bbk 000000

УДК 628.31:661.5

Морозова К. М., Степанов С. В., Степанов А. С., Соколова Т. В., Солкина О. С., Жукова М. А.

Биологическая очистка сточных вод предприятий молочной промышленности в мембранном биореакторе (часть 1)

Аннотация

Представлены результаты научных исследований в области биологической очистки сточных вод предприятий молочной промышленности. Проведенные в контактных условиях исследования показали, что кинетика окисления загрязнений сточных вод молокозаводов активным илом может описываться уравнением ферментативных реакций для субстратного торможения, причем найденные константы торможения указывают на увеличение токсичности стока после реагентной флотации для процессов биологической очистки. Технология отработана на модельном стоке в пилотной установке мембранного биореактора. Определены кинетические зависимости окисления органических веществ по БПК_полн, нитрификации и денитрификации. Показано увеличение окислительной мощности сооружения в 1,46 раза при повышении концентрации ила с 4 до 10 г/л, что позволяет значительно уменьшить объем сооружений биологической очистки при использовании технологии МБР. В ходе эксперимента на установке МБР и кинетических опытов в контактных условиях были определены коэффициенты ингибирования продуктами метаболизма активного ила для модельного раствора сточных вод для окисления органических веществ по БПК_полн, для нитрификации и денитрификации. Найдена величина температурной константы для аэробной гетеротрофной конверсии, для нитрификации и денитрификации.

Ключевые слова

сточные воды , биологическая очистка , мемб­ранный биореактор , активный ил , кинетические константы , молочный завод

bbk 000000

УДК 628.35:663.5

Аронова Т. А.

Биологическая очистка сточных вод спиртовых заводов

Аннотация

Представлены результаты экспериментальных исследований по разработке технологической схемы очистки сточных вод спиртовых заводов, перерабатывающих зерновое сырье. Для таких производств рациональна двухступенчатая схема с илоотделителями на каждой ступени. Процесс биохимического окисления органических загрязнений в ходе биологической очистки концентрированных сточных вод спиртовых заводов наиболее достоверно описывается уравнениями ферментативных реакций. Найдены кинетические константы и коэффициенты окисления для данного вида сточных вод в двухступенчатых аэротенках, на основании которых рассчитаны технологические параметры работы аэротенков до любой заданной степени очистки, обеспечивающей условия сброса очищенных сточных вод. По найденным кинетическим константам проведены оптимизационные расчеты и определены технологические параметры оптимального режима работы двухступенчатого аэротенка до показателей полной биологической очистки.

Ключевые слова

аэротенк , высококонцентрированные сточные воды , двухступенчатая очистка , кинетические константы , оптимизация системы очистки

УДК 628.35
DOI 10.35776/VST.2024.09.04

Степанов С. В., Харькина О. В., Авдеенков П. П., Лазунин М. В., Пономаренко О. С.

Математическое моделирование процессов очистки сточных вод в аэротенках

Аннотация

Разработан новый вариант математической модели процессов очистки сточных вод в аэротенках с биологическим удалением азота и биолого-химическим удалением фосфора на основе взаимного дополнения методик ­ВОДГЕО/СамГТУ и ASM2d. Математически решена «обратная задача» технологического расчета аэротенков – определение концентраций загрязнений в очищенной воде при имеющихся данных по качественному и количественному составу исходной воды для заданных значений технологических и конструктивных параметров сооружений. Разработан алгоритм выдачи количественных технологических рекомендаций. На основании проведенных исследований разработано программное обеспечение «Потенциал», предназначенное для сбора исходных данных, выполнения технологических расчетов и выдачи рекомендаций персоналу очистных сооружений. Внедрение программного обеспечения позволит снизить эксплуатационные затраты за счет оптимизации технологического режима работы сооружений биологической очистки сточных вод в минимальные сроки.

Исследование выполнено в рамках Договора № 4951ГС1/85526 с Федеральным государственным бюджетным учреждением «Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере».

Ключевые слова

сточные воды , биологическая очистка , кинетические константы , математическое моделирование , методика НИИ ВОДГЕО/СамГТУ , расчет аэротенков , модель ASM2d , формулы ферментативной кинетики

DOI 10.35776/VST.2022.10.05
УДК 628.35

Степанов С. В., Авдеенков П. П., Пономаренко О. С., Морозова К. М.

Определение кинетических констант и коэффициентов процессов биологической очистки сточных вод предприятий глубокой переработки яиц

Аннотация

Представлены результаты исследований, проведенных в контактных условиях на активном иле лабораторного реактора периодического действия со сточными водами предприятия по глубокой переработке куриных яиц. В ходе кинетических опытов, основанных на измерении скорости потребления растворенного кислорода, для сточной воды после предварительного коагулирования были установлены следующие усредненные значения кинетических констант процессов биологической очистки: максимальная скорость потребления кислорода при концентрации ила a_i → 0 ρ`<sub>max</sub> = 44,8 мг/(г·ч) в пересчете на температуру 20°С, константа Михаэлиса K<sub>m</sub> = 77,5 мг/л, коэффициент ингибирования продуктами метаболизма φ = 0,265, температурная константа χ = 0,08°С<sup>–1</sup>, оптимальное значение рН 7,8 и рН-константа 80. В опытах с исходными сточными водами были установлены следующие усредненные значения констант: максимальная скорость потребления кислорода при 20°С и a<sub>i</sub> → 0 ρ`_max = 26,5 мг/(г·ч), константа Михаэлиса Km = 50,6 мг/л, коэффициент ингибирования продуктами метаболизма φ=0,065, температурная константа χ = 0,1°С^–1, рН_опт 7,8 и K_рН = 170. Полученные значения кинетических констант и коэффициентов могут быть использованы при расчете сооружений биологической очистки сточных вод яйцеперерабатывающего предприятия.

Ключевые слова

сточные воды , биологическая очистка , кинетические константы , пищевая промышленность , яйцеперерабатывающее предприятие , реактор периодического действия

bbk 000000

УДК 628.35

ШВЕЦОВ В. Н., Морозова К. М., Степанов С. В.

Расчет сооружений биологической очистки городских и производственных сточных вод в аэротенках с удалением биогенных элементов

Аннотация

Сооружения биологической очистки являются основными для очистки хозяйственно-бытовых, городских и производственных сточных вод большинства отраслей промышленности (химическая, нефтехимическая, нефтеперерабатывающая, пищевая, текстильная, легкая, коксохимическая, сельское хозяйство и др.). Однако до настоящего времени в Российской Федерации отсутствует научно обоснованный метод расчета сооружений биологической очистки сточных вод с удалением азота и фосфора. Обширные многолетние исследования НИИ ВОДГЕО и кафедры «Водоснабжение и водоотведение» Самарского государственного технического университета, проведенные на лабораторных и пилотных установках, на действующих сооружениях с обработкой больших массивов данных позволили подготовить полноценную методику расчета аэротенков с удалением биогенных элементов. Представленная методика служит дополнением методики технологического расчета сооружений биологической очистки, изложенной в СНиП 2.04.03-85 в части расчета аэротенков с нитри-денитрификацией и биологическим удалением фосфора, и обеспечивает расчеты по реконструкции и новому строительству сооружений биологической очистки как городских и хозяйственно-бытовых, так и производственных сточных вод. В основу технологического расчета сооружений биологической очистки положена концепция описания этих процессов уравнениями ферментативной кинетики. Методика включает этапы: обоснование релевантных исходных данных по расходам и качественному составу сточных вод; определение технологической схемы и составление материального баланса по всем критическим компонентам загрязнений; определение кинетических констант и коэффициентов уравнений ферментативной кинетики трансформации каждого из основных компонентов загрязнений (БПК, соединения азота и фосфора и др.) и прироста активного ила путем статистического анализа данных эксплуатации и химико-аналитического анализа проб сточной воды действующих очистных сооружений по экспериментальным данным или на основе имеющихся аналогов; расчет объемов всех элементов соо­ружений с определением лимитирующего компонента и
степени очистки по другим загрязняющим веществам; окончательная корректировка объемов и параметров работы всех технологических зон с учетом требований к степени очистки по всем диктующим компонентам загрязнений. Представлен пример расчета. Отмечено, что алгоритм расчета и формулы, заложенные в методику, обеспечивают расчеты любых сложных технологических схем с удалением азота и фосфора применительно как к муниципальным, так и к производственным сточным водам. Методика позволяет рассчитывать степень очистки не только по БПК и соединениям азота, но и по другим, индивидуальным компонентам загрязнений (нефтепродукты, СПАВ, жиры и др.), что открывает дополнительные возможности биологического метода очистки сточных вод. Методика особенно полезна при расчете сооружений биологической очистки производственных сточных вод, так как большинство зарубежных методик ориентировано в основном на очистку хозяйственно-бытовых и городских сточных вод до концентраций, принятых в этих странах. Методика построена по принципу необходимой достаточности, однако содержит 70 расчетных параметров и 28 формул и уравнений, поэтому расчеты реализуются в программе Microsoft Office Excel, что возможно даже при среднем уровне владения программой. При этом можно проводить расчеты сразу по нескольким вариантам в диалоговом режиме и/или осуществлять оптимизацию очистных сооружений в процессе их эксплуатации.

Ключевые слова

биологическая очистка , нитрификация , денитрификация , азот , фосфор , активный ил , кинетические константы , методика технологического расчета , производственные и городские сточные воды

bbk 000000

УДК 628.35:661.5

ШВЕЦОВ В. Н., Морозова К. М.

Расчет сооружений биологической очистки сточных вод с удалением биогенных элементов

Аннотация

Представлена методика расчета сооружений биологической очистки сточных вод с нитри-денитрификацией. Расчет сооружений биологической очистки должен производиться на основе экспериментально полученных кинетических констант, коэффициентов процессов нитрификации и денитрификации и по каждому лимитирующему показателю в зависимости от требований, предъявляемых к качеству очистки. Приведены кинетические константы и коэффициенты, необходимые для расчета очистных сооружений городских сточных вод. Изложен алгоритм расчета, включающий следующие этапы: обоснование исходных данных по расходам и качественному составу сточных вод в соответствии с требуемой степенью надежности (обеспеченностью не менее 85–90%); выбор технологической схемы работы сооружений – количество ступеней и (или) стадий, порядок и схема их работы; определение кинетических констант уравнений ферментативной кинетики трансформации каждого из основных компонентов загрязнений по экспериментальным данным или на основе имеющейся базы данных; предварительный расчет количества избыточного активного ила и уточнение материального баланса по азоту и фосфору; определение лимитирующего компонента загрязнений, на окисление которого потребуется наибольшее время; расчет объема сооружений по лимитирующему компоненту с определением степени очистки по другим компонентам загрязнений. Результаты длительных экспериментальных исследований процессов нитри-денитрификации с различными видами городских и производственных сточных вод позволяют дополнить метод расчета аэротенков, заложенный в СНиП 2.04.03-85, формулами и данными для расчета и оптимизации работы аэротенков с удалением соединений азота и фосфора.

Ключевые слова

сточные воды , биологическая очистка , нитрификация , активный ил , кинетические константы , денитрификация

DOI 10.35776/VST.2022.12.04
УДК 628.35

Степанов С. В., Авдеенков П. П., Пономаренко О. С., Морозова К. М.

Результаты исследований биологической очистки сточных вод предприятия переработки яиц в пилотном мембранном биореакторе

Аннотация

Приведены результаты исследований по биологической очистке сточных вод предприятия глубокой переработки куриных яиц в пилотном мембранном биореакторе (МБР) с предварительной денитрификацией. Показано, что диктующим показателем загрязнения, на которое необходимо вести расчет очистных сооружений, является БПК_полн. При нагрузках на беззольное вещество активного ила по ­БПК_полн от 0,06 до 0,125 г/(г·сут) для исходной сточной воды и от 0,04 до 0,12 г/(г·сут) для сточной воды после предварительной коагуляции и отстаивания значение БПКполн пермеата составляло 8–12 мг/л, концентрации аммония и нитритов соответствовали ПДК для водных объектов рыбохозяйственного значения. Минимальная рециркуляция, обеспечивающая концентрацию азота нитратов в очищенной воде на уровне ПДК, оказалась восьмикратной для исходных сточных вод и шестикратной для предварительно коагулированных. Инертная часть ХПК составила около 90 мг/л. На основании проведенных исследований были определены кинетические константы окисления органических веществ, необходимые для расчета промышленных сооружений био­логической очистки: ρ´_max по БПК_полн – 29,9 и 30,4 мг/(г·ч), K_m по БПК_полн – 34,7 и 25,2 мг/л для исходных сточных вод и сточных вод после предварительной физико-химической очистки соответственно. Суммарные объемы биореакторов производительностью 600 м³/сут, работающих с дозой активного ила 8 г/л по технологии МБР с предварительной денитрификацией, при очистке до БПКполн 12 мг/л и удалении соединений азота до ПДК для водных объектов рыбохозяйственного значения составили 3716 и 1643 м3 для исходных сточных вод и сточных вод после предварительной физико-химической очистки соответственно.

Ключевые слова

сточные воды , биологическая очистка , кинетические константы , мембранный биореактор , пищевая промышленность , яйцеперерабатывающее предприятие

УДК 628.35
DOI 10.35776/VST.2024.11.03

Степанов С. В., Егорова Ю. А., Харькина О. В., Авдеенков П. П., Нестеренко О. И., Лазунин М. В., Стрелкова Т. А., Злобин И. Д.

Результаты математического моделирования процессов очистки сточных вод в аэротенках на ГОКС г. Самары в период реконструкции и пусконаладочных работ

Аннотация

Представлены результаты математического моделирования работы реальных сооружений биологической очистки сточных вод с применением программного обеспечения «Потенциал», которое использовалось в течение 10 месяцев для оптимизации работы аэротенков в период реконструкции и пусконаладочных работ. Сопоставлены данные о количественном и качественном составе сточных вод, поступающих в аэротенки, принятых в проекте, с фактическими данными за период 2023–2024 годов. Расчет фактических значений прироста и аэробного возраста активного ила по формулам, заложенным в ПО «Потенциал», показал, что стабильное требуемое качество очищенных сточных вод по аммонию и нитритам наблюдалось при аэробном возрасте активного ила 24,1–27 сут и температуре сточных вод 19,1–24,8°С, когда концентрация N–NH4 составила менее 1 мг/л, а N–NO₂ – менее 0,1 мг/л. В результате калибровки и верификации заложенной в программном обеспечении «Потенциал» математической модели подобраны значения кинетических констант и коэффициентов для отдельной технологической линии «аэротенк №7 – вторичный отстойник № 5», которые позволили спрогнозировать работу аэротенков с высокой степенью точности (отклонения расчетных и фактических данных составили менее 8%).

Ключевые слова

сточные воды , кинетические константы , математическое моделирование , методика НИИ ВОДГЕО/СамГТУ , расчет аэротенков , модель ASM2d , формулы ферментативной кинетики , биологическая очистка сточных вод от азота и фосфора

DOI 10.35776/VST.2021.07.03
УДК 628.35

Харькина О. В., Искалиева К. Р., Малич Е. В.

Сравнение расчета аэротенков по моделям ASM2d и ATV

Аннотация

Проведено сравнение результатов расчета аэротенков по модели ATV (Standard ATV-DVWK-A131 E «Dimension of Single-Stage Activated Sludge Plants 2000»), которая является стохастической «табличной» моделью, и по модели ASM2d, которая относится к теоретическим и описывает, в отличие от ATV, процессы биологической очистки сточных вод с помощью формул ферментативной кинетики. Расчеты выполнены для одних и тех же входных данных. Результаты расчетов показали существенную ограниченность использования модели ATV. Данная модель, как изначально указано авторами в ее описании, рассчитывает аэротенки только на единственное значение качества очищенной воды по аммонийному азоту 1 мг/л и не рассчитывает аэротенки на нитриты. Более того, сравнение ATV с ASM2d показало, что и достижение указанного качества очищенной воды по аммонийному азоту 1 мг/л возможно только при конкретных значениях кинетических констант, которые были определены авторами в данной статье, а изменение хотя бы одного из кинетических параметров сточных вод приводит к увеличению необходимого значения аэробного возраста активного ила и, как следствие, расчетного объема аэробной зоны на десятки процентов. Это доказывает риск недостижения требуемого качества очищенной воды при использовании модели ATV даже на концентрацию аммонийного азота 1 мг/л. С учетом того, что методика ATV не рассчитывает аэротенки на качество очищенных вод по нитритам, результаты проведенного нами расчета показывают, что предлагаемые в ATV значения аэробного возраста активного ила 4,05 суток для температуры 17 ºС позволят достичь качество очищенной воды по азоту нит­ритов 0,35–0,52 мг/л N–NO2, что и доказывает невозможность использования ATV, если даны требования к качеству очищенной воды по нитритам. Авторами на основании проведенных расчетов сделаны выводы о рисках недостижения качества очищенной воды по аммонийному азоту, как и 1 мг/л при использовании ATV, из-за того, что ATV является стохастической моделью, то есть все представленные в данной методике зависимости были определены для конкретных условий проведения работ. Более того, как и указано в описании ATV, данная методика применима, даже в ограниченных условиях, строго для городских сточных вод. Проведенные расчеты показали, что при наличии требований к качеству очищенной воды по нитритам, вне зависимости от значений требуемых концентраций нитритов, методика ATV не подходит вообще, при этом ASM2d с учетом того, что она основывается на формулах ферментативной кинетики, позволяет рассчитывать аэротенки на любое требуемое качество очищенной воды как по аммонийному азоту, так и по азоту нитритов и применима для любого типа сточных вод.

Ключевые слова

биологическая очистка , нитрификация , активный ил , кинетические константы , производственные и городские сточные воды , сравнительный расчет сооружений биологической очистки , методики технологического расчета ATV и ASM2d , аэробный возраст активного ила , теоретические и стохастические модели

DOI 10.35776/VST.2022.05.03
УДК 628.35

Харькина О. В.

Сравнение результатов расчета аэротенков по методу Даниловича–Эпова и модели ASM2d (часть 1)

Аннотация

Проведен анализ предложенной Д. А. Даниловичем и А. Н. Эповым методики расчета аэротенков, реализующих технологии удаления азота и фосфора. Дано сравнение результатов расчетов по данной методике и методике ASM2d. Показано, что, в отличие от методики ASM2d, которая относится к теоретическим моделям и описывает процессы биологической очистки сточных вод с помощью формул ферментативной кинетики, рассматриваемая методика представляет собой, по своей сути, эмпирический расчет, в котором заложены неизменяемые и в большинстве своем не имеющие физического смысла константы. Поскольку эмпирические модели связывают между собой параметры, полученные на основании экспериментальных данных конкретного объекта в строго ограниченных условиях, применять эти модели можно только в случае, когда все параметры другого объекта точно совпадают с данными объекта, на котором предлагаемая модель составлялась. Соответственно, применение любых эмпирических моделей, в том числе и рассматриваемой методики, на сооружениях, которые не являлись объектами для составления этих эмпирических моделей, ведет к риску получения некорректных результатов расчета. На основании выполненных расчетов показаны риски и ограничения использования метода, предложенного Даниловичем и Эповым, для расчета соо­ружений биологической очистки. В первой части статьи проведен расчетный анализ определения значений аэробного возраста активного ила, которые являются базовыми значениями для расчета объема аэробных зон аэротенков.

Ключевые слова

сточные воды , биологическая очистка , нитрификация , денитрификация , активный ил , кинетические константы , теоретические и эмпирические математические модели , сравнительный расчет сооружений биологической очистки , ASM2d

DOI 10.35776/VST.2022.11.03
УДК 628.35

Харькина О. В.

Сравнение результатов расчета аэротенков по методу Даниловича–Эпова и модели ASM2d (часть 2)

Аннотация

Продолжен анализ предложенной Д. А. Даниловичем и А. Н. Эповым Методики расчета аэротенков, которая основана на немецкой методике ATV. В силу определенной ограниченности эмпирической методики ATV, разработанной на основании данных только тех сточных вод, на которых авторы смогли провести исследования, методика ATV не может быть применена за пределами тех очистных сооружений, на которых проведены эти исследования. Проведено сравнение Методики с моделью ASM2d (матрица уравнений ферментативной кинетики, описывающих скорости роста микроорганизмов и скорости соответствующих био­химических процессов), а также с методикой НИИ ­ВОДГЕО/СамГТУ, которая является полностью тео­ретической моделью, а расчетные формулы представляют собой уравнения ферментативной кинетики. Расчеты аэротенков по формулам ферментативной кинетики были заложены еще в СНиП «Канализация. Наружные сети и сооружения» в 1974г., а уже в СНиПе 1984г. расчет был дан в виде отработанной методики для сооружений биологической очистки на окисление органических соединений. Эмпирический же подход, предлагаемый в Методике, вызывает не только технологический вопрос об области ее применения, но и воп­рос ее целесооб­разности в целом. Применение эмпирических подходов, к которым относится Методика, формально связывает между собой заложенные параметры в виде неизменяемых коэффициентов и эмпирических зависимостей, полученных экспериментально в узком диапазоне параметров и условий конкретного объекта, что создает риски существенных ошибок. Показано, что Методика для городских сточных вод дает заниженные объемы аэротенков на десятки процентов по сравнению с результатами расчетов по теоретическим методикам ASM2d и ВОДГЕО/­СамГТУ, разработанной В. Н. Швецовым, С. В. Степановым, К. М. Морозовой, которые описывают процессы очистки сточных вод с помощью формул ферментативной кинетики. При этом показано, что ASM2d и методика ВОДГЕО/СамГТУ дают высокую сходимость результатов в пределах различий менее 10%, что позволяет говорить о корректности модели ASM2d и методики ­ВОДГЕО/СамГТУ, и ограниченности Методики, позволяющей ее использование только для грубых прикидочных расчетов.

Ключевые слова

сточные воды , биологическая очистка , нитрификация , денитрификация , активный ил , кинетические константы , теоретические и эмпирические математические модели , ASM2d , методика НИИ ВОДГЕО/СамГТУ , уравнения ферментативной кинетики , сравнительный расчет

DOI 10.35776/VST.2021.05.02
УДК 628.35

ШВЕЦОВ В. Н., Харькина О. В., Степанов С. В.

Сравнение результатов расчета аэротенков по моделям НИИ ВОДГЕО/СамГТУ и ASM2d

Аннотация

Проведено сравнение результатов расчета аэротенков, реа­лизующих процессы аэробного окисления органических сое­динений, нитрификации, денитрификации и удаления фосфора (химического и биологического) по двум различным математическим моделям (методикам): ВОДГЕО/СамГТУ (Самарского государственного технического университета) и ASM2d. Эти модели относятся к теоретичес­ким и описывают процессы биологической очистки сточных вод с помощью формул ферментативной кинетики. Расчеты для одних и тех же входных и выходных данных показали высокую сходимость результатов по объемам технологических зон аэротенков. Для качества очищенных вод до требований ПДК для водных объектов рыбохозяйственного значения (вариант 1) расхождение составляет –0,3 и 3,3% соответственно для аноксидной и аэробной зон. При показателях на сброс в водный объект категории Б (вариант 2) для сооружений от больших до сверхкрупных разница в результатах расчета объемов составила соответственно 13,8 и 15,4%. При расчете с учетом качества очищенной воды до значений технологических показателей на сброс в водный объект категории Г (вариант 3) для очистных сооружений от больших до сверхкрупных расхождение в значениях объемов аэробных зон составило 48%, что обусловлено целесообраз­ностью обеспечения устойчивой нитрификации при высоких нагрузках. По­этому вариант 3 по методике ВОДГЕО/СамГТУ фактически выполнен на более низкую нагрузку на ил и более глубокую нитрификацию, чем по методике ASM2d (1 вместо 2 мгN–NH₄/л). Показано, что лежащие в основе обеих методик математические модели, базирующиеся на фундаментальных уравнениях ферментативной реакции, весьма высокая сходимость и логичность результатов расчетов дают основание утверждать, что обе эти модели в наибольшей степени из известных приемлемы для расчета сооружений биологической очистки сточных вод с удалением азота и фосфора.

Ключевые слова

биологическая очистка , нитрификация , денитрификация , активный ил , кинетические константы , производственные и городские сточные воды , методики технологического расчета ВОДГЕО/СамГТУ и ASM2d , теоретические и эмпирические математические модели , сравнительный расчет сооружений биологической очистки