ней. Метод определения
объемного коэффициента массопередачи в этом случае отличается
от предыдущего метода его определения тем, что одновременно с
процессом растворения кислорода идет процесс его потребления.
Поэтому необходимо знать также скорость потребления кислорода
микроорганизмами. Подняв концентрацию растворенного кисло-
рода до какого-либо значения, можно затем прекратить подачу
воздуха и путем отбора проб на анализ растворенного кисло-
рода установить скорость его потребления микроорганизмами. Ко-
гда кислород будет полностью потреблен, снова подают воздух
и через каждые 1—2 мин берут пробы на анализ растворенного кис-
лорода до установления режима либо полного насыщения, либо
постоянного дефицита. По полученным результатам строят кривую
растворения кислорода (с учетом его потребления микроорганиз-
мами), и коэффициент массопередачи определяют по аналогии со
вторым методом.
4. Метод постоянного дефицита кислорода является наиболее
трудноосуществимым, так как в процессе всего опыта необходимо
поддерживать постоянный дефицит кислорода в сточной жидкости
с активным илом. Заключается он в соблюдении равенства скорос-
тей растворения кислорода и его потребления микроорганизмами,
т. е.
~ = KLa(Cs-C)-rr=.Q, (IV.7)
at
где гг — скорость потребления кислорода микроорганизмами.
4 Зак. 1265 97
Тогда
KLa = ’ (IV'8)
Скорость потребления кислорода микроорганизмами может быть
определена приведенным выше способом. При этом уравнение (IV.8)
будет справедливо, если нагрузка по ВПК постоянна и потреб-
ление кислорода не колеблется значительно во времени.
При определении коэффициента массопередачи следует иметь
в виду, что концентрация насыщения кислорода (или его раство-
римость) зависит не только от температуры, но и от давления, и
солесодержания. Для чистой воды при давлении 760 мм рт. ст.
растворимость кислорода может быть определена по таблицам или
по уравнению
Cs = 475 ~26-’5 s (IV.9)
<7в°> 33,5 + Т
где S — солесодержание в г/л;
Т — температура в ° С.
Для бытовых сточных вод растворимость кислорода можно при-
нимать равной 0,95 от его растворимости в чистой воде, для произ-
водственных сточных вод растворимость кислорода должна опре-
деляться в каждом отдельном случае экспериментально.
В случае отклонения давления от нормального растворимость
кислорода определяют по уравнению
= (iv.io)
где Р — полное давление в мм рт. ст.;
р — давление насыщенного пара при температуре воды f С.
Анализируя все рассмотренные выше методы определения объ-
емного коэффициента массопередачи, нужно отметить, что метод
окисления сульфата натрия из-за своих недостатков вообще не при-
годен для сравнения эффективности систем аэрации. Два последних
метода применимы для определения показателей работы системы
аэрации только в специфических условиях, т. е. в той или иной ре-
альной сточной жидкости, и по величине коэффициентов массопере-
дачи, полученной этими методами для разных сточных вод, трудно
судить о производительности одного и того же аэратора и еще более
трудно сравнить эффективность работы различных аэраторов.
Поэтому в последнее время широкое распространение получил
метод переменного дефицита кислорода в чистой обескислороженной
воде, так как он наиболее прост в проведении и позволяет сравнить
аэраторы различных систем по эффективности их работы. Этот метод
может быть рекомендован в качестве «стандартного». Методы опре-
деления объемного коэффициента массопередачи в сточной жидкос-
ти с активным илом можно рекомендовать для определения коэф-
98
фициента сточных вод, необходимого при выявлении эффективнос-
ти аэрационной системы в конкретных условиях.
Учитывая затруднения, встречаемые проектировщиками при
решении вопроса о выборе как системы аэрации, так и отдель-
ных аэраторов этой системы, до настоящего времени проводится
ряд исследований, ставящих задачу выявления наиболее экономич-
ных видов аэраторов из всего разнообразия существующих кон-
струкций путем определения их оптимальных параметров и режи-
мов работы и последующего сравнения между собой. Наиболее час-
то применяемой сравнительной характеристикой является эффек-
тивность аэрации. В качестве попытки такого сравнения предла-
гается табл. IV эффективности различных аэраторов.
Таблица IV. 1
Аэрация Энергия брутто в квтХ Xч/кг О2 Стоимость энергии в сутки Капиталь- ные затра- ты, прихо- дящиеся на одни сутки Общая стоимость аэрации в сутки
Пневматическая: а) аэрация тонкодиспергирован- ным воздухом 0,77 1,75 3,2 2
б) низконапорная аэрация при аэраторах с осью вращения . . 0,496 1,05 1 1,05
Механическая: а) с горизонтальной осью враще- ния 0,55 1,25 1,25 1,25
б) с вертикальной осью вращения 0,44 1 1 1
Комбинированная (турбинный аэра- тор) 0,77 1,75 2,25 1,85
Исследования проводились в одном и том же резервуаре (ем-
костью 141,6 м3 на водопроводной воде при температуре 10° С). Ско-
рость растворения кислорода составила 130 мг/л в 1 ч. Капиталь-
ные затраты, приходящиеся на одни сутки, определены из расчета
9% отчисления в год. За единицу сравнения принята стоимость аэ-
рации с помощью механических аэраторов с вертикальной осью вра-
щения.
Из табл. IV. 1 видно, что наиболее экономичными являются аэра-
торы механической системы аэрации с вертикальной осью враще-
ния (т. е. «Симплекс», «Сигма», «Симкар», дисковые «Лайтнин» и др.).
Этими аэраторами можно подать до 2—2,5 кг кислорода на 1 квт-ч
затраченной энергии. К сожалению, данные этой таблицы не учи-
тывают размера очистных сооружений. Этот фактор является весь-
ма важным критерием при выборе системы аэрации. Поэтому пред-
ставляется полезным рассмотреть опыт эксплуатации очистных со-
оружений в г. Манчестере. Часть аэротенков этих сооружений обо-
рудована механическими аэраторами «Симплекс». Анализ стоимос-
ти оборудования аэротенков этими аэраторами, проведенный
4*
99
Хаулендом на производительность 4,5 тыс. и 22,5 тыс. м2 3 сточных
вод в сутки, показал, что при одной и той же стоимости аэротенков
экономия в затратах на оборудование в пользу механических аэра-
торов составила 27% при расходе сточных вод 4,5 тыс. мЧ сутки
и 28% при расходе 22,5 тыс. мЧсутки. Хауленд указывает, что
подобного же снижения стоимости следует ожидать и при значи-
тельно больших размерах сооружений.
Об указанном говорит и решение муниципального совета г. Кэл-
гери (Канада): аэротенки очистных сооружений производительностью
275 тыс. мЧсутки (с перспективой увеличения до 340 тыс. мЧсут-
ки) оборудуются механическими аэраторами типа «Симплекс» с мощ-
ностью электропривода 45 кет в количестве 40 единиц. Что же ка-
сается эксплуатационных показателей механических аэраторов, то
опыт эксплуатации манчестерских очистных сооружений показы-
вает, что на снятие 1 кг БПК5 требуется около 0,54 квт-ч энергии
при снижении ВПК5 со 163 до 12,5 мг!л (при 9 ч аэрации).
Примерно такими же показателями характеризуются и диско-
вые аэраторы. Так, на Мичуринском ферментно-спиртовом заводе
установлены два аэратора диаметром 1 м, разработанные по реко-
мендациям МИСИ им. В. В. Куйбышева. Расход сточных вод состав-
ляет 400—500 мЧсутки, а ВПК2о—250—400лг/л. Потребление элек-
троэнергии колеблется в пределах 0,55 — 0,8 квт-ч на 1 кг ВПК20.
Хотя такие показатели, как окислительная способность и эффек-
тивность аэрации, являются весьма полезными и показательными
характеристиками, при выборе системы аэрации следует учитывать
и другие параметры, непосредственно не связанные с системой аэра-
ции. Следует иметь в виду, что от работы системы аэрации в значи-
тельной степени зависит качество осветления жидкости во вторич-
ных отстойниках. Избыточная турбулентность в аэротенке может
привести к физическому повреждению активного ила и его плохой
осаждаемости. Поэтому наилучшей характеристикой аэратора бу-
дет служить его надежная работа в производственных условиях в
течение длительного периода. Только такие данные могут быть без-
ошибочно использованы при расчете системы аэрации.
2. Расчет систем аэрации
Если решена задача выбора системы аэрации, то необходимо
рассчитать выбранную систему на требуемую производительность по
воздуху (кислороду) и обеспечение необходимых гидродинамических
условий в аэротенке. Расчет системы заключается в определении ко-
личества аэраторов (если известна производительность каждого в от-
дельности), расстояния между ними и расположения в аэротенке.
Естественно, что количество воздуха, подлежащего подаче в аэро-
тенк, будет зависеть от коэффициента его использования (в свою
очередь, зависящего от конструкции аэратора, режима его работы
и гидродинамических условий), характера загрязнений, режима
работы аэротенков и пр.
100
Поэтому удельный расход воздуха D может быть определен по
формуле
D=.и3 на 1 .и3 сточной воды, (IV.11)
Ki К.% ni & (Ср—Cs)
где тх — расход кислорода на снятие 1 кг БПК (0,9—2,2 кг!кг
в зависимости от режима работы аэротенков);
Ki — коэффициент, учитывающий тип аэратора и его распо-
ложение в аэротенке;
К2 — коэффициент, учитывающий глубину погружения аэ-
ратора;
— коэффициент, учитывающий температуру сточных вод;
d — коэффициент качества сточных вод;
La — БПКполн поступающих сточных вод;
Lt — БПКПолн очищенных сточных вод.
Таким образом, наиболее ответственным моментом в расчете не-
обходимого количества воздуха является назначение коэффициентов,
учитывающих конструкцию и глубину погружения аэратора, а так-
же качество сточных вод, величина которых должна определяться
экспериментально.
Зная общую потребность в воздухе, продолжительность аэра-
ции и оптимальный расход воздуха через аэратор (зависящий от кон-
струкции), можно определить количество аэраторов, подлежащее
установке в аэротенке (так, например, для фильтросных плас-
тин, применяемых в СССР, расход через одну пластину составляет
80—100 л/мин).
После определения количества аэраторов решают вопрос о их
расположении в аэротенке в зависимости от потребности в кислоро-
де по его длине. При этом необходимо стремиться к равномерному
распределению аэраторов по площади днища аэротенка, учитывая
потребность в кислороде по длине аэротенка.
С точки зрения перемешивания жидкости в аэротенках извест-
но, что при соблюдении минимальных интенсивностей подачи воз-
духа в аэротенке создаются благоприятные гидродинамические ус-
ловия. Как правило, расход воздуха для целей аэрации значитель-
но превышает расход воздуха на перемешивание, поэтому при рас-
чете пневматических систем таких расчетов не проводят.
Расчет механических аэраторов осуществить значительно слож-
нее из-за большого разнообразия конструктивных решений и ма-
лой изученности. Исследованию механических аэраторов с целью
разработки методов их расчета в последнее время уделяется много
внимания как в отечественной, так и в зарубежной практике. Так,
например, фирмами «Лурги» и «Инфилько» проведены исследования
дискового аэратора, результатом которых явилась разработка типо-
размеров аэратора диаметром 0,5 — 4,5 м. Однако фирмы не сооб-
щают конструктивные параметры и режимы работы аэратора.
Научно-исследовательским центром в Лейпциге изучены кон-
струкции аэраторов «Симплекс», «Симкар» и «Лайтнин» диаметром
101
450 мм—3 м, мощностью 1,5 — 45 кет. Весьма показательно, что
затраты мощности на растворение 1 кг кислорода у всех трех
аэраторов примерно одинаковы и составляют 0,4—0,45 квт-ч.
Расчет механических аэраторов представляет значительные труд-
ности, так как малейшие изменения в конструктивном решении или
в технологическом режиме приводят к существенным изменениям
в показателях их работы. Сложность расчета механических аэрато-
ров усугубляется еще и тем, что они являются локальными, поэтому
вопросам перемешивания должно быть уделено серьезное внима-
ние.
Перемешивание является диффузионным процессом, и его мож-
но рассматривать как диссипацию энергии в турбулентном потоке.
Происходит оно за счет вовлечения массы жидкости в процессе мас-
сообмена, который по аналогии с процессом молекулярной диффу-
зии называется «волновой диффузией». В турбулентном потоке мо-
лекулярная диффузия играет весьма незначительную роль (для пе-
реноса энергии из ядра потока), и ею можно пренебречь. Основное
перемешивание происходит вследствие волновых движений жидкос-
ти. Наиболее широкое распространение в теории перемешивания
получили воззрения Холмогорова.
Используя теорию Холмогорова, Бэчелор теоретически показал,
что коэффициент волновой диффузии, характеризующий степень
турбулентности потока, пропорционален скорости диссипации энер-
гии на единицу массы (или объема) жидкости Е и масштабу волны
L, т. е.
D = KE4>L*1‘. (IV.12)
Эта зависимость была подтверждена экспериментально Орло-
вой, который для 105 турбулентных режимов получил значение
коэффициента пропорциональности К. = 0,0136.
Из уравнения (IV. 12) видно, что степень диффузии, турбулент-
ности или перемешивания можно увеличить путем увеличения либо
диссипации энергии, либо масштаба волн. Это означает, что переме-
шивание можно осуществить несколькими способами. Например,
с помощью небольшой мешалки, работающей на высоких скоростях
вращения; с помощью мешалки по размерам, сопоставимым с разме-
рами резервуара, и работающей на очень малых скоростях; с по-
мощью мешалки, занимающей как по размерам, так и по режиму ра-
боты какое-то промежуточное значение. Применение высокоскорост-
ной мешалки вряд ли будет целесообразным, так как масштаб волны
оказывает гораздо более сильное влияние на процесс перемешива-
ния, чем диссипация энергии. Следовательно, необходимо стремить-
ся к созданию волн крупного масштаба. Этой цели удовлетворяют
сравнительно небольшие мешалки, перекачивающие значительные
объемы жидкости направленными потоками. Поток жидкости, вы-
ходящий из такой мешалки, направляется таким образом,
чтобы достигать самых отдаленных точек резервуара. Входя в массу
жидкости, окружающую мешалку, поток вызывает турбулентность,
102
интенсивность, масштаб которой будет зависеть от размеров и ско-
рости движения потока.
Мощность, затрачиваемая на перемешивание жидкости, глав-
ным образом определяется такими параметрами, как диаметр ме-
шалки d в м, скорость вращения п в об/сек, плотность жидкости
р в кг!мА, динамический коэффициент вязкости р в н-сек/м2, ускоре-
ние свободного падения g в м/сек2.
Впервые взаимосвязь этих параметров была выведена Уайтом
и Бреннером в виде
Kw = CRe*Fr£, (IV. 13)
где K.v = ——критерий мощности (преобразованный критерий
pn3d° Эйлера);
ом d%
Reu------центробежный критерий Рейнольдса;
Р-
d
Fr„ =-----центробежный критерий Фруда;
g
N—затраченная мощность.
Позднее, независимо от Уайта и Бреннера, к аналогичному
уравнению пришли Романков и Павлушенко, давшие числовые
значения коэффициента С и показателей хи у.
На потребление мешалкой мощности оказывают влияние и гео-
метрические параметры аппарата, и расположение мешалки в нем.
Поэтому в общем виде уравнение (IV. 13) записывается как
л'п * с v / D \ а ( S \b ( Н t Н /т v 1
TCv^CRe^FrJU — — — — , (IV.14)
\ «м/ \ “М / \ “м / \ «М /
где D, S, Н, И' — параметры, характеризующие размеры аппа-
рата и расположение мешалки в нем;
— диаметр мешалки.
Для некоторых типов мешалок на основе обработки эксперимен-
тальных данных Раштон и др. получили численные значения коэф-
фициента С и показателей степени х, у, a, b, с, d. Впоследствии за-
висимость этого вида была принята и другими исследователями. На
потребление мощности мешалкой, как это следует из уравнения
(IV. 14), оказывают влияние параметры мешалки, скорость ее вра-
щения, размеры аппарата и свойства перемешиваемой среды. Нуж-
но отметить, что в оценке степени влияния каждого фактора в от-
дельности на процесс потребления мощности среди различных
исследователей отсутствует единое мнение.
Так, например, для трехлопастных пропеллерных мешалок Ро-
манков и Павлушенко рекомендуют зависимость
Kw = 0,846Re“0’05. (IV.15)
По данным Ступса и Ловелла, эта зависимость имеет вид
Кл/ = 2,26Reif0’2, (IV.16)
хотя в обоих случаях диапазон значений ReI( составил 102 — 10е.
юз
Анализ уравнений подобного типа показывает, что влияние па-
раметров мешалки сводилось лишь к учету диаметра, а остальные
параметры (такие, как количество лопастей, их длина и высота) по-
нимались как находящиеся в определенных соотношениях с диамет-
ром, и их влияние учитывалось введением различных коэффициен-
тов, характерных для того или иного вида мешалки. Поскольку
эти параметры непосредственно в уравнения расчета мощности не
входили, то невозможно выявить их влияние на потребление ее. При
небольших диаметрах мешалок, где соотношения между этими па-
раметрами и диаметром постоянны, такой прием можно полагать
более или менее оправданным. Что же касается мешалок или аэра-
торов больших диаметров, то понятно, что такие соотношения, как
HID = 1 и hid = 1 (т. е. глубина жидкости в аппарате равна его
диаметру и высота мешалки равна ее диаметру), не могут быть вы-
держаны. Поэтому при отходе от лабораторных моделей необходим
полный учет всех факторов, влияющих на работу мешалки или аэра-
тора. Одной из попыток такого учета являются эксперименты, про-
веденные Уэстоном и Стаком по исследованию работы поверхност-
ного дискового аэратора. Диаметр аэратора изменялся от 0,3 до
3,3 м при соотношениях dIB (диаметра аэратора к ширине аэротен-
ка) от 1/30 до 1/3,7. В этих пределах соотношения диаметра аэрато-
ра и ширины аэротенка сколько-нибудь заметного влияния на по-
требление мощности не оказывали. Что же касается таких факто-
ров, как диаметр аэратора, количество и размеры лопастей, ско-
рость вращения аэратора, то они оказывали существенное влияние
на показатели работы аэратора. В результате обработки экспери-
ментов исследователи получили следующую функциональную зави-
симость
Kw =
Bs-^h-^-hv
где С, а, b с, d, f — коэффициент и показатели степени, определяе-
мые экспериментально;
Hs — глубина погружения аэратора;
h — высота лопасти;
hp — скоростной напор;
I — длина лопасти;
п — количество лопастей.
Показатель степени 0,7 у члена м/п3 взят по данным Раштона,
так как авторы располагали данными только для 12 и 18 лопастей.
Однако величина этого показателя, равная 0,7, вызывает сомнение:
известно, что одно и то же количество лопастей по-разному отразит-
ся на мощности, потребляемой аэраторами различных диаметров.
Иными словами, количество лопастей должно быть связано с диа-
метром аэраторов.
Недостатком уравнения (IV. 17) является и то, что затраты мощ-
ности не могут быть определены непосредственно для аэратора лю-
104
бого диаметра. Этим уравнением можно воспользоваться лишь для
масштабного перехода от одного диаметра к другому, т. е. это урав-
нение не является аналитическим.
Кроме того, наличие большого количества показателей степени
и коэффициента С, которые должны быть определены эксперимен-
тально, не способствует облегчению задачи расчета мощности. Из
уравнения невозможно выявить оптимальные параметры аэратора
и их взаимосвязь.
Учитывая, что принцип действия большинства механических
аэраторов аналогичен принципу действия центробежных насосов,
более нецелесообразным является расчет мощности по основным по-
казателям работы аэратора, а именно: по количеству перекачивае-
мой аэратором жидкости и скорости ее выхода из аэратора (или на-
пору, развиваемому аэратором).
Тадамаса ц Ивао, исследуя три вида мешалок (в том числе лопаст-
ную и турбинную), получили уравнение расхода жидкости через
мешалку в виде
где Ng — критерий расхода жидкости, равный: q.Kln(P\
Kq — константа, равная для турбинной мешалки 1,46;
п — количество лопастей;
b — высота лопасти.
Исследования проводились в диапазоне соотношений d/D =
= х/4 4- х/2 и b/d — х/10 -4 4/10 при числах Рейнольдса от 3-10
до 3-105. Это означает, что количество жидкости, перекачиваемое
аэратором, является функцией как параметров, так и режима рабо-
ты аэратора (например, глубины погружения турбины, скорости
ее вращения и др.).
Производительность мешалки турбинного типа Ван де Вассом
определена как
Q= лМ2п/гл-|/Ь=^, (IV.19)
где п — скорость вращения мешалки;
/гл —- высота лопасти;
q — отношение угловой скорости вращения жидкости, вра-
щающейся вместе с мешалкой, к угловой скорости вра-
щения лопасти мешалки.
При наличии в аппарате отражательных перегородок тангенци-
альная составляющая скорость жидкости становится равной нулю
и уравнение (IV. 19) принимает вид
Q= л2 с!2нйл. (IV.20)
105
Нетрудно показать, что эта формула получена Ван де Вассом
в предположении, что радиальная составляющая скорости движе-
ния жидкости равна окружной скорости вращения мешалки, т. е.
Q=adhJIvn (IV.21)
или
Q= л<//гля dn= л2 d2 пНл. (IV.22)
Однако Норвуд и Метцнер, а также Нейльсон показали, что ко-
эффициент, связывающий расход жидкости с параметрами аэрато-
ра, вовсе не является постоянным и тем более не равен л. Холмс
и др. предложили уравнение это записывать в виде
Q = knd2h„, (IV.23)
где k — коэффициент, учитывающий радиальную составляющую
потока.
Купер и Вульф предложили уравнение, учитывающее длину
лопасти турбинных мешалок, в виде
л
Q= 2л2 d3nC3 In
л .
sin------4-—
2С2 d 4
л
sin —
4
(IV.24)
где С — коэффициент, зависящий от отношения К = RJRb> т- е-
внешнего радиуса к внутреннему; для К — 1/2 коэффици-
ент С = 0,614, а для К = 1 коэффициент С = 0,707.
Но количество перекачиваемой жидкости не зависит здесь от
глубины погружения мешалки, а значение С дается лишь для не-
которых фиксированных значений длины лопасти, что, конечно,
является существенным недостатком формулы (IV.24).
Теоретические исследования Кальдербанка и Му-Янга связы-
вают производительность мешалки с длиной лопасти в виде функ-
циональной зависимости
N —fc lhn(d-l)
Ро п3 d5 d3 ’
где k — коэффициент пропорциональности;
I — длина лопасти;
р0 — плотность водовоздушной смеси.
Выражение /йл (d—/), названное фактором турбины fm, характе-
ризует количество жидкости, выбрасываемое турбиной за один обо-
рот. Однако практическое пользование уравнением (IV.25) затруд-
нено, так как оно не учитывает количества лопастей.
Анализ уравнений (IV. 19) — (IV.25) показывает, что парамет-
ры мешалки оказывают существенное влияние на эффективность
ее работы. Однако по выбору оптимальных параметров (таких, как
106
количество и размер лопастей) в литературе содержится крайне ма-
ло сведений. Так, по данным Пфлейдерера, для центробежных и
пропеллерных мешалок минимальное количество лопастей может
быть определено как
z^6,5-da^BH-sin^±fe, (IV.26)
da — dBH 2
где р! и р2 — угол входа и выхода жидкости с лопасти;
da 11 dm — соответственно наружный и внутренний диаметр
аэратора.
Верхний предел лопастей для турбинных мешалок, по данным
Клюева и Лелявина, составляет
гМакс=Ю^а. (IV.27)
Однако эти уравнения не отражают связи количества лопастей
с режимом работы аэратора (или мешалки).
Е. Правдин связал количество лопастей с размером аэратора
и скоростью его вращения зависимостью
da
z=105—, (IV.28)
Vn
которая дает результаты, близкие к результатам, полученным по
уравнению Клюева. Однако анализ этих уравнений показывает,
что они не могут быть приняты при проектировании крупногаба-
ритных аэраторов (так, например, эти уравнения показывают, что
при da = 4 м и уп = 4 м!сек нужно принять 420 лопастей, что, ко-
нечно, неприемлемо).
Е. Правдин и В. Овсянников связали длину и высоту лопасти
с диаметром аэратора зависимостями: I = 0,35da и йл = 0,4 da.
Однако эти зависимости не отражают связи параметров лопастей
с их количеством и режимом работы аэратора. Анализ также пока-
зывает их неприемлемость при проектировании крупных аэраторов.
Поскольку поверхностный аэратор рассчитан на контакт с воз-
духом, то глубина его погружения должна быть не больше глубины
образующейся воронки при работе аэратора.
Для расчета глубины воронки, образующейся при работе аэра-
тора (или мешалки) с вертикальной осью вращения, Л. Брагинским
была рекомендована зависимость
2 2
/*ВОр= 4? [1+С.+4- + v СА+V с * +
jg L о / о
+ -4(1 +ct +2Л)3 (4-441 > ОV-29)
где <о0 — угловая скорость вращения мешалки;
у0 — радиус аэратора;
и Dl — параметры распределения окружных скоростей;
R — внутренний радиус аппарата.
107
Для определения глубины воронки при работе турбинных ме-
шалок с радиально направленными лопастями Вебер предлагает
следующее уравнение:
Лвор = 0,000093/г2/?2, (I V.30)
где п — скорость вращения мешалки;
7? — радиус мешалки.
Эти уравнения обладают существенными недостатками, так как
не учитывают ни производительность мешалки, ни ее параметры
(количество и размер лопастей).
В комбинированных системах аэрации, сочетающих подачу сжа-
того воздуха с механическим перемешиванием, потребление мощ-
ности будет характеризоваться в основном теми же показателями,
что и в механических системах. Отличие заключается лишь в уче-
те газонасыщенности жидкости, перемешиваемой мешалкой: чем
больше газонасыщенность жидкости, тем меньше потребление мощ-
ности на перемешивание. Для перемешивания газонасыщенных
жидкостей, близких по свойствам к системам вода — воздух,
Брагинский и Павлушенко предложили расход мощности опреде-
лять по уравнению
„3^5,22
TV=0,9—-------- кет, (IV.31)
do,4uo.2 '
где и — удельный расход газа.
Исследования проводились ими с применением турбинных ме-
шалок закрытого типа диаметром 75—150 мм при диаметрах аппа-
ратов, равных 0,3; 0,4 и 0,5 м и скоростях вращения 2 — 35 об/сек.
Исследования Мак-Кинни показали, что механические аэраторы
являются локальными, так как основное количество кислорода (око-
ло 90%) поступает в жидкость в зоне действия аэратора и лишь не-
значительное количество его поступает через свободную поверх-
ность жидкости в аэротенке. Это указывает на необходимость на-
дежного перемешивания для распределения кислорода по всему
объему аэротенка.
В связи с этим возникает вопрос о зоне действия одного аэрато-
ра. Различными исследователями делаются попытки связать опре-
деленными зависимостями скорости движения жидкости и.к в ре-
зервуаре со скоростью вращения мешалки (аэратора) на базе экс-
периментальных исследований. Так, на наш взгляд, представляет
интерес формула Альбертсона и Хантера
аж = 2,28, (IV.32)
где ц, — начальная скорость потока;
Qd — количество жидкости, приходящейся на един ицу длины
окружности мешалки;
г — расстояние точки от оси вращения.
108
ч
Гидродинамические условия в аэротенке будут зависеть от ко-
личества перекачиваемой жидкости, скорости ее выхода из аэрато-
ра и размеров аэротенка. Однако следует иметь в виду, что коэф-
фициент 2,28 был определен для полностью затопленного потока.
Поскольку аэратор может работать в разных режимах, этот коэффи-
циент будет иметь и другие значения. Поэтому более правильно
уравнение (IV.32) записать в форме
^ = ^11/^. (IV.33)
и ndar
где иабс — абсолютная скорость выхода жидкости из аэратора,
определяемая
= (IV.34)
Таким образом, скорость движения жидкости в плоскости аэра-
тора может быть легко определена. Для возможности определения
скорости жидкости в любой плоскости, аэротенка следует рассмо-
треть механизм движения жидкости в аэротенке.
Из гидродинамики известно, что силы динамического взаимо-
действия имеют вихревую природу и единственным видом устойчи-
вого движения жидкости, совершающегося с постоянным запасом
энергии, является винтовое движение. Движение жидкости в кана-
лах и трубах как по окружности, так и прямолинейное является
лишь частным случаем общего винтового движения при шаге витка,
равном нулю, при криволинейном движении и при шаге витка, рав-
ном бесконечности, при прямолинейном.
При работе аэратора энергия, сообщенная жидкости, идет на
компенсацию потерь, вызываемых различными гидравлическими
сопротивлениями, и на вихреобразование внутри самой жидкости.
Поэтому движение жидкости в аэротенке можно рассматривать как
совершающееся с постоянным запасом энергии, а следовательно,
винтовым движением.
Мельниковым было показано экспериментально, что именно
таковым является движение жидкости в сосудах с мешалкой и что
кинематическая структура потока и характер распределения ско-
ростей наблюдаются в изогнутом трубопроводе прямоугольного се-
чения. Следовательно, к анализу движения жидкости под дейст-
вием аэратора можно применить основные закономерности рас-
пределения скоростей по глубине потока. Зная поверхностную ско-
рость движения жидкости, можно определить скорость движения
в проекции этой точки на любую плоскость сечения аэротенка, т. е.
на вертикали, соединяющей эту точку с ее проекцией на дне аэро-
тенка. Для определения скорости движения жидкости по глубине
можно воспользоваться степенной формулой распределения скорое -
109
тей, предложенной А. Альтшулем и В. Калицуном для трубопро-
водов прямоугольного сечения, которая имеет вид
и \ ( h \у
vx ' \ Н )
(IV.35)
где и — скорость движения потока на глубине 0,2 м от дна;
Н — глубина жидкости в аэротенке.
Показатель степени у определяется по уравнению
t/= 7,45/С, (IV.36)
где С — коэффициент Шези, определяемый по формуле Маннинга
и равный:
C = (IV.37)
п
(значение п для бетона принимается равным 0,013—0,015).
Задавшись минимальной скоростью 0,35 м!сек у дна аэротенка
[на глубине 0,2 м от дна, так как формула (IV.35) рекомендована для
глубин не менее 0,2 м], можно определить необходимую для этой
точки поверхностную скорость
vx= 0,35 (77/0,2)*. (IV.38)
Тогда расстояние этой точки от оси вращения аэратора (или диа-
метр зоны, обслуживаемой аэратором)
г=Д0£обс.ф (1уз9)
Vx nda
Из уравнения (IV.39) видно, что зона влияния аэратора будет
тем больше, чем больше количество жидкости, перекачиваемой аэ-
ратором, и больше скорость ее выхода из аэратора.
Используя результаты исследований, проведенных Кером и
Пфланзой по замеру скоростей в аэротенке размером 20x20 ж2 в
плане и глубиной около 3 м с дисковым аэратором диаметром 4 м,
сотрудники кафедры канализации МИСИ им. В. В. Куйбышева опре-
делили значения коэффициента kx для дискового аэратора (равного
1,14) и провели расчет зоны, обслуживаемой аэратором по уравне-
нию (IV.39). Расчеты показали, что зона в этом случае представляет
собой квадрат в плане со стороной, равной пяти-шести диаметрам
аэратора. К таким же данным пришли Кноп и др., а также Вален-
тин.
Определение зоны, обслуживаемой одним аэратором, в боль-
шинстве практических случаев представляет большие трудности.
Поэтому существенную помощь оказывает моделирование.
Нагата и Ямамато показали, что моделирование процесса пере-
мешивания можно производить на основании подобия энергетичес-
ких затрат по функциональной зависимости
К№/(Рец),
(IV.40)
110
где Kn =
Ng .
pn3d3
N — затраты мощности на перемешивание;
g — ускорение силы тяжести;
р — плотность;
п — скорость вращения мешалки;
d — диаметр мешалки.
Джиббон и Аттвуд переход от опытной к натурной мешалке
предлагают производить по зависимости
2Vo = / _do\2-75
Л?п I dH J
(IV.41)
где Л’о и d0 — мощность и диаметр опытной мешалки;
NB и dB — то же, натурной мешалки.
Однако Эсаян показывает, что моделирование процесса пере-
мешивания, в котором определяющую роль играют вязкость, си-
ла тяжести и поверхностное натяжение, методом подобия энергети-
ческих затрат не позволит получить хорошую сходимость между
моделью и натурой, и полагает, что единственным общеприме-
нимым параметром моделирования является геометрическое подо-
бие между моделью и натурным аппаратом. Однако, на наш взгляд,
такое утверждение будет не совсем правильным. Наиболее прием-
лемым будет метод моделирования с учетом как геометрического
подобия, так и энергетических затрат, так как на процессы переме-
шивания оказывают влияние форма и размер резервуара, конструк-
ция аэратора и его параметры, режим работы аэратора.
Так, по данным Кнопа и Кальбскопфа, для создания благопри-
ятных условий перемешивания в резервуаре прямоугольной формы
в плане объемом 120 м3 требуется приложить мощность 40—50 вт
на каждый кубический метр аэротенка. При увеличении же аэри-
руемой емкости до 1 200 м3 потребляемая мощность снижается до
20—30 вт на 1 м3 аэротенка. Это объясняется тем, что из условий
аэрации (вовлечения воздуха, выходящего из аэратора, струей жид-
кости) независимо от размеров резервуара и аэратора скорость вра-
щения последнего должна оставаться в пределах 3—4 м/сек, хотя
это может и не требоваться из условий перемешивания.
Таким образом, конструирование высокопроизводительных
аэраторов крупных габаритов не может быть основано на противо-
речивых рекомендациях по выбору оптимальных параметров аэра-
тора и режимов его работы. Уравнения, предложенные для расчета
технологических показателей мешалок (например, производитель-
ности, напора и затрат мощности), также не могут быть применены
непосредственно для расчета аэратора, так как последний сущест-
венно отличается от мешалки тем, что не все его сечение заполнено
жидкостью. Кроме того, критериальные уравнения, приведенные
выше, за небольшим исключением не учитывают влияние парамет-
ров непосредственным введением их в уравнение. Учет же их через
111
коэффициенты является крайне неудобным из-за многочисленности
таких коэффициентов и показателей. Следовательно, необходимо
проведение более полного комплекса теоретических и эксперимен-
тальных исследований с целью выявления взаимосвязи параметров
аэратора и их влияния на технологические показатели работы каж-
дой конструкции механических аэраторов.
А. Методика расчета дискового аэратора
Одним из наиболее простых в изготовлении и эффективных в ра-
боте является механический поверхностный аэратор дискового ти-
па, представляющий собой диск с радиально направленными лопас-
тями, прикрепляемыми с нижней его стороны. Аэратор незначи-
тельно погружается в жидкость и с определенной скоростью вра-
щается относительно вертикальной оси. При этом за счет отбрасы-
вания лопастями жидкости вокруг аэратора образуется воронка.
Если глубина погружения аэратора меньше (или равна) глубины
воронки, то диск находится вне жидкости, и воздух из атмосферы
поступает в межлопастное пространство аэратора по периферийной
кромке диска. За лопастью образуется зона пониженного давле-
ния, и воздух располагается там в виде «мешков». Жидкость, вы-
брасываемая’лопастью в виде струи, вовлекает воздух из этих «меш-
ков» в окружающую аэратор жидкость. Встречая сопротивление
жидкостного кольца вокруг аэратора, воздух дробится и в виде от-
дельных пузырьков уносится потоками жидкости и перемешивает-
ся со всем содержимым аэротенка.
В работе аэратора можно выделить три ярко выраженных ре-
жима, характеризующихся различными технологическими пока-
зателями.
Первый режим имеет место при значительной глубине погру-
жения. Вокруг аэратора образуется лишь неглубокая воронка, не
достигающая диска аэратора (диск полностью затоплен). Жидкость,
выбрасываемая из аэратора, не имеет контакта с воздухом, и вовле-
чения воздуха жидкостью не происходит. Затраты энергии на рабо-
ту аэратора весьма высоки, аэрация же происходит только вслед-
ствие возмущения свободной поверхности жидкости в аэротенке,
а поэтому незначительна. С увеличением глубины погружения
аэрация еще более ослабевает.
При уменьшении глубины погружения до полного обнажения
вращающегося диска наступает второй режим работы аэратора. По-
требление электроэнергии при этом значительно снижается, а коли-
чество переданного в жидкость кислорода резко возрастает, так
как аэрация в этом случае происходит под воздействием трех фак-
торов:
1) вовлечения воздуха струей жидкости, срывающейся с лопасти;
2) защемления воздуха вследствие неустойчивости образующей-
ся воронки;
3) возмущения свободной поверхности жидкости.
112
При дальнейшем уменьшении глубины погружения аэратора
потребление электроэнергии падает, но в еще большей степени па-
дает количество переданного в жидкость кислорода, что приводит
к снижению эффективности работы аэратора. При глубине погру-
жения, близкой нулю, воронка вокруг аэратора полностью исчезает,
и жидкость, разбрызгиваясь отдельными струями в виде веера,
аэрируется.
С точки зрения эффективности работа аэратора будет целесооб-
разной во втором режиме, т. е. когда аэрация происходит вследствие
всех трех перечисленных факторов. Нужно отметить, что влияние
каждого из них в отдельности на процесс массопередачи в настоящее
время оценить не представляется возможным из-за малой изучен-
ности не только этих процессов, но и работы механических аэрато-
ров вообще.
Для получения расчетных данных АКХ им. К. Д. Памфилова,
МИСИ им. В. В. Куйбышева и ВНИИ ВОДГЕО были проведены
исследования дискового аэратора. Сотрудники кафедры канализа-
ции МИСИ им. В. В. Куйбышева провели комплекс теоретических
и экспериментальных исследований, в результате которых была
выявлена взаимосвязь параметров аэратора с режимом его работы
и получены расчетные уравнения. В основу расчета аэратора полол
жены два принципа.
Первый принцип заключается в том, что дисковый аэратор рабо-
тает как центробежный насос с односторонним входом жидкости
в колесо, при этом жидкость поступает в аэратор под действием ги-
дростатического напора столба жидкости по высоте, равной глубине
погружения нижней кромки лопасти аэратора.
Второй принцип — это соблюдение условия предотвращения
закручивания жидкости в аэраторе, требующего, чтобы частица
жидкости, попавшая в межлопастное пространство, в начале ло-
пасти была выброшена из этого пространства за время поворота
лопасти на угол, равный углу между лопастями.
Расчет аэратора заключается в определении оптимальных пара-
метров, режима работы и технологических показателей.
1. Диаметр аэратора da назначается из условия
da= (0,15 4-0,2) Ва м, (IV.42)
где Вп — ширина аэротенка в м.
2. Количество лопастей z составляет
2 = (10 4- 12) /4. (IV.43)
3. Длина лопасти I определяется из уравнения
l = М' (IV.44)
113
4. Высота лопасти ha равна:
= V^2ghn м, (IV.45)
где hn — глубина погружения диска, принимаемая равной 0,1—
0,08 м;
t — время пробегания лопастью расстояния, равного расстоя-
нию между лопастями (или время поворота лопасти на
угол, равный углу между лопастями):
/=—— сек.-, (IV.46)
woz
соо — скорость вращения аэратора в об!сек.
Задаваясь скоростью вращения аэратора (исходя из окружной
скорости вращения 3,5—4,5 м/сек), определяют высоту лопасти
постепенным приближением. Правильность выбранной скорости
вращения проверяется соблюдением условия
HCT^hn + h^~k) м, (IV.47)
где k — коэффициент использования боковой поверхности аэра-
тора, равный:
k=^v°—т); <IV-48)
xrtji \ о j
v0 — скорость подъема жидкости на входе в аэратор в м/сек,
равная:
^0= + м/сек. (IV.49)
Статический напор аэратора Нс.г определяется по уравнению
где k' — коэффициент, учитывающий количество лопастей;
со — угловая скорость вращения в рад/сек (со = 2лсоо);
га и гвн — внешний и внутренний радиусы аэратора в м.
Коэффициент, учитывающий количество лопастей, определяется
по уравнению акад. Праскуры
k'=--------!_______.
3,6 1
!+----•------9
2 . / Гвп \
(IV.51)
Добившись выполнения условия (IV.47), можно рассчитать
технологические показатели аэратора.
114
будет:
(IV.52)
(IV.53)
как
(IV.54)
(IV.55)
5. Количество жидкости, перекачиваемой аэратором,
Q;1; /<’ i а0—— W1----------—'l ж3/сек.
2z \ 3 Д da )
6. Мощность (нетто) МнеТТ0, потребляемая аэратором,
N _ Г, , g(2/in-|-M 1
нетто 2-1000 v2
где р — плотность жидкости, равная 1000 кг/м3;
vn — периферийная скорость вращения в м/сек.
7. Окислительная способность аэратора определяется
ОС = (2,8 4- 3) Мнетто кг/ч.
8. Количество аэраторов Na, необходимых к установке в аэро-
тенках, определяется по уравнению
iniQcyr(La — Lt)
а m2 ОСd
где mj — потребность в кислороде на 1 кг снятой БПКполп, рав-
ная 1,05—2,Зв зависимости от режима работы аэротенков;
Ссут — суточный расход сточных вод в м3;
La — БПКполн поступающих сточных вод в кг/м3;
Lt — БПКполн очищенных сточных вод в кг/ж3;
т2 — коэффициент качества сточных вод;
0(J — оКИСЛйТсЛЬНйЯ СПОСОбНОСТЬ Б IZC-i сутки,}
d. — дефицит кислорода.
9. Зона, обслуживаемая одним аэратором, определяется из ус-
ловия обеспечения придонной скорости движения жидкости (на
0,2 м от дна), равной 0,35 м/сек. Поверхностная скорость для этой
точки определяется по уравнению
цх = 0,35 у/; м/сек, (IV.56)
где Н — глубина аэротенка в м.
Тогда зона, обслуживаемая одним аэратором, определится
в плане как квадрат со стороной
(IV.57)
где k2 — коэффициент, определяемый экспериментально и при-
нимаемый равным 1,14;
115
иабс — абсолютная скорость выхода жидкости из аэратора,
равная:
уабс = I vr + м/сек; (IV.58)
vr — радиальная скорость выхода жидкости из аэратора,
определяемая по уравнению
(IV.59)
vH и vK — скорость вращения в начале и конце лопасти в м/сек.
10. Количество аэраторов из условия обеспечения перемеши-
вания жидкости
N'a = —(IV.60)
где Ва — ширина аэротенка в м;
Fa— площадь аэротенка в м2.
11. Оптимальной работа аэратора будет при выполнении усло-
вия
Na=N'. (IV.61)
Проверка данной методики расчета в производственных усло-
виях Мичуринского ферментно-спиртового завода (аэротенка с дву-
мя аэраторами диаметром 1 и 1,5 м) подтвердила ее правильность
с точки зрения потребления мощности, окислительной способности
аэратора и условий перемешивания. В аэротенках размером 6х 6 м
в плане и глубиной около 4 м донные скорости движения жидкос-
ти менее 0,2—0,25 м/сек не наблюдались.
Б. Рекомендации по применению дискового аэратора
Как уже было сказано, в конструктивном отношении дисковый
аэратор представляет собой диск с радиально направленными ло-
пастями, прикрепленными с нижней стороны его. Аэратор враща-
ется относительно вертикальной оси с периферийной скоростью,
зависящей от диаметра.
Для обеспечения доступа воздуха в межлопастное простран-
ство аэратора в диске предусматривается устройство круглых отвер-
стий диаметром 3—5 см или прорезей шириной 2—3 см вдоль лопас-
тей со стороны, противоположной направлению вращения аэратора.
Для предотвращения возможности затопления диска и прекра-
щения доступа воздуха в зону действия аэратора глубина погруже-
ния диска не должна превышать 8—10 см. В случае колебания уров-
ня жидкости в аэротенке целесообразно предусматривать устройство
невысоких лопастей (высотой 4—5 см) и с верхней стороны диска.
Для обеспечения хорошей циркуляции жидкости в аэротенке
и предотвращения выпадения взвеси на дно аэротенка при обычно
116
применяемых глубинах аэротенка 4—4,5 Л1 целесообразно примене-
ние стабилизатора потока. Последний представляет собой вертикаль-
ную трубу, устанавливаемую с небольшим зазором под аэратором
соосно с ним и имеющую верхнее и нижнее коническое расширение.
Верхнее расширение оборудовано вертикальными радиально нап-
равленными лопастями, предотвращающими закручивание жидко-
сти в стабилизаторе. Для
входа жидкости в него уста-
навливаются впускные окна
с регулирующими заслонками
внизу и посередине стабили-
заторов, позволяющие регу-
лировать расход жидкости
через стабилизатор, а следо-
вательно, и производитель-
ность аэратора (рис. IV. 1).
Механический аэратор
дискового типа со стабили-
затором позволяет увеличить
напор, развиваемый аэрато-
ром. При этом аэратор раз-
вивает как гидродинамичес-
кий напор, идущий на пере-
мешивание жидкости в аэро-
тенке, так и гидростатичес-
кий, обеспечивающий образо-
вание воронки и доступ воз-
духа в межлопастное прост-
ранство аэратора.
ГиДрОСТаТИЧССКИК ИППОр,
развиваемый аэратором, мо-
жет быть использован и для
Рис. IV.1. Схема дискового аэрато-
ра со стабилизатором
1 — дисковый аэратор; 2 — стабилизатор;
3 — верхнее расширение стабилизатора;
л — лопатки ппрпптвпяптения чзкоу-
чивания потока
возврата активного ила из вторичного отстойника. Возврат ила
осуществляется под действием разности уровней жидкости в меж-
лопастном пространстве аэратора и вторичном отстойнике, т. е.
Яц-Яст-/гаэр~/гтр, (IV.62)
где йаэр — потери напора при переходе жидкости из аэротенка
в отстойник;
/гтр — потери напора в циркуляционном трубопроводе (сум-
ма местных сопротивлений и сопротивлений по длине
трубопровода).
Диаметр циркуляционного трубопровода определяется из усло-
вия
м,
(IV.63)
117
где q — расход циркулирующего активного ила;
— скорость движения жидкости в трубопроводе, равная:
м1сек. (IV.64)
Диаметр стабилизатора потока может быть определен аналогич-
но диаметру циркуляционного трубопровода.
На основе методики расчета аэратора авторами определены па-
раметры некоторых типоразмеров, представленные в табл. IV. 2.
Таблица IV.2
Диаметр аэратора в м Скорость враще- ния Количест- во лопа- стей в шт. Высота лопасти в см Длина лопасти в см Мощность (нетто), потребляемая аэратором, в квт Окислитель- ная способ- ность в кг/сутки
в об[мин в м!сек
0,5 133 3,5 6 14 17 1,2 80
0,7 95 3,5 8 14 20 2,4 170
1 67 3,5 12 13 21 3,4 230
1,5 48 3,75 16 14 25 7,5 550
2 38 3,95 18 15 • 30 11,8 800
2,5 32 4,25 18 18 37 18,1 1250
3 27 4,5 24 17 35 26,5 1860
3,5 24 4,6 24 18 40 38,5 2600
4 22 4,76 24 20 47 52,5 3500
4,5 21 4,95 24 22 52 75,0 4900
Примечание. Глубина погружения диска составляет 8— 10 см.
В случае незначительного отклонения скорости вращения, обес-
печиваемой редуктором <в0 ред (поскольку в настоящее время не
производится серийный выпуск редукторов, предназначенных для
этой цели, не представляется возможным рассчитать типоразмеры
с учетом передаточного числа редуктора), от скорости вращения,
указанной в табл. IV.2, можно несколько изменить диаметр аэра-
тора по уравнению
(IV.65)
«о ред
Изменив соответственно длину лопасти, следует определить мощ-
ность из соотношения
/AV квт- (IV.66)
ft’ \ d /
1 нетто \ иа /
z / \ 2
^нетто нетто ( ] КвШ. (IV.67)
\ “а /
Зона, обслуживаемая одним аэратором, может быть принята
равной: 5JaxMa, что при очистке реальных сточных вод (коэф-
фициент качества которых составляет около 0,8) позволяет получить
окислительную мощность сооружения, т. е. окислительную спо-
118
собность аэратора, отнесенную к обслуживаемому им объему аэро-
тенка и равную около 1,5—1,6_ка/м3-сутки.
При более легкоокисляюшихся, загрязненных и более высоких
БПК окислительная мощность сооружения может быть повышена
за счет уменьшения зоны,
обслуживаемой одним
аэратором до 4 da х
X4da, что позволит по-
лучить окислительную
мощность, равную при-
мерно 2,2—2,3 кг/м3х
X сутки (при том же ко-
эффициенте качества
сточных вод и дефиците
кислорода около 0,8).
По данным кафедры
канализации МИСИ им.
В. В. Куйбышева, про-
ектными организациями
были разработаны рабо-
Рис. IV.2. Общий вид дис-
кового аэратора диаметром
2,5 м, разработанного Гип-
рокоммунводоканалом
1 — дисковый аэратор; 2 —
электродвигатель АО2-71-4 мощ-
ностью 22 кет; 3 — редуктор
чие чертежи нескольких типоразмеров аэраторов. Мосводоканални-
ипроскт разработал конструкцию аэратора диаметром 0,5 м~, Гипро»
коммунводоканал — диаметром f 1,5; 2 и 2,5 м; Союзводоканалпро-
ект и Гипрокоммунводоканалпроект разработали конструкцию
аэратора диаметром 1 м. Общий вид аэратора диаметром 2,5 м
приведен на рис. IV.2.
3. Некоторые соображения
по эксплуатации системы аэрации
Как было сказано выше, система аэрации не является непосред-
ственным элементом процесса биохимической очистки, тем не ме-
нее она требует значительной доли капитальных вложений и эксп-
луатационных затрат и существенно влияет на эффективность ра-
боты сооружений биохимической очистки. От правильности выбора
устройства и эксплуатации зависят срок службы системы аэрации,
а также качество и надежность работы аэротенков. Поэтому на
систему аэрации следует обращать самое серьезное внимание уже
на этапе строительства. Это особенно относится к пористым диф-
фузорам, являющимся весьма чувствительными ко всякого рода
119
отклонениям от нормы. Здесь нужно обратить внимание на целе-
сообразность тщательной сортировки диффузоров по их воздухо-
проницаемости (так как диффузоры одной и той же марки, выпускае-
мые даже одним заводом, как правило, имеют разную проницае-
мость, причем отклонения бывают значительными). Диффузоры,
питающиеся от одного воздухораспределителя, должны иметь по
возможности одинаковую воздухопроницаемость. Диффузоры с мак-
симальной воздухопроницаемостью должны устанавливаться на
входе в аэротенк, где требуется наибольшее количество воздуха
и имеется большая опасность загрязнения.
Диффузоры должны устанавливаться строго прямолинейно,
причем отклонение по высоте рядом установленных фильтросов,
например, не должно превышать 2 мм.
Особо тщательно должна проводиться заделка диффузоров
для исключения возможности утечки воздуха в этих местах.
Утечка воздуха опасна не столько перерасходом его, сколько воз-
можностью попадания через щели сточных вод в воздушную систе-
му и забивания пор диффузоров изнутри. Наличие утечек воздуха
может быть выявлено перед пуском аэротенка путем затопления
диффузоров чистой водой на глубину 7—10 см под уровень воды
и подачи такого расхода воздуха, при котором каждый диффузор
должен работать в очень слабом режиме. Утечка воздуха в за-
делке или в соединении труб будет сразу замечена либо по более
крупным пузырям, либо по степени турбулентности потока.
При строительстве следует оберегать диффузоры от попадания
на них строительного мусора и особенно цемента, бетона, извести.
Перед пуском аэротенка в эксплуатацию необходимо промыть
водой (или продуть воздухом) всю воздухопроводящую систему
для удаления всякого рода загрязнений, попавших в нее при строи-
тельстве.
При пуске аэротенка в эксплуатацию необходимо пропускать
воздух через диффузоры с момента их затопления водой и посте-
пенно увеличивать давление воздуха по мере наполнения, чтобы
не подвергать диффузоры одностороннему излишнему давлению со
стороны воздуха, которое может вызвать появление трещин в за-
делке.
В процессе эксплуатации работа аэротенка должна быть по
возможности постоянной. Следует иметь в виду, что даже временное
прекращение подачи воздуха или падение давления ниже допусти-
мого крайне нежелательно, так как приводит к выпадению взве-
шенных веществ и просачиванию их с жидкостью в поры диффузоров.
При отключении и опорожнении аэротенков воздух должен по-
даваться (с постепенным уменьшением давления) до полного «об-
нажения» диффузоров.
Если аэротенк отключен на длительный период и особенно в
зимнее время, диффузоры должны быть затоплены чистой водой
слоем до 1 м с подачей небольшого количества воздуха в особо
сильный мороз. В случае сложности заполнения аэротенков чистой
120
водой можно прибегнуть к использованию сточной жидкости, но
с обязательной продувкой воздухом.
Эксплуатация системы аэрации немыслима без постоянного
грамотного и систематического контроля, который имеет как
общие для всех систем аэрации, так и специфичные для той или
иной системы аэрации стороны.
Известно, что эффективность работы системы аэрации нахо-
дится в зависимости от дефицита растворенного кислорода в жид-
кости. Различными исследователями указывается, что концентра-
ция растворенного кислорода
выше 1,5—2 мг/л является бес-
полезной с точки зрения ско-
рости процесса очистки (см.
гл. II). С точки зрения эконо-
мической повышение концент-
рации кислорода в жидкости
приводит к снижению эффектив-
ности работы системы, как это
видно из рис. IV.3. Так, напри-
мер, повышение концентрации
кислорода с 2 до 4 мг/л равно-
ценно 35—40% потери электро-
энергии. Поэтому концентрация
растворенного кислорода должна
поддерживаться в пределах 1—
2 мг!л. Это должно осуществ-
ляться включением (или отклю-
чением) дополнительных воз-
Рис. IV.3. Зависимость потребления
электроэнергии, затрачиваемой на
растворение 1 кг кислорода, от кон-
центрации растворенного в жидко-
сти кислорода
духодувок при пневматической аэрации и регулированием работы
xnVOTTTrTTOOirTfV ПППО'ГОН АП I I тт в тг Г\ ГТ Лтгг ТО ОГчЛ ТТТГХ ТТ О ТТ О ГТ * <ТГТТТГ*<П тт г
lUV-AuxXXtl *ХХ_\^Х\Х£2Х СХ J|>CX X ^2 1 vyivi исл IVXXllXXllTllXVX и
но допустимая интенсивность аэрации из условия поддержания
активного ила во взвешенном состоянии. По данным некоторых
исследователей, для пневматической аэрации эта интенсивность
составляет около 20 л3 воздуха на 1 м длины аэротенка при обыч-
но применяемых ширинах коридоров до 9 л.
По нормативным данным, минимальная интенсивность аэрации
зависит от глубины погружения аэратора и составляет 48 л3
воздуха на 1 м2/ч при глубине погружения 0,5 м и 2,5 м?'/м2-ч
при глубине погружения 6 м.
Возможность и целесообразность регулирования подачи воз-
духа в течение суток должна изучаться в каждом конкретном слу-
чае отдельно. Здесь будут иметь важное значение количество воз-
духодувок, их производительность и квалификация обслуживаю-
щего персонала (или целесообразность автоматического управления).
Регулирование механических аэраторов может осуществляться
двумя путями: изменением скорости вращения аэратора или из-
менением глубины его погружения.
Первый способ, несмотря на кажущуюся привлекательность,
121
находит применение только на очень малых установках. Для круп-
ных аэраторов применение редукторов с переменной скоростью вра-
щения совершенно неэкономично, так как возникают дополнитель-
ные механические потери, т. е. снижается к. п. д., и возрастает
первоначальная стоимость аэратора (и, конечно, вес и размеры).
Второй способ путем изменения глубины погружения аэратора
осуществить значительно проще с помощью регулируемого водо-
слива. По-видимому, по этому пути следует вести автоматизацию
работы аэратора. Поскольку с уменьшением глубины погружения
аэратора против оптимальной уменьшаются производительность
аэратора и затраты энергии, то, изменяя положение водослива,
можно сравнительно просто поддерживать необходимые парамет-
ры работы системы. В этом отношении механические аэраторы
обладают определенной способностью к саморегулированию, так
как в часы максимального притока уровень жидкости в аэротенке
поднимается, а в часы минимального притока — падает. Поэтому
возможна настройка аэратора таким образом, чтобы максималь-
ная производительность его была достигнута при самом высоком
уровне жидкости в аэротенке.
Кроме контроля за такими показателями, как ВПК жидкости
на входе и выходе из аэротенка, концентрация активного ила,
иловой индекс растворенного кислорода и др. (которые характе-
ризуют биохимический процесс), необходим контроль и за специ-
фичными для каждой системы аэрации факторами.
Так, при пневматической системе аэрации необходимо контро-
лировать:
1) работу воздухоочистительных фильтров (срок работы фильт-
ра и его технологические показатели);
2) работу воздуходувок (постоянство давления; производи-
тельность по воздуху; потребляемую мощность; возможность регу-
лирования; частоту, длительность и причину ремонта);
3) работу аэротенков (количество воздуха, подаваемое в аэ-
ротенк, желательно с разбивкой по его длине; давление воздуха;
концентрация растворенного кислорода в дневное и в ночное время;
равномерность распределения воздуха по площади аэротенка, по-
казателем которой является равномерность концентрации раство-
ренного кислорода);
4) работу аэраторов (выявление неисправностей в воздухораспре-
делительных трубопроводах или в самих аэраторах путем ежеднев-
ного осмотра).
При механической системе аэрации аэраторы вообще не нуж-
даются в воздуходувках, воздухоочистительных фильтрах, тру-
бопроводах и являются локальными. Контроль за их работой
значительно проще по сравнению с контролем пневматических
аэраторов и сводится к следующему:
1) наблюдению за их работой (смазка подшипников и шесте-
рен, подтяжка креплений, надежная электроизоляция токонесу-
щих элементов);
122
2) учету энергопотребления (желательно иметь данные для раз-
личных глубин погружения аэраторов);
3) учету длительности работы аэратора в периоды между ремон-
тами;
4) анализу причин неполадок, их серьезности и длительности
устранения.
Правильная эксплуатация, хорошо налаженный контроль за
работой системы аэрации позволят не только продлить срок ее
службы, но и свести к минимуму непроизводительные затраты на
ее содержание.
Срок службы пористых диффузоров будет в значительной степени
зависеть от характера и степени загрязненности сточных вод и
подаваемого в систему воздуха, нагрузки по воздуху на диффузор
и размера его пор. По мере эксплуатации воздухопроницаемость
диффузора падает, а сопротивление прохождению воздуха возрас-
тает (иногда настолько значительно, что диффузор может быть
«выбит» из гнезда, что часто происходит с фильтросами) из-за загряз-
нения воздухопроводящих пор диффузоров. Они загрязняются со
стороны подачи воздуха и жидкости.
Загрязнение диффузоров со стороны подачи воздуха вызывает-
ся примесями, содержащимися в самом воздухе; маслами из фильт-
ров очистки воздуха или от внутренней смазки компрессоров;
ржавчиной, окалиной из воздухораспределительных труб, а также
загрязнениями, проникающими вместе со сточными водами внутрь
воздушной системы через неплотности в заделке диффузоров.
Загрязнение диффузоров со стороны жидкости вызывается, с од-
ной стороны, биологическими обрастаниями, а с другой — чисто
механическими отложениями — тонкими взвешенными вещества-
ми, попадающими в поры вместе со сточной жидкостью при паде-
нии давления воздуха ниже, допустимого или при отключении его
подачи; маслами, содержащимися в сточных водах; выпадающими
осадками (особенно солями железа и карбонатами); различными
загрязнениями, попадающими в аэротенк при строительстве или
ремонте. Биологические обрастания, как правило, очень незна-
чительно влияют на работу диффузоров. Более существенное зна-
чение имеет конденсация влаги в диффузорах, которая хотя сама
по себе загрязнением не является, тем не менее приводит к значи-
тельным потерям давления воздуха, особенно при высоких на-
грузках на диффузор.
В связи с этим необходима, с одной стороны, тщательная за-
делка диффузоров, исключающая образование щелей, отверстий,
трещин и пр., через которые сточная жидкость может проникать
в систему аэрации и загрязнять ее изнутри; с другой стороны, воз-
дух должен быть очищен от содержащихся в нем загрязнений.
С этой целью прибегают к устройству воздухоочистных фильтров.
По исследованию американских специалистов, воздух можно считать
достаточно очищенным, если содержание в нем загрязнений не пре-
вышает 0,35 мг на 100 мя воздуха. Применение фильтров очистки
123
воздуха (в зависимости от их вида) приводит к значительному уве-
личению срока службы диффузоров. Исследования, проведенные
на Курьяновской станции аэрации (Москва), показали, что в усло-
виях, близких к московским (нагрузка на одну фильтросную плас-
тину 95 л!мин, средняя концентрация массы 6,2 мг!л, загрязнен-
ность воздуха до очистки 0,26 мг!м3, доза ила 1,6 г/л), срок служ-
Рис. IV.4. Диаграмма стоимости
и промывки (регенерации) или за-
мены диффузора, приходящейся
на единицу поданного объема
воздуха
1 — при расчетной пропускной способ-
ности диффузора 28 000 м3 воздуха; 2 —
то же, 56 000 м3; 3 — то же, 84 000 л£3;
4— то же, 112 000 м?\ 5 — то же,
140 000 лс3; б — то же, 168 000 л<3; 7 —
то же, 196 000 л<3; 8— ю же, 224 000 м3-,
9 — то же, 252 000 лг5; 10 — то же,
780 000 л3; 11 — то же, 420 000 л3; 12 —
то же, 560 000 м3; 13 — то же, 700 000 м3;
14 — то же, 84 0 000 м3
Рис, IV.5. Диаграмма дополнитель-
ной стоимости сжатия воздуха за
счет возрастания сопротивления
диффузора по мере эксплуатации при
различной стоимости электроэнергии
1 — при дополнительном давлении
0,017 кгс/см2-, 2 — то же, 0,035 кгс/см2-, 3 —
то же, 0,053 кгс/сл2; 4 — то же,
0,07 кгс/см2-, 5 — то же, 0,105 кгс/см2', 6 —
то же, 0,14 кгс/см2-, 7 — то же, 0,175 кгс/см2;
8 — то же, 0,21 кгс/см2
бы пластин не превышает семи лет. Некоторые исследователи по-
лагают, что замена или прочистка диффузоров экономически це-
лесообразна через каждые два-три года, т. е. когда увеличение по-
терь напора на преодоление сопротивления диффузора возрастает
на 0,035 кгс!смг.
Однако срок службы диффузора в каждом конкретном случае
должен устанавливаться в зависимости от местных условий (стои-
мость электроэнергии, диффузоров и их установки или замены и
др.). Так, например, американские специалисты при определении
срока службы диффузора рекомендуют пользоваться диаграмма-
124
ми, характеризующими стоимость подачи единицы объема воздуха
при возросшем давлении и стоимость замены диффузора, прихо-
дящуюся на ту же единицу объема воздуха, для разных объемов
пропущенного через диффузор воздуха. На рис. IV.4 дана диаг-
рамма стоимости, промывки или замены диффузора, приходящих-
ся на 28 000 Л13 пропущенного воздуха в зависимости от прини-
маемой полной пропускной способности диффузора за время его ра-
боты. Так, например, при стоимости замены диффузора 3 долл,
и общей пропускной способности 280 000 л3 воздуха стои-
мость замены диффузора, приходящаяся на единицу объема воз-
духа (28 000 ж3), составляет 0,3 долл. Предположим, что за это
время (около пяти-шести лет) давление увеличилось на 0,053 кгс/см?.
Тогда при стоимости энергии, например, в 2 цента за 1 квт-ч,
дополнительные затраты на подачу той же единицы объема воз-
духа составят около 1 долл., как это видно из рис. IV.5. В резуль-
тате такого сравнения выявится экономическая целесообразность
замены диффузоров.
Конечно, указанные диаграммы являются лишь примером воз-
можного сравнения. Более строгий подход к этому вопросу по-
требует и более точного определения дополнительной стоимости
энергии на сжатие воздуха, так как она, в свою очередь, будет зави-
сеть от глубины аэротенка. Строгого и всестороннего подхода тре-
бует и определение стоимости замены диффузоров в реальных ус-
ловиях (остановка и опорожнение аэротенка, проведение ремонт-
ных работ, пуск аэротенка снова в эксплуатацию).
Таким образом, хорошо налаженный и постоянный контроль
за работой систем аэрации и их содержанием позволит объективно
оценить достоинства и недостатки эксплуатируемой системы и даст
возможность затем сравнить различные системы, работающиие в ана-
логичных или одинаковых условиях. Это, в свою очередь, позво-
лит проектировщикам более полно учесть возможности той или
иной системы и значительно облегчить задачу выбора системы
аэрации.
Глава V
ОСНОВНЫЕ МОДИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА
ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД В АЭРОТЕНКАХ
1. Классификация аэротенков
Работа аэротенков основана на использовании биохимического
окисления органических веществ сточных вод аэробными микроор-
ганизмами, колонии которых образуют так называемый активный
ил. По существующим представлениям «аэротенк представляет
собой резервуар, в котором медленно протекает смесь активного
ила и очищаемой сточной жидкости». Таким образом, термин
«аэротенк» объединяет довольно обширную группу биологических
125
окислителей, использующих минерализующую способность ак-
тивного ила. Следовательно, такие очистные сооружения, как окис-
лительные пруды и циркуляционные окислительные каналы, могут
рассматриваться как соответствующие модификации аэротенков и
расчет их может вестись теми же методами, что и расчет аэротенков.
Рассмотрим классификацию аэротенков по основным признакам:
по гидродинамическому режиму — аэротенки-вытеснители, аэ-
ротенки-смесители и аэротенки с рассредоточенным впуском сточ-
ной жидкости (аэротенки промежуточного типа);
по способу регенерирования активного ила — аэротенки с от-
дельной регенерацией и аэротенки без отдельной регенерации ак-
тивного ила;
по нагрузкам на активный ил — высоконагружаемые (аэротен-
ки на неполную очистку), обычные и низконагружаемые (аэро-
тенки продленной аэрации). К аэротенкам продленной аэрации
по существу относятся окислительные пруды и циркуляционные
окислительные каналы; обычные или даже низконагружаемые
аэротенки, в которых поддерживается большая (5 г/л и более)
доза ила, называются высокопроизводительными;
по количеству ступеней очистки — одно-, двух- и многоступен-
чатые аэротенки. При этом под ступенью очистки следует понимать
часть общей биохимической системы, в которой поддерживается
специфическая культура активного ила. Так, например, два ра-
ботающих последовательно аэротенка, имеющих свои вторичные
отстойники и отдельные системы циркуляции активного ила, обра-
зуют двухступенчатый аэротенк;
по режиму ввода сточной жидкости — проточные, полупроточ-
ные, с переменным рабочим уровнем и контактные.
Важной ступенью классификации аэротенков также являются
их конструктивные признаки. В отечественной практике и за ру-
бежом применяется целый ряд конструкций аэротенков, которые,
несмотря на внешние различия, во многих случаях воплощают
одни и те же технологические принципы. Очевидно, что фирмы —
«Инфилко» (США), «Дегремон» (Франция), «Лурги» (ФРГ) и другие,
специализирующиеся в области технологии очистки сточных вод,
нередко сознательно идут на усложнение создаваемых конструкций,
чтобы получить приоритет на то или иное сооружение. Новой от-
раслью технологии являются аэротенки-смесители, сблокирован-
ные со вторичными отстойниками (аэротенки-отстойники) таким
образом, что процессы биохимического окисления, биокоагуля-
ции, отстаивания и осветления во взвешенном слое осадка про-
исходят практически в одном сооружении.
Конструкции аэротенков различаются: 1) по типу систем аэра-
ции; 2) по способу блокировки аэротенка и отстойника; 3) по на-
правлению движения сточной жидкости; 4) по концентрации об-
рабатываемых сточных вод; 5) по принципу работы отстойной
зоны; 6) по способу распределения сточных вод; 7) по форме в
плане.
126
Кроме того, аэротенки могут отличаться материалом исполне-
ния (металл, монолитный или сборный железобетон, пластмассы),
а корпус аэротенков, выполненный из металла, может быть кар-
касным или в виде цилиндрической оболочки. В зависимости от кон-
кретных условий аэротенки заглубляются или устанавливаются
на поверхности земли, как на открытом воздухе, так и в специаль-
ных шатрах-утеплителях.
По типу аэрации аэротенки могут быть с пневматической, пнев-
момеханической и механической (поверхностной) системами. Ино-
гда для улучшения перемешивания на одном валу с пневмомеха-
ническим аэратором устанавливается поверхностный или реже
промежуточный аэратор. При анализе установок с пневматической
или пневмомеханической системой аэрации необходимо различать
низконапорные и обычные воздухораспределительные системы,
так как этот параметр в значительной степени влияет на конструк-
цию в целом.
При низких нагрузках на активный ил основная энергия аэра-
тора расходуется на перемешивание иловой жидкости. Это правило
положено в основу создания систем периодической аэрации. При-
мером аэратора периодического действия является пневматический
аэратор, прикрепленный к тележке, которая медленно движется
по периметру сооружения. Достоинством таких аэраторов явля-
ется значительная (по сравнению со стационарными системами)
экономия электроэнергии, а недостатком — наличие сложного
в эксплуатации механизма передвижения.
По способу блокировки различают аэротенки с раздельными
вторичными отстойниками и аэротенки, сблокированные с вто-
ричными отстойниками (компактные или комбинированные аэро-
тенки, аэротенки-отстойники). В свою очередь аэротенки-отстой-
ники различают:
1) по направлению движения сточной жидкости — установки
с центрально расположенной отстойной зоной и периферической
зоной аэрации (движение жидкости от периферии к центру); уста-
новки с центрально расположенной зоной аэрации и перифери-
ческой зоной отстаивания (движение жидкости от центра к пери-
ферии); кроме того, встречаются установки промежуточного типа,
т. е. со смежным расположением зон аэрации и отстаивания;
2) по концентрации обрабатываемых сточных вод — установки
для очистки концентрированных стоков и установки для очистки
слабоконцентрированных сточных вод. Указанное различие вы-
ражается отношением объема зоны аэрации к объему зоны отстаи-
вания, которое тем больше, чем больше время аэрации, т. е. чем
концентрированней сточные воды. Известны случаи успешной
очистки сточных вод в аэротенках с БПКПОлп> равным 6000 мг/л,
при содержании фенолов 2000—3000 мг/л;
3) по принципу работы отстойной зоны — аэротенки-отстой-
ники с осветлением во взвешенном слое, с обычным (гравитацион-
ным) отстаиванием или с отстойником промежуточного типа. Не-
127
обходимо также различать отстойные зоны, в которых концент-
рирование осадка в нижней части происходит естественно или про-
изводится искусственным путем (скребковый механизм). Как
правило, скребковые механизмы используются в аэроакселерато-
рах, рассчитанных на значительный расход сточных вод (более
15 000 м2 3/сутки);
4) по способу распределения сточных вод — аэротенки-отстой-
ники с рассредоточенной по длине сооружения подачей сточных
вод в зону аэрации, а также с сосредоточенным (точечным) подво-
дом стоков. Как правило, установки первого типа оборудуются
пневматической системой аэрации, а установки второго типа чаще
устраиваются с пневматическим или механическим аэратором;
5) по форме в плане — прямоугольные (квадратные или вытя-
нутые в длину), круглые или более сложной формы.
Современный аэротенк представляет собой гибкое в техноло-
гическом отношении сооружение, которое может изготовляться из
монолитного или сборного железобетона, стали или пластмасс
непосредственно на строительной площадке или предварительно
собираться на заводе и транспортироваться на строительную пло-
щадку в готовом виде. Аэротенк может быть успешно применен для
полной биохимической очистки многих видов производственных
сточных вод в широком диапазоне концентраций загрязнений
и практически во всем диапазоне расходов сточных вод. По мере
развития научных исследований, направленных на улучшение и
удешевление процесса очистки сточных вод, количество конструк-
тивных модификаций аэротенков и число их технологических схем,
несомненно, будут возрастать.
2. Аэротенки-вытеснители и аэротенки-смесители
С точки зрения гидродинамических условий работы аэротенки,
имеющиеся в настоящее время, можно подразделить на три основ-
ных типа: 1) аэротенки, в которых поступающая сточная жидкость
практически не перемешивается с ранее поступившей, или аэро-
тенки-вытеснители; 2) аэротенки, в которых поступающая сточ-
ная вода постоянно перемешивается со всей жидкостью, имеющейся
в сооружении, или аэротенки-смесители; 3) аэротенки промежу-
точного типа, в которых поступающая вода перемешивается только
с частью имеющейся в аэротенке жидкости.
Характер распределения основных технологических парамет-
ров по длине I аэрационных сооружений указанных типов пока-
зан на рис. V.1 — V.5.
Аэротенки-вытеснители представлены коридорными сооруже-
ниями, в которых порция поступающей смеси очищаемых сточных
вод и активного ила проходит последовательную очистку без пол-
ного смешения со всем объемом жидкости. В аэротенках данного
типа глубина очистки сточных вод — функция расстояния, прой-
денного данной порцией стоков от точки впуска (см. рис. V.1).
128
Сточная Ша
Активный ил
Илобая
смесь
Азротенк
Сточная
Активный, ил
ajt/л
О 12 3
^кг/кг-сутга
а,г/л
В ! 2 3
ИлоВая
С спесь
0 1,п
Л
О
Я,кг/квсутки
Рис. V.I. Характер распределения
основных технологических показа-
телей по длине аэротенков-вытес-
нителей
1 — при количестве возвратного ила
33%; 2— то же. 50%; 3 — то же, 100%
Рис. V.2. Характер распределения
основных технологических показа-,
телей по длине аэротенков пол-
ного смешения
1 — при количестве возвратного ила
33%; 2 — то же, 50%; 3— то же, 100%
Азротенк
Активный ил ।----У—--------1 Илодая
* | | । спесь
Сточная Вода
Азротенк
Сточная бода \-/—---------1 ИлоВая
‘ | f спесь '
Активный ил
Рнс. V.3. Характер распределения
основных технологических пока-
зателей по длине аэротенков с рас-
средоточенным впуском сточной
жидкости
1 — при количестве возвратного ила
33%; 2—то же, 50%; 3 —то же, 100%
Рнс. V.4. Характер распределения
основных технологических пока-
зателей по длине аэротенков с рас-
средоточенным впуском активного
ила
I — при количестве возвратного ила
33%; 2 —то же, 50%; 3 —то же, 100%
Б Зак. 1265
129
Примечательной особенностью процесса биохимической очистки
в сооружениях данного типа является его «ступенчатость» по усло-
виям метаболизма микрофлоры активных илов. Это приводит к
разделению процесса очистки на отдельные фазы, что обеспечивает
оптимальные условия метаболической активности лишь в незна-
чительном промежутке общей продолжительности пребывания
Рис. V.5. Характер распределения
основных технологических показа-
телей по длине аэротенков с улуч-
шенным гидродинамическим ре-
жимом (по К. Бойте)
1 — при количестве возвратного ила
33%; 2 — то же, 50%; 3 — то же, 100%
очищаемых сточных вод в аэро-
тенке. Иными словами, если в
начальных стадиях процесса
наблюдаются перегрузка актив-
ной биомассы питательным ве-
ществом и дефицит кислорода,
то в последующих стадиях ак-
тивный ил, как правило, полу-
чает избыточное количество
кислорода при недостатке пита-
тельного материала. Следует
отметить, что 1,5 — 2-часовое
пребывание иловой жидкости во
вторичных отстойниках в усло-
виях глубокого дефицита кисло-
рода приводит к заметному
снижению активности микро-
организмов. Учитывая изложе-
нное выше, можно заключить,
что рост различных представи-
телей микрофлоры активных
илов и их метаболическая актив-
ность в аэротенках-вытеснителях
далеки от оптимальных.
почти в три раза выше, чем на
В аэротенках-вытеснителях
концентрация активного ила а
практически постоянна по дли-
не сооружения, в то время как
нагрузка на активный ил
очень высока в начале и быстро
падает уже в первой трети со-
оружения. Реакция окисления
органических загрязнений в та-
ком сооружении носит гетеро-
генный характер. На входе в
аэротенк дефицит кислорода D
выходе из сооружения (при оди-
наковой интенсивности аэрации). Концентрация остаточных заг-
рязнений Lt по БПКдолн высока в начале сооружения, но интен-
сивно снижается по мере приближения к выпуску из него.
Таким образом, технологический процесс в обычных аэротенках
не позволяет с достаточной полнотой использовать рабочий объем
130
этих сооружений, кроме того, ход очистки, а следовательно, и ка-
чество очищенной сточной воды, как правило, подвержены сильным
колебаниям. Широко известные в практике очистки сточных вод
коридорные аэротенки с фильтросными каналами сложны в эксплуа-
тации, отличаются громоздкостью, а строительство их требует
значительных капитальных вложений и времени. Кроме того,
чувствительность этого сооружения к перегрузкам резко снижает
его применимость для очистки производственных сточных вод.
Аэротенки-смесители (аэротенки полного смешения) представ-
ляют собой сооружения, в которых порции поступающей сточной
жидкости почти мгновенно перемешиваются со всей массой смеси
жидкости и активного ила, что позволяет равномерно распреде-
лять органические загрязнения и растворенный кислород, а также
обеспечивать работу сооружения в условиях высоких нагрузок
(см. рис. V.2).
Технологической особенностью этого аэротенка является рас-
средоточенный впуск смеси сточной жидкости и активного ила
вдоль продольной стенки аэротенка и такой же выпуск ее с противо-
положной стороны. Благодаря такому впуску и выпуску сточной
жидкости и активного ила при интенсивном перемешивании по-
ступающей смеси, во всех точках объема аэротенка устанавливается
практически одинаковая сниженная концентрация органических
веществ. Большое разбавление поступающих сточных вод очи-
щенной водой, содержащейся в аэротенке, позволяет подавать в него
сточную воду с высокой концентрацией загрязнений без предва-
рительного их разбавления условно чистыми водами. Это позво-
ляет избежать увеличения объема вторичных отстойников. Реак-
ция окисления загрязнений протекает почти в гомогенных усло-
виях. К аэротенкам-смесителям относятся и сооружения, обору-
дованные механическими аэраторами; отношение длины таких со-
оружений к их ширине близко к единице. К недостаткам аэротен-
ков-смесителей следует отнести возможность «проскока» части
сточной жидкости без достаточной очистки, благодаря чему оста-
точная величина БПКПОлн в выходящей из этих сооружений сточ-
ной воде несколько больше, чем в сточной воде аэротенков-вытес-
нителей.
В аэротенках с рассредоточенным впуском сточной жидкости
(при сосредоточенной подаче активного ила) концентрация актив-
ного ила на входе равна его содержанию в возвратном иле и по-
степенно уменьшается по мере приближения к выходу из соору-
жения (см. рис. V.3). Средняя концентрация активного ила в
сооружении заметно выше, чем по другим схемам. Нагрузка на
активный ил, низкая в начале сооружения, растет к концу его.
То же самое можно сказать и о содержании остаточных загрязнений
Lt по БПКполн в очищенной воде. Дефицит кислорода в начале
сооружения выше, чем в конце его, в то время как входящая сточная
вода более полно очищается в первой четверти сооружения, чем
в конце, так как в конце сооружения нагрузка на активный ил
5*
131
h5DQ
18000
18000
План
Рис. V.6. Блок аэротенка-смесителя и вторичного отстойника на общую производительность 10 тыс. м3!сутки
I — распределительный лоток; 2—зона аэрации; 3— механический аэратор; 4 — электропривод аэратора; 5 — стабилизатор потока; 6 — мо-
стик; 7 — циркуляционный илопровод; 8 — регулирующая заслонка; 9 — стенка с переливными отверстиями; 10 — зона отстаивания; //--ко-
нусные приямки; 12 и 13 — скребковая тележка соответственно в начальном и крайнем положениях; 14—отводной лоток; 15 — лебедка скреб-
ковой тележки; 16 — иатяжные тросы
значительно выше. Эту схему работы аэротенка в литературе ино-
гда называют ступенчатой аэрацией.
В аэратенках с рассредоточенным впуском активного ила (при
сосредоточенной подаче сточной жидкости) концентрация его уве-
личивается к концу сооружения, а дефицит кислорода и содержание
остаточных загрязнений уменьшаются к концу сооружения (см.
рис. V.4). Нагрузка на активный ил в начале сооружения осо-
бенно высока, а распределение нагрузок на ил еще более неравно-
мерно, чем в аэротенках-вытеснителях. Поэтому можно считать,
что данной схеме присущи те же недостатки, что и схеме с аэротен-
ками -вытесн ител ями.
Интересную попытку совместить преимущества аэротенка-сме-
сителя с глубиной очистки сточной жидкости в аэротенках-вытес-
нителях представляет технологическая схема, предложенная и
исследованная К- Войте (см рис. V.5).
Данное сооружение представляет собой аэротенк с рассредото-
ченной, но неравномерной по длине сооружения подачей сточной
воды при сосредоточенной подаче активного ила. На рис. V.5
приведены график и формула, выражающие зависимость нагрузки
по воде на единицу длины сооружения от основных параметров из
условия, что нагрузка на активный ил по всей длине сооружения
постоянна. При этом приняты следующие обозначения:
q — нагрузка по воде на единицу длины сооружения при равно-
мерном распределении в м3/ч-м;
qx — нагрузка по воде, распределяемой методом К- Войте, в
м31ч-м-,
Q — расход сточных вод в м31ч-,
I — длина сооружения в м\
х — расстояние до заданного сечения от начала сооружения в
г — коэффициент циркуляции активного ила в долях единицы.
Экспериментальная проверка данной схемы на городских сточ-
ных водах с БПКполн исходной воды, равной 200—250 мг!л, прове-
денная в сооружении длиной ПО м, при 40%-ном возврате актив-
ного ила и 1,5-часовом периоде аэрации показала хорошую сходи-
мость теоретических данных с реальными. При этом БПКполн очи-
щенной сточной жидкости, как правило, находилась в пределах
10—15 мг!л, оставаясь практически постоянной по всей длине
сооружения.
Положительным фактором, ускоряющим физико-химические и
биохимические реакции окисления загрязнений сточных вод, явля-
ется высокая степень турбулентности, повышающая скорость раст-
ворения кислорода воздуха. Раздробление хлопьев ила, вызван-
ное интенсивным перемешиванием, хотя и несколько снижает спо-
собность ила к осаждению во вторичных отстойниках, но зато уско-
ряет проникание растворенного кислорода и питательных веществ
внутрь хлопьев, что значительно повышает их биохимическую
активность. Таким образом, поддержание одинаковой концент-
рации загрязнений и микроорганизмов во всех частях аэрационно-
134
го объема, устранение залповых, скачкообразных возрастаний
нагрузки на активный ил, равномерное и достаточное поступление
кислорода—условия ведения процесса, наиболее полно осуществля-
емые в аэротенках-смесителях с высокой интенсивностью
аэрации.
Ленинградским отделением Союзводоканалпроекта разработа-
ны типовые проекты аэротенка-смесителя и аэротенка со ступен-
чатым впуском сточных вод из сборного железобетона. Аэротенки-
смесители запроектированы однокоридорными, аэротенки со сту-
пенчатым впуском сточных вод — трех- и четырехкоридорными.
Глубина аэротенков в соответствии с унифицированной стеновой
панелью принята равной 5 м, ширина коридоров —6 и 9 м. Мини-
мальная длина аэротенков 42 м при ширине коридора 6 м или
108 м при ширине коридора 9 м. Аэротенки запроектированы так,
что они могут работать как с регенерацией активного ила, так и
без нее.
Московским и Новосибирским отделениями Гипрокоммунво-
доканала по рекомендациям кафедры канализации МИСИ
им. В. В. Куйбышева разработан проект компактного аэротенка-
смесителя производительностью 10 тыс. м?1сутки (рис. V.6)
с механическим аэратором диаметром 2,5 м. Размер установки
в плане 18x45 м при рабочей глубине 4,1 м.
3. Аэротенки с отдельной
регенерацией активного ила
В основу схем работы аэротенков с регенераторами положены
представления о стадийном характере процесса биохимической
очистки сточных вод. Согласно данной концепции, первая стадия
процесса—адсорбция (ассимиляция) или изъятие органических заг-
рязнений активным илом—происходит более быстро, чем последую-
щее их окисление. Поэтому обе стадии процесса осуществляются
раздельно: в аэротенках происходит адсорбция и минерализация
наиболее легко окисляющихся веществ, в регенераторах — за-
вершение окисления сорбированных веществ и восстановление
начальной активности ила.
Биохимическое окисление начинается после того, как органи-
ческое вещество адсорбировалось поверхностью тела микроорга-
низмов. Адсорбция и биохимическое окисление органических ве-
ществ происходят с разными скоростями: адсорбция с большей
скоростью, а биохимическое окисление с меньшей. В результате
эти два этапа технологического процесса биохимической очистки
сточных вод протекают одновременно, однако последний закан-
чивается значительно позднее первого.
В процессе адсорбции органические вещества, молекулы кото-
рых имеют размеры меньшие, чем размеры пор оболочки тела бак-
135
терии, проникают непосредственно внутрь ее клетки и там подвер-
гаются биохимическому окислению; органические вещества, мо-
лекулы которых имеют размеры большие, чем размеры пор бак-
терии, сначала с помощью ферментов, выделяемых бактерией,
измельчаются, после этого они проникают под осмотическим дав-
лением внутрь бактериальной клетки и там подвергаются биохи-
мическому окислению.
В процессе биохимического окисления составные элементы ор-
ганического соединения используются бактериями в процессе
жизнедеятельности и на прирост своего тела (биомассы), а про-
дукты экскрементов и неокисленные вещества выделяются об-
ратно, в раствор сточной воды.
В процессе адсорбции содержание органических веществ в сточ-
ных водах убывает, т. е. происходит снижение ВПК (биохимической
потребности в кислороде) сточных вод, которое заканчивается с окон-
чанием процесса очистки. После окончания процесса адсорбции
сточная вода в аэротенках в основном очистилась от органических
загрязнений, но микроорганизмы активного ила продолжают биохи-
мическое окисление адсорбированных веществ, т. е. происходит про-
цесс регенерации — восстановления первоначальной адсорбционной
способности.
Последующий процесс регенерации активного ила может проис-
ходить или в самом сооружении, производящем биохимическую
очистку (аэротенке), или в отдельном сооружении (регенераторе).
В первом случае ко времени адсорбции прибавляется время иа
регенерацию, и сооружение рассчитывается на проток сточных вод
по сумме времени; во втором случае сооружение (аэротенк) может
быть рассчитано только на проток сточных вод по времени, необхо-
димому для адсорбции, а регенератор рассчитывается на время ре-
генерации только для протока в нем активного ила, расход которо-
го значительно меньше, чем расход сточных вод. Поэтому при опре-
деленных условиях второй случай в строительном и эксплуатацион-
ном отношении может быть более выгодным, чем первый. Для того
чтобы можно было решить эту задачу, проектировщик сооружений
биохимической очистки сточных вод должен определять время,
необходимое для процесса адсорбции органических веществ актив-
ным илом, и время, необходимое для процесса его регенерации.
Аэротенки с регенераторами в настоящее время применяются на
многих городских станциях аэрации, рассчитанных на полную био-
химическую очистку, а также на предприятиях различных отраслей
промышленности. Это инженерное решение вызвано необходимостью
биохимической очистки вод, содержащих токсические и ядовитые
вещества. Попадая в аэротенки, в особенности при залповом поступ-
лении, такие сточные воды губительно действуют'на аэробные бакте-
рии, населяющие активный ил. В результате процесс биологической
очистки в аэротенках сильно угнетается. В таких случаях активный
ил в аэротенках заменяют илом из регенераторов. Объем регенерато-
ров составляет 25—75% объема аэротенков, при этом конструк-
136
ции регенераторов, как правило, не отличаются от конструкций
аэротенков.
За рубежом, например в США, отдельная регенерация активного
ила в целом ряде технологических схем получила названия «био-
сорбция», «контактная стабилизация», «риджевский процесс» и др.
Несколько условно эти системы классифицируются в зависимости от
объема регенератора. Наибольший объем регенераторы имеют в
«риджевском процессе» — 80—86%.
Интересным видом регенерации являются процессы Хатфилда и
Крауса (США, рис. V.7).
В процессе Хатфилда, примененном на очистных станциях Илли-
нойса, в регенератор помимо возвратного ила подается некоторая
часть сброженного осадка или иловой воды из метантенков. В реге-
нераторе аммонийный азот, имеющийся в большом количестве в
сброженной смеси метантенков, окисляется до нитратов; кислород
нитратов используется при смешении регенерированного ила и сточ-
ной воды.
В процессе Крауса возвратный ил разделен на две части: большая
направляется сразу в аэротенк, как и в схемах с обычной аэрацией,
меньшая (обычно 10—20% общего объема возвратного ила) регенери-
руется вместе с иловой водой или сброженным осадком из метантен-
ков до появления больших количеств нитратов, после чего они также
направляются в аэротенк. Период нитрификации в процессах Хатфи-
лда и Крауса колеблется от 12 до 24 ч.
Канализационные очистные сооружения гг. Сан-Хосе и Санта-
Клара (штат Калифорния, США), сданные в эксплуатацию в 1964 г.,
рассчитаны на 1 240 000 жителей, а с учетом сточных вод от заводов
фруктовых и овощных консервов — на 3 100 000 жителей. Максималь-
ный расчетный расход (1970 г.) принят при ливне 900 000 м3/сутки,
в сухую погоду 515 000 Xя i сутки. Сточные воды подвергаются
предварительному хлорированию, проходят прутковую решетку-
дробилку, после чего 50% сточных вод проходит аэрируемую пес-
коловку, а другие 50% расхода — песколовку в виде канала
параболического сечения.
Далее сточные воды насосами подаются в 16 прямоугольных
камер предварительного аэрирования, затем в 16 прямоугольных
первичных отстойников, проходят вращающиеся сетки и поступают
в аэротенки. Пройдя вторичные радиальные отстойники, сточные
воды выпускаются в залив Сан-Франциско. Аэротенки работают по
системе Крауса: часть активного ила подается в них непосредственно
из вторичного отстойника; другая часть смешивается с некоторым
количеством надиловой жидкости из метантенков, проходит регене-
ратор (24 ч) и подается в аэротенки. Всего имеется восемь камер
регенерации и восемь аэротенков двухкоридорного типа (длина
каждого коридора 120 м, ширина 9 м, глубина 5,1 м). Аэра-
торы располагаются с обеих сторон аэротенков: с одной —
иа расстоянии 0,6 м от дна (аэрация мелкими пузырьками воздуха),
а с другой — на расстоянии 1,5 мот поверхности сточных вод (аэ-
137
рация средними пузырьками воздуха). В случае нообходимости
аэротенки могут работать по системе ступенчатого аэрирования.
Считается, что применение аэротенков с регенераторами позво-
ляет сократить общий рабочий объем этих сооружений на 10—15%
по сравнению с объемом одноступенчатых аэротенков, рассчитанных
на очистку такого же количества сточных вод.
Применение регенераторов приводит к повышению произ-
водительности аэротенков, что
я;
Стачная Очищенная
жидкость жидкость
Очищенная
жидкость
Сточная
жидкость
Сырой. I
осадок^
2
Актибный ал [
’“I
-4
происходит по ряду причин:
1) благодаря окислению в реге-
нераторе при более высокой (в
2—4 раза, чем в аэротенке) дозе
ктивного ила,коагулированных
Рис. V.8. Технологическая схема
аэротенков-смесителей с регенера-
торами (станция Ашер-П, Париж)
Сброженный осадок] i
——- -^=7 !=: избыточный
Нлобая бода ил
Рис. V.7. Схемы аэротенков с ре-
генераторами, применяемые за ру-
бежом и работающие
а — по методу Хатфилда; б — по ме-
тоду Крауса; 1 и 3 — отстойники;
2 — аэротенк; 4 — регенератор; 5 —
метантенк
илом нерастворенных. органических веществ, содержащихся в сточ-
ной жидкости; 2) путем увеличения при регенерации числа жизне-
способных бактерий; 3) вследствие отмирания в регенераторе разви-
вающихся в аэротенках при повышенных нагрузках бактерий, пре-
пятствующих хорошему оседанию активного ила.
Однако введение регенератора в аэротеик-вытеснитель не устра-
няет основной недостаток, присущий данному сооружению, — не-
равномерность скорости потребления кислорода сточной жидкостью
по длине аэротенка.
Этот недостаток отсутствует в аэротенках-смесителях с регенера-
торами. На рис. V.8 представлена технологическая схема аэро-
тенков производительностью 300 000м3/сутки, построенных на очист-
ной станции Ашер-П Парижа. В плане аэротенки станции Ашер-П
состоят из двух половин, работающих самостоятельно, с расположе-
на
нием между ними коридора для неочищенных вод (байпас). Ширина
каждой половины 61 м и длина 93 м. Каждая половина аэротенков
в плане состоит из последовательно расположенных коридоров, счи-
тая от наружной продольной стены по направлению к центру. Ко-
ридор 1 предназначен для транспортирования активного ила, посту-
пающего из вторичных отстойников, и распределения его по всей дли-
не аэротенков (его длина 95,8 м, ширина 2 м и глубина 3,35 л); к
одному концу коридора подведен иловый трубопровод, а из другого
конца выведен трубопровод для удаления избытков активного ила
в метантенки.
В разделительной продольной стенке имеются отверстия диамет-
ром 200 мм через 1 м на глубине 1 м от нулевой отметки до впуска ила
в коридор—регенератор активного ила. Коридор 2, предназначенный
для регенерации активного ила, имеет длину 93 м, ширину 7 м и глу-
бину 4 м. В стенке, смежной со следующим коридором, заделаны
патрубки диаметром 200 мм через каждый метр наклонно с подъе-
мом на глубине 1,2 м от нулевой отметки для впуска активного
ила в смежный коридор и патрубки диаметром 500 мм, проходя-
щие насквозь смежный коридор для впуска активного ила в аэ-
рационный коридор. Коридор 3 предназначен для транспортиро-
вания первой порции сточных вод из первичных отстойников
и смешивания их с’частью активного ила, а также для распреде-
ления этой смеси по всей длине аэротенка. Длина коридора
составляет 93 м, ширина 1,35 м и глубина 3,55 м. В обеих стенках
коридора заделаны наклонно патрубки диаметром 200 мм, через
3,72 м, на глубине 1,2 м от нулевой отметки для впуска актив-
ного ила и смеси неочищенной жидкости с активным илом в ко-
ридор 4. Сквозь коридор 3 по всей длине через 1,86 м пропущены
патрубки диаметром 500 мм на глубине 0,9 м для перепуска
активного ила из коридора 2 в коридор 4 (из коридора регене-
рации в коридор I ступени аэрации).
Коридор 4 предназначен для аэрации первой порции неочищен-
ных сточных вод, смешанной с активным илом (I ступень). Длина ко-
ридора составляет 93 м, ширина 14 м и глубина 4 м. Коридор 5 для
впуска второй порции неочищенных сточных вод имеет длину 93 м,
ширину 1,35 м и глубину 3,55 м; он оборудован так же, как и коридор
3. Коридор 6 предназначен для аэрации второй порции неочищенных
сточных вод, смешанных с аэрированными сточными водами I ступени
(II ступень). Размер этого коридора 93 X 14 X 4 л; он оборудован
так же, как и коридор 4. Коридор 7 предназначен для впуска треть-
ей порции неочищенных сточных вод; размеры и оборудование ана-
логичны коридорам 3 и 5. Коридор 8 предназначен для аэрации
третьей порции неочищенных сточных вод, смешанных с аэрирован-
ными сточными водами II ступени (III ступень). Размеры и обору-
дование такие же, как коридоров 4 и 6. Коридоры 9 и 10 для
аэрирования сточных вод, имеющие длину 93 м, ширину 3,4 м и глу-
бину 4 м, служат для сбора и отведения иловой смеси во вторичные
отстойники.
139
Стенка коридора, смежная с аэротенками, имеет два ряда от-
верстий диаметром 200 мм на глубине 0,8 и 1,8 м, через каждый метр
в шахматном порядке, через которые иловая смесь переливается в
сборный коридор. Во все коридоры воздух подается по трубопрово-
дам, из которых опущены воздушные трубки с открытыми концами
через каждый метр.
Данная технологическая схема работы аэротенка позволяет уве-
личить в первом коридоре концентрацию активного ила при наличии
сточных вод в количестве х/3 от общего их расхода, поступающего в
аэротенки из первичных отстойников, что способствует максималь-
ному снижению в них ВПК- В последующих коридорах (II и III сту-
пени) аэротенка при поступлении в них почти очищенных сточных
вод из первого коридора происходит окончательное снижение загряз-
нений и выравнивание скоростей окисления.
4. Аэротенки высоконагружаемые,
высокопроизводительные и продленной аэрации
Основным фактором, разделяющим существующие аэротенки на
высоко- и низконагружаемые, является окислительная мощность.
Окислительная мощность аэротенка, т. е. количество БПКполн сточ-
ных вод, снимаемых 1 м3 аэротенка в сутки, зависит от нагрузки по
БПКполн сточных вод на 1 г сухого беззольного вещества активного
ила и количества его в г!л. Обычно нагрузка на 1 г сухого беззоль-
ного вещества при полной очистке городских и ряда производствен-
ных сточных вод колеблется от 200 до 500 мг!г -сутки, а при непол-
ной очистке увеличивается до 2000 мг!г. Концентрация же активного
ила в иловой смеси аэротенков, как правило, колеблется от 1 до
5 г!л по сухому беззольному веществу.
Одним из возможных путей интенсификации работы аэрационных
сооружений с целью увеличения их пропускной способности яв-
ляется повышение нагрузок на активный ил. Высоконагружаемыми
аэротенками называют сооружения, в которых процесс биологичес-
кой очистки происходит за 0,5—2 ч (городские сточные воды), вслед-
ствие чего гидравлические нагрузки составляют более 20 м3!сутки
на 1 м3 сооружения и суточные наг-рузки на ил по БПКполн — бо-
лее 0,8 кг/кг при эффекте очистки 70—95%.
На рис. V.9 представлены данные Бэбина, полученные им при ис-
пытании установок типа «Диапак» и «Оксиконтакт» на очистных стан-
циях Ашер и Коломб Парижа, и приведены зависимости эффекта
очистки от нагрузки на единицу объема сооружения для бытовых
сточных вод следующих концентраций по БПКполи: 80, 150, 200,
250 и 500 мг/л. Кривые показывают плавное снижение эффекта
очистки по мере возрастания удельной нагрузки до 3,5 кг!м3-сут-
ки. Примечательно, что область максимальных значений данных
кривых не соответствует нулевой нагрузке (пунктирная часть кри-
вых), а в зависимости от начальных концентраций сточных вод по
БПКПолн располагается в интервале нагрузок 1—1,7 кг!м3-сутки.
140
Рис. V.9. Зависимости эффекта
очистки от нагрузки на едийиду
объема сооружения при различных
начальных концентрациях сточной
ЖИДКОСТИ ПО БПКполн
1 — при 80 кг/л;
3 — при
Увеличение отношения количества питательных веществ к коли-
честву активных микроорганизмов в высоконагружаемых аэротенках
вызыает более интенсивное протекание процесса окисления, чем в
аэротенках с низкой нагрузкой или минерализацией ила, где процесс
угнетен недостатком питания для микроорганизмов. Результатом
подачи избыточного питания в аэротенки является преобладание
логарифмической фазы роста микроорганизмов, при этом в обрабо-
танной воде доминирует аммиач-
ный азот и содержится минимальное
количество его окисленных форм.
Активный ил в логарифмичес-
кой фазе роста отличается высокой
биохимической активностью, бла-
годаря чему скорость окисления
загрязнений сточной жидкости
высока. Нагрузки по БПК5 на
сухое вещество активного ила до-
ходят до 5 кг на 1 кг ила в сутки,
что в 10 раз больше, чем нагрузка
на ил в обычных аэротенках (до
0,5 кг/кг • сутки), и в 75—100 раз
выше иловой нагрузки в аэротен-
ках с минерализацией ила. Повы-
шение нагрузки на ил приводит
к изменению его гидробиологичес-
кого состава, в основном к сокра-
щению числа видов простейших
микроорганизмов и развитию бак-
терий. Высоконагруженный ил состоит на
ческих веществ, а минерализованный — на
Как видно из табл. V. 1, в которой представлены диапазоны на-
грузок для всех видов аэрационных сооружений, по данным оте-
чественных и зарубежных исследований, высоконагружаемые со-
оружения дают возможность значительно повысить эффективность
использования единицы объема аэротенка.
Аэротенки продленной аэрации получили широкое распростра-
нение за рубежом, особенно в США, причем, как правило, для очист-
ки малых количеств сточных вод. Так, по штату Огайо производи-
тельность этих станций составляет 8 — 750 м3! сутки, при этом 64%
станций имеют производительность 8—60 мЧсутки, 24% станций ?—
60—150 мЧсутки и 12% станций — 150—750 м3/сутки. Поргес
и Моррис сообщают, что в целом по США на станции продленной
аэрации поступают 32% сточных вод от школ, 12% сточных вод от
промышленных предприятий, 14% сточных вод от жилых строений,
14% сточных вод от смешанных строений и остальное количество
сточных вод — от мотелей, автопарков, учреждений и магазинов.
Имеющиеся данные по 59 станциям продленной аэрации США ука-
зывают на среднее снижение БПК5 86,5—91,5%; максимальное
_ 2 — при 150 мг{л;
200 мг/л\ 4 — при 250 мг/л;
5 — при 500 мз]л
80 — 85% из органи-
60 — 65%.
141
Режим нагрузок по загряз- нениям Сооружения и технологические процессы Продолжи- тельность аэрации в ч
Низкие Аэротенки продленной аэрации . . . Циркуляционные окислительные ка- налы Аэрируемые пруды 10—30 48—60 180—250
Средние Аэротенки обычные » с регенераторами .... » высокопроизводительные 6—8 5-6 3-5
Высокие Рапид-блок Скоростная аэрация Модифицированная аэрация .... Любек-процесс 2-2,5 3,2—4 3,4—4 0,4—0,5
Супер-активация 0,8—1
Примечание. Технологические показатели основных процес
биохимическим свойствам к городским с БПКподн==200 —250 мг/л
Таблица V.l
Объемная нагрузка в кг впк4 на 1 м9/сутки Доза нла в г/л Иловая на- грузка в кг БПК6 на 1 кг ила в сутйи Возраст ила в сутках Иловый индекс в см9/?
0,3—1,2 3—12 0,05—0,12 — —
0,1 1—2 0,04—0,08 25—50 40—80
0,025 0,5 0,05 — —-
0,6 2—4 0,12—0,3 — —
1,5 2—4 0,5 3—15 50—100
2,5 3,5—8 0,3—0,5 — —
2,3 2,5—6 0,8—1 — —
1,5 1,5-3,5 2—5 — —
1,5 1,5—3,5 2—5 0,5—2 80—200
10 8—10 1—1,2 — —
6 1,5—2 3,5—5 — —
:сов даны при условии, что очищаемые сточные воды близки по своим
и минимальное снижение БПКб соответственно 99,3 и 33,3%. Сни-
жение содержания взвешенных веществ в среднем составляет 62,2—
75,2%. Простота эксплуатации в сочетании с возможностью удале-
ния избыточного ила на иловые площадки без дополнительной его
обработки компенсирует такие недостатки аэротенков продленной
аэрации, как большой удельный объем сооружения при 20—30-Часо-
вой аэрации и повышенное содержание взвешенных веществ
в очищенной воде.
Рассматривая возможности получения высоких нагрузок на еди-
ницу объема сооружения с целью сокращения его размеров, следует
отметить два возможных варианта. Первый вариант — при сохра-
нении прежней рабочей дозы ила повышают эффективность биохими-
ческого процесса за счет увеличения нагрузок на активный ил, что
приводит к созданию высоконагружаемых аэротенков, рассмотрен-
ных выше. Недостатком высконагружаемых аэротенков является
неполное разложение органических загрязнений сточных вод, не
позволяющее в режиме нагрузок на ил свыше 1 г БПК5 на 1 г ила
в сутки получить очищенную воду высокого качества (БПК5 = 10—
15 мг/л). Кроме того, при очистке многих видов производственных
сточных вод повышение нагрузок заметно ухудшает свойства актив-
ного ила, в результате чего он постепенно утрачивает способность
к осаждению, и сооружение выходит из строя.
Второй вариант — при сохранении прежних нагрузок на ил
повышают концентрацию активного ила в системе, что приводит к
созданию аэрационных сооружений, которые в отличие от высоко-
нагружаемых являются высокопроизводительными. Как известно,
скорость окисления сточной жидкости — источника питания и энер-
гии микроорганизмов — тем больше, чем большее количество микро-
организмов функционирует в системе. Это положение хорошо согла-
суется с данными, полученными И. С. Постниковым и др., для сточ-
ных вод ряда московских станций аэрации. Интересные результаты,
подтверждающие эффект работы высокопроизводительных аэротен-
ков, приводит В. Эмде (табл. V.2). Как видно из данной таб-
лицы, доза ила в сооружениях не опускалась ниже 3,6 г/л, а в от-
дельных случаях достигала 10,2—11,2 г/л, что даже при сравни-
тельно невысоких нагрузках на активный ил обеспечивало окисли-
тельную мощность по БПКПолн более 5 кг/м3-сутки.
Необходимость поддерживать высокую дозу ила в сооружении
следует увязывать с длительностью пребывания ила в отстойниках
в анаэробных условиях. Особенно это важно в летние месяцы, когда
длительное уплотнение активного ила во вторичных отстойниках
вызывает увеличение дефицита кислорода и падение активности ила.
Поддержать высокую концентрацию активного ила во вторичных
отстойниках можно путем увеличения количества циркулирующего
ила. М. Стюарт считает, что уже при концентрации ила 6000 мг/л
и иловом индексе 100 см3/г кратность циркуляции должна быть бо-
лее 100%, а дальнейшее увеличение дозы ила повлечет за собой необ-
ходимость увеличения производительности циркуляционных насо-
143
Таблица V.2
Время аэра- ции в мин БПКполн в мг/л Эффект очистки в % Нагрузка в кг/м* * сутки Нагрузка в кг на 1 кг ила в сутки Я Ч £ со 8^ е=С« Иловый индекс в см*/г Система аэрации
на входе на выходе
65 161 17 89 Город 3,62 Детмо! 0,47 1Д (ФР 7,7 Г) 73
66 204 18 91 4,5 0,57 7,9 65
63 345 27 92 7,9 1 7,9 50
50 ,167 21 87 5,1 0,5 10,2 73 Щетка Кесснера
50 242 35 86 6,85 1,16 5,9 50
53 379 53 86 10,3 1,17 8,8 50
43 147 21 84 5,05 0,45 11,2 40
44 224 30 86 7,3 0,82 8,9 44
39 141 23 84 5,15 0,58 8,9 42
53 141 19 87 Город 3,78 Кассе/ 0,9 ь (ФР1 4,2 ') 80 Пористые трубы
36 141 25 82 5,46 1,4 3,9 65 То же
37 84 12 86 3,36 0,7 4,8 70 В
27 138 34 75 7,56 2,1 3,6 61 Низконапорный аэра-
26 99 23 77 5,46 1,4 3,9 61 тор «Инка» То же
24 141 38 73 8,82 2,1 4,2 51 В
19 84 21 75 6,6 1,1 6 43 Щетка Кесснера
18 141 34 75 11,35 2,7 4,2 53 То же
16 141 41 71 12,75 2,5 5,1 42 В
сов. Для обеспечения требуемой высокой степени циркуляции без
дополнительных затрат на перекачку циркуляционного расхода ила
необходимо блокировать аэротенк с вторичным отстойником.
Фактором, ограничивающим увеличение рабочей дозы активно-
го ила более 7—10 г/л, является резкое ухудшение седиментационной
сепарации концентрированных иловых смесей во вторичных отстой-
никах. Кафедрой канализации МИСИ им. В. В. Куйбышева выдви-
нута оригинальная идея фильтрации иловой смеси аэротенков с до-
зами ила до 25 г/л через сетчатые фильтры таким образом, что во
вторичные отстойники поступают не более 3—4 г/л взвешенных ве-
ществ. Технологическая схема сооружения, получившего назва-
ние фильтротенк, производительностью 37500 м31сутки представ-
лена на рис. V.10.
Работа сооружения складывается из следующих операций. Сточ-
ная жидкость, прошедшая предварительную механическую очист-
ку, поступает в наружный распределительный лоток 1 зоны аэра-
ции 3. При поочередной обратной продувке фильтрующих сетчатых
насадок 4, расположенных вблизи внутренней стенки между зонами
отстаивания и аэрации, в последней возникает и поддерживается
мощный циркуляционный поток, обеспечивающий интенсивное пере-
мешивание иловой смеси с поступающей в зону аэрации загрязнен-
ной сточной жидкостью. В ходе фильтрования через сетчатые на-
144
Рис. V.10. Фильтротенк радиального типа производительностью 37 500 м3[сутки
1 — распределительный лоток; 2 — лоток возвратного ила; 3 — зона аэрации; 4 — фильтрующая насадка; 5 — струенаправляющая перего-
родка; 6 —камера дегазации; 7 —сборные лотки; «—ферма илососов; 9 — мостик;. 10 — воздухопровод; 11 — трубопровод избыточного ак-
тивного ила; 12 — эрлифт; 13 — иловая камера; 14 — трубопровод возвратного активного ила; 15 — нлососы; 16 — трубопровод очищенных
сточных вод; 17 — камера управления
садки 4 осветленная иловая смесь с дозой активного ила до 3—4 г!л
по сухому веществу поступает в кольцевую камеру дегазации
6, а оттуда — в зону отстаивания. Последняя представляет собой
радиальный отстойник с периферийной подачей осветляемой жидкос-
ти и центральным отводом осветленной жидкости с помощью сбор-
ных лотков 7. Осевший активный ил удаляется в иловую каме-
ру /5,откуда возвратный активный ил перекачивают эрлифтом 12
в лоток 2, а избыточный активный ил отводят на дальнейшую об-
работку по трубопроводу 11. Управление работой трубопроводов
10—11 производится с помощью задвижек, находящихся в отдельно
стоящей камере управления 17.
При очистке на фильтротенке сточных вод, имеющих величину
БПКПолн более 1 500 мг!л и содержание эфирорастворимых веществ
около 150 мг/л, очищенная вода имела БПКполн> равное 20—ЗОла/л,
при остаточном содержании эфирорастворимых веществ 7—9 мг/л.
Продолжительность аэрации сточной жидкости составляет 3—4 ч,
что соответствует окислительной мощности по БПКПОлн 8000 —
12 000 г!м3-сутки или 400—600 мг на 1 г ила в сутки. При этом вы-
сота слоя активного ила перед сетчатой насадкой составляет 1—1,5 м,
период фильтрования через нее 40—60 сек, период обратной про-
дувки сетчатой насадки 8—12 сек при интенсивности подачи воз-
духа 80—120 м3!м3-ч.
Технико-экономические подсчеты показывают, что фильтротенк,
обеспечивающий высокую окислительную мощность при сравнитель-
но низких нагрузках на активный ил, позволяет достичь 12—15%
экономии на себестоимости очистки 1 л<3 сточной жидкости, при
этом экономия на капитальных затратах в период строительства
составляет 35—40%. Учитывая изложенное выше, высокопроиз-
водительный аэротенк данной конструкции следует признать прог-
рессивным очистным сооружением, особенно для очистки высоко-
концентрированных производственных сточных вод, а также для
очистки сточных вод, образующих труднооседающий активный ил.
Исследование основных расчетных параметров высокопроизво-
дительных аэротенков проводилось авторами в 1966—1968 гг. на ла-
бораторных моделях с пневмомеханической системой аэрации. Цикл
наблюдений проводился на синтетической сточной жидкости, при-
чем в качестве основного питательного компонента был выбран пеп-
тон, а в качестве «промышленной» добавки вводились различные кон-
центрации аминов алифатического ряда, которые присутствуют в
сточных водах многих производств. В течение эксперимента рабо-
чая доза активного ила поддерживалась на уровне 4—8 г/л при ко-
личестве циркулирующего ила 100—500% и расходе подаваемого
воздуха в зависимости от нагрузки 40—80 м3 на 1 м3 очищенной
жидкости.
Зависимость окислительной мощности по БПКполн (At, Bt) от
нагрузки (До, Во) имеет вид прямой, угол наклона которой к оси
абсцисс составляет в среднем 43,5°. Характерно, что в широком диа-
пазоне объемных нагрузок (0,25 — 4,5 кг/м3 • сутки и более) эффект
146
очистки по БПКцолн практически постоянен и в основном превыша-
ет 90%.
При анализе работы того или иного аэрационного сооружения не-
обходимо учитывать наличие в очищенном стоке трудноокисляемых
веществ, определяемых соотношением БПКПОлн и ХПК очищенной
воды. Зависимость относительного прироста трудноокисляемых ве-
ществ в очищенной воде, приведенная на рис. V. 11, показывает,
что при возрастании нагруз-
ки с 0,25 до 1,25 кг на 1 кг
беззольного вещества актив-
ного ила в сутки баланс био-
химически трудноокисляемых
веществ возрастает почти в
2 раза. Это обстоятельство
служит лишним доказатель-
ством того, что при одной и
той же величине объемной
окислительной мощности пос-
ле высокопроизводительных
аэротенков получают очищен-
ную сточную воду лучшего
Рис. V.11. Зависимость относительно-
го прироста трудноокисляемых ве-
ществ в очищенной сточной жидкости
качества, чем после высоко-
от нагрузки по загрязнениям
нагружаемых.
Возможность интенсификации очистки сточной жидкости путем
увеличения рабочей дозы активного ила, а с другой стороны, непри-
годность традиционных станций аэрации для надежной работы в
указанном режиме определяют одно из основных направлений в раз-
работке конструкций высокопроизводительных аэротенков.
5. Двух- и многоступенчатые аэрационные сооружения
Основой для разработки методов двух- и многоступенчатой био-
химической очистки сточных вод является идея культивирования
на очистных станциях активных илов, приспособленных к окисле-
нию отдельных групп органических загрязнений. Считается, что
чем ближе адаптация (специализация) активного ила к данному виду
загрязнений, тем успешнее проходит процесс биохимической очист-
ки. Одним из путей для инженерной реализации этой идеи является
создание ступенчатой биохимической очистки, на каждой ступе-
ни которой функционирует определенная культура активного ила.
Понятно, что чем больше разница в скоростях биохимического окис-
ления отдельных компонентов сточных вод, чем выше их начальные
концентрации, тем эффективнее применение ступенчатой схемы
очистки.
При двухступенчатой схеме активный ил циркулирует только
в пределах своей ступени, не смешиваясь с активным илом другой
ступени. Благодаря этому образуется такой ил, микроорганизмы
147
которого могут хорошо приспосабливаться к окислению загрязне-
ний, поступающих на эту ступень.
Учитывая свойственную сточным водам промышленных пред-
приятий большую неравномерность потребления кислорода при их
очистке, в качестве I ступени двухступенчатых сооружений необхо-
димо применять аэротенки-смесители. Их применение позволит так-
же снизить концентрацию токсичных для микроорганизмов веществ.
Так как сточные воды, выходящие с I ступени сооружений, не имеют
большой неравномерности в скоростях потребления кислорода,
то для II ступени целесообразнее уже применение аэротенков-вы-
теснителей, которые позволят полнее- очистить сточные воды
от оставшихся трудноокисляемых загрязнений.
Основные модификации двухступенчатых схем с аэротенками,
встречающихся на практике, следующие. По первой схеме очистки
с аэротенком-смесителем в качестве I ступени и с аэротенком-вытес-
нителем в качестве II ступени избыточный активный ил отводится
раздельно с каждой ступени. При этом высоконагруженный избы-
точный ил I ступени требует дальнейшей обработки, тогда как
сильно минерализованный ил со II ступени нуждается только в обез-
воживании. По второй схеме двухступенчатой очистки избыточ-
ный ил II ступени направляется в аэротенк-смеситель I ступени,
улучшая тем самым окислительную работу системы в целом. Одна-
ко общее количество избыточного активного ила, удаляемого из
системы после I ступени очистки и требующего дальнейшей обра-
ботки, в данном случае несколько большее.
Третья двухступенчатая схема предусматривает отвод избыточ-
ного активного ила только после II ступени очистки. Аэротенк-
смеситель I ступени работает с максимально возможными дозами
ила, избыток которого вместе с очищенной сточной жидкостью по-
ступает на 11 ступень. К достоинствам такой схемы следует отнести
высокую окислительную мощность I ступени очистки и сильную ми-
нерализацию избыточного активного ила, удаляемого из II ступени
очистки, что сокращает затраты на его дальнейшую обработку. К не-
достаткам, не позволяющим рекомендовать указанную схему для
очистки смеси легко- и трудноокисляемых сточных вод, относится
сильная засоренность культуры активного ила II ступени илом I
ступени очистки, в результате чего нарушается эффект адаптации.
Каждая из трех рассмотренных схем очистки может работать с пере-
пуском (байпасом) части сырой сточной жидкости на II ступень, ми-
нуя I ступень очистки.
Свое инженерное оформление в виде двухступенчатой схемы очи-
стки находит «микробный» метод, или метод «чистых культур», заклю-
чающийся в следующем. В производственную сточную воду, содер-
жащую большие количества специфических загрязнений, вносится
специальная, ранее выращенная методом многократного пересева
и отбора, культура микроорганизмов, адаптированная к потреблению
этих загрязнений в высоких концентрациях. К методу чистых
культур следует отнести также использование при биохимической
148
очистке культуры гриба Nocardia или нитчатых бактерий Sphaero-
tilus, обладающих большой скоростью окисления органических ве-
ществ и развивающихся при высоких их концентрациях. Этот метод
применяется в основном па коксохимических заводах и газогенера-
торных станциях, для сточных вод которых были выращены микро-
организмы, разрушающие фенол, роданиды и цианиды в высоких
концентрациях.
Преимуществами этого метода является относительная быстрота
«зарядки» и пуска аэротенков благодаря наличию выращенных мик-
роорганизмов, адаптированных к производственным стокам, а также
возможность очистки концентрированных производственных выбро-
сов без их предварительного разбавления. Основным недостатком
данного метода является отсутствие активного ила, в результате
чего микроорганизмы, производившие очистку стоков, поступают
в водоем и загрязняют его. Ввиду сказанного выше «микробный»
метод может быть рекомендован в отдельных случаях только в ка-
честве I ступени очистки перед обычными аэротенками, работаю-
щими с активным илом. Двухступенчатая схема с использованием
«микробного» метода будет отличаться от описанных выше схем тем,
что из состава сооружений исключается вторичный отстойник I
ступени очистки, а также отпадает надобность в рециркуляции.
При определении параметров процесса двухступенчатой био-
химической очистки производственных сточных вод «микробным»
методом от коксования бурых углей У. Беренсом установлено, что
при интенсивном аэрировании на I ступени очистки происходит
снижение ХПК с 12—30 до 1,5—4 г!л, БПК6с 4—20 до 0,8—2 г/л.
В сооружении II ступени очистки, представляющей собой аэротенк-
вытеснитель, происходили доочистка сточных вод и перевод неосе-
дающей микробной культуры I ступени в хорошо оседающую фор-
му обычного активного ила.
Представляют несомненный интерес данные экспериментальных
исследований «микробного» метода, выполненных Тодгюнтером и Аб-
соном, для последовательного (в три ступени) удаления из сточных
вод: 1) фенолов; 2) тиосульфатов, тиоцианатов к цианидов; 3) амми-
ака. При этом для разрушения фенолов использовались культуры
Vibrio Cyclosites, Vibrio 01, Pseudomonas S7, Actinomycetaceae S2
с подпиткой кислотами и солями, включающими Н3РО4, FeCl3
и MgSO4. Для окисления тиосульфатов, тиоцианатов и цианидов
применялись культуры Thiobacillus thiocyanoxidans, Thiobacillus
S3, S4, S5 с подпиткой, включающей H3PO4. Для окисления аммиа-
ка оказалась достаточной деятельность одной только культуры
Nitrobacteraceae Se—Sn с подпиткой, включающей NaCl, MgSO4,
КН2РО4 и FeSO4.
В СССР двухступенчатые аэрационные сооружения построены
на ряде химических и нефтехимических предприятий. Это объяс-
няется наличием у данной схемы очистки целого ряда преимуществ
по сравнению с одноступенчатой: а) снижение аэрационного объема
и повышение степени очистки на 10—15%; б) минерализация части
149
избыточного ила и уменьшение его влажности, а следовательно,
и затрат на его обработку; в) более устойчивая работа сооружений
при наличии технологических перегрузок.
При очистке сточных вод нефтемаслозаводов активными илами
одно- и двухступенчатого аэротенков окислительная работа актив-
ного ила из одноступенчатого аэротенка заканчивается значительно
раньше, чем из двухступенчатого. Это объясняется тем, что различ-
Нагрузка на сухое беззольное вещество
активного ила по нефтепродуктам б кг/кг-сутки
Рис. V.12. Основные технологические
параметры очистки активным илом неф-
тесодержащих сточных вод в смеси с бы-
товыми стоками
1 — первая ступень очистки; 2 — вторая сту-
пень очистки; / — одноступенчатая установка;
II — двухступенчатая установка в целом;
— БПКполн; ------- — содержание
нефтепродуктов
и пластовых вод нефтепромыслов
бытовыми стоками. Результаты, полученные при обработке опыт-
ные вещества потребляются
бактериями с различной сте-
пенью предпочтительности.
Например, окисление углево-
дородов нефти протекает зна-
чительно медленнее, чем их
кислородных производных
(высших жирных кислот,
спиртов, фенолов и т. д.).
Собственно углеводороды неф-
ти также окисляются с раз-
личными скоростями: парафи-
новые углеводороды окисля-
ются быстрее, чем нафтено-
вые; непредельные углеводо-
роды— быстрее, чем предель-
ные; легкие фракции быстрее,
чем тяжелые.
На рис. V.12 представле-
ны результаты исследований
кафедры канализации МИСИ
им. В. В. Куйбышева, прове-
денных на производственных
сточных водах некоторых
нефтехимических производств
Западной Сибири в смеси с
ных данных одновременной эксплуатации одно- и двухступенчатых
аэротенков, позволили установить, что при биохимической очистке
поликомпонентной смеси, содержащей медленно и быстро окисляе-
мые вещества (представленные соответственно углеводородами
нефти, СПАВ, маслами и хозяйственно-фекальной фазой), наблю-
дается явление последовательного потребления субстратов. Одно-
ступенчатые аэротенки при одинаковых с двухступенчатыми на-
грузками на активный ил обеспечивают меньший эффект очистки:
по БПКПолн примерно на 10—15%, а по содержанию нефтепродук-
тов и СПАВ — соответственно на 20 и 30%. При изучении видового
состава активных илов одно- и двухступенчатых аэрационных соо-
ружений не была установлена дифференциация их микрофлоры.
Особенности биохимического окисления веществ с различной хими-
ческой структурой обусловлены адаптацией микроорганизмов.
150
При обработке концентрированных сточных вод аэротенки I и II
ступени должны быть устроены так, чтобы они могли работать с ре-
генераторами и без них. Применение регенераторов целесообразно
и в случае образования труднооседающего активного ила или при
наличии в сточной жидкости значительного количества нераство-
ренных органических веществ, коагулируемых и сорбируемых ак-
тивным илом (например, при очистке нефтесодержащих сточных вод).
Устройство регенератора позволяет в данном случае производить
окисление сорбированных активным илом нефтепродуктов при бо-
лее высокой концентрации активного ила, чем в самом аэротенке,
благодаря чему повышается процент использования аэрационного
объема. В этом случае также целесообразно избыточный активный ил
II ступени очистки направлять в I ступень с тем, чтобы перед сбросом
в илоуплотнители полностью использовать его коагулирующую
и сорбирующую способность. Кроме того, подача активного ила
II ступени в I ступень увеличит количество в последней бактерий,
потребляющих трудноокисляемые вещества, что приведет к повыше-
нию эффекта очистки от них на I ступени. Избыточный активный
ил I ступени должен удаляться в илоуплотнитель, а оттуда — на
обезвоживание.
В литературе имеются сведения о работе систем очистки актив-
ным илом при наличии числа ступеней более двух. Так, например,
при проведении экспериментов по многоступенчатой биохимичес-
кой очистке сточных вод химико-фармацевтической промышлен-
ности и производства пластмасс с БПК5 на входе более 600 мг/л
К- Дитрихом установлено, что схема очистки в четыре ступени имеет
заметное преимущество в эффекте очистки перед двухступенчатой
схемой.
Недостатком многоступенчатых схем очистки является необходи-
мость устройства промежуточных вторичных отстойников и связан-
ной с ними системы распределительных лотков, что влечет за собой
увеличение общего объема сооружений и повышение гидравлических
потерь напора при прохождении жидкости по сооружениям. По-
следнее, в свою очередь, вызывает увеличение необходимого напора
при перекачке циркулирующего активного ила. Практика показы-
вает, что в случае применения двухступенчатой схемы этот недоста-
ток может быть компенсирован более высоким эффектом очистки
сточных вод, сокращением расхода воздуха и аэрационного объема.
К многоступенчатым схемам очистки сточных вод в аэротенках
приближается по своему характеру очистка в многоступенчатых
прудах. Биологические пруды могут быть использованы как са-
мостоятельные сооружения при необходимости сезонной очистки
сточных вод или для их доочистки после прохождения через другие
сооружения для биологической очистки.
Аэробные (аэрируемые или неаэрируемые) биологические пру-
ды устраиваются следующих типов: 1) для биологической очистки
отстоенных сточных вод; 2) для доочистки биологически очищенных
сточных вод; 3) рыбоводные.
151
Многоступенчатые биологические # пруды обычно устраивают
на местности, имеющей уклон, и располагают ступенями так, что
вода из верхнего пруда направляется в расположенный ниже. В пер-
вом по движению жидкости пруде устанавливают поперечные стен-
ки из фашин или плетня, которые улучшают распределение жидкос-
ти и удерживают плавающие вещества. В последнем пруду сточные
воды содержат растворенный кислород, поэтому в нем возможно
разведение рыбы. Из него вода выпускается с помощью шахтных
водосбросов.
Расчетная нагрузка на пруды принимается для отстоенных сточ-
ных вод с БПКПолн 200—ЗООлг/л равной 250 м31га-сутки и для био-
логически очищенных до 5000 м31га-сутки. Время пребывания
сточных вод в прудах в зависимости от величины нагрузки колеб-
лется от 2,5 до 10 суток. Биологические пруды работают лишь при
температуре сточных вод не менее 6° С. При понижении температу-
ры и в особенности после образования ледяного покрова они прак-
тически выходят из строя. Поэтому в средней полосе СССР биологи-
ческие пруды могут эксплуатироваться четыре-пять месяцев, а в
южных районах — семь-девять месяцев. К достоинствам биологи-
ческих прудов следует также отнести их высокую дезинфицирую-
щую способность, что в ряде случаев позволяет отказаться от хло-
рирования сточных вод перед сбросом их в водоем.
6. Аэротенки контактные
и с переменным рабочим уровнем жидкости
Работа аэротенков в контактном режиме обычно состоит из сле-
дующих операций: 1) прекращение подачи сточных вод; 2) отклю-
чение системы аэрации; 3) отстаивание иловой смеси; 4) отвод
очищенной воды; 5) удаление избыточного ила; 6) включение
системы аэрации; 7) зарядка системы сточной жидкостью; 8) аэра-
ция смеси сточных вод и активного ила.
При этом операции 1 и2,4и5, 6и7 могут осуществляться одно-
временно. Как правило, в начальном, пуско-наладочном, периоде
работы, когда производится акклиматизация и наращивание био-
флоры, многие станции аэрации работают в контактном режиме.
Широкое распространение получили контактные аэротенки
в практике проведения лабораторных научно-исследовательских
работ. Причина этого заключается в предельной простоте их обслу-
живания, постоянстве технологического режима и сравнительной
легкости интерпретации полученных данных. Режим снижения
(окисления) загрязнений в контактных аэротенках во многом анало-
гичен режиму проточных аэротенков-вытеснителей с той лишь раз-
ницей, что при постоянных дозах ила в аэротенках-вытеснителях
эффект очистки есть функция расстояния, пройденного данной пор-
цией сточной жидкости от точки впуска, а в контактных аэротенках
эффект очистки зависит от периода времени, прошедшего с начала
аэрирования.
152
Анализ опыта работы и исследования очистных сооружений раз-
личных типов показывают, что требованиям экономичности в строи-
тельстве и эксплуатации в значительной степени отвечают аэрацион-
ные (окислительные) каналы, построенные в 1954 г. А. Пасвером
в Голландии. При правильном применении окислительных каналов
можно очищать сточные воды небольших предприятий и поселков
при той же удельной стоимости, как и сточные воды средних и боль-
ших городов. В практике очистки сточных вод применяются окисли-
тельные каналы различных модификаций, которые можно подраз-
делить на две основные группы: проточные и работающие на кон-
такте (рис. V. 13). Оба типа каналов имеют свои недостатки и поло-
жительные стороны.
Проточные аэроканалы дороже в строительстве и эксплуатации,
а также менее надежды в работе (особенно при вспухании активного
ила), чем аэро каналы периодического действия. Эффект осветления
сточной жидкости в аэроканалах, работающих на контакте, значи-
тельно выше, чем эффект окисления стока в проточных, так как от-
стаивание в состоянии покоя эффективнее отстаивания в динамичес-
ких условиях. Однако и аэроканалы периодического действия обла-
дают рядом отрицательных качеств. Одно из них — повышенный
расход электроэнергии в результате работы аэраторов при пере-
менной глубине погружения лопастей, включая экономически не-
выгодные погружения; устройство же аэраторов с постоянной глу-
биной погружения лопастей, связанных автоматическим устройст-
вом с уровнем жидкости, значительно усложняет эксплуатацию.
Другим недостатком этих сооружений является техническая необ-
ходимость ограничить применение аэроканалов-накопителей обслу-
живанием малых предприятий с одно- и двухсменной работой и по-
селков с населением до 700 человек.
Режим работы аэроканалов близок к режиму работы биологи-
ческих окислительных прудов, работающих в одну ступень с ис-
кусственной аэрацией. Одиночные пруды также могут работать
в проточном и контактном режимах. По данным треста Мосочист-
вод, в контактных прудах нагрузка загрязнений может быть увели-
чена в 1,5—2 раза по сравнению с проточными.
Киевским институтом Укргипромясомолпром разработан и при-
меняется в настоящее время для очистки малых количеств сточных
вод молочных заводов биоокислитель (аэротенк, рис. V. 14), рабо-
тающий в контактном режиме. Принцип работы установки заклю-
чается в следующем. Сточная жидкость самотеком или по напор-
ному коллектору подается в сооружение, емкость которого равна
1,5 объемам сбрасываемых сточных вод за период работы предприя-
тия (смена или цикл). Далее сточная жидкость забирается циркуля-
ционными насосами и снова подается в сооружение через форсунки
с насадками Вентури, которые оборудованы воздуховсасывающими
стояками, соединенными с атмосферой. Такая циркуляция сто-
ков продолжается в течение всего периода поступления их в окис-
литель.
153
После прекращения поступления сточных вод в окислитель цир-
куляция с засасыванием воздуха сокращается на 50% (по произво-
дительности насосов) и продолжается еще в течение 8—10 ч. После
этого циркуляция полностью прекращается, и сточные воды в окис-
лителе отстаиваются в течение 2—3 ч. За период циркуляции сточ-
ной воды в контакте с активным илом происходит снижение БПКполн
Рис. V.13. Основные схе-
мы работы окислитель-
ных каналов
а — на протоке; б — на
контакте; 1 — сточная жид-
кость; 2 — роторы; 3 и 5 —
иловая смесь; 4 — вторич-
ный отстойник; 6 — насос-
ная станция; 7 — очищен-
ная вода; 8 — иловый прия-
мок; 9 — удаление избы-
точного ила; 10 — дренаж-
ные воды от иловых площа-
док
Рис. V.14. Контактный аэротенк с аэ-
рацией трубами Вентури
1— подача сточной воды; 2 — эжекторные
форсунки; 3 — воздуховсасывающие стоя-
ки; 4 — циркуляционный трубопровод;
5 — трубопровод для забора очищенной
воды; 6 — всасывающий трубопровод; 7 —
трубопровод для забора сброса; 8—цир-
куляционные насосы для удаления очи-
щенной воды; 9 — насос для удаления
осадка; 10 — илопровод на иловые пло-
щадки
сточных вод до 85—90%. Перед началом поступления новой порции
сточных вод (начало работы предприятия) отстоявшаяся сточная
жидкость из окислителя выкачивается циркуляционными насосами,
а образовавшийся активный ил остается. При этом установлено, что
слой активного ила в окислителе скапливается на уровне 1/3 глу-
бины сточной воды в окислителе. Поэтому выпуск очищенных сточ-
ных вод предусматривается на высоте 1/3 глубины от дна сооруже-
ния. Активный ил из окислителя периодически перекачивается на
154
иловые площадки для подсушивания. Испытания показали, что ко-
личество засасываемого воздуха насадками с воздушными стояками
диаметром 75 мм практически составляет 20 м31ч при пропуске
расхода сточной жидкости через насадок Вентури 0,3 л!сек.
Поступление сточных вод на очистные сооружения отличается
неравномерностью по часам суток, причем амплитуда колебаний
Рис. V.15. Аэротенк с переменным рабочим уровнем жидкости
а — с сифонным переливом; б — с самотечным переливом
притока тем выше, чем ниже суточный расход сточных вод. Во из-
бежание нарушения рабочего режима, а также в соответствии с тре-
бованиями СНиП вторичные отстойники необходимо рассчитывать
1SS
на пропуск максимального часового расхода. При этом их рабочий
объем приходится увеличивать в 2—3 раза и более по сравнению
с объемом, рассчитанным на пропуск среднечасового расхода.
Устранить указанный недостаток можно, применив аэротенк с пе-
ременным уровнем жидкости1, колебания которого соответствуют
колебаниям притока сточных вод (рис. V.15).
Установка состоит из подающего трубопровода 1, соединенного
с аэротенком 2. В аэротенке устанавливаются продольные направ-
ляющие 3 поплавка 4, который соединен с дозатором постоянного
расхода сифонного типа 5 (рис. V. 15, а) или самотечным дозатором
постоянного расхода 6 (рис. V.15, б) с гибким трубопроводом. Сбло-
кированный с аэротенком отстойник 7 снабжен сборными периферий-
ными лотками 8.
Принцип действия установки следующий. Сточная жидкость
по трубопроводу 1 непрерывно подается в аэротенк 2, вызывая
соответствующие изменения рабочего уровня жидкости. Вдоль
направляющих 3 движется поплавок 4, снабженный дозатором
постоянного расхода сифонного типа 5 или самотечным дозатором
постоянного расхода 6 с гибким трубопроводом. Через дозаторы,
отрегулированные на пропуск среднечасового притока, очищенная
жидкость переливается в отстойник 7, собирается в лотки 8 и от-
водится за пределы установки.
Следовательно, колебания притока по часам суток компенси-
руются соответствующими колебаниями рабочего уровня жидкости
в аэротенке, а расход жидкости, поступающей из аэротенка во вто-
ричный отстойник, постоянен и равен среднечасовому, что позво-
ляет сократить рабочий объем вторичного отстойника в несколько
раз. Таким образом, в установках с переменным рабочим уровнем
жидкости, занимающих промежуточное положение между проточ-
ными и контактными сооружениями, аэротенки используются не
только по своему прямому назначению, но и в качестве регулятора
расхода поступающих сточных вод.
Глава VI
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ
ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД АКТИВНЫМ ИЛОМ
1. Материальный баланс аэротенков
идеального вытеснения и смешения
Особенностью реактора (аэротенка) идеального вытеснения
является постоянство расхода по всей его длине и равенство ско-
ростей всех элементов жидкости. Таким образом, в реакторе такого
типа отсутствует диффузия в направлении оси потока, но допус-
кается возможность диффузии в радиальном направлении. Основ-
1 Конструкция предложена канд. техн, наук Б. Н. Репиным.
156
ным условием режима идеального вытеснения является то, что
время пребывания в нем одинаково для всех элементов жидкости.
Материальный баланс по веществу с концентрацией (в случае
применения аэротенков это будет концентрация органических за-
грязнений по БПКполн) для реактора любого типа трактуется сле-
дующим образом: поступление в реактор вещества концентрацией
L в г/ч равно сумме количества вещества, выносимого с потоком из
реактора, и убыли вещества по реакции в г!ч.
Расстояние по длине реактора
б)
реактора,
Рис. VI.1. Схемы материального баланса аэротенков
а — идеального вытеснения; б — идеального смешения
В реакторе (аэротенке) идеального вытеснения состав жидкости
изменяется по длине, поэтому материальный баланс по реагирую-
щему веществу необходимо составлять для элементарного объема
W (рис. IV. 1):
LbQ = (L-bL)bQ + (RL)&V, (VI.1)
где AQ — расход жидкости, поступающей в элементарный объем
AV;
AL — изменение концентрации вещества (загрязнений) за вре-
мя прохождения элементарного объема;
/?£. — скорость реакции окисления загрязнений с концент-
рацией L.
Учитывая, что скорость реакции в общем виде записывается
как ( — 7?д) = kLn (где k — константа, ап-2- порядок реакции),
уравнение (VI. 1) можно представить в виде:
— = — kLn. (VI.2)
dt
157
Проинтегрировав уравнение (VI.2), получим для реакций п-го
порядка
<VL3>
где Lo и Lt — концентрации загрязнений соответственно в начальный
и конечный момент времени.
Для реакций первого порядка (« = 1) решение уравнения
(VI.2) имеет следующий вид:
Lt = Loe <?. (VI.4)
Расчетное уравнение для элементарного объема проточного
аэротенка идеального смешения в целом аналогично уравнению
(VI. 1) для реактора идеального вытеснения. Учитывая, однако,
что вследствие идеального перемешивания реакционной массы ее
концентрация постоянна во всем объеме аэротенка и равна кон-
центрации данного вещества на выходе из него, можно составить
уравнение материального баланса для аэротенка в целом.
[LV—(£—AL)V] = AoQAZ—Z^QA/ + ( — RL)VM. (VI.5)
наличие вещества скорость скорость убыль вещества
в реакторе притока оттока по реакции
вещества вещества
Разделив обе части полученного уравнения на AZ и переходя
к бесконечно малым, получим уравнение материального баланса
аэротенка идеального смешения
V^- = L0Q-LtQ~kLl V
at
или
^ = А-(£0-Д)-^. (VI.6)
at t
Уравнение (VI.6) является нелинейным дифференциальным урав-
нением n-ого порядка, аналитическое решение которого обычны-
ми методами не удается. Для случая протекания процесса очистки
сточных вод в соответствии с реакцией первого порядка уравнение
(VI.6) после интегрирования примет вид:
Lt= -L° (—— +—V (VI.7)
k+И
V \е Q J
Решение уравнения (VI.6) для реакций n-ного порядка прибли-
женным методом установившегося состояния при условии, что
dL п
= 0, приводит к следующему выражению:
/ = = . (VI.8)
Q kL"
158
Как следует из сравнения уравнений материального баланса,
основное отличие аэротенка идеального вытеснения от аэротенка
идеального смешения заключается в том, что в первом случае ско-
рость реакции окисления загрязнений является переменной
по всей длине сооружения, а во втором — постоянной.
2. Гидродинамические условия моделирования
производственных аэротенков
Исследования гидродинамических характеристик реальных реак-
торов непрерывного действия, какими являются аэротенки, цир-
куляционные окислительные каналы, биологические пруды, а так-
же более сложные системы, составленные из данных сооружений,
показывают значительные отклонения от идеальных режимов.
Указанные отклонения в первую очередь вызваны тем, что в реаль-
ных системах протекают побочные гидродинамические процессы,
обусловливающие в общем случае наличие в одном реакторе сле-
дующих типов потока: идеального вытеснения, идеального сме-
шения, «проскока» подаваемых загрязнений, возврата активного
ила, поперечного и продольного перемешивания, а также зон с не-
установившимся питанием, полузастойных и застойных зон.
Попытка представить и математически описать поток жидкости
в реальных сооружениях сталкивается со значительными труд-
ностями. Среди исследователей отсутствует единое мнение относи-
тельно того, следует ли рассматривать циркуляционный поток как
замкнутый и проходящий по всему реактору или ограничиться
учетом потоков обмена между соседними зонами. Эти потоки под-
разделяются: на потоки обмена между двумя различными зонами
идеального смешения, потоки обмена между двумя застойными
зонами различной степени «застойности» и потоки обмена между
зоной идеального смешения и застойной зоной. Если при этом до-
пустить, что режим потоков обмена носит не равномерный, а пуль-
сирующий характер, то станет понятной сложность реальной гид-
родинамической модели.
Число параметров, включаемых в предполагаемую модель,
определяется, с одной стороны, точностью, с которой она должна
описывать рассматриваемый поток в пределах данного режима,
а с другой — степенью сложности математического аппарата,
необходимого для анализа модели. По мере увеличения числа пара-
метров модель охватывает все более широкий круг явлений. При
этом необходимо соразмерять сложность модели с относительной
простотой математического аппарата, привлекаемого для ее изуче-
ния, и одновременно следить за тем, насколько полно усложнение
модели подтверждается фактическими данными о моделируемом
явлении. Последнее особенно существенно, поскольку излишне
сложная многопараметрическая модель может достаточно точно
соответствовать частным экспериментальным данным, но окажется
159
совершенно неприменимой для исследования аналогичного про-
цесса при измененных условиях его проведения.
Иными словами, изучая некоторую реальную ситуацию, необ-
ходимо сначала стремиться к простейшей модели, согласующейся
с опытными данными, в которых наличие тех или иных зон вытекало
бы из действительных условий движения жидкости в реальном
<9
а — для аэротенка идеального смешения; б — для аэротенка-смесителя, приближен-
ного к работе в реальных условиях; / — функция распределения «возраста» жидко-
сти в аэротенках; Q — расход сточных вод, поступающих в аэротенк; Q' — расход
сточных вод, питающих застойную зону
сооружении. Тогда параметры модели будут иметь конкретный
физический смысл и могут быть рассчитаны независимыми методами.
Так, например, если при использовании метода трассирующих ве-
ществ получено, что отношение времени перемешивания к среднему
времени пребывания не превышает 1/10, то исследуемый аэротенк
по своим гидродинамическим характеристикам близок к аэротенку
идеального смешения.
160
На практике гидродинамическая модель аэротенка во многом
обусловлена его конструктивными особенностями. Так, например,
гидродинамическую модель коридорного аэротенка следует строить
на основе приближения к реактору идеального вытеснения, а мо-
дель аэротенка-смесителя близка к модели реактора идеального
смешения.
Застойные зоны в аэротенках представляют собой сравнительно
медленно движущиеся участки жидкости, которые для простоты
расчетов можно считать полностью неподвижными. Застойные зоны
снижают величину полезного объема аэротенка, поэтому необхо-
димо знать методы их определения.
По мнению О. Левеншпиля, доля активного объема Ко аэро-
тенка (реактора) идеального смешения равна:
1
Ко= —1—e-i «0,63, . (VI.9)
о
где 9 — время в безразмерных единицах;
е — основание натурального логарифма.
Тогда при наличии застойных зон доля активного рбъема Ко аэ-
ротенка (рис. VI.2) определится из следующего выражения:
К'о- — Je-0'd9= 1 — V' (1— , (VI.10)
о
где 9' = 0—-— ;
1-V'
V — доля рабочего объема, приходящаяся на застойную зону.
С учетом уравнений (VI.9) и (VI. 10) коэффициент Kv активного
использования объема натурного аэротенка равен:
До U, Оо
Застойные зоны обнаруживаются как в аэротенках-смесителях,
так и в аэротенках-вытеснителях. Объем и расположение застой-
ных зон в аэротенках зависят от характера и интенсивности пере-
мешивания. По мере увеличения интенсивности перемешивания
объем застойной зоны аэротенка-смесителя сокращается, и соору-
жение по своим гидродинамическим характеристикам приближается
к аэротенку идеального смешения.
3. Уравнения материального баланса
ступенчатых систем биохимической очистки
В практике очистки сточных вод встречаются технологические
схемы, состоящие из двух и более сооружений, работающих парал-
лельно или последовательно. Эти сооружения могут быть одинако-
6 Зак. 1265
161
выми или различными по своим гидродинамическим режимам.
Примером может служить схема двухступенчатой биохимической
очистки с аэротенком-смесителем в качестве I ступени и с аэро-
тенком-вытеснителем в качестве II ступени. Модели таких и более
сложных технологических схем состоят из последовательно и па-
раллельно соединенных реакторов идеального смешения и вытес-
нения, которые с помощью застойных зон рециркуляционных и
байпасных потоков приближены к реальным условиям работы.
Наличие застойной зоны в одном случае и отсутствие ее в дру-
гом при одинаковом общем режиме (смешения или вытеснения)
означает сходство в характере, но разницу в интенсивности пере-
мешивания.
На рис. VI.3 и VI.4, а также в табл. VI. 1 и VI.2 представлены
схемы и уравнения материального баланса наиболее распростра-
ненных систем биохимической очистки сточных вод как с регене-
рацией, так и без регенерации активного ила.
При этом приняты следующие обозначения:
Q, Qi, Qi V, Vi, v2 v, v\, v2 wlt w2 w{, w2 r, rlt r2 — расходы сточных вод; — объемы аэротенков; — объемы застойных зон аэротенков; —объемы регенераторов; —объемы застойных зон регенераторов; — коэффициенты циркуляции активного ила;
Lo —начальная концентрация загрязнений по БПКполн!
Lt> —остаточные концентрации загрязнений по БПКполн!
dL> dLi, dL2 dt dt dt —мгновенные концентрации загрязнений в аэротенках по БПКполн!
dL\ dL2 —то же, в регенераторах по БПКполн’.
dt dt k, klt k2 —константы скоростей окисления загря- знений в аэротенках;
k2 —то же, в регенераторах.
На рис. VI.3 представлены схемы материального баланса систем
биохимической очистки сточных вод без регенерации активного
ила. Схемы 1—4 соответствуют одноступенчатой, а схемы 5—8 —
двухступенчатой биохимической очистке. Принято, что в иловой
части вторичных отстойников изменения концентрации загрязнений
не происходит, поэтому отстойники на схемах не показаны.
Схемы 1 и 2 соответствуют режимам аэротенков-вытеснителей
и аэротенков-смесителей. Схемы 3 и 4 применимы для составления
162
материального баланса аэротенков промежуточного типа, например
с децентрализованным впуском сточной жидкости не по всей длине
сооружения. Схемы 5—8 соответствуют двухступенчатой биохи-
мической очистке при наличии самостоятельной системы циркуля-
ции активного ила в каждой из ступеней. Схемы 7 и 8 предусмат-
ривают перепуск части подаваемой сточной воды на II ступень,
минуя I ступень, что иногда встречается на практике.
Данные схемы можно применять также и в тех случаях, когда
вместо аэротенков в узком смысле этого слова применяются биоло-
гические пруды или окислительные каналы. При этом биологиче-
ский пруд в зависимости от его конструкции может быть смесите-
лем или вытеснителем, а окислительный канал по своему гидро-
динамическому режиму близок к реактору-смесителю с застойной
зоной.
На рис. VI.4 представлены схемы материального баланса сис-
тем биохимической очистки с регенерацией активного ила. Схемы
1 и 2 соответствуют режиму двухступенчатой очистки, при этом
в качестве II ступени показан биоокислитель-вытеснитель без
рециркуляции активного ила. Этим биоокислителем может быть
биологический пруд, окислительный канал или песчаный фильтр
доочистки. Схемы 3 и 4 отличаются от схем 1 и 2 тем, что II ступени
очистки имеют отдельную рециркуляцию активного ила. Схемы
5—8 учитывают регенерацию активного ила на каждой из ступеней
биохимической очистки как в регенераторах-смесителях (схемы 1—
8), так и в регенераторах-вытеснителях (схемы 5 и 6, II ступень
очистки). При этом, как и в первом случае (см. рис. VI.3), вторичные
отстойники на схемах не показаны, так как их роль в материальном
балансе по растворенным органическим загрязнениям незначи-
тельна.
Для практического использования табл. VI. 1 и VI.2 необходимо
знать объемы застойных зон и константы скоростей окисления за-
грязнений на каждой из ступеней биохимической очистки. Анали-
тических методов, позволяющих с заданной степенью точности
определить значения указанных параметров для каждого конкрет-
ного случая, на сегодня не существует. Поэтому для расчета от-
дельного сооружения или системы, состоящей из ряда биоокисли-
телей, потребуется экспериментальное определение данных пара-
метров на опытной установке, в гидравлическом отношении иден-
тичной будущему сооружению. Очевидно, при нахождении величи-
ны застойной зоны целесообразно воспользоваться методом трас-
сирующих веществ в одной из его модификаций.
Разумеется, приведенные схемы и уравнения материального
баланса не могут охватить всех случаев, имеющих место на практи-
ке. Возможно, в случае необходимости, придется дополнить данные
схемы новыми и, пользуясь предлагаемыми методами, составить
уравнения материального баланса применительно к конкретным
условиям.
6*
163
Рис. VI.3. Схемы материального баланса одно- и двухступенчатых систем био-
химической очистки сточных вод .без отдельной регенерации активного ила
Л аэротенк I ступени; В— аэротенк II ступени; 1—8 — порядковые номера моделей
систем
164
Рис. VI.4. Схемы материального баланса двухступенчатых систем биохимиче-
ской очистки сточных вод с отдельной регенерацией активного ила
Л — аэротенк I ступени; В — аэротенк II ступени; С — регенератор I ступени; D — реге-
нератор II ступени; 1—8 порядковые номера моделей систем
165
оз
Т аблица VI.1
Материальный баланс
систем биохимической очистки сточных вод без регенерации активного ила
Уравнение материального баланса в общем виде Решение уравнения материального баланса для реакций
первого порядка (п=1) n-го порядка
1. Аэротенк-вытесните V— V с' dL bWtr},,t ^+rLt ° 2. Аэротенк-смесител! dL Q "V=V(14>r) Lt~kLt ль с «застойной зоной» и с рециркуляци . k V—V' . <?(Ц-г) , Lpe * V—V' ’(,н с «застойной зоной» с рециркуляцией ( . _ Lo ( k Q \ V-V' \e / ;й (рис VI.3, модель 1А) V-V' Q t Г / Lp-[-rLt\ 1 —” i—nl fe(l— n) L\ l+r / ( J эис. VI.3, модель 2A) V-V' L0-Lt Q kL"
3. Аэротенк-смеситель + аэротенк-вытеснитель с общей рециркуляцией (рис. VI.3, модель ЗА,В)
dL, Q
#=K(Lo+^)-
Q
t‘,“, . Q<l+O
,,+ TT
Vi —Ltx (1 -l^r)
o’=
V
Q(l+r) C ^2.= —fe2 C dt J ч i Z-ZI 4. Аэротенк-смеситель с «застойно! dLt 0. .. . dt -y1_v/L° + rL<2> V12v;ll+')L‘> i'L‘- -k Vz : зоной» + аэротенк-вытеснитель с «засто! (рис. VI.3, модель 4A,B) Lo-^ ^t2 Ltl~k x -ф- Q (1 f) kt y--^+i vi-v; [ eR1 Q(l + r) ' J 1 (L} -п-Ц-п) Q (!+/) fe2(l-n)V (1 ta ’ 1ной зоной» с общей рециркуляцией Vt-V; _(L,-^rLG)-Lfi(l>r) * Q “
Vt-vi Lt, АГ Q (1 + f) J « t/t b2 0 V.—-Vq Lt =Lt e kiQtA+') I 2 I J м V2—V2 1 frl~n fl — nx Q(l-^r) Ml-«Г tl ta ,
5. Аэротенк-смеситель первой ступени с отдельной рециркуляцией (рис. VI.3, модель 5А)
dL, Q
Lt-kt L"
L_______£»___
Q
fel* vx
Vi „
Q = kxLl
Продолжение табл. VI.1
оо
Уравнение материального баланса в общем виде Решение уравнения материального баланса для реакций
первого порядка (п = 1) п-гъ порядка
6. Аэротенк-смеситель первой ступе! dL, Q dt-V1-v^r^- 0 L"t У1 — у 1 зи с «застойной зоной» и с отдельной ре ^.= L\ X к,+ v.-г; у / fei ж Q \ \ е 1 циркуляцией (рис. VI.3, модель 6А) L0-Lti » Q Vg
7. Аэротенк-вытеснитель второй ступени с отдельной рециркуляцией (рис. VI.3, модель 5В; рис. VI.4, модель ЗВ)
_b v>
Ltie k2Qd+r2)
1
_______
Q(l^r2) fe2(l —n)A
f Lt^r2LtA 1~n _Ll-n
8. Аэротенк-вытеснитель второй ступени с «застойной зоной» и с отдельной
рис. VI.4. модель 4В)
рециркуляцией (рис. VI.3, модель 6B;
Ч лг
р dL2
J р
Q (1 -h г я)
' _Llt^r2Lt2
l^r2
Lt
f a
_ уг-у'г
L e 20(1 + п)
______и________________
( -k v‘~v* \
1+гД1-е 2«<i+r2)J
_E-zEL=__! х
^2 (1 “Л)
Г( Ltl^r2Lt1
L\ 14~Г2
9. Аэротенк-смеситель первой ступени с отдельной рециркуляцией при байпассировании
основного потока (рис. VI.3, модель 7А)
/ fei , Qt \
V1_ Lo~4 .
Qi Wtt
10. Аэротенк-смеситель первой ступени с «застойной зоной», с отдельной рециркуляцией
при байпассировании основного потока (рис. VI.3, модель 8А)
dLi Qi к г '
dt - Vi—(Lo^ri Л
- v Q1V> U +
Vt — V1
Vj-y; _ Lo-Lt.
Qi
CO
о
© Продолжение табл. VI .1
Уравнение материального баланса в общем виде Решение уравнения материального баланса для реакций первого порядка (п=1) n-го порядка
11. Аэротенк-вытеснитель второй ступени с отдельной рециркуляцией при дополнительном
вводе исходной воды (рис. VI.3, модель 7В).
QiLo’^QlLtt-&rfjQLi„
Qi-^rQi-r riQ
________________k v *
(QiL0^Q1Lti)e 2<?<1 + 'S)
/ к v*
i^-^QV1-e C(1+''=)j]
V2_________1 )
QO-N fea(l—«)X
Г / 1~n
L\ Qi -rQi+^Q) /
12. Аэротенк-вытеснитель второй ступени с «застойной зоной» и с отдельной рециркуляцией при дополнительном
вводе исходной воды (рис. VI.3, модель 8В).
V2-V2
Ltt Qd+r,)
J “
°
r>
Ltl —-------------------
. (Q2Lo^-Qi4)e Q(1+f2)
G Y
I... x
Q(i^Hr2) £2(1—n)
x Г l~n
L\ (?24-Ql“r r2 Q /
Qa':f'Qi4‘/' 2Q
Таблица VI.2
Материальный баланс
систем биохимической очистки сточных вод с регенерацией активного ила
Уравнение материального баланса
в общем виде
Решение уравнения материального баланса для реакций
первого порядка (п = 1) | n-го порядка
1. Аэротенк-смеситель первой ступени с отдельной рециркуляцией через регенератор (рис . VI.4, модели 1А, ЗА, 5А, 7А)
L
Й1 +
0
— 77" (1
v 1
2. Аэротеик-смеситель первой
Q
-77" = ~7 V7"
dt Vx — Vy
Q
у ___у, (14>ri) й1^?,
____kx
kt Vl
e ‘Qd+n)
Q(l+ri)
Vx
, Q (1 + ^)1
Vi
Q
ь, Г п
/?! Lt
♦
Vx
ступени с «застойной зоной», с отдельной
(рис. VI.4, модели 2А, 4А, 6А, 8А)
рециркуляцией через регенератор
4 . . QU+оГ
<2(1+нГ
Vi-y;
k
Уг-У; (Lo + zTL^-^a^ri) *
Q
ь Vr-v'x
_q Q(14-Г1)
3. Аэротенк-вытеснитель второй ступени, без рециркуляции (рис. VI.4, модель IB)
V,
Lt^r Q
J ^=-‘4
Lti о
Г ДТ2_
J L4
ь v‘
— ka 77
Lt =Lf e Q
Zl =---1---(L'~n-L‘
Q £2(1-«)V 1 ‘
Продолжение табл. VI.2
Уравнение материального баланса
в общем виде
Решение уравнения материального баланса для реакций
первого порядка (л=1) | л-го порядка
4. Аэротенк-вытеснитель второй ступени с «застойной зоной» без циркуляции (рис. VI.4. модель 2В)
Уг —У2 Lt>.j Q 7 ^2 " Ltx 0 A/2-V2 v2—v2 1 /г!—л_г1—л
L, =Lt е У 1 2 *1 <2 fe2(l— пр /г
5. Аэротенк-вытеснитель второй ступени с отдельной рециркуляцией через регенератор (рис. VI.4, модель 5В)
А л! QU-Hs) С ь С dt knV л 1
П2 J Lt, ° L -^.+ 74)eQ(1+,'2) Q (1 +гг) k2 (1 —n) \(Lt +r„Lt \l~n i-n
LttAr2Lt Lt. — 1 +r2 XK i+r2 J L*’
1 +r2
6. Аэротенк-вытеснитель второй ступени с «застойной зоной» и с отдельной рециркуляцией через регенератор
(рис. VI.4, модель 6В)
Lt,.T
С “^2
J, L4 ~
4t
Vs-V2
Q( Л +г2)
-k2 J dt;
О
' Ltl+r2Lti
Ltt =--------
l+r2
A2(V2 —Уз )
L -(L^ + r^e Q(l + ri}
1 + r2
Уг-Vi _ 1
Q(l+r2) ^2 (1 '—n)
17 Ltl-Jfr2LtAl~n r 1-
1Д +r2 j
7. Аэротенк-смеситель второй ступени с отдельной рециркуляцией через регенератор (рис. VI.4, модель 7В)
dL2
1Г
=v;(4+74)-
r Lti'^r2Lti
1г~ к(Н1+'7>Х
2+ V2
V2 (Ltl+r2Ltl)—LtAlA>'i)
<2 “ W*
Q (1 +r2)l
g 2 <2 ( 1 + ’’г)
V2
8. Аэротенк-смеситель второй ступени с «застойной зоной» с отдельной рециркуляцией через регенератор
(рис. VI.4. модель 8В)
_ Ltt+r2Llt
Q(l+r2)X
2+ V2-V'
k2 Q (1 -br2)~
Vz-Vi
„ 2Q(l-i-r2) ‘
(LtAr2Ltt')~'Lt-A^ri}
Q ~
9. Регенератор-смеситель первой ступени (рис. VI.4, модели 1С, ЗС, 5С, 7С)
_ЁЬ'=АГ L A r L _k’Ln
dt 1 tl Wi 1 tz 1 's
7^= fejL;is
10. Регенератор-смеситель первой ступени с «застойной зоной» (рис. VI.4, модели 2С, 4С, 6С, 8С)
nQ L
dt Wi-W[
Wr-W{ Ltt--Ltt
riQ ~ k[Ll ~
Продолжение табл. VI. 2
Решение уравнения материального баланса для реакций
Уравнение мате
баланса
в общем внде первого порядка (п=1) П-ГО порядка
11. Регенератор-смеситель второй ступени (рис. VI.4, модель 7Д)
r2Q r»Q / ^2 , ггС \ w2 Lt~Lt.
dt = —— Г г h 1 1 п /2 г2 r‘Q j rzQ
12. Регенератор-смесит ель второй ступени с «застойной зоной» Lt Т li \s (рис. \Al.4, модель 8Д)
dl^ 2 г oQ i- / — _ А * r2Q Lt —Lt = _Li Lt_* k’zLl
dt F2-1V' г, О — — L. k' L1 k’2 + IF 2 —IP 2 / kz r20. . \ W r2Q
W2 — B7' 2 x А'^-У2 + 1+ \g r2Q J
dL
ь'
Lt = Lt e r‘Q
1 4 1 2
W2___________
r2Q
(I'-"-!'--
Lt
( dL2
J L^-
Lt.
tz 1У2-1Г2
Lt =Lt e 2
*4 1 2
r.,Q k'(l—n)v '« tl •
1
13. Регенератор-вытеснитель второй ступени (рис. VI.4, модель 5Д)
Г2<?
О
14. Регенератор-вытеснитель второй ступени с «застойной зоной» (рис. VI.4. модель 6Д)
'Уг-'Уг
.f •“
о
* Уравнения материального баланса для реакций я-го порядка, решенные приближенным методом «установившегося состояния», при уело-
вин, что = L.2= —= 0
dt dt dt dt dt
4. Основные принципы моделирования аэротенков
для очистки сточных вод сложного состава
Сточные воды химической, нефтехимической, нефтеперерабаты-
вающей, фармацевтической, пищевой и других отраслей промыш-
ленности, как правило, образуют сложные комплексы различных
органических загрязнений, количество которых может достигать
50 наименований и более. Учитывая, что отдельные производствен-
ные загрязнения могут различаться как скоростями биохимического
окисления, так и характером своего участия в метаболизме актив-
ного ила, можно записать следующую группу кинетических урав-
нений, описывающих процесс очистки сложного стока:
[О21---.
L0, + [C5H7NO2]^LG;
[О2] --Т
Lo2 + [C5H7N02AlG;
1°21---
Lo, + [C5H7N02]^Lg;
[О2] 7 „
I Л 4
Ao.-[C5H7NO2] —+Lt..
[О2]----1 к'
Ю2]-----i К'
£62-MC5H7NO2] Дг;2;
Ю2]-----1 к'.
l;3-rc5h7no2i-+l;3;
(VI.12)
(VI.13)
Ю2]----1 к'
l;.-hc5h7no2i-Al;.,
где Lo,, LOt, ЬОг, ..., Lo. — исходные значения БПКПОлн отдельных
легкоокисляемых компонентов;
Ltit Lt2, Lta, ..., Ltt — конечные значения БПКполн отдельных
легкоокисляемых компонентов;
Lo,. Lo2, Lq3, ..., Lo; — исходные значения БПКПОлн отдельных
трудноокисляемых компонентов;
L/,, Lt2, Lt„, ..., L/. — конечные значения БПКПОлн отдельных
трудноокисляемых компонентов;
175
Kt, K2, , Kt — константы скоростей окисления легко-
окисляемых компонентов;
К\, К'ч, Кз, •••> K'i — константы скоростей окисления трудно-
окисляемых компонентов;
[C5H7NO2] — концентрация активных микроорга-
низмов;
[О2] — концентрация потребляемого кислорода.
Анализ приведенных уравнений показывает, что различные виды
органических загрязнений общего стока можно объединить в две
основные группы по скоростям их биохимического окисления.
Разумеется, что объединение несколько условно, так как даже в пре-
делах одной группы скорости окисления отдельных органических
веществ могут заметно различаться. Однако это допущение, несмотря
на некоторую погрешность при окончательных расчетах, сущест-
венно упрощает решение основной задачи. Принимая во внимание,
i i
что 2 Lo. = Lo, а 2 £ог = Lo, запишем группу уравнений (VI. 12)
и (VI. 13) в следующем виде:
f°2l----J
L0 + [C5H7NO2l-^Li;
[О2] —г
Lo -f- [C5H7NO2] » Lt. )
VI.14)
При очистке в аэротенках одних только производственных сточ-
ных вод группа уравнений (VI. 14) предполагает деление органи-
ческих загрязнений по скоростям их окисления, а при очистке
в аэротенках смеси бытовых (городских) и производственных сточ-
ных вод целесообразно одним из уравнений группы (VI. 14) описы-
вать процесс изъятия бытовых, а другим уравнением — произ-
водственных загрязнений. Если принять, что г — скорость окис-
ления бытовых загрязнений общего стока, аг' — скорость окис-
ления производственных загрязнений, то уравнение (VI. 14) можно
записать в виде:
г = ^=^[С5Н7?Ю2ГЛ”;
at
r' = ^ = ^4C5H7NO2r'Z<-
at
(VI.15)
Чтобы исключить время как параметр, поделим второе уравне-
ние на первое, тогда
<р= —(VI.16)
г dLf К
176
Рис. VI.5. Селективность
процесса биохимической
очистки смеси производ-
ственных и бытовых сточ-
ных вод в зависимости
от начальной концентра-
ции загрязнений и рабо-
чей дозы активного ила
Величина ср левой части уравнения (VI. 16) может быть опреде-
лена как «мгновенная» избирательность или селективность про-
цесса биохимической очистки. Эта величина показывает, какая
доля остаточных производственных загрязнений общего стока при-
ходится на единицу остаточных загрязнений бытовой фракции после
прохождения очистки в аэротенке.
Графическая интерпретация зависимости (VI. 16) представлена
на рис. VI.5. Рассмотрим основные случаи изменения селективности
процесса очистки, являющегося функцией концентраций реаги-
рующих компонентов (органические заг-
рязнения и активный ил) и порядков
реакции т, tri, п, п'.
Случай первый: tri т, ri > п,
при этом ri — n > 1 и tri — /и > 1
(кривая 1 на рис. VI.5). Зависимость,
имеющая вид параболы с выпуклостью
в сторону оси абсцисс, показывает, что
увеличение концентраций каждого из
реагирующих веществ способствует за-
медлению реакции окисления производ-
ственных загрязнений, а снижение кон-
центраций реагирующих веществ спо-
собствует относительному ускорению
этой реакции.
Случай второй: tri > т, ri > п, при
этом т — т = 1 и ri —п = 1 (линия
2 на рис. VI.5). Зависимость имеет
вид прямой; линии с тангенсом угла
равным отношению, К'/К. Физический смысл данной зависи-
мости аналогичен первому случаю с той лишь разницей, что
влияние реагирующих концентраций органических загрязнений
и активного ила на селективность процесса в данном случае
несколько слабее.
Случай третий: tri > т, ri > п, при этом 1 > tri — т> 0 и
1 > ri — п > О (кривая 3 на рис. VI.5). Зависимость имеет вид
параболы с выпуклостью в сторону оси ординат. Физический смысл
данной зависимости аналогичен первому и второму случаю, при-
чем влияние реагирующих компонентов на селективность процесса
в данном случае еще слабее, чем во втором.
Случай четвертый: т'и п'хп (линия 4 на рис. VI.5).
Зависимость имеет вид прямой линии, параллельной оси абсцисс
и отсекающей на оси ординат отрезок, равный К'IК- В этом случае
состав остаточных загрязнений на выходе из аэротенка строго
определен и зависит только от соотношения К'/К-
Случай пятый: tri < т, п' <п (кривая 5 на рис. VI.5). Зави-
симость имеет вид гиперболы, показывающей что с увеличением
начальных (реагирующих) концентраций органических загрязнений
и активного ила улучшается относительный эффект очистки по
наклона к осн абсцисс,
177
производственным загрязнениям, а при снижении начальных кон-
центраций очистка производственных загрязнений ухудшается.
Таким образом, различные комбинации высокой и низкой кон-
центраций исходных загрязнений оказывают существенное влия-
ние на проведение конкурирующих реакций биохимического окис-
ления. Кроме того, варьирование концентраций исходных загряз-
нений и активного ила является простым и весьма действенным
способом регулирования состава остаточных загрязнений сточных
вод. Практически это достигается выбором определенного гидро-
динамического режима работы аэротенков.
Обобщая рассмотренные выше положения о начальном составе
загрязнений сточных вод, можно сформулировать следующие ос-
новные правила:
для органических загрязнений производственных сточных вод,
имеющих одинаковый порядок реакций окисления, состав остаточ-
ных загрязнений не зависит от гидродинамического режима работы
аэротенка;
для органических загрязнений с различными порядками био-
химических реакций окисления повышение исходных концентра-
ций способствует улучшению эффекта очистки сточных вод от легко-
окисляемых продуктов, а проведение процесса очистки при низких
начальных концентрациях загрязнений улучшает эффект очистки
от трудноокисляемых продуктов; это правило действует тем силь-
нее, чем больше разница в биохимической окисляемости исходных
веществ;
наибольшие значения исходных загрязнений можно поддержи-
вать, применяя аэротенк-вытеснитель, в котором концентрации реа-
гирующих веществ уменьшаются по мере протекания процесса;
наименьшие значения исходных загрязнений можно поддер-
живать, применяя аэротенк-смеситель, в котором их концентрации
мгновенно снижаются до минимума, или применяя аэротенк-
вытеснитель с увеличенным возвратом активного ила.
Указанные правила действительны как для I ступени, так и для
II ступени биохимической очистки в аэротенках. Кроме того, для
II ступени очистки может быть сформулировано следующее правило:
увеличения исходных загрязнений можно добиться, применив
перепуск части неочищенной сточной жидкости на II ступень
очистки, минуя I ступень.
Глава VII
РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ АЭРОТЕНКОВ
Станции аэрации представляют собой сложный технологиче-
ский комплекс, обычно состоящий из первичных и вторичных от-
стойников, биоокислителей, компрессорной сжатого воздуха, со-
оружений по переработке осадка, а также подсобных служб. Экс-
178
плуатация таких станций весьма трудоемка и требует квалифици-
рованного обслуживающего персонала, что, как правило, не обес-
печивается в условиях малых городов, рабочих поселков, сельских
населенных пунктов, а также на промышленных предприятиях
малой мощности.
Для городов и предприятий с расходами сточных вод более
10 тыс. сутки применение аэротенков по классической схеме
может быть оправдано технико-экономическими расчетами. Для
объектов канализования ниже указанного предела высокая стои-
мость строительства и эксплуатации является фактором, требую-
щим пересмотра традиционных взглядов на инженерное оформле-
ние процесса биохимической очистки сточных вод с целью макси-
мального учета условий эксплуатации.
Строительство малых очистных станций сопряжено с высокими
транспортными затратами в условиях значительной протяженности
и пока не всегда удовлетворительного состояния подъездных путей.
Поэтому нет сомнений в том, что более высокие темпы строитель-
ства можно обеспечить лишь при организации централизованного
заводского изготовления очистных установок из транспортабель-
ных элементов. Учитывая современный уровень развития транс-
портной авиации, возможно организовать доставку очистных уста-
новок в отдаленные или труднодоступные районы самолетами
или вертолетами. Экономические расчеты показывают, что исполь-
зование авиации в зимнее время года, когда она загружена срав-
нительно мало, для многих районов СССР может оказаться целесо-
образнее других видов транспорта для доставки очистных уста-
новок.
1. Основные технологические схемы
Обработка осадков сточных вод в метантенках, применяемая
на обычных очистных станциях, требует непрерывного тщательного
контроля и в значительной степени удорожает эксплуатацию. Бо-
лее перспективными для малых очистных станций являются схемы
очистки с применением аэробного сбраживания или аэробной ста-
билизации (рис. VII.1).
Аэробное сбраживание — это биологический процесс с длитель-
ным периодом аэрации в сооружениях типа аэротенков, в резуль-
тате которого происходит разложение органического вещества.
Органическое вещество канализационных осадков, в том числе
активного ила, состоит из трех групп: питательных веществ, до-
ступных биологическому окислению; инертных, биологически не
разлагаемых веществ; активной бактериальной массы, способной
к самоокислению. Известно, что самоокисление — свойство живых
бактериальных клеток в условиях недостатка питания вырабатывать
в результате внутриклеточного обмена веществ энергию, необхо-
димую для поддержания своей жизнедеятельности. В процессе
аэробного сбраживания самоокисление является доминирующей
179
реакцией обмена веществ, которая может быть выражена следую-
щим образом:
C5H7NO2 + 5О2 — “ 5СО2 + 2Н3О + NH3. (VI1.1)
Оставшиеся органические вещества представляют собой биоло-
гически неразрушаемый остаток, состоящий из инертного, биоло-
гически неокисляемого вещества, содержащегося в осадках и обра-
зующегося при самоокислении бактериальных клеток.
Впервые идея аэробного сбраживания канализационных осад-
ков была выдвинута еще в 1932 г. Рудольфсом и Хелекианом. По-
Рис. VII.1. Схемы очистки сточных вод С применением аэроб-
ной обработки активного ила
1 — поступающая сточная вода; 2 — высокопроизводительный аэро-
тенк (аэротенк I ступени); 3 — вторичный отстойник; 4 — аэротенк
продленной аэрации (аэротенк II ступени); 5 — третичный отстойник;
6 — очищенный сток; 7 — возвратный ил; 8— избыточный ил; 9— аэ-
робный сбраживатель; 10 —- илоуплотиитель; 11— вода от илоуплотни-
теля; 12 — уплотненный возвратный ил; 13— сброс минерализован-
ного ила
зднее изучение метода аэробной стабилизации активного ила,
осадка из первичных отстойников и их смеси было продолжено
рядом исследователей, среди которых особенно заметны работы
АКХ им К. Д. Памфилова (В. В. Чупракова и др.). Результаты
санитарно-гигиенического исследования свидетельствуют о том,
что количество кишечных палочек, как наиболее устойчивых к не-
благоприятным условиям внешней среды, и вирусов резко снижает-
ся — факторы, свидетельствующие об обеззараживающем эффекте
данного метода.
Анализ приведенных на рис. VI 1.1 схем показывает, что наи-
большей эксплуатационной простотой из них обладает первая схема
(а), по которой сточная вода после решеток или комминуторов,
но без первичного отстаивания подается в аэротенк с длительным
периодом аэрации (20—24 ч), а затем во вторичный отстойник,
откуда вытекает очищенная вода. Недостатком указанной схемы,
ограничивающим ее применение для расходов свыше 1,5—3 тыс.
м3!сутки, является значительный объем аэротенка.
180
Вторая (б) и третья (в) схемы предусматривают отдельное аэроб
ное сбраживание осадка, при этом более экономичной является очи-
стка по третьей схеме (в), по которой избыточный активный ил
с концентрацией сухого вещества 6—8 г/л подвергается дополни-
тельному уплотнению перед аэробным сбраживанием до концентра-
ции 15—20 г!л. По данным схемам также не требуется первичного
отстаивания сточных вод, но, несмотря на меньший объем основных
сооружений против первой схемы (а), эксплуатация все же оказы-
вается сложнее, в связи С чем вторая и третья схемы находят при-
менение для расходов сточных вод, не меньших, чем 200—400
м?!сутки. Сточки зрения условий работы, схема (в) менее надежна,
чем схема (б), так как активный ил высоконагружаемых и высоко-
производительных аэротенков имеет повышенный иловый индекс,
плохо поддается дополнительному уплотнению и обладает тенден-
цией к вспуханию, особенно в летнее время.
Четвертая схема (г) предусматривает обработку сточных вод
в двухступенчатых аэротенках и может быть рекомендована при
наличии в общем стоке трудноокисляемых (производственных)
веществ, лимитирующих очистку. При этом аэротенк II ступени
одновременно выполняет функции минерализатора избыточного
активного ила, так как по нагрузкам данное сооружение прибли-
жается к режиму продленной аэрации.
Пятая схема (д) предусматривает обработку сточных вод в двух
параллельно работающих аэротенках. Один из аэротенков очищает
4/5 — 9/10 общего расхода сточных вод и работает в режиме высоких
и средних нагрузок на активный ил. Второй аэротенк очищает
1/5 —Ч10 общего расхода сточных вод и одновременно в него от-
водится избыточный активный ил из первого сооружения. Таким
образом, второй аэротенк, работая в режиме продленной аэрации,
одновременно ' выполняет функции аэробного сбраживателя ила.
Преимуществом данной схемы является более благоприятный
температурный режим в аэробном сбраживателе, обеспечиваемый
подачей части общего расхода сточных вод с температурой 13—18° С.
Учитывая, что продолжительность пребывания активного ила
в аэробном^сбраживателе находится в пределах 4—12 суток, работа
по данной схеме является более надежной в зимнее время года,
чем по схемам (б) и (в).
Таким образом, минимальный надзор со стороны обслуживаю-
щего персонала, простота конструкции аэрационных сооружений,
сравнительная легкость автоматизации и механизации как соору-
жений, так и связанных с ними коммуникаций, а также отсутствие
неприятного запаха и улучшенные водоотдающие свойства аэробно-
сброженных осадков действующих очистных станций выгодно от-
личают этот метод от анаэробного с применением метантенков. На
фоне компактных очистных установок с аэробным сбраживанием
осадка очень немногочисленны установки с применением анаэроб-
ного сбраживания. Примером таких сооружений является установка
«Спенсер» (США)—«Шпенцер» (ФРГ) (рис. VI 1.2).
181
Очистная установка для биологической обработки бытовых
сточных вод — «Шпенцер» (Spencer) разработана в США корпора-
цией AVCO (Corporation Incoming Division Williamsport) и впервые
испытана в Вильясбурге (Пенсильвания). В ФРГ этими установ-
ками занимается эмшерское объединение «Emschergenossenschaft».
Установки выпускаются трех видов и обслуживаются 4—14 чело-
веками. Поставляются они в виде готового к монтажу комплекта.
Рис. VII.2. Малая очистная установка
с анаэробной обработкой осадка
(США —ФРГ)
Установку закапывают в землю
так, чтобы верхний край резер-
вуара был на 1 м ниже поверх-
ности грунта. При использова-
нии этой установки сточная
жидкость последовательно про-
ходит через анаэробную, фа-
культативную и аэробную зоны
биологической обработки. Под-
веденная к установке сточная
вода через входную камеру А
выдавливается в нижнюю зону,
где подвергается анаэробному
сбраживанию. Затем через фа-
культативную зону вода подни-
мается по подъемной шахте В
в аэробную зону. После аэроб-
во вторичный отстойник
сооружения. Смесительное
ной обработки вода поступает
С и затем отводится за пределы
устройство является одновременно
механическим аэратором импеллерного типа и перемешивающим
устройством для анаэробной зоны. Аэратор вращается на верти-
кальном валу со скоростью 1700 об/мин. Основные параметры этих
установок приведены в табл. VII.1.
Т а б л и ц а VII.1
Число обслу- живаемых людей Емкость в л Вес в кг Размер (ширина X глубину X X высоту) в мм Мощность электродви- гателя в кет
4—6 3000 850 1700 X 1200 X 1800 0,18
7—9 4800 1100 2000 X 1500 X 1800 0,18
10—14 7200 1350 2400 X 1600 X 2100 0,25
Объем установки определен из расчета, что водоотведение со-
ставляет 100 л/сутки, БПКполп = 54 г, количество осадка после
анаэробного сбраживания — 0,3 л/сутки на одного человека. При
общем объеме установки 600 л/сутки на одного человека время пре-
бывания сточной жидкости составляет шесть дней, что обеспечивает
снижение БПК на 80—82%. При объеме анаэробной зоны 350 л
на одного человека время ее наполнения составляет 350 : 0,3 =
182
== 1170 дней, или 3 года. Следовательно, очистку камеры следует
проводить лишь один раз в три года, что упрощает ее эксплуатацию.
Расходы на строительство установки, рассчитанной на восемь
жителей, составляют примерно 625 немец, марок ФРГ (160,75 руб.)
на одного человека, на 12 жителей — 500 немец, марок ФРГ
(128,6 руб.). Максимальные эксплуатационные расходы, склады-
вающиеся в основном из затрат на электроэнергию из расчета
25 вт на одного человека в сутки, великн по сравнению с затра-
тами на эксплуатацию крупных станций аэрации, однако они не-
значительны по сравнению с общими затратами электроэнергии
на электрификацию домашних приборов, которые составляют
650 вт в сутки.
2, Расчет высокопроизводительных аэротенков
с отдельной минерализацией активного ила
Определение размеров аэротенка. Требуемый объем зоны аэра-
ции определяют исходя из необходимой продолжительности пребы-
вания сточной жидкости, считая по среднечасовому притоку (коэф-
фициент часовой неравномерности^ 1,25) или по среднечасовому
расходу в часы максимального притока (коэффициент часовой не-
равномерности > 1,25). Учитывая, что высокопроизводительные
аэротенки, как правило, работают в режиме полного смешения,
с учетом уравнения (VII. 14), можно записать:
= = Lo^Lt (V[ 1.2)
Ri f(alt Lt, T)
где it — период аэрации в ч;
7?! — скорость окисления загрязнений -в мг/л-ч;
at — доза активного ила по сухому веществу в г/л;
Т — температура жидкой среды в °C.
Результаты исследований высокопроизводительных аэротенков,
проведенных кафедрой канализации МИСИ им. В. В. Куйбышева,
показали, что прий! = const R i = f (Ц), при этом п > 1, а при
Lt — const Ri = f (am), где m< 1. Для городских и близких
к ним по скоростям биохимического окисления производственных
сточных вод можно записать следующие расчетные зависимости:
(VI 1.3)
или
Ri — Во “Ь arh Lt,
где Ro — минимальная скорость окисления загрязнений, равная
16 мг/л-ч;
— константа скорости окисления, равная при температуре
18° С 0,75;
тип — величины порядков биохимических реакций, равные со-
ответственно 0,75 и 1,25;
т)! — зольность активного ила в долях единицы;
— доза активного ила по беззольному веществу в г/л.
183
Тогда формула для определения расчетного времени аэрации
примет окончательный вид:
^-о — Li
tr =---------------------------------------------- .(VII .4)
16 + 0,75 pi (1—иг)]0,75 Lt125 16 + 0,75а°;75 Z.J-25
Скорости биохимического окисления загрязнений при рабочих
дозах активного ила 0,5—8 г/л и различной степени очистки по
БПКполн, определенные по формуле (VII.4), представлены
в табл. VII.2.
Замечено, что повышение рабочей дозы ила хотя и ускоряет
процесс окисления загрязнений, но приводит к замедлению при-
роста активной биомассы. Это объясняется тем, что обмен веществ
у микроорганизмов протекает достаточно интенсивно, тогда как
приток к ним питательных веществ и отток от них продуктов обмена
осуществляются главным образом за счет микротурбулентной диф-
фузии — процесса, более медленного. Понятно, что при значитель-
ной плотности бактериальных клеток в окружающих их микрозонах
создаются недостаток питательных веществ и повышенная кон-
центрация продуктов обмена. При этом, как видно из табл. VII.2,
увеличение дозы ила, например, с 1 до 3 г/л (при БПК2о очищенной
сточной жидкости, равной 15 мг/л) вызывает увеличение скорости
окисления (или сокращение периода аэрации) не в 3 раза, как это
принимается обычно, а в 1,9 раза.
Коэффициент /ет, учитывающий среднюю температуру очищае-
мой сточной жидкости, полученный в результате обработки данных
отечественных и зарубежных исследований, находят из следующих
выражений:
для Т +Z18° С
для 18е С
fe18° .
0,00287'+0,04 ’
^18°
0,0047'+0,03 ’
(VII.5)
при этом = 0,09.
Для удобства проведения расчетов необходимого времени аэра-
ции авторами разработана номограмма в обычной координатной
сетке (рис. VII.3). Данные, полученные в результате пользования
номограммой, соответствуют температуре сточной жидкости, рав
ной 18° С. При необходимости выполнения расчетов аэрационного
отделения на другую среднюю температуру сточной жидкости время
аэрации tx, полученное по формуле (VII.4), табл. VII.2 или номо-
грамме (см. рис. VII.3), должно быть умножено на температурный
коэффициент /гт.
184
Таблица VII.2
Рабочая доза ила в аэротенке г/л БПКго очищенной сточной жидкости Lt , мг/л
10 12,5 15 17,5 20 25 30 40 50 60 75
0,5 0,75 24 26,53 30,03 29,28 32,12 35,23 41,7 47,57 61 76,75 91,6 111
26,7 29,35 31,75 34,05 36,3 38,13 40,6 42,7 44,16 46,5 48,3 г. о 33,73 37,5 41,65 49,5 58,15 76 97,0 116,8 148,7
33,б’ 36,36 38,15 42,85 48,05 57,85 68,6 91 118,5 142 182
1,25 1,5 1,75 42,7 47,7 53,85 65,4 78,15 104,5 135,5 164,6 211,7
39,65 42,7 45,5 48,3 51,1 53,6 56 45,9 52,3 59,3 72,6 87,1 117,13 152,6 184 240
49,7 56,6 64,75 79,75 96 130 170 207,5 277,5
53,2 61,15 69,85 86,4 104,4 142 186,25 227,6 194,5
2,25 2,5 2,75 56,75 65,4 75 93,15 112,8 154 202,4 247,8 321
60,3 69,7 80,15 99,8 121,3 166 218,6 268 348
63,4 73,5 84,7 105,5 128,6 176,5 232,7 285,7 371
66,5 77,3 89,2 111,6 136 187 249,1 303,3 394
3,25 3,5 3,75 58,5 60,6 63,4 65,7 68 69,6 81 93,6 117,4 143,3 197,5 261 321 418
72,25 84,3 97,4 122,4 149,7 206,5 273,2 336 438
52,1 53,8 55,6 57,4 58,9 60,8 62,4 64,2 66 67,3 68,75 70 5 75,75 88,5 102,16 129,2 158,1 218,5 289,6 356,2 464
78,6 91 106,75 134,5 164,8 228 302,6 373 485
4,25 4,5 4,75 81,6 95,5 110,9 140 171,8 238 318,6 389 508
70,4 72,3 74,8 77 84,6 99,3 115,35 145,8 179,3 248,5 334,6 407 530
87,5 90,2 101,3 106 118,8 123,5 150,5 156,4 185 192,4 257 267 341 355,3 421 438 548 572
5,25 5,5 5,75 6 92,85 109,25 127,13 161,4 198,5 276 367,3 443,5
79,3 81,6 83,4 96 ИЗ 131,7 167,2 206 285,5 381 471 616
98,8 101,1 116,5 119,2 135,8 139,2 172,7 176,8 212,7 218,4 296,7 304 395 405 488 499,5 637 653
6,25 6,5 6,75 85,3 103,5 122,25 142,6 181,4 223,8 312 416 513,5 681
87,7 106,5 125,6 147 187 231 322 430 531 693
72,3 73,8 75,8 77,2 78,5 90 109,5 129,3 151,3 193 238 332 443 548 716
91,9 111,75 132,25 154,7 197,3 243,5 340,5 453,5 561 733
7,25 7,5 7,75 8 93,75 114,2 135 158,5 201,7 249,5 348,5 466 574 752
96 117 138,5 161,5 208 256,5 358,7 478,5 591 //з
98,2 119,7 141,8 176,5 212,4 262,4 367 490 608 793
80 100 122 144,5 179,5 216,5 268 375 501 619 811
Иногда в практических расчетах при определении необходимого
времени аэрации бывает удобно пользоваться величиной необходи-
мой степени или эффектом очистки, выраженной в процентах.
Различают относительную и абсолютную Э2 степени очистки,
которые определяются из следующих выражений:
Эх = —100%; (VI 1.6)
Lo
Э2- Lo~Lt 100%. (VIГ.7)
7о
Рис. VII.3. Номограмма для определения продолжительности аэрации
Выражение (VI 1.7) в случае полной биохимической очистки
можно записать
100о/о, (VII.8)
Lo
где L't — БПКполн выходящей сточной жидкости при полной био-
химической очистке, принимаемое равным 20 мг/л.
Разделив выражение (VII.7) на выражение (VI 1.8), получим
Эя = ^- = -Ь°~^г 100%= 100%. (VII.9)
Э\ Lo~Lt £0—20
Величина Э3 показывает отклонение данного режима от режима
полной биохимической очистки, выраженное в процентах, и яв-
ляется эффектом ее глубины; = f (Lt), Э2 = f (Lt) и Эя = f (Lt)
186
имеют вид наклонных прямых, при этом зависимость Эх = f (Lt)
носит убывающий, а две другие зависимости — возрастающий
характер. При L,, = 100 мг/л точкой пересечения линий Эх и
Э2 является точка с координатами 50% и 50 мг’л, а точкой пересе-
чения линий Эх и Э3 является точка с координатами 55,5% и
55,5 мг/л, причем эффект глубины биохимической очистки Э3 в от-
личие от величин Эх и Э2 может превышать 100% при Lt < 20 мг/л
и равняться 100% при L( = 20 мг/л.
С учетом выражений (VII.6), (VII.7) и (VII.9) зависимость
(VII.4) для определения необходимого времени аэрации принимает
следующий вид:
16 + 0,75а”;75
(VII.10)
, 100%
16 + 0,75а”;75 ( %-
Э2 \1,25 ’
100% J
(VII.11)
___________(Гр—20) Э3____________
16 + 0,75а”;75 [%-33 (Го —20)]1 ’25 ‘
(VII.12)
Определение размеров вторичного отстойника. Расчет вторич-
ных отстойников ведется по максимальному часовому расходу по-
ступающих сточных вод. Технологический режим вторичных от-
стойников существенно отличается от режима работы первичных
отстойников как природой и концентрацией осаждаемых взвешен-
ных веществ, так и гидродинамическими параметрами, и в первую
очередь наличием циркуляционной системы активного ила. Как
показал отечественный опыт применения компактных очистных
установок, вторичные отстойники с вертикальным движением сточ-
ной жидкости, рассчитанные на 1,5—2-часовое отстаивание без
учета конкретных технологических параметров, могут оказаться
полностью неработоспособными или работать значительно ниже
своих возможностей. На основании исследований режимов работы
вторичных отстойников после высокопроизводительных аэротенков
можно записать следующие соотношения:
.0,55
% = 0,36^ ^ + 1,25 (VII. 13)
или, в пересчете на беззольное вещество активного ила при т)1=0,2,
г-0,55
т, = 0,45%,. —-------Ь 1,25,
Ь'-12
(VII.14)
187
где ту— необходимое время отстаивания в ч;
Q-i и аП1—рабочая доза ила в смеси соответственно по сухому и
беззольному веществу в г/л;
— иловый индекс в сл3/г;
Ьх —вынос взвешенных веществ в мг!л.
Для удобства проведения практических расчетов по формуле
(VII.14) авторами составлена номограмма (рис. VII.4).
Иловый индекс является одной из основных характеристик
активного ила, которой широко пользуются при эксплуатации
очистных сооружений. Считается, что в обычных аэротенках иловый
индекс составляет 50—90 сл3/г; такой показатель соответствует
высокой степени очистки и хорошему отстаиванию во вторичных
отстойниках. В микрофлоре «вспухшего» ила преобладают нитчатые
формы бактерий. Такой ил, как известно, плохо оседает во вторич-
ных отстойниках, ухудшая качество очищаемой сточной жидкости.
Периодическое увеличение илового индекса (вспухание ила) может
происходить в результате ухудшения кислородного режима соору-
жения, колебаний активной реакции pH сточной жидкости, нали-
188
чия отдельных промышленных добавок в общем стоке. Устойчивое
повышение илового индекса, как правило, вызывается двумя основ-
ными факторами — нагрузкой на активный ил по загрязнениям и
температурой водной среды.
Учитывая, что вторичные отстойники могут быть использованы
в аэрационных системах практически любых модификаций, пред-
ставляет интерес выяснение закономерностей изменения илового
индекса во всем диапазоне нагрузок на ил (рис. VI 1.5).
'0. kOO 800 1200 1600 2000
Рис. VII.6. Зависимость ра-
бочей дозы активного ила
«-И в аэротенке от коэф-
фициента циркуляции Г\
1 — при 1=50 см^г-, 2 — при t =
= 100 см3/г; 3 — при i=150 см3/г;
4 — при 1=200 см3!г-, 5 — при
1=250 см3]г
Рис. VII.5. Зависимость величины
илового индекса от нагрузок на
активный ил
I — зона низких значений; II — зона
вспухания; III — зона постепенного
увеличения; О — данные АКХ им.
К. Д. Памфилова; ф — данные
М. Стюарта; Э — данные МИСИ
им. В. В. Куйбышсва-
Как видно из приведенных графиков, кривая изменения илового
индекса i от нагрузки 7?а имеет три четко выраженные зоны: зону
низких значений илового индекса (диапазон нагрузок от 25 до
600 мг!г-сутки}, зону вспухания ила (диапазон нагрузок от 600
до 1250 мг!г-сутки) и зону постепенного увеличения илового ин-
декса (диапазон нагрузок от 1250 до 4000 мг!г -сутки). Математи-
ческая обработка экспериментальных данных, представленных на
рис. VI 1.5, дает следующую зависимость:
(VII.15)
Следует указать, что данная формула применима при средней
температуре очищаемой сточной жидкости 16—18° С. При отклоне-
нии расчетной температуры от указанного предела погрешность
при пользовании формулой (VII. 15) заметно возрастает. Основные
значения илового индекса при различных нагрузках на активный
ил представлены в табл. VII.3.
189
Таблица V11.3
№ п.п. Ла, мг/г ила в сут- ки 1, см3 /г № п.п. /?а, мг/г ила в сут- ки 1, см3 ]г № п.п. Ла, мг/г ила в сут- ки 1, см3/г
1 50 36,3 9 250 44,8 17 1000 188,2
2 75 37,2 10 300 47,3 18 1250 109,3
3 100 38,2 11 400 52,8 19 1500 102,6
4 125 39 12 500 59,6 20 2000 168,4
5 150 40,1 13 600 92,9 21 2500 212,8
6 175 41,3 14 700 154,5 22 3000 258,9
7 200 42,6 15 800 427,6 23 3500 298
8 225 43,7 16 900 268 24 4000 351,2
Концентрация активного ила в иловой смеси зависит от цирку-
ляционного расхода ила, но является нестабильной величиной в на-
турных условиях колебания расхода и состава сточных вод, особен-
но значительных на малых очистных станциях. Если пренебречь
колебаниями состава и притока сточных вод, влиянием гидробио-
логических и гидродинамических факторов, то получим известную
зависимость
/%4^а„ г,\
а = (0,84-0,85), (VII.16)
\ 1 -Е fi /
где Ьо — содержание взвешенных веществ в поступающей сточной
жидкости в г/л;
аИ1 — концентрация возвратного ила в г/л;
г4 — коэффициент циркуляции в долях единицы.
Исследования, проведенные авторами, показали, что формула
(VI 1.16) дает удовлетворительные результаты при объеме возврат-
ного ила не более 100 % среднечасового притока, сточных вод. При
количестве возвратного ила более 100% исчисления поданной фор-
муле приводят к результатам, не соответствующим натурным,
причем несоответствие тем более, чем выше коэффициент циркуляции
Г],. Это объясняется тем, что при увеличении циркуляционного рас-
хода активного ила происходит его взмучивание во вторичных
отстойниках, и концентрация возвратного ила начинает снижать-
ся по зависимости ая = f (rj. Уточненная формула, учитывающая
зависимость концентрации возвратного ила от коэффициента
циркуляции гг и илового индекса ix, имеет следующий вид:
2-Ю3 \«~|
14-50 / ]
(0,84- 0,85)
(VII.17)
где а =0,9—0,051gгу.
Зависимость содержания активного ила в смеси от циркуля-
ционного расхода активного ила представлена на рис. VII.6. Из
приводимого графиков видно, что увеличение возврата ила более
190
200% для дальнейшего увеличения рабочей дозы ила в смеси ли-
шено практического смысла. Более того, чрезмерное увеличение
циркуляционного расхода активного ила ухудшает работу отстой-
ной зоны, вызывает взмучивание ила и увеличивает его вынос из
системы.
Определение размеров аэробного сбраживателя (минерализа-
тора активного ила). Избыточный активный ил очистных установок,
работающих в режиме высокопроизво-
дительных аэротенков, отбирается как
часть циркуляционного расхода (посто-
янно или периодически) и направляет-
ся на обработку в аэробный сбражива-
тель. Успех аэробного сбраживания
активных илов зависит от характера
обрабатываемых сточных вод, нагрузки
на ил в аэротенках и температурных
условий. Это объясняет резкую разни-
цу в скоростях аэробного сбраживания
активных илов различных промышлен-
ных установок (рис. VI 1.7). Из при-
веденных графиков следует, что илы
бытовых сточных вод (кривые 2, 5)
теряют около 40% органических ве-
ществ при аэрации в течение пяти —
семи дней (в среднем шести дней). Илы
производственных сточных вод минера-
лизуются на 30—40% в течение боль-
шего времени (от шести до десяти дней).
Расчет аэробного сбраживателя должен производиться по
формуле
Время аэрации Всдткак
Рис. VII.7. Окисление
активных илов, образую-
щихся при очистке раз-
личных сточных вод
1 — от производства бума-
ги; 2 — бытовых (США);
3 — от фармацевтических
производств (США); 4 —
смеси бытовых и производ-
ственных (Венгрия); 5 и 6 —
бытовых (Венгрия)
йн
V2=t2qi^,
(VII.18)
где V2 — объем аэробного сбраживателя в м3;
t2 — период аэробного сбраживания, принимаемый в зависи-
мости от вида сточных вод равным 5—10 суткам;
qt — расход избыточного активного ила из аэротенков в
м/сутки-,
аИ1 — концентрация удаляемого (возвратного) активного ила
по сухому веществу в г/л или кг/ж3;
а2 — рабочая доза ила в аэробном сбраживателе в г/л или
кг!м3, обычно принимаемая равной 10—12.
Концентрация удаляемого активного ила равна концентрации
возвратного ила и определяется в соответствии с формулой (VII. 17)
из следующего выражения:
®И1
/ 2- 103 \0,9-0,05 Ig г,
\ 1'1 + 50 /
(VII.19)
191
Из формулы (VII.18) видно, что чем выше рабочая доза ила
а2 в аэробном сбраживателе, тем меньше его объем. Поэтому,
а также для обеспечения непрерывности технологического процесса
минерализаторы обычно устраивают с илоуплотнителями.
Расход избыточного активного ила может быть определен по
формуле
= А ЮОО, (VII.20)
%
гдсР1 — прирост активного ила по сухому веществу в т/сутки.
Прирост активного ила зависит от многих факторов, среди
которых главными являются характер очищаемых сточных вод,
технологический режим аэротенка, а также содержание взвешен-
ных и растворенных (преимущественно органических) примесей.
Существует множество различных формул для определения при-
роста активного ила, носящих, как правило, частный характер.
Известны органические соединения, которые могут с успехом био-
химически окисляться даже в концентрациях 300 -мг/л и более
(диметиламин), но при этом не только не давать прироста биомассы,
а напротив, угнетать функции деления — размножения активных
микроорганизмов. Прирост активного ила колеблется в течение
года, уменьшаясь в летние месяцы. Поэтому точные теоретические
рецепты по определению прироста активного ила в промышленных
условиях сегодня отсутствуют. При решении конкретной задачи
необходимо пользоваться данными по приросту ила, взятыми из
экспериментальных или промышленных аналогов проектируемой
очистной установки. При отсутствии таких данных можно восполь-
зоваться следующей формулой:
. (VII.21)
где — скорость окисления загрязнений в аэротенке в мг!л-ч
или а/л13-ч, принимаемая по формуле (VI 1.3);
аЛ1 — рабочая доза ила в аэротенке по беззольному веществу
в г!л\
Vj — полезный объем аэротенка в м3;
— коэффициент прироста активного ила, принимаемый
для высокопроизводительных аэротенков в пределах
1,25—1,75 (в среднем 1,5).
Определение размеров уплотнителей минерализованного ила.
Перед тем как минерализованный ил отвести на иловые площадки,
его направляют в илоуплотнители, объем которых рассчитывается
на отстаивание в течение 12—16 ч, считая по расходу избыточного
активного ила. В процессе плоуплотнения с отстоенной иловой
водой уходит значительное количество взвешенных веществ, как
правило, 40—80.мг/л (в среднем бОжг/л), кроме того, возможно нали-
192
чие всплывающей биокорки или жировых включений. Учитывая
это, иловую воду целесообразно отводить в аэротенк на повторную
доочистку или сбрасывать вместе с очищенной сточной жидкостью,
проверив предварительно суммарное содержание взвешенных ве-
ществ в общем очищенном стоке. И в том, и в другом случае в ило-
уплотнителе необходимо предусматривать приспособления для
задержания и удаления плавающих загрязнений.
Количество отстоенной жидкости, удаляемой в процессе ило-
уплотнения, определяется из соотношения
<72 = <71
(VII.22)
где <?2 — количество отстоенной жидкости в м3! су тки',
а2 — концентрация уплотненного минерализованного ила по
сухому веществу, принимаемая равной 15—20 г/л.
Тогда количество ила, отводимого на иловые площадки, опре-
делится следующим образом:
<72= <71 —<72, (VI 1.23)
где q2 — количество уплотненного ила в м3/су тки.
Расчет и конструкции иловых площадок для подсушки аэробно
и аэноробно сброженного осадка идентичны.
3. Технологическая оптимизация работы
аэротенков-отстойников
Увеличение рабочей дозы ила в аэротенках, как правило, обес-
печивает повышение скорости окисления органических загрязнений,
сокращая необходимое время аэрации, и поэтому представляет
собой один из наиболее вероятных путей повышения их производи-
тельности. С другой стороны, увеличение рабочей дозы ила ослож-
няет работу вторичных отстойников, вызывая увеличение выноса
взвешенных веществ, или при сохранении их выноса постоянным
требует увеличения объема вторичных отстойников, что неоднократ-
но отмечалось в исследованиях А. Г. Деминой и 3. А. Орловского.
Задача оптимизации состоит в нахождении такой рабочей дозы
активного ила, при которой объем, а следовательно, и стоимость
системы аэротенк + вторичный отстойник будут минимальными.
Определить оптимальную рабочую дозу активного ила — значит
найти экстремум (минимум) функции f (tZj) = f (tz^) = tx
(рис. VII.8), приравняв нулю ее первую производную:
f (fll) = ^l.+^i=0 (VII.24)
</<1| da ।
7 Зак. 1265
193
или
ГМ = ^+^-= 0.
dam dam
(VII.25)
Дифференцируя по аП1 уравнения (VII.4), (VII.14) и подставляя
полученные выражения в уравнение (VII.25), получим
1,25а°;25(£2'25^'-25Л0)
(16 + 0,75а°;75 L}-25)2
i°-55
0. (VI 1.26)
Рис. VII.8. Зависимость
времени пребывания t, й, t2
сточной жидкости в соору-
жении (кривые 1—5) в зо-
нах аэрации (кривые Г—
5') и отстаивания (линия
1") от рабочей дозы ила
(ар) при различных значе-
ниях начальной величины
БПКго (7-о)
1, Г и 1" — £„=100 мг/л; 2, 2’ и
1" — La = 125 мг/л; 3, 3' и —
L’o—150 мг/л', 4, 4' и 1" — =
= 175 мг/л', 5, 5' и /" — £0 =
=200 мг/л
Решения уравнения (VI 1.26), которое
является трансцендентным, получены
для полной (£г = 20 мг!л) и неполной
(Lt — 40 мг/л) биохимической очист-
ки с применением ЭВМ «Наири» (табл.
VI 1.4 и VI 1.5). Как видно из данных,
приведенных в таблицах, а также из
анализа уравнения (VI 1.26), зависи-
мость оптимальной рабочей дозы актив-
ного ила от прочих технологических
факторов подчиняется следующим об-
щим правилам:
увеличение БПКго поступающей
сточной жидкости вызывает соответ-
ствующее увеличение оптимальной ра-
бочей дозы активного ила;
при увеличенном иловом индексе
экономически выгодно работать с пони-
женной дозой активного ила;
оптимальная рабочая доза активно-
го ила при неполной биохимической
очистке ниже дозы ила, необходимой
при полной биохимической очистке;
увеличение допустимого выноса
взвешенных веществ из вторичных
отстойников обусловливает повышение
экономичной рабочей дозы активного
ила.
В табл. VII.6 приводятся варианты определения объемов ком-
пактных очистных установок в качестве примера пользования ме-
тодикой определения оптимальной рабочей дозы ила.
Как следует из таблицы, даже при низком БПК2о поступающей
сточной жидкости предлагаемый метод позволяет избежать тех-
нологически неоправданных завышений рабочего объема компакт-
ных очистных установок, неизбежных при произвольном назначе-
нии дозы активного ила.
194
Таблица VII.4
Б^^полн исходной сточной жид- кости Lo, мг!л Значения илового индекса^, гл<3/г(при Lt=20jue/л)
50 100 150 200 250
75 2,36 2,1 1,88 1,56 1,25
100 3,05 2,74 2,44 2,04 1,65
125 3,66 3,29 2,94 2,48 2,01
150 4,21 3,8 3,38 2,86 2,35
175 4,72 4,26 3,8 3,21 2,63
200 5,2 4,7 4,2 3,55 2,91
225 5,65 5,11 4,55 3,86 3,18
250 6,08 5,5 4,9 4,16 3,43
275 6,49 5,88 5,23 4,45 3,67
300 6,88 6,23 5,55 4,72 3,9
325 7,27 6,58 5,86 5 4,13
350 7,64 6,91 6,16 5,25 4,35
375 8 7,24 6,45 5,5 4,55
400 8,34 7,56 6,73 5,75 4,76
425 8,67 7,87 7 5,98 4,96
450 9 8,17 7,27 6,21 5,15
475 9,32 8,46 7,53 6,43 5,34
500 9,63 8,74 7,78 6,66 5,53
525 9,94 9,02 8,03 6,87 5,71
Т аб.7Ица__\' П.5
БП1^полн исходной сточной жид- кости Lo, мг/л Значения илового индекса iit сма/г (при L^=40 мг/л)
50 100 150 200 250
75 1,75 1,36 1,2 1,05 0,97
100 2,49 1,94 1,68 1,48 1,4
125 3,11 2,44 2,11 1,9 1,76
150 3,67 2,88 2,5 2,23 2,08
175 4,18 3,28 2,84 2,57 2,37
200 4,65 3,65 3,17 2,86 2,65
^25 5,1 4 3,48 3,15 2,91
250 5,52 4,34 3,77 3,4 3,15
275 5,92 4,66 4,05 3,66 3,39
300 6,31 4,97 4,32 3,9 3,61
325 6,69 5,26 4,58 4,14 3,84
350 7,05 5,54 4,83 4,36 4,04
375 7,39 5,82 5,07 4,58 4,24
400 7,72 6,09 5,29 4,8 4,44
425 8,06 6,36 5,53 5,01 4,63
450 8,38 6,61 5,75 5,2 4,82
475 8,69 6,86 5,97 5,4 5,08
500 9 7,1 6,18 5,61 5,18
525 9,3 7,34 6,39 5,79 5,35
у*
195
Т аблица VII.6
Время пребывания Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3
в ч при 1,5 г/л при аТ]1 = 7 г/л при аТ]1 = 3,8 г!л
По формуле (VII.4) 150—20 16+0,75.1(5°-75201-25-2’2 4 150—20 150—20 1 Я6,
16 + 0,75-7° >75 201 -25 -U’J4- 16+0,75-3,8°'75 20''25 ~ 1,oG ‘
По формуле (VII.14) 100°•55 °’45-1’6 201,12 + 1-25=1,55 ч Ю0°-55 °’45‘7 201,12+ 1-25-2,58 ч 100°.55 0,45-3,8 i-7-9 + l,25 = 2 ч 20 •12
Суммарное 2,2 +1,55 = 3,75 ч 0,84 + 2,58 = 3,42 ч 1,26 + 2 = 3,26 ч
Примечания: 1. Дозы ила для вариантов 1 и 2 выбраны произвольно.
Для варианта 3 назначена оптимальная доза активного ила в соответствии с уравнением (VII.26) и табл. VII.4.
4. Конструкция очистных установок
с отдельной минерализацией активного ила
Аэробное сбраживание активного ила применяют в компактных
установках и на очистных станциях, предназначенных для очистки
небольших количеств сточных вод, где первичное отстаивание от-
сутствует. Компактная установка выполняется в виде единого
блока, включающего комминутор или решетку, аэротенк с коротким
периодом пребывания сточных вод, вторичный отстойник и отде-
ление аэробного сбраживания избыточного активного ила с продол-
жительностью аэрации 5—12 суток.
Аэротенк и вторичный отстойник рассчитываются как. соору-
жения обычной системы. Аэробное сбраживание активного ила
в отдельном отсеке позволяет получить экономию на объеме соору-
жений и обеспечить улучшение качества очистки по взвешенным
веществам по сравнению с компактными установками «полного»
окисления. Недостатком установок «полного» окисления является
значительный вынос взвешенных веществ за счет удаления инерт-
ного, биологически неокисляемого остатка с выходящим потоком
очищенной сточной жидкости, относительно большой объем аэро-
тенка, обычно рассчитываемый на суточное пребывание сточной
жидкости.
Для малых очистных установок такие объемы оказываются оправ-
данными, так как в одном сооружении — аэротенке—осуществляет-
ся как очистка сточных вод, так и аэробная обработка осадка —
активного ила. Однако для очистки больших количеств сточ-
ной жидкости такие установки получаются громоздкими и требуют
большого расхода металла и других материалов, что определяет
целесообразность выделения аэробной обработки осадка в отдель-
ном отсеке. Компактные установки с аэробным сбраживанием актив-
ного ила выполняются заводским способом и поставляются заказ-
чикам отдельными узлами, требующими только сборки на месте
строительства.
Такие установки часто устраиваются круглой в плане формы
в виде двух концентрических резервуаров. Наружный кольцевой
резервуар разделяется на ряд отсеков, соответствующих зонам
аэрации, регенерации, аэробного сбраживания и обеззараживания.
Английская фирма «Зеролит Лимитед Компани» разработала
14 типоразмеров таких установок производительностью 18,8—
3635 м3 icy тки с продолжительностью аэрации избыточного актив-
ного ила в течение 7,5—10 суток (рис. VII.9). Основные параметры
и типоразмеры данных установок, рассчитанных на очистку сточ-
ных вод от жилых поселков с эквивалентным населением 70—
14 000 человек, приводятся в табл. VII.7.
На основе учета опыта эксплуатации 28 очистных сооружений,
работающих в одном сельском округе Англии и обслуживающих
от 32 до 1900 человек, рекомендуется использовать бригаду с авто-
машиной, которая регулярно бывает на каждой очистной установке.
197
При этом выполняются упрощенные анализы поступающих и очи-
щенных сточных вод и только в случае неудовлетворительной
работы очистных сооружений — полные санитарно-химические ана-
лизы. Для обезвоживания минерализованного осадка используют-
ся вакуум-фильтры, смонтированные на грузовике.
Рис. VII.9. Компактная очистная уста-
новка (Англия)
а — общий вид; б — схематичный план;
/ — сточная жидкость; 2 — решетка или
коммииутор; 3—смесь активного ила и
сточной жидкости; 4 — зона аэрации; 5 —-
возвратный активный ил; 6 — зона реге-
нерации- 7 —эрлифт активного ила;
8 — отстойник; 9 — избыточный активный
ил; 10 — аэробный сбраживатель; 11 —
аэробно сброженный активный ил; 12 —
встроенный вертикальный отстойник; 13 —
очищенная жидкость; 14 — зона обезза-
раживания
С 1960 г. в Швеции при очистке сточных вод небольших населен-
ных пунктов стали применять аэробное сбраживание избыточного
активного ила в отдельном сооружении. Для этого используются
круглые в плане установки, носящие название «Аддиджест», в це-
лом аналогичные установкам английской фирмы «Зеролит Лимитед
198
Показатель
2 ,75 3 5,25 6,25
Эквивалентное количество жителей (человек) .... 70 140 280 420
БПК5 в кг! су тки 3,8 7,7 15,4 23
Суточный расход в м3/сутки 18,8 37,7 75 113
Максимальный часовой рас- ход в м3/ч 2,3 4,7 9,5 14
Объем зоны реаэрации в м3 6,5 10,5 22 34
Период реаэрации в ч . . . 8,28 6,62 6,45 7,42
Объем зоны контактной аэ- рации В Л18 3,3 5 11 17
Продолжительность контакт- ной аэрации в ч 2,06 1,61 1,67 1,84
Объем минерализатора в м3 5,6 10,5 22 33
Продолжительность минера- лизации в сутках .... 10 9,3 8,9 9,7
Продолжительность отстаи- вания по среднечасовому расходу в ч 3,15 4,47 4,8 4,46
Натру зка в м31сутки на 1 ж2 зеркала отстойника . . . 16,6 16,6 16,9 18
Таблица VII.7
Диаметр “резервуара в м
8 9 10 11,5 13 14,75 16 18,25 20,75 29
700 1000 1400 2100 2800 3500 4200 5600 7000 14000
38 54 77 115 154 193 230 308 380 770
188 263 377 568 750 954 ИЗО 1500 1880 3635
19,5 27,5 39,5 47 63,5 78,5 95,5 127 159 305
56 78 96 144 192 241 291 371 480 960
7,07 6,94 6,07 6,36 6,07 6,07 6,4 5,83 6 6
28 39 48 72 96 120 144 186 240 480
1,75 1,76 1,52 1,56 1,52 1,53 1,56 1,47 1,5 1,5
56 60 85 127 170 213 256 340 425 850
9,9 7,6 7,5 7,5 7,6 7,5 7,8 7,5 7,6 7,8
4,63 4,35 3,48 3,76 3,72 3,69 3,57 3,5 3,46 2,7
18,9 19,4 24 25,3 25,7 25,3 25,5 25,2 25,4 30,8
Компани», описанные выше. Как правило, аэробно сброженный ак-
тивный ил обезвоживается на открытых иловых площадках; не-
сколько станций применяют для обезвоживания вакуум-фильтры.
Очистные установки без первичного отстаивания сточной жид-
кости с аэробным сбраживанием активного ила устраиваются также
прямоугольной в плане формы. Например, очистная установка
акционерного общества «Суомен Сокери» в Финляндии производи-
тельностью 600—650 м^сутки обрабатывает бытовые сточные
воды сахарного завода и прилегающего поселка. В состав соору-
жений входят: комминутор, два аэротенка-отстойника типа «Рапид-
блок» и аэробные сбраживатели для избыточного активного ила
с 7-суточной продолжительностью аэрации.
Установка типа «Рапид-блок» (вариант из металла, рис. VII. 10)
построена в СССР для очистки сточных вод одного санатория, рас-
положенного в Московской области. В настоящее время силами АКХ
им. К- Д- Памфилова и Мосводоканалниипроекта проводятся произ-
водственные испытания этой установки.
Аэробное сбраживание избыточного активного ила применяется
также на станциях с первичным отстаиванием сточных вод. В этом
случае, как, например, на построенной в 1967 г. очистной станции
в г. Хертониеми (Финляндия), осадок из первичных отстойников
сбраживается в метантенках в мезофильных условиях, а избыточный
активный ил отдельно обрабатывается по методу аэробного сбражи-
вания. Производительность -указанной станции 32 000 сутки,
период аэробного сбраживания составляет 7 суток. На очистной
станции в г. Таммисаари (Финляндия) с первичными отстойника-
ми и аэротенками-отстойниками типа «Рапид-блок» весь осадок
и избыточный активный ил предполагается подвергать аэробной
стабилизации в течение семи суток.
На рис. VII. 11 представлены варианты технологических компо-
новок высокопроизводительных аэротенков с аэробным сбражива-
нием активного ила, предложенные кафедрой канализации МИСИ
им. В. В. Куйбышева. Принцип действия установок следующий.
Сточная жидкость 1 поступает в аэротенк 2 с механическим аэра-
тором 3, затем через защищенный перелив 4 и отделение дегазации
5 иловая смесь направляется в отстойную зону 6. Возврат актив-
ного ила в зону аэрации осуществляется по циркуляционному трубо-
проводу 7, а очищенная сточная жидкость 8 отводится за пределы
сооружения. Избыточный активный ил направляется в аэробный
сбраживатель 9, а оттуда после уплотнения в отстойной зоне 10
по трубопроводу 11 сбрасывается на иловые площадки. Данные
сооружения конструируются таким образом, чтобы в случае выхода
из строя аэротенка аэробный сбраживатель мог бы временно
использоваться для очистки сточных вод, для чего в технологиче-
ской камере 12 предусмотрена соответствующая арматура. Основ-
ные типоразмеры очистных установок предлагаемой конструкции
на унифицированные расходы городских сточных вод 700 —
10 000 мРсутки представлены в табл. VII.8.
?оо
Гипрокоммунводоканал в содружестве с МИСИ им. В. В. Куй-
бышева и АКХ им. К- Д- Памфилова разработал проект компактной
очистной установки, выполненной из металла (рис. VII.12). Проек-
Рис. VII.11. Варианты очистных установок с аэробным сбраживанием актив-
ного ила (кафедра канализации МИСИ им. В. В. Куйбышева)
том предусматриваются возможность заводского изготовления дан-
ной установки и доставка ее на место в виде укрупненных транс-
портабельных элементов. Такая установка размером в плане
202
Таблица VII.8
Расход СТОЧНЫХ вод в м9/сутки Общий коэффи- циент не- равномер- ности Ма кси- мальный часовой расход в м9/ч Размеры элементов устано- вок в м Количе- ство вок
А В нг
700 2,1 63 6 5 3,5 4,5 2
1400 1,9 111 6 5 3,5 4,5 3
2700 1,7 191 9 7,5 4.5 7 3
4200 1,65 289 9 7,5 4,5 7 3—4
7000 1,6 476 9 7,5 4,5 7 4
10 000 1,55 646 9 7.5 4,5 7 6—8
6 X 14 jh рассчитана на полную биохимическую очистку сточных
вод в количестве:
Одна секция ........................... 200 мР/сутки
Две секции ............................ 400 »
Три » 700 »
Аэротенки конструкции МИСИ им. В. В. Куйбышева по проек-
там Союзводоканалпроекта, Гипрокоммунводоканала, ЦНИИЭП
инженерного оборудования, Мосводоканалниипроекта, Гипромол-
прома в настоящее время успешно эксплуатируются или нахо-
дятся в стадии пуска в г. Куйбышеве Новосибирской области,
в г. Мичуринске Тамбовской области, в г. Сальске Ростовской
области, в г. Судже Курской области, в поселках Лопасня и
Морозки Московской области и на других объектах. Кроме того,
аэротенк указанной конструкции, разработанный Мосводоканал-
ниипроектом, построен в Афганистане.
В 1962 г. в США начато серийное производство подобных очист-
ных установок производительностью 450 мЧсутки, имеющих
аэробный сбраживатель, рассчитанный на 5-суточный период аэра-
ции. Такие сооружения, как показывают подсчеты, сделанные Фран-
цузским обществом по очистке питьевых и сточных вод, позволяют
очистить в 2—3 раза больше жидкости по сравнению с сооружения-
ми, работающими на «полное» окисление. Избыточный активный ил
на очистной станции в штате Огайо, принимающей 19 000 мЧсутки
сточных вод, аэрируется в течение 12 суток.
По данным зарубежной литературы, аэробные сбраживатели
не требуют подобно метантенкам подогрева и не нуждаются в спе-
циальных устройствах для защиты от действия отрицательных тем-
ператур. На очистной станции «Эстес Парк» (США) производитель-
ностью около 5700 мЧсутки аэротенки, регенераторы и отстойники
расположены в закрытом помещении, в то время как аэробные сбра-
живатели и контактные резервуары — на открытом воздухе.
203
5
6000
s
Рис. VII.12. Очи-
стная установка
заводского изго-
товления, разрабо-
танная Гипро-
коммунводока-
налом
/ — зона аэрации:
II — зона отстаива-
ния; III — зона аэ-
робного сбражива-
ния; / — аэротенк;
2 —> вторичный от-
стойник; 3 — аэроб-
ный сбраживатель;
4 — илоуплотнитель;
5 — механические
аэраторы; 6 — ста-
билизаторы потока:
7 — циркуляционный
илопровод; 8 — по-
дающий трубопро-
вод; 9 — трубопро-
вод очищенных сточ-
ных вод; 10 — тру-
бопроводы опорож-
нения установки;
11 — трубопроводы
для выгрузки мине-
рализованного ила;
12 — задвижка; 13 —
сборный лоток
На некоторых очистных станциях аэробной стабилизации под-
вергается смесь осадка из первичных отстойников и избыточного
активного ила. В г. Елктон (США) на станции, очищающей сточные
воды от производства витаминов В1г В2, В12, антибиотиков и т. д.,
аэробному сбраживанию подвергается 300 .и3 смеси активного
ила и осадка из первичных отстойников в сутки со средним содер-
жанием сухого вещества 1,3%. Аэрация осуществляется в трех
последовательных резервуарах, оборудованных турбинными аэра-
торами, в течение трех суток. Расход воздуха, подаваемого в каж-
дый резервуар, составляет 5,6—11,2 м3/мин. Аэробно сброженная
смесь цистернами вывозится на поля и используется в качестве
удобрения. За 10 лет эксплуатации такой системы деградации
почвы полей не наблюдается. При увеличении производительности
очистной станции аэробно сброженную смесь предполагается под-
вергать уплотнению до вывоза на поля.
Опыт ФРГ по применению аэротенков с отдельной минерализа-
цией активного ила (установки «Эссенер Бекен» фирмы «Коппере»
табл. VI 1.9) также подтверждает перспективность данного метода.
Таблица VII.9
Основной показатель Концентрация в мг/л Снижение в %
на входе на выходе
бпк5 195 14 93
Перманганатная окисляемость . . . 321 60 81
Общий азот 44,25 24,6 44
Фосфаты 16,34 10,18 38
Кроме того, получены следующие показатели.
Прозрачность по Снеллену:
зимой ....................................... 14 см
летом........................................ 20 »
Доза активного ила............................. 4,62 г/л
Минерализованность ила........................... 43 %
Основные расчетные параметры установок «Эссенер Бекен»
представлены в табл. VII. 10.
Несмотря на практическое применение метода аэробного сбра-
живания осадков сточных вод, в зарубежной и отечественной ли-
тературе имеется ограниченная и в некоторой части противоречи-
вая информация в отношении ряда принципиальных вопросов,
в частности, необходимой продолжительности аэрации, расхода
воздуха, влажности осадка и т. п., что вызывает необходимость
дальнейших исследований.
205
206
Исходные параметры Пара метры зоны аэрации
расчетное население (человек) диаметр установки в м расход сточных вод в ма/ч объем зоны аэрации в продолжи- тельность аэрации в ч
1000 9,94 14,6—62,5 100
1500 11,56 21,9—93,75 150
2000 12,74 29,2—125 200 1,6—6,85
2500 13,82 36,5—156,25 250
3000 14,78 43,8—187,5 300
3500 15,66 51,1—218,75 350
Таблица VII. 10
Параметры зоны отстаивания
объем зоны отстаивания в м3 площадь зоны отстаивания в плане в м2 продолжи ’ тельность отстаивания в ч скорость восхо- дящего потока в м/ч
50 52,39 0,29—1,19
75 70,24 0,31—1,34
100 80,82 0,8—3,43 0,36—1,55
125 94,17 0,39—1,66
150 106,89 0,41—1,75
175 120,34 0,43—1,82
5. Расчет аэротенков продленной аэрации
Аэротенки продленной аэрации получили широкое распростра-
нение за рубежом и начинают применяться в отечественной прак-
тике. Технологическим недостатком режима продленной аэрации,
при котором активный ил «голодает», а хлопок его измельчается
(дефлокулируется), является высокое (обычно более 25 мг!л) содер-
жание взвешенных веществ в очищенном стоке. Это обстоятельство,
а также сравнительно небольшой отечественный опыт работы подоб-
ных сооружений пока не позволяют рекомендовать аэротенки прод-
ленной аэрации в качестве единственной ступени очистки. Более
целесообразным является применение этих сооружений в качестве
I ступени очистки перед циркуляционными окислительными кана-
лами, биологическими прудами или песчано-гравийными фильтрами
доочистки. В зарубежной литературе встречаются указания о при-
менении коагулянтов для дополнительного осветления сточных вод,
прошедших очистку на установках продленной аэрации.
Определение размеров аэротенка. Требуемый объем зоны аэра-
ции определяют исходя из необходимой продолжительности пребы-
вания сточной жидкости в аэротенках, считая по среднечасовому
притоку. Продолжительность пребывания сточной жидкости в зоне
аэрации (период аэрации) зависит от концентрации загрязнений
в поступающей и очищенной воде, скорости изъятия загрязнений
или нагрузки по БПК на 1 г беззольного вещества активного ила
в сутки и дозы ила в зоне аэрации:
j. (^-о Lt) 24__ (Lo Lf) 24 (VII 27)
аз(1—Лз) Rs ацг R3
где t3 — период аэрации в ч;
R3 — нагрузка (скорость окисления) в мг БПКполн на
1 г беззольного вещества активного ила в сутки;
а3 и — рабочая доза ила соответственно по сухому и без-
зольному веществу в г/л;
т]3 — зольность ила в долях единицы, принимаемая рав-
ной 0,3.
Формула (VII.27) справедлива при среднегодовой температуре
сточной жидкости 15° С. При иной среднегодовой температуре Т сточ-
ных вод продолжительность аэрации, вычисленная по формуле
(VII.27), должна быть умножена на отношение 15/71.
Особенностью процесса полного окисления является низкая
нагрузка на ил (7?3), которая, по данным исследований АКХ
им. К. Д. Памфилова, составляет 63—125 мг БПК20 на 1 г беззоль-
ного вещества активного ила в сутки (оптимальная нагрузка 80 мг
на 1 г ила в сутки), и, как следствие этого, линейная зависимость
необходимой продолжительности аэрации от рабочей дозы ила.
С учетом выражений для относительного и абсолютного
Эа эффектов очистки, а также эффекта полноты биохимической очист-
207
ки Э3 зависимость (VII.27) для определения необходимой продол-
жительности аэрации принимает следующий вид: -
(VII.28)
(VII.29)
(VI 1.30)
Э2
-------— 24
, __ 10ОГо
Г о --- -
t _ (£о-2О) Э324
3 «пЛз
Определение размеров вторичного отстойника. Продолжитель-
ность пребывания сточной жидкости в зоне отстаивания т3 в ч за-
висит от дозы ила по сухому веществу а3 в г/л и величины илового
индекса i3 в см3/г по формуле (считая по максимальному часовому
притоку):
\ 1 / **
Ь = -У. Z?-------- +2,2. (VII.31)
_ / „ aria Лз i° ’5
35(10»— ——
\ 1—Пз/
В данной формуле, в целом структурно схожей с формулой
(VI 1.14) для определения продолжительности пребывания сточной
жидкости во вторичных отстойниках после высокопроизводитель-
ных аэротенков, в отличие от нее отсутствует величина выноса взве-
шенных веществ. Это объясняется тем, что остаточные взвешенные
вещества после аэротенков продленной аэрации настолько легки
и мелки, что практически не оседают и после длительного отстаи-
вания в состоянии покоя.
Доза активного ила по беззольному веществу в зоне аэрации
зависит от количества возвратного ила и величины илового индекса
ат1,= -48'10----(!-+,)> (VI 1.32)
1 »з(гз+Ю0) V
где г3— процент возвратного активного ила по объему от средне-
суточного (среднечасового) количества очищаемой сточной
жидкости.
Формула (VII.32) показывает, что возврат активного ила в коли-
честве более 300% нецелесообразен, так как незначительно повы-
шает дозу ила в аэротенке.' При значении илового индекса 100 см3/г
и количестве возвратного ила 300% среднего притока доза ила
в аэрационном сооружении будет равна 7,5 г/л. С некоторым запа-
208
сом на ухудшение илового индекса рабочую дозу ила в сооружении
следует принимать равной 6 г!л по беззольному веществу.
Суточный прирост активного ила определяется по следующей
формуле:
(VII.33)
где Р3 — прирост активного ила по сухому веществу в tn.lcytn.Kir,
V3 — полезный объем аэротенка в м3;
рз — коэффициент прироста активного ила, принимаемый для
аэротенков продленной аэрации в пределах 0,3—0,6
(в среднем 0,4).
Количество избыточного ила, отводимого на иловые площадки,
определяется из соотношения
73= — 1000, (VII.34)
где qs — расход избыточного активного ила в м3/сутки;
аИз — концентрация возвратного ила в г/л, принимаемая рав-
ной 10 г/л.
При очистке бытовых сточных вод рабочая площадь илойых
площадок для подсушки избыточного активного ила из установок
полного окисления определяется из расчета 270 г поданной БПК2о
на 1 м2 иловой площадки в сутки при условии, что на одного человека
в сутки приходится 54 г БПКго по взболтанной пробе.
6. Конструкции очистных установок,
работающих в режиме продленной аэрации
Установки продленной аэраций в целом конструктивно анало-’
гичны комбинированным высокопроизводительным аэротенкам, но
отличаются от них соотношением объемов зон аэрации и отстаива-
ния, а также решением некоторых вспомогательных технологичес-
ких узлов.
Большое распространение в Западной Европе получили уста-
новки «Эссенер Бекен», разработанные фирмой «Коппере» (ФРГ).
Установки выполняются заводским способом из металла (рис. VII. 13)
или из монолитного железобетона. В табл. VII.11 приведены основ-
ные типоразмеры малых очистных установок в зависимости от
количества обслуживаемых жителей.
Интересной технологической особенностью данных установок
является использование эжектирующего действия механического
аэратора для сбора плавающих загрязнений с поверхности зоны
отстаивания и шламонакопителя для возврата их на повторную
обработку в аэротенк.
На рис. VII.14 представлена технологическая схема установки
«Эссенер Бекен», выполняемая из железобетона и предназначенная
для очистки сравнительно больших расходов сточных вод (более
209
Таблица VII.11
Расчетное количество жителей Размеры в мм Объем зоны в ж3
А ! в аэрации отстаивания
Вариант установки из металла
50 1500 2500 5 1,7
100 1750 3200 10 3,3
150 1900 3750 15 5
250 2000 4750 25 8,5
350 2250 5250 35 12
500 2500 6000 50 17
750 2700 7000 75 25
1000 3100 8000 100 50
Вариант у становки из же. иезобетона
1000 2400 10 540 101 57
1500 2680 12 260 150 86
2000 2750 13 340 201 102
2500 2900 14 420 250 126
3000 3050 15 380 303 151
3500 3200 16 260 357 179
1000 M^lcyniKu) в режиме продленной аэрации. Как видно из при-
водимой схемы, отстойная зона установки оборудуется подвижной
фермой, на которой смонтирован насос циркуляционного ила.
Всасывающий патрубок насоса имеет расширение в нижней части
для равномерного сбора выпавшего осадка.
Усредненные эксплуатационные показатели установок «Эссенер
Бекен», полученные на основании многолетних наблюдений, при-
ведены в табл. VII. 12.
Таблица VII.12
Основной показатель Концентрация в мг!л Снижение В %
на входе на выходе
БПК6 282 20 93
Перманганатная окисляемость .... 290 96 75
Общий азот 66,51 48,81 27
Фосфаты 17,73 13,09 26
Кроме того, получены следующие показатели.
Прозрачность по Снеллену:
зимой.................................... 10 см
летом.................................... 12 »
Доза активного ила........................... 4,63 г/л
Минерализованность ила....................... 32%
210
Рис. VII.13. Очистная установка «Эссенер Бекен» (вариант из металла)
/ — зона аэрации; // — зона отстаивания; / — стабилизатор потока; 2 — механический (поверхностный) аэратор; 3 и 4 — устройства для сбора
плавающих загрязнений; 5 — шламонакопитель; б — узел предварительной очистки сточных вод
Рис. VII. 14. Очистная установка «Эссенер Бекен» большой производительно-
сти
I — зона аэрации; II— зона отстаивания; / — стабилизатор потока; 2 — механический
(поверхностный) аэратор; 3 — передвижная ферма; 4 — насос возврата активного ила;
5 — подача сточных вод
В Швеции применяются установки «Оксиджест СУ» и «Аддид-
жест V», разработанные американской фирмой «Смит и Ловеллес».
Установки производительностью 5—340 м31сутки работают в ре-
жиме продленной аэрации. Продолжительность аэрации принимается
равной 24 ч, а продолжительность отстаивания — 4 ч. Площадь
рабочей поверхности отстойной зоны данных установок изменяется
от 2 до 27 л2.
На рис. VII. 15 представлен общий вид с указанием основных
рабочих элементов установки «Оксиджест СУ», предназначенной
для расходов 5—40 м31сутки. Установка располагается выше уров-
ня дневной поверхности на специальных опорах, при этом узел
компрессорной смонтирован непосредственно на ее корпусе. Уста-
новка имеет форму цилиндра, образующие которого параллельны
поверхности земли. Это позволяет улучшить условия перемешива-
ния содержимого аэротенка и, кроме того, позволяет отказаться от
несущего каркаса за счет использования собственной жесткости ци-
линдрической оболочки, что сокращает расход металла.
Установки продленной аэрации, применяемые во Франции,
представляют собой аэротенки-отстойники с регулируемым верхним
переливом иловой смеси из аэротенка в отстойник и с возвратом
циркуляционного активного ила через придонную щель. Установки
оборудуются как низконапорной (рис. VII. 16), так и высоконапор-
ной (обычной) пневматическими системами аэрации. В случае
применения низконапорной системы аэрации установки дополни-
тельно оборудуются струенаправляющей стенкой, располагаемой
обычно в непосредственной близости от распылителей воздуха.
Представляет интерес очистная установка производительностью
650 м3!сутки, построенная на очистной станции в г. Рубель во Фран-
ции (рис. VII. 17). Установка очищает смесь бытовых и производ-
ственных сточных вод в режиме продленной аэрации. В процессе
очистки сточная жидкость проходит последовательно две зоны
аэрации и переливается в отстойную зону, выполненную в виде
горизонтального отстойника, оборудованного скребками, закреп-
ленными на непрерывной цепи. Циркуляция и отвод избыточного
212
Рис. VII.15. Аэротенк продленной аэрации заводского изготовления модели
«Оксиджест СУ» (Швеция)
/ — подача исходной сточной воды; 2—узел механической очистки; 3 — воздухопровод;
4 _ регулирующая арматура; 5 — электродвигатель; 6 — компрессор; 7 — воздушный
фильтр; 8 — выпускной вентиль; 9—узел возврата пены; 10 отводящий лоток; 11
затопленная перегородка; 12 — отстойная зона; 13 — отделение дегазации; 14 перелив,
15 — задняя опора; 16 — зона аэрации; 17 — пневматический аэратор; 18 — передняя опо-
ра; 19— торцовая стенка; 20—монтажное кольцо
Рис. VII.16. Аэротенк-отстойник с низконапорной системой аэрации (Франция)
/ _ зона аэрации; 2 — отделение дегазации; 3 — зона отстаивания; 4—подача исход-
ной сточной жидкости; 5 —вентилятор высокого давления; 6 — измерительная диафрагма;
7 — низконапориые аэраторы; 8 — струенаправляющая стенка
213
Рис. VII.17. Установка продленной аэрации (Франция)
1— зона аэрации; 2 — зона отстаивания; 3 — механические (поверхностные) аэраторы;
4 — насос для возврата активного ила; 5 — циркуляционный илопровод; 6 — узел пред-
варительной очистки сточной жидкости; 7 — подача исходной сточной жидкости; 8 — от-
вод очищенной воды; 9 — удаление избыточного ила
активного ила осуществляются насосом, смонтированным возле
илового приямка отстойника. Последовательное прохождение сточ-
ной жидкости через две зоны
аэрации исключает «проскок»
неочищенных порций поступа-
ющих загрязнений, а приме-
нение горизонтального от-
стойника улучшает эффект
вторичного отстаивания. Кро-
ме того, применение двух
независимых механических
аэраторов в одном сооруже-
нии обеспечивает эксплуата-
ционную гибкость установ-
ки, а также необходимый
резерв надежности на случай
аварии одного из агрегатов.
В отечественной практи-
ке также начинают получать
распространение очистные
установки, использующие
принцип работы аэротенков-
Рис. VII.18. Установка для био-
логической очистки сточных вод ти-
па «БИО» производительностью
50 мЧсутки (ГПИ Эстонпроект,
г. Таллин)
1 — подводящая труба; 2 — отводящая
труба; 3 — подвод сжатого воздуха; 4—
аэраторы из дырчатых труб; 5 — регули-
руемое отверстие; 6 — зубчатый перелив
отстойников, применяемых во
Франции. Институт «Эстонпроект» разработал серию соору-
жений для биологической очистки сточных вод (БИО).
Очистные сооружения типа БИО предназначены для полной
214
биохимической очистки бытовых и близких к ним по составу
сточных вод.
Установка БИО представляет собой аэротенк-отстойник с прод-
ленным циклом аэрации. Продолжительность аэрирования смеси
сточной воды и активного ила составляет в среднем 24 ч. За это
время происходит кроме окисления содержащихся в сточной воде
органических веществ полная минерализация активного ила.
Вследствие этого количество образуемого избыточного ила сокра-
щается до незначительного объема. Минерализованный ил не имеет
запаха и не требует дальнейшей обработки. Удаление избыточного
ила из аэрационной части сооружения производится 2—3 раза
в год с помощью ассенизационных машин.
Для очистки сточных вод в количестве 25,50 и 100 макушки
разработаны три типоразмера аэротенков-отстойников: соответст-
венно БИО-25, БИО-50 (рис. VII.18) и БИО-ЮО. Для объектов
с расходом 200 иксу тки предусматривается параллельная рабо-
та двух установок.
Аэротенки-отстойники типа БИО состоят из металлических
торцовых и средних секций, изготовляемых цехом Ракверского
районного объединения «Эстсельхозтехника», Секции доставляют
на строительную площадку на трейлерах, где происходит монтаж
установки и присоединение его к подводящему и отводящему кол-
лекторам.
Таблица VII.13
Наименование Производительность очистных установок БИО в ле3/сутки
25 50 100 200
Средняя гидравлическая нагрузка
в м3!сутки 25 50 100 200
Средняя окислительная способность в кг БПК5/сутки Количество обслуживаемого населе- 8 16 32 64
ния (человек) Нагрузка по БПК5 на 1 м3 аэротен- 150 300 600 1200
ка в г БПКь на 1 .ч3/сутки .... 320 320 320 320
Вес металлических конструкций в т 5,3 9,25 11,9 23,8
Установленная мощность в кет . Максимальная потребляемая мощность 7,3 9,7 17,6 22,7
в кет 4,5 5,7 11,6 17
Стоимость очистных сооружений
в тыс. руб В том числе: 7,85 10,12 15,59 23,37
аэротенка-отстойника 3,12 5,28 7,19 14,38
здания с оборудованием .... 4,73 4,84 8,4 8,99
Капитальные вложения, отнесенные
на 1 м.3!сутки сточных вод, в руб/лт3 Себестоимость очистки 1 м3 сточных 314 203 156 117
вод в коп 10,6 6,5 6,2 5,1
215
Кроме аэротенка-отстойника в комплекс очистных сооружений
входит вспомогательное здание, в котором размещаются воздухо-
дувки и хлораторная, а при производительности более 100 м31сут-
' ки — дополнительно решетка-дробилка. При привязке в состав со-
оружений могут быть дополнительно включены решетка, контакт-
ный бассейн, иловые площадки и т. д. Проект вспомогательного
здания разработан двух типов. Здание типа А применяется для
сооружений производительностью до 50 мЧсутки, здание типа
Б — при больших производительностях.
Основные технико-экономические показатели очистных уста-
новок БИО представлены в табл. VII. 13.
Принцип действия установок, разработанных кафедрой кана-
лизации МИСИ им. В. В. Куйбышева, заключается в следующем.
Сточная жидкость, содержащая бытовые или производственные
органические загрязнения, поступает в аэротенк с механическим
аэратором, затем через защищенный перелив и отделение дегазации
иловая смесь направляется в отстойную зону. Возврат активного
ила в зону аэрации осуществляется по циркуляционному трубопро-
воду, а очищенная сточная жидкость отводится за пределы соору-
жения. Избыточный активный ил поступает в накопитель и оттуда
удаляется на иловые площадки один раз в один — три месяца.
Основные типоразмеры указанных установок разработаны с учетом
унифицированных расходов сточных вод в диапазоне 12—700
м3/су тки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Базякина Н. А. Очистка концентрированных промышленных
сточных вод. М., Госстройиздат, 1958..
2. Б е л я е в а М. А., Гюнтер Л. И. К характеристике био-
ценозов активного ила в высоконагружаемых аэротенках и аэротенках
с длительным периодом аэрации. В сб.: «Научные доклады высшей школы.
Биологические науки», 1969, № 7.
3 Болотина О. Т. Состав и свойства активного ила в условиях
регенерации. «Водоснабжение и санитарная техника», 1960, № 10.
4. Брагинский Л. Н. О распределении окружных скоростей
жидкости и глубине воронки в аппаратах с мешалками. В кн.: «Теоретические
основы химической технологии», 1967, № 5.
5. Василенко А. И., Василенко А. А. Очистка малых
количеств производственных сточных вод, Киев, «Буд1вельник», 1966.
6. Владыченский С. А. Коллоидно-химические свойства ак-
тивного ила. «Коллоидный журнал», т. 9, 1947, № 1.
7. Голубовская Э. К. Упрощенный метод биологического ана-
лиза активного ила. В сб.: «Санитарная техника. Доклады XXVIII науч-
ной конференции ЛИСИ». Изд. ЛИСИ, 1970.
8. Г р а д о в а И. Б. Использование микроорганизмами органических
кислот. В сб. информационных материалов «Микробиологический синтез»,
вып. 10— 11, 1967.
9. Д а в ы д о в а Е. Г., Л а п о т ы ш к и н а А. И. О механиз-
ме поступления углеводородов в клетки дрожжей (опыты с I—С14-октадека-
ном). «Доклады Московской сельскохозяйственной академии им. К- А. Тими-
рязева», вып. 144, 1968.
10. Д е м и н а А. Т. Опыт эксплуатации аэротенка-отстойника. В сб.;
«Проектирование водоснабжения и канализации», № 51, 16. М., Изд. Союз-
водоканалпроекта, 1968.
11. Ж у к о в А. И., Карелин Я- А., Колобанов С. К-,
Яковлев С. В. Канализация, 4-е изд. М., Стройиздат, 1969.
12. Ж У к о в А. И., Демидов Л. Г., Монгайт И. Л.,
Родзиллер И. Д. Канализация промышленных предприятий. М.,
Стройиздат, 1970.
13. Ж у Р о в В. Н. Некоторые рекомендации по расчету и примене-
нию механических поверхностных аэраторов дискового типа. «Реферативный
сборник ЦИНИС», 1969, № 4.
14. 3 о л о т а р е в а И. С. Простейшие активного ила и планктона
биологических прудов. «Бюллетень Московского общества испытателей при-
роды», т. 71. Отдел биологии, вып. 4, 1966.
15. И е р у с а л и м с к и й И. Д. О закономерностях роста и разви-
тия микроорганизмов. В сб.: «Труды Института микробиологии АН СССР»,
вып. VI, 1959.
16. И е р у с а л и м с к и й И. Д. Биохимические основы регуляции
скорости роста микроорганизмов. «Известия АН СССР. Серия биологиче-
ская», 1967, № 3.
17. К а р е л и н Я. А., Жуков Д. Д., Денисов М. А.,
Клочков О. Н. Очистка производственных сточных вод. Опыт Ново-
Горьковского нефтеперерабатывающего завода. М., Стройиздат, 1970.
18. Карелин Я- А., Жуков Д. Д., Журов В. Н., Рах-
монов Н. Механическая аэрация сточных вод в аэротенках. Веб.: «Про-
ектирование водоснабжения в канализации», вып. 8. Изд. Союзводокаиал-
проекта, 1970.
19. Карелин Я- А., Жуков Д. Д., Репин Б. Н., Мель-
ничук В. П. Расчет и конструирование аэротенков полного смешения.
В сб.: «Проектирование водоснабжения и канализации», серия IV, вып. 7 (68).
Изд. Союзводоканалпроекта, 1970.
20. Карюхина Т. А. Новые методы расчета биоокислителей.
В сб.: «Очистка сточных вод». Изд. Западноуральского ЦБТИ, 1966.
21. Кафа ров В. В. О масштабировании химических реакторов,
В сб.: «Моделирование и оптимизация каталитических процессов». М., «На-
ука», 1965.
22. К а ф а р о в В. В., Огородник И. М. Определение про-
филя скоростей в аппаратах с мешалками. «Химическое и нефтяное машино-
строение», 1967, № 1.
23. Л е в и ч В. Г. Физико-химическая гидродинамика, изд. 1-е.
Физматгиз, 1952; то же, изд. 2-е. Физматгиз, 1959.
24. Лурье Ю. Ю., Коллерова Е. В. Химические превращения
углеводородов нефти в процессе биохимической очистки в аэротенках.
«Химия и технология топлив и масел», 1967, № 6.
25. Малек И., Ф е н ц л ь 3. Непрерывное культивирование ми-
кроорганизмов. «Пищевая промышленность», 1969.
26. Овсянников В. Г. Поверхностные механические аэраторы
для биохимической очистки сточных вод. В сб.: «Труды ВНИИ ВОДГЕО»,
вып. 23, 1970.
27. Орловский 3. А. Двухступенчатая очистка в аэротенках.
«Водоснабжение и санитарная техника», 1961, №5.
28. Попкович Г. С. Распределение и регулирование подачи
воздуха в аэротенки. Изд-во МКХ РСФСР, 1951.
29. П о с т н и к о в И. С. и др. Очистка сточных вод в аэротенках-
отстойниках. Изд-во МКХ РСФСР, 1969.
30. П р а в д и н Е. П. Применение механических аэраторов для очист-
ки сточных вод. В сб.: «Материалы научно-технической конференции по
вопросам санитарной очистки городов Урала и Западной Сибири». Сверд-
ловск, 1962.
31. Репин Б. Н. Оптимальное конструирование аэротенков-сме-
218
сителей. В реферативном сб. «Межотраслевые вопросы строительства.
Отечественный опыт», вып. 2, М., изд. ЦИНИС Госстроя СССР. 1971.
32. Роговская Ц. И. Биохимический метод очистки производст-
венных сточных вод.’М., Стройиздат, 1967.
33. Роговская Ц. И., Лазарева И. Ф., Костина Л. М.
Влияние повышенных температур на биохимические процессы очистки про-
мышленных сточных вод. В сб.: «Проектирование водоснабжения и канали-
зации», серия IV,. М., изд. Союзводоканалпроекта, 1969.
34. Р о з а н о в а Е. П. Использование углеводородов микроорганиз-
мами. «Успехи микробиологии», вып. 4, 1967.
35. Розен А. М., Крылов В. С. Проблемы теории массопере-
дачи. «Химическая промышленность», 1966, №1.
36. Строганов С. Н., Корольков К. Н. Биологическая
очистка сточных вод. М., Госстройиздат, 1934.
37. Строганов С. Н., Кононова Е. Ф., Л ахтуров Я. И.,
Захаров Н. Г. Аэротенк с механической аэрацией. М.—Л., ОНТИ, 1938.
38. Турский Б. И., Филиппов В. И. Очистка производствен-
ных сточных вод. «Химия», 1967.
39. Федоров И. А., Шифрин С. М. Канализация. М., «Высшая
школа», 1969.
40. Ч у п р а к о в а В. В. Исследование процесса аэробного сбражи-
вания осадков сточных вод. В сб. научных трудов АКХ им. К- Д. Памфило-
ва: «Городская канализация», вып. 77. М., 1970.
41. Ш в е ц о в В. Н. Исследование возможности использования чисто-
го кислорода для обработки сточных вод в аэротенках. В сб.: «Труды ВНИИ
ВОДГЕО», вып. 23, 1970.
42. Ш и ф р и н С. М., Мишуков Б. Г. Очистка сточных вод
предприятий молочной промышленности. М., «Пищевая промышленность»,
1968.
43. Шпицберг В. А. Оптимальный срок эксплуатации мелко-
пузырчатых аэраторов из пористых керамических плит. В сб.: «Проектиро-
вание водоснабжения и канализации», вып. 5. Изд. Союзводоканалпроекта,
1969.
44. Яковлев В. А. Кинетика ферментативного катализа. М.,
«Наука», 1965.
45. Яковлев С. В. Искусственные биологические окислители
и методы их расчета. М., Госстройиздат, 1959.
46. Я к о в л е в С. В., К а р ю х и н а Т. А., Доскина Э. П.
Удельное потребление кислорода в БПК сточной жидкости. В реферативном
сб. «Межотраслевые вопросы строительства. Отечественный опыт», вып. 7.
Изд. ЦИНИС Госстроя СССР, 1970.
47. Aeration in wastewater treatment. Manual of practice. —«Journal
of Water Pollution Control Federation», 1969, № 11, 12, vol. 41, 1970; № 1,
vol. 42.
48. Barnhart E. L. Transfer of oxygen in aqueous solutions. —
«Journal of the Sanitary Engineering division. Proceedings of the American
Society of Civil Engineers», 1969, SA.3.
49. В essel ievre E. B. The Treatment of Industrial Wastes.
219
New York, Me. Graw-Hill Book Co., Inc., 1969.
50. Benedek P. New development in activated sludge process,
2-nd Int. Conference water pollution research, section II, paper № 16, 1966.
51. В e u t h e C. G. Improvements in Fine Bubble Aeration from the
Standpoints of Technique and Operation, Water Pollution Control, 1969.
52. В e w t r a I. K-, Nicholas W. R. Oxygenation from dif-
fused air in aeration tanks. — «Journal of Water Pollution Control Federa-
tion», 1964, № 10, v. 36.
53. В u s c h P. L., S t u m m W. Chemical interactions in the aggre.
gation of bacteria bioflocculation in waste treatment «Environmental
Science and Technology», 1968, 2, № 1.
54. С о о p e r R. G., Wolf D. Pumping capacities in strirred tanks;
theory and application «Canadian Journal of Chemical Engineering», 1967,
№ 4, v. 45.
55. D a n к w e r t s P. V- Significance of Liquid-film Coefficients in
gas absorption. — «Industrial and Engineering Chemistry», 1951, № 6, v. 43.
56. D о w n i n g A. L., Boon A. G. Oxygen transfer in the acti
vated sludge process «Air and Water Pollution. An International Journal»,
1963, № 2—4, v. 5.
57. Eckenfelder W. «Industrial water pollution control», Me. Graw-
Hill. New York, 1966.
58. E с к e n f e 1 d e r W. W. «Biological treatment of Sewage and
Industrial Wastes», 1963.
59. Hartman L., Laubenbergen G. Influence of turbulence
on the activity of activated sludge flock. «Jownal Water Pollution Control
Federation», 4, 48, 1968.
60. H i gb i e R. The rate of absorption of a pure gas into a still
liguid during short periods of exposure. «Transactions of the American
Institute of Chemical Engineers», 1935, vol. 31.
61. H о w 1 a n d W. E. Relative Economy of Activated Sludge Aera-
tion Methods. — «Water and Sewage Works», 1959, august.
62. К a 1 i n s к e A. The completely mixed activated sludge process,
Public Works, 91, 5, 1960.
63. К a 1 i n s к e A. A. Power consumption for oxygenation and mi-
xing. «Air and water pollution. An International Journal», 1963, №2-4, v.5.
64. Kehr D., P f 1 a n z P. Die Klaranlage in Nordhorn. — «Das Gas
und Wasserfach», 1966, 10.
65. К i n g С. I. Turbulent liquid phase mass transfer at a free gas-
liquid interface. — «Industrial and Engineering Chemistry Fundamentals»,
1966, № 1, v. 5.
66. К n о p E., К a 1 b s к о p f К. H. Energetische und hydraulische
Untersuchungen an mechanischen Beliiftungssystemen. «Das Gas und Was-
serfach», 1969, № 10, 110.
67. Leibnitz E., Behrens U., Schulz G. Ober die Stoff-
bildung bei der biologischen Reinigung. Vergleichende analytische Unter-
suchungen fiber die Zusamnen. «Wasserwirtschaft—Wassertechnik», 1960, 10, № 2.
68. L e v e n s p i e 1 O. Chemical Reaction Engineering, John Willey
Sons, N.-Y., 1962.
220
69. L о n d о n g D., H о 1 s t e D. Das Essener Becken des Lippfe-
verbandes. November, 1968.
70. McKinney R. Activity of microorganisms in organic waste
disposal II, Aerobic., Applied microbiology, 5, 167, 1957. |
71. White J. Sewage design and water treatment works, 1970,
London.
72. Weston R. F., Stack V. T. Fundamentals of operation
of entrainment aerators. «Air and Water Pollution. An International Jour-
nal», 1963, № 2—4, v. 5.
73. Wuhrmann K-, Beust F. V. Zur Theorie des Belebtschlam-
mverfahrens. «Schweizerische Zeitschrift fur Hydrologies, 1958, 20, № 2,
284—311.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Предисловие...................................................... 3
Введение......................................................... 4
Глава I. Метод очистки сточных вод активным илом
1. Активный ил и его физическая структура.. 7
2. Бактериальный и химический состав активного ила............ 9
3. Роль и взаимоотношение микроорганизмов, обитающих в аэро-
тенках, при очистке производственных сточных вод .............14
Глава И. Закономерности изъятия органических загрязнений
из сточных вод и прироста биомассы активного ила
1. Механизм изъятия и потребления вещества микроорганизмами, . 17
2. Основные фазы развития микроорганизмов. Понятие о прерывно
и непрерывно развивающейся культуре микроорганизмов .... 20
3. Прирост биомассы и потребление кислорода в процессе очистки
сточных вод...................................................22
4. Влияние физико-химических и гидродинамических факторов на
скорость биохимического окисления органических веществ ... 40
Глава III. Аэрация в процессе очистки сточных вод в аэротенках
1. Пневматическая система аэрации.............................52
2. Механическая система аэрации...............................58
3. Комбинированная система аэрации............................64
4. Диффузия кислорода в жидкость..............................66
5. Факторы, влияющие на работу пневматических аэраторов ... 83
6. 'Факторы, влияющие на работу механических и комбинированных
аэраторов.....................................................90
Глава IV. Выбор, расчет и эксплуатация систем аэрации
1. Анализ эффективности систем аэрации.......................94
2. Расчет систем аэрации.....................................100
3. Некоторые соображения по эксплуатации системы аэрации . . .119
Глава V. Основные модификации процесса очистки сточных
вод в аэротенках
1. Классификация аэротенков..................................125
2. Аэротенки-вытеснители и аэротенки-смесители..............128
3. Аэротенки с отдельной регенерацией активного нла ....... 135
4. Аэротенки высоконагружаемые, высокопроизводительные и прод-
ленной аэрации...............................................140
5. Двух- и многоступенчатые аэрационные сооружения..........147
6. Аэротенки контактные и с переменным рабочим уровнем жидкости 152
222
Стр.
Глава VI. Моделирование процессов очистки сточных
вод активным илом
1. Материальный баланс аэротенков идеального вьнеснения и сме-
шения ........................................................156
2. Гидродинамические условия моделирования производственных
аэротенков....................................................159
3. Уравнения материального баланса ступенчатых систем биохими-
ческой очистки ...............................................161
4. Основные принципы моделирования аэротенков для очистки
сточных вод сложного состава..................................175
Глава VII. Расчет и конструирование аэротенков
1. Основные технологические схемы............................179
2. Расчет высокопроизводительных аэротенков с отдельной мине-
рализацией активного ила......................................183
3. Технологическая оптимизация работы аэротенков-отстойников 193
4. Конструкция очистных установок с отдельной минерализацией
активного ила ...............................................197
5. Расчет аэротенков продленной аэрации..................... 207
6. Конструкции очистных установок, работающих в режиме прод-
ленной аэрации................................................209
Литература..................................................... 217
I
Яков Александрович Карелин, Дмитрий Дмитриевич Жуков, Владимир Никифорович Журов, Борис Николаевич Репин ОЧИСТКА ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ сточных вод в аэротенках Редактор издательства И. П. Скворцова Внешнее оформление художника Г. Э. Ковал евского Технический редактор В. Д. Павлова Корректоры: Л. С. Рожкова, В. С. С е р о в а
Сдано в набор 17/XI—1972 г. Подписано к печати 26/1II — 1973 г. Т-03479 Формат бОХЭО’Лв Д. л. Бумага типографская № 2. 14 печ. л. (уч.-нзд. 13,2 л.)
Тираж 13.000 экз. Изд. № AVI—2974. Зак. 1265 Цена 76 к.
Стройиздат — Москва, 103777, Кузнецкий мост, 9. Московская типография № 4 Союзполиграфпрома прн Государственном комитете Совета Министров СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли Москва, И-41, Б. Переяславская, 46.