Карта сайта
A A A
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
МОДЕЛИРОВАНИЕ
ИНЖИНИРИНГ
ОБСЛЕДОВАНИЕ
ПРОГРАММИРОВАНИЕ
ОБОРУДОВАНИЕ
СЕРВИС
ПРОИЗВОДСТВО
banner confer 55086 text 2018
Печать
Аэрация для биологической очистки сточных вод: актуализация зарубежных терминов и аббревиатур - ЗАО ВИВ – Москва

 

Аэрация для биологической очистки сточных вод: актуализация зарубежных терминов и аббревиатур

Аэрация для биологической очистки сточных вод: актуализация зарубежных терминов и аббревиатур

В. И. Баженов1, А. В. Устюжанин2, Е. А. Королева3

 

  1. Баженов Виктор Иванович, доктор технических наук, профессор, исполнительный директор, ЗАО «Водоснабжение и водоотведение»

127018, Россия, Москва, Полковая ул., 1, тел.: +7 (495) 641-00-41, e-mail: info@pump.ru

  1. Устюжанин Андрей Вадимович, аспирант кафедры «Водоснабжение и водоотведение», Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет; ведущий инженер, ЗАО «Водоснабжение и водоотведение»

127018, Россия, Москва, Полковая ул., 1, тел.: +7 (495) 641-00-41, e-mail: info@pump.ru

  1. Королева Екатерина Александровна, преподаватель кафедры «Водоснабжение и водоотведение», Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет

129337, Россия, Москва, Ярославское шоссе, 26, тел.: +7 (499) 183-27-65, e-mail: KorolevaEA@mgsu.ru

Представлен анализ отечественных и зарубежных методик расчета аэротенков и руководств по их проектированию. Анализ современных подходов к расчету очистных соору-жений свидетельствует о том, что расчетный расход воздуха определяют в соответствии с потребностью биологического процесса в кислороде на окисление органических соеди-нений, нитрификацию и денитрификацию. Адаптированы международные термины и аббревиатуры к российским ана-логам во взаимосвязи с теорией массопереноса кислорода, а также зарубежные руководства по проектированию сооруже-ний для аэрации сточных вод. Поясняется различие между натурными (измеряемыми экспериментально) и расчетны-ми (определяемыми для проекта) параметрами OUR и AOR, SOTR и SOR. Балансовое равенство между OTR и AOR явля-ется оптимальным и экономичным проектным решением.

Отмечено, что использование актуализированных междуна-родных терминов и аббревиатур в тендерных и конкурсных процедурах (при проектировании и поставке) упростит их проведение и обеспечит взаимопонимание сторон. Потреб-ность в регулировании подачи воздуха в аэротенки обоснова-на балансом кислорода «потребление – растворение». В ди-намических условиях для регулируемых систем OTR → OUR. При автоматизированном поддержании заданной уставки по концентрации растворенного кислорода это условие приво-дит к экономии потребляемой электроэнергии.

Ключевые слова: сточные воды, биологическая очистка, аэротенк, система аэрации, нитрификация, денитрифика-ция, массоперенос кислорода, термины, аббревиатура, ре-гулирование расхода воздуха, OUR, AOR, OTR, SOTR, SOR, SOTE.

 

Aeration for wastewater biological treatment:

updating foreign terms and abbreviations

V. I. Bazhenov1, A. V. Ustiuzhanin2, E. A. Koroleva3

  1. Bazhenov Viktor, Doctor of Engineering, Professor, Executive Director, «Water and Waste Water» CJSC

1 Polkovaia St., 127018, Moscow, Russian Federation, tel.: +7 (495) 641-00-41, e-mail: info@pump.ru

2 Ustiuzhanin Andrei, Postgraduate Student, Department of Water Supply and Wastewater Disposal,

National Research Moscow State University of Civil Engineering; Leading Engineer, «Water and Waste Water» CJSC 1 Polkovaia St., 127018, Moscow, Russian Federation, tel.: +7 (495) 641-00-41, e-mail: info@pump.ru

3 Koroleva Ekaterina, Lecturer, Department of Water Supply and Wastewater Disposal, National Research Moscow State University of Civil Engineering

  1. Yaroslavskoe Hwy., 129337, Moscow, Russian Federation, tel.: +7 (499) 183-27-65, e-mail: KorolevaEA@mgsu.ru

The study of domestic and foreign methods for aeration tanks evaluation and their design guidelines is presented. The analysis of modern approaches to the calculation of treatment facilities indicates that the calculated air flow rate is determined in accordance with the oxygen demand of the biological process for the oxidation of organic compounds, nitrification and denitrification. International terms and abbreviations have been adapted to Russian analogues taken in conjunction with the theory of oxygen mass transfer, as well as the international guidelines for the design of wastewater treatment facilities. The difference between the field (experimentally measured) and calculated (determined for the design) parameters OUR and AOR, SOTR and SOR is explained. Balance equality between OTR and AOR is an optimal and economical design solution. It is noted that the use of updated international terms and abbreviations in tender and competitive procedures (during design and delivery) will simplify their implementation and ensure mutual understanding between the parties. The need for regulation of the air supply to aeration tanks is justified by the balance of oxygen «consumption – transfer». In dynamic conditions for regulated systems OTR → OUR. With the automated maintenance of the set point for the concentration of dissolved oxygen this condition provides for the savings in energy consumption.

Key words: wastewater, biological treatment, aeration tank, aeration system, nitrification, denitrification, oxygen mass transport, terms, abbreviations, air flow rate control, OUR, AOR, OTR, SOTR, SOR, SOTE.

Актуальность

В настоящее время наблюдается повышенный интерес к процессам биологической очистки сточных вод с удалением биогенных элементов. Обеспечение современных требований к качеству очищенной сточной воды реализуется на практике с помощью следующих процессов: окисление органических соединений, нитрификация, денитрификация, химическое, биологическое или биолого-химическое удаление фосфора. В советское время эти процессы также включались в технологические схемы, но основной отраслевой задачей, а также задачей типового проектирования очистных сооружений являлась реализация процесса окисления органических соединений.

Авторы неоднократно сталкивались с проблемой, когда оценка специалистами водоканалов величин расчетной подачи воздуха в системы аэрации аэротенков была затруднена или неверно трактовалась.

До сих пор используется старая редакция СНиП 2.04.03-85 «Канализация. Наружные сети и сооружения», в соответствии с которой производится расчет удельного расхода воздуха (пункт 6.157) и продолжительность аэрации в аэротенках (пункты 6.143, 6.144) без учета процессов нитри-денитрификации. Однако при новом строительстве и реконструкции канализационных очистных сооружений варианты технологий, содержащиеся в информационно-техническом справочнике по наилучшим доступным технологиям ИТС 10-2015 [1], предполагают внедрение процессов удаления биогенных элементов. Документом по стандартизации установлены соответствующие технологические показатели НДТ.

Новая редакция СП 32.13330.2018 «Канализация. Наружные сети и сооружения» (пункт 9.2.7.13) рекомендует рассчитывать расход воздуха на основании потребности процесса в кисло- роде при необходимой эффективности удаления загрязняющих веществ по применяемой технологии. Таким образом, действующие нормативные документы обосновывают необходимость использования расчетных моделей для аэрационных систем в соответствии с потребностью биологического процесса в кислороде на окисление органических соединений и нитри-денитрификацию.

Трактовка зарубежных терминов и аббревиатур представляет определенные трудности у российских специалистов. Вместе с тем участие зарубежных фирм в тендерах и конкурсных процедурах требует от специалистов водоканалов соответствовать уровню принятой международной терминологии. Следует отметить, что отечественные специалисты часто используют международно признанную терминологию процессов аэрации в контексте решаемых задач достаточно выборочно.

Настоящее время характеризуется этапом четвертой промышленной революции, т. е. необходимостью использования информационных систем с учетом развития технологических процессов в перспективе [2]. Интеграция двух информационных систем (SCADA и динамических имитационных моделей) уже обеспечивает возможность управления искусственным интеллектом. Рассматривать терминологию и аббревиатуры целесообразно без отрыва от классических математических моделей в динамике процессов аэрации.

С 2019 г. действуют новые правила государственного регулирования в области охраны окружающей среды. Программа повышения экологической эффективности (в составе комплексного экологического разрешения – КЭР) включает затраты на основные емкостные сооружения с учетом энергопотребления. Полагаем, что сооружения биологической очистки сточных вод с системами аэрации и воздуходувными станциями должны стать ключевыми элементами этой программы.

Цель настоящей статьи – анализ целевых зависимостей, актуализация зарубежной терминологии и аббревиатур, обоснование потребности в регулировании подачи воздуха в аэротенки при аэрации сточных вод.

Методики расчета

Приведенные ниже методики могут быть адаптированы к динамическим условиям реальных объектов и составить основу имитационных моделей.

Методика расчета НИИ ВОДГЕО и кафедры

«Водоснабжение и водоотведение» Самарско- го государственного технического университета (СГТУ). В сентябре 2018 г. была представлена методика расчета аэротенков с удалением биогенных элементов (для хозяйственно-бытовых, городских и производственных сточных вод) на базе обширных многолетних исследований НИИ ВОДГЕО и кафедры «Водоснабжение и водоотведение» СГТУ [3]. В основу технологического расчета сооружений биологической очистки положена концепция описания  этих  процессов с помощью уравнений ферментативной кинетики. Методика рассматривает технологические процессы с аноксидной и аэробной зонами и рециркуляцией части иловой смеси между этими зонами.

Расход подаваемого в аэробную зону воздуха предлагается рассчитывать по модифицирован- ной формуле (61) СНиП 2.04.03-85, добавляя в числитель потребление кислорода на нитрификацию. Формула (1) учитывает снижение расхода воздуха на аэрацию за счет окисления соответствующей части органических веществ в аноксидной и анаэробной зонах:

 


где qвозд – удельный расход воздуха, м /м очищаемой воды; qо.БПК – удельный расход кисло- рода, мг/мг снятой БПКполн (принимается рав- ным 1,1); БПКден.вых – БПКполн на выходе из денитрификатора без разбавления циркуляционным потоком между зонами нитрификации и денитрификации, мг/л; БПКвых – БПКполн очи- щенной воды (после вторичных отстойников), мг/л; qо.нитр – коэффициент расхода кислорода на окисление азота аммонийного до нитрата (стехиометрический коэффициент qо.нитр = 4,57), мг/мг; Nорг.вх – концентрация азота органического в исходной воде, поступающей в аэротенк, мг/л; NNH4вх, NNH4вых – концентрация азота аммонийного в исходной воде, поступающей в аэротенк, и в очищенной воде (после вторичных отстойников) соответственно, мг/л; Nизб.ил – удаление азота с избыточным илом, мг/л; K1 – коэффициент аэрации; K2 – коэффициент погружения аэратора; KT – температурный коэффициент; K3 – коэффициент качества воды; Сa – растворимость кислорода воздуха в воде, мг/л; Со – концентрация растворенного кислорода в нитрификаторе, мг/л.

Методика предполагает определение БПКполн на выходе из денитрификатора по формуле:

где БПКвх – биологическое потребление кислорода БПКполн в исходной воде, поступающей в аэротенк, мг/л; ΔБПКанаэр – расход БПК на удаление фосфора, мг/л; ΔБПКден – расход БПК на денитрификацию, мг/л; Ризб.ил – удаление фосфора с избыточным илом, мг/л; KБПК/Р – удельный расход БПК на удаление фосфора (стехиометрический расход KБПК/Р  = 15), мг/мг  Р–РО4; KБПК/Nден – удельный расход БПК на денитрификацию (стехиометрический расход  KБПК/Nден   == 3,43), мг/мг N–NO3; Nобщ.вх, Nобщ.вых – концент- рация азота общего в исходной воде, поступающей в аэротенк, и в очищенной воде (после вто- ричных отстойников), мг/л; Nв.в – удаление азота со взвешенными веществами очищенной воды, мг/л.

Таким образом, балансовые соотношения расхода подаваемого в аэробную зону воздуха по формуле (1) соблюдены. Полагаем, что физический смысл величин K1, K2, KT, K3, Сa, Со понятен (СНиП 2.04.03-85). Отнесем вопрос привязки коэффициентов K1 и K2 к необходимости перспективного обоснования величины SOTE, %, которая является характеристикой производителя аэрационных систем, а по сути – их КПД. Остальные физические величины проанализированы собственно в методике, а также в приме- ре расчета [3].

Методические рекомендации по проектированию сооружений биологической очистки с удалением азота и фосфора с использованием аэротенков, обеспечивающих технологические показатели НДТ. Об окончании разработки полноценных методических  рекомендаций   было   объявлено в начале 2019 г.  [4]. Рекомендательная часть  в максимально возможной степени учитывает положения отраслевого СП 32.13330.2018 и развивает их. Расчетная часть рекомендаций представляет собой синтез положений стандарта ATV-DVWK-A 131E «Dimensions of Single-Stage Activated Sludge Plants», адаптированных и переработанных авторами для применения в условиях новых отечественных требований к технологическим показателям НДТ, ряда зарекомендовавших себя формул старого СНиП 04.03-85, а также блока расчета системы подачи воздуха.

Расчетное часовое потребление кислорода, кг/сут, следует определять по формуле:

где fc, fN – коэффициенты пиковых нагрузок по потреблению кислорода (по отношению к сред-нему значению за 24 часа) при окислении органических веществ и аммонийного азота соответственно; M C – потребление кислорода для окисления органических соединений, кг/сут; M D – возврат кислорода в процессе денитрификации, кг/сут; M N – потребление кислорода для нитрификации, кг/сут.
 

Коэффициент fc представляет собой соотношение  скорости  потребления  кислорода  для удаления углерода в часы пиковой нагрузки к среднесуточному значению этой скорости. Благодаря тому, что значительная часть потребления кислорода определяется процессом гидролиза взвешенных веществ, данный коэффициент не может быть определен как соотношение пиковой нагрузки по БПК5 к среднесуточной. Коэффициент fN, напротив, равен соотношению пиковой нагрузки по общему азоту к среднесуточной нагрузке.

 

Показатель

Общий возраст ила, сут

4

6

8

10

15

25

fc

1,3

1,25

1,2

1,2

1,15

1,1

fN для BLIAT ≤ 1200 кг/сут

–

2,5

2,5

2,5

2

1,5

fN для BLIAT > 6000 кг/сут

–

2

2

1,8

1,5

–

Примечание: BLIAT – суточная нагрузка по БПК (BLIAT = M С /q0, где q0 – удельное потребление кислорода, кг/кг БПК).

Величины M D и M N определяют с использованием стехиометрических коэффициентов с некоторыми поправками: 4,3 и 2,9. Это соответ- ствует предыдущим предложениям Д. А. Даниловича [5], где представлены балансовые уравнения потребления кислорода. Значения коэффициентов fc табл. 1.

Актуализация международных терминов и аббревиатур

Анализ показывает, что в разных странах авторы пользуются отечественной терминологией при описании процессов аэрации и массопереноса. При этом аббревиатуры в некоторых языках (японский, китайский, иврит, хинди, немецкий, французский, польский, испанский, португальский) могут быть как локального происхождения, так и англоязычного (при использовании формул, формировании рисунков и таблиц, особенно в характеристиках аэраторов). Замечено, что те же авторы с переходом на англоязычные публикации широко используют международную терминологию и аббревиатуры. Трудности, связанные с необходимостью понимания международных терминов и аббревиатур применительно к их российским аналогам, возникают при проектировании, эксплуатации объектов и закупках аэрационного оборудования. В табл. 2 представлены определения (например, из EPA/625/1-89/023 «Design manual. Fine pore aeration systems», [6] и других источников), получившие международное распространение в практике расчетов. 

Теория массопереноса кислорода

Классически массовый баланс для растворяемого в жидкости газа для ячейки идеального смешения объемом V, м3, выражают уравнением скорости накопления газа в жидкости (dC/dt):

или с учетом массопереноса кислорода вместе с течением жидкости через ячейку:

где OTR – скорость переноса газа в натурных условиях, кг/ч по О2; OUR – скорость поглощения газа в натурных условиях, кг/ч по О2; KLa –

объемный   коэффициент   массопередачи,  ч–1, образованный произведением коэффициента массопередачи жидкостной пленки KL и удельной межфазной ее поверхности а (на практике во время аэрации отдельные измерения KL и a

Параметр

Определение

Комментарий или формула

Стандартные условия (standart conditions):

20 °С, 1 атм = 101,3 кПа, солесодержание = 0, концентрация растворенного кислорода (С) = 0 мг/л

 

 

 

SOTR

 

Standard Oxygen Transfer Rate – скорость переноса кислорода в стандартных усло- виях (в чистой воде), кг/ч.

Отечественный термин: ОС – окис- лительная способность в стандартных условиях, кг/ч

SOTR   V ¦ n  K a  C       ,

n      i 1 L 20i S _ 20i

где n – число проб на КРК; KLa20i – объемный коэффици- ент массопередачи (ч–1) в стандартных условиях для пробы i; CS_20i – концентрация насыщения жидкости кислородом (мг/л) в стандартных условиях для пробы i. Определяется экспериментально при испытаниях аэраторов в стандарт- ных условиях

 

 

SOR

 

Standard Oxygen Requirement – потреб- ность в кислороде в стандартных услови- ях, кг/ч

Расчетный параметр, предназначенный для проектирова- ния (или прогнозирования) конкретных систем и процес- сов аэрации. Расчетное значение SOR слагают из требуе- мых значений SOTR каждой из выделенных проектом зон аэрации по длине аэротенка. После расчета SOR возника- ет прецедент запроса оборудования у производителя

 

 

SOTE

Standard Oxygen Transfer Efficiency – эф- фективность переноса кислорода в стан- дартных условиях (на чистой воде), %. Отечественный термин: эффективность использования кислорода воздуха в стан- дартных условиях, %

SOTE, массовый % =

= (перенесенный O2/поданный O2)·100 = (SOTR/WO )·100,

2

где WO – массовый расход кислорода, кг/ч.

2

Определяется при испытаниях аэраторов в стандартных

условиях

 

SAE

Standard Aeration Efficiency – эффектив- ность аэрации в стандартных условиях (на чистой воде), кг/(кВт·ч)

SAE = SOTR/P,

где Р – потребляемая энергия, кВт

Натурные условия (field conditions):

давление p, температура Т, солесодержание, влияние ПАВ, влияние плотности раскладки аэраторов и т. д.

 

KLa

Volumetric mass transfer coefficient – объ- емный коэффициент массопередачи (на стороне жидкости), ч–1

Является функцией системы аэрации, подачи воздуха и геометрии аэротенка

 

α

Альфа-фактор (или коэффициент каче- ства воды K3) выражает влияние условий: натурные/чистая вода

α = KLaнатурная вода/KLaчистая вода

α = 0,3–1

 

F

 

F-фактор, коэффициент засорения и старения аэраторов

F = αSOTEновые аэрат/αSOTEстарые аэрат Для мелкопузырчатых аэраторов: F = 0,5–1;

αF = 0,11–0,79

 

OTR, иногда OTRf, иногда AOTR

Oxygen Transfer Rate – скорость переноса кислорода в натурной воде, кг/ч;

Actual Oxygen Transfer Rate – реальная скорость переноса кислорода, кг/ч. Отечественный термин: окислительная способность в реальных условиях, кг/ч

OTR K a(C f C)V ,

L            S

где V – объем воды, м3.

Также используют формулу (5) для учета натурных усло- вий при расчетах и прогнозе

 

AOR

 

Actual Oxygen Requirement – потребность в кислороде при реальных условиях, кг/ч

Расчетный параметр, предназначенный для проекти- рования (или прогнозирования). Формула (6) отражает потребность O2 на окисление органических веществ (БПК) + неорганических химических веществ + нитри- денитрификации

 

 

OTE, иногда OTEf, иногда AOTE

Oxygen Transfer Efficiency – эффектив- ность переноса кислорода (для натурных условий), %

Actual Oxygen Transfer Efficiency, % – ре- альная эффективность переноса кисло- рода, %.

Отечественный термин: эффективность использования кислорода воздуха в ре- альных условиях, %

 

 

OTE = (O2вход – O2выход)/O2вход – массовые расходы кисло- рода.

Могут быть измерены методом отходящих газов. Приво- дят характеристику SOTE к реальным условиям

AE

Aeration Efficiency – эффективность аэра- ции, кг/(кВт·ч)

AE = OTR/P,

где Р – потребляемая энергия, кВт

 

β

Бета-фактор, отражает влияние соле- содержания в сточной воде на скорость переноса кислорода

 

β = 0,95–0,98

 

 

OUR

 

 

Oxygen Uptake Rate – скорость потребле- ния кислорода, кг/ч

Натурный фактический параметр OUR = rmV, где rm – скорость дыхания ила, кг/(м3·ч) по O2

Может быть измерена респирометрическим методом.

При прецеденте математического описания OUR принято определять более подробно, чем AOR, например по кине- тическим параметрам биологических процессов потребле- ния кислорода

 

SOUR

Specific Oxygen Uptake Rate – удельная скорость потребления кислорода, мг/(г·ч) активного ила

SOUR = OUR/доза ила, где доза ила MLVSS (по беззольно- му веществу) или MLSS (с учетом зольности). Обозначают как натурные, так и расчетные параметры

 

rm

Respiration rate – скорость дыхания ми- кроорганизмов активного ила, кг/(м3·ч)

по О2, мг/(л·ч)

 

rm = OUR/V

трудно выполнить в отличие от KLa – фактического значения, определяемого в натурных условиях; следует осторожно относиться к объемным коэффициентам массопередачи, выраженным для различных условий, в литературе часто встречаются величины различного назначения: K a´, K a*, K a , K a для стандартных условий); C  –  концентрация  растворенного в жидкости газа, кг/м3 по О2 (мг/л), по которой интегрируем дифференциальное уравнение; rm – скорость дыхания микроорганизмов (например, активного ила), кг/(м3·ч) по О , мг/(л·ч); С ¥ – концентрация насыщения газом в натурных условиях, кг/м3 по О , мг/л; Q – мгновенный расход сточной воды, м3/ч; С вход – концентрация газа в во- де, входящей в объем ячейки, кг/м3 по О , мг/л; V – объем ячейки идеального смешения, м3;  (С ¥ – C) – при аэрации сточных вод данную величину называют «дефицит кислорода». В соответствии с теорией Льюиса–Уитмена [7] (1924 г.), на границе раздела фаз образуется двойная газожидкостная пленка, которая находится в ламинарном движении, тогда как остальная среда – в турбулентном движении [8]. Таким образом, перенос кислорода и других умеренно растворимых  газов  можно моделировать, используя двухпленочную теорию (или теорию сопротивления двух пленок). Данная теория была доработана Хигби [9] в 1935 г. с учетом геометрической формы границы раздела фаз и Данквертсом [10] (1951 г.) с учетом периодического обновления жидкостной фазы контакта. 

Особенности используемой терминологии и аббревиатур при проектировании

Чтобы упростить задачу производителя по подбору подходящего оборудования, принято сопровождать параметры аэраторов результатами тестирования в стандартных условиях (тест на чистой воде, температура 20 °С, давление 1 атм = 101,3 кПа, солесодержание = 0, исходная концентрация растворенного кислорода в начале опыта С = 0 мг/л). Из условий эксперимента традиционно определяют SOTE, SOTR). SOTE зависит от глубины погружения аэраторов1, их раскладки по днищу аэротенка, устройства или конструкции аэратора, количества подаваемого воздуха. Например, раскладка плетей мелкопузырчатой аэрации по принципу крайних значений faz/fat = 0,05 и 1 увеличивает SOTE (в табл. 42 СНиП 2.04.03-85 приводится коэффициент К1, отвечающий за подобную функцию) на 72%. Переход от стандартных условий к натурным выполняют по формуле (5)2 (EPA/625/1-89/023, [6]) с использованием эмпирических параметров коэффициента качества воды α, бета-фактора β и температурного коэффициента θ: 

где С 20 – установившаяся концентрация насыщения растворенного кислорода, достигаемая при бесконечном времени аэрации при 20 °C и давлении 101325 Па на чистой воде (табличная величина растворимости кислорода в воде при стандартных условиях), мг/л; W – поправочный коэффициент по барометрическому давлению для С  P /P (P – на рабочей площадке; P –s20b Sb атмосферное давление при стандартных условиях, 1 атм = 101,3 кПа), безразмерная величина; τ – поправочный коэффициент по температуре для С, безразмерная величина; δ – поправочный коэффициент по давлению столба жидкости для С s20 (эмпирические зависимости из EPA/625/1-89/023, с. 26), безразмерная вели- чина; θ = 1,024.

Развитие F-фактора во времени [12–17] приводит к старению материала аэраторов, их кольматации и изменению сопротивления (потерь давления). В ходе старения мембранных аэраторов материалы (EPDM, полиуретан, силикон) изменяют свои свойства (упругость, эластичность) по-разному. Для преждевременного предотвращения механических разрушений необходимо периодически осуществлять воз- душную и/или химическую промывку – регенерацию мембранных аэраторов.

Примеры развития α-фактора в динамике изменений (EPA/625/1-89/023; [12–14]) подтверждают его зависимость от изменения компонентов сточных вод, например концентрации поверхностно-активных веществ, хотя модели активного ила типа ASM [13] полагают α-фактор постоянным в зависимости от его настройки пользователем по величине OTE. Последние исследования [15; 18] отчетливо свидетельствуют о ярко выраженной противофазе динамических суточных колебаний α-фактора и органической нагрузки (по ХПК). Предложенная модель рас- считывает динамические параметры OTE и OTR (под влиянием α-фактора) в зависимости от органической нагрузки (ХПК). Отмечено прогнозирование более реалистичных параметров, чем традиционный метод принятия постоянных значений α. Следствием является изменение производительности и потребления электроэнергии в процессе аэрации.

Строго говоря, формулы (4) и (5) являются классическими балансовыми уравнениями для реальных фактических условий объекта и с учетом перехода на стандартные условия. Начальным этапом проектирования является оценка параметров OUR или rm. Очевидно, что эти параметры могут быть измерены в реальных условиях на объекте, что не совсем удобно при решении проектных задач. Однако заметим, что стандартные имитационные модели типа ASM (ASM1, ASM2, ASM2d, ASM3) используют именно эти параметры. Использование сложных систем уравнений, отражающих учет технологических нагрузок, позволяет выполнить прогноз.

Параметр AOR впервые был введен Агентством по охране окружающей среды США (EPA/625/1-89/023) в 1989 г. для целей проектирования и с тех пор широко используется проектировщиками, консультантами и компаниями, производящими аэрационное оборудо- вание. Его главное предназначение – оценить или спрогнозировать фактическую потребность в кислороде в рабочих условиях процесса при учете параметра возраста ила (SRT – Solid Reten- tion Time):

Заметим, что слагаемые уравнения (6) учтены при разработке упоминаемых методик – уравнения (1) и (3).

Расчет при проектировании величин AOR может быть обоснован различными подходами: упрощенными и полными исчислениями, эмпирическими или практическими методами с учетом специальных требований (например, регулирующих органов), с использованием имитационных моделей, с учетом гидродинамических и нестационарных условий [19]. Расчетный параметр AOR предназначен для математического описания реальной величины OUR, которая постоянно изменяется во времени и по длине аэротенка.

Самым рациональным способом является определение AOR на основе суммирования вели- чин технологических нагрузок по: БПК, концентрации аммонийного азота (с оценкой возможностей нитрификации), попутных станционных (со стадии обработки осадка, промывочных си- стем, от оборудования для обработки отбросов или жира, сливных станций и т. п.). Дальнейший анализ потребности в кислороде и ее пространственного распределения во времени может привести к минимальным, средним и пиковым значениям AOR. Кроме того, летние и зимние условия работы также могут быть разными. Методики, описанные выше, могут быть использованы или адаптированы к определению AOR.

Следующей ключевой задачей проектирования является оценка OTR (или OTRf). Достаточно часто в практических исследованиях встречается прямое равенство функций раз- личной природы явлений OTRf = AOR согласно EPA/625/1-89/023.  Однако  первоисточник  на  с. 123 лишь комментирует: «Определите скорости передачи кислорода в натурной воде (OTRf) по зоне аэрации и рабочим условиям. Установите эти OTRf равными их соответствующим AOR (то есть, OTRf должны удовлетворять соответствующим AOR)». Это означает, что при проектировании системы аэрации необходимо,  чтобы  ее производительность (с учетом всех факторов, влияющих на натурный процесс) соответствовала расчетному потреблению кислорода AOR. Балансовое равенство между OTRf и AOR служит залогом самодостаточности и экономичности проекта системы аэрации.

Проектировщик несет полную ответствен- ность за цикл трансформации AOR в SOR (или соотношение3 AOR/SOR). Производители аэрационных систем могут дать совет, но не могут нести ответственность за эту ключевую инженерную задачу. Если это невозможно, проектировщику

Заметим, что слагаемые уравнения (6) учтены при разработке упоминаемых методик – уравнения (1) и (3).

Расчет при проектировании величин AOR может быть обоснован различными подходами: упрощенными и полными исчислениями, эмпирическими или практическими методами с учетом специальных требований (например, регулирующих органов), с использованием имитационных моделей, с учетом гидродинамических cледует четко определить потребность в кислороде в качестве значения AOR и предоставить максимально возможную информацию поставщику оборудования (для помощи в определении соотношения AOR/SOR). Однако вера проектировщика в опыт и благонадежность поставщика и предмет гарантий обеспечения реальных условий – достаточно разные прецеденты.

Обоснование необходимости регулирования

В контексте представленных классических зависимостей (4), (4а) регулирование подачи воздуха представляет собой поддержание баланса между фазовыми изменениями по кислороду в аэротенке: потреблением и растворением (рис. 1). В динамических условиях для нерегулируемой системы в любой момент времени имеем OTR ¹ OUR, а для регулируемых систем OTR → OUR. В конечном счете регулирование приводит к экономии потребляемой электро- энергии: воздуходувками4 (при пневматической системе аэрации), электродвигателями (при механической), насосами (при струйной).

Исходная масса загрязнений (или субстрата) изменяется во времени и зависит от режима жизни населения. При поступлении загрязнений в аэротенк изменяются: скорость потребления кислорода OUR, скорость роста биомассы активного ила. Метод респирометрии позволяет оценить измерение скорости дыхания микроорганизмов активного ила rm и OUR в четко определенных экспериментальных условиях.

Переход кислорода из газовой фазы в жидкую является энергоемким процессом на станции аэрации. Он имеет решающее значение для аэробного биологического процесса. Аэрация важна для обеспечения достаточной концентрации растворенного кислорода для аэробных организмов, выполняющих удаление БПК и нитрификации.

Та или иная скорость переноса кислорода OTR возникает, как только в аэротенке заработала система аэрации. Если регулирование подачи воздуха в аэротенк отсутствует, концентрация растворенного в жидкости кислорода C (или КРК) колеблется в широких пределах, в том числе и далеко за пределами зоны оптимума. Регулирование подачи воздуха в аэротенк обеспечивает поддержание баланса между фазовыми изменениями по кислороду «потребление – растворение» (рис. 1), что соответствует поддержанию заданной оптимальной уставки КРК и пониженным энергозатратам. Последнее – с оговорками: уставка по КРК не должна лимитировать скорость биологических процессов; поддержание биомассы во взвешенном состоянии выполняется.

Принято считать, что при проектировании и эксплуатации реактора-смесителя целесообразно принимать значение уставки 2 мг/л. Однако это не является безоговорочным утверждением, скорее, некоторой комплексной рекомендацией. Так, при пониженных значениях КРК (до 0,5 мг/л) формируются более рыхлые хлопья активного ила с ухудшенными седиментационными свойствами [20], что также характеризует условия для развития нитчатых форм и вспухания ила. В условиях реактора-вытеснителя КРК может изменяться по длине аэротенка от 0 до 6–7 мг/л и даже более. Это означает, что значение уставки зависит от места расположения датчика.

Поддержание заданной уставки КРК приводит к экономии потребляемой электроэнергии. Величина экономии схематически показана на нижнем графике рис. 1. Она ограничена линиями потребляемой энергии силовым оборудованием с регулированием и без него (подробнее, например, в [21; 22]).

Характеристику аэраторов SOTE можно представить в виде функции двух переменных (рис. 2), интерполируя промежуточные значения глубины, которые не содержатся в исходной характеристике от производителя. Очевидно, что глубину установки аэраторов для конкретных объектов можно считать постоянной, пренебрегая изменением уровня жидкости в реакторах при изменении расхода. При этом объемный коэффициент   массопередачи   KLa  представляет функцию от расхода подаваемого в аэротенк воздуха (EPA/625/1-89/023, [6; 23]), при этом эффективность аэрации падает с его увеличением.

Зависимость OTR = K a(C ¥ – C)V характеризует механизм компенсации потребления кислорода посредством регулирования расхода воздуха. При регулировании расхода подаваемого воздуха: dC/dt → 0, а OTR → OUR, что является обоснованием необходимости регулирования.

В завершение отметим ученых ВНИИ ВОДГЕО Б. М. Худенко и Е. А. Шпирта. В 1973 г. ими был издан классический труд «Аэраторы для очистки сточных вод» [24], который рассматривал процессы аэрации в неразрывной связи с гидродинамической структурой потока жидкости в аэротенках на основе коэффициента турбулентной диффузии D или безразмерного критерия D/uL. Эти параметры были обоснованы автора- ми в рамках существовавших тогда конструктивных решений аэротенков и систем подачи воздуха. Аналогичная зарубежная публикация [25] до сих пор сохраняет актуальность и является источником повышенной цитируемости.

Выводы

  1. Обоснована необходимость и представлена возможность использования расчетных моделей для аэрационных систем в соответствии с потребностью биологического процесса в кислороде на окисление органических соединений, нитрификацию и денитрификацию. Тенденция использования имитационных моделей характерна для настоящего времени при проектировании и эксплуатации аэротенков. Нестационарный характер классических уравнений массопереноса кислорода позволяет использовать их в качестве основы для регулирования и прогнозирования баланса кислорода «потребление – растворение» при OTR → OUR. В итоге это обеспечивает экономию потребляемой электроэнергии.
  2. Выполнена актуализация и адаптация международных терминов и аббревиатур к их россий- ским аналогам. Поясняется различие между экспериментальными и расчетными параметрами OUR и AOR, SOTR и SOR. Балансовое равенство между OTR и AOR является оптимальным и экономичным проектным решением.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Информационно-технический справочник по наи- лучшим доступным технологиям ИТС 10-2015. Очист- ка сточных вод с использованием централизованных систем водоотведения поселений, городских окру- гов. – М., Бюро НДТ, 2015. 378 с. Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/1200128670 (дата обраще- ния 27.08.2019).
  2. Баженов В. И., Данилович Д. А., Самбурский Г. А. и др. Цифровой водоканал – миф или реальность? // Наи- лучшие Доступные Технологии водоснабжения и водо- отведения. 2017. № 6. С. 38–48.
  3. Швецов В. Н., Морозова К. М., Степанов С. В. Расчет сооружений биологической очистки городских и про- изводственных сточных вод в аэротенках с удалением биогенных элементов // Водоснабжение и санитарная техника. 2018. № 9. С. 26–39.
  4. Данилович Д. А., Эпов А. Н. Проектирование сооруже- ний биологической очистки с удалением азота и фос- фора в соответствии с требованиями НДТ: разработаны методические рекомендации // Наилучшие доступные технологии водоснабжения и водоотведения. 2019.№ 1. С. 6–13.
  5. Данилович Д. А. Опыт совершенствования и оценки эффективности аэрационных систем // Водоснабже- ние и санитарная техника. 2015. № 1. С. 38–51.
  6. Aeration manual of practice No. FD-13. – Water Pollution Control Federation, 1988. 167 p.
  7. Lewis W. K., Whitman W. G. Principles of gas absorption // Industrial & Engineering Chemistry. 1924. № 16. P. 1215– 1220.
  8. Попкович Г. С., Репин Б. Н. Системы аэрации сточных вод. – М.: Стройиздат, 1986. 136 с.
  9. Higbie R. The rate of absorption of a pure gas into a still liquid during short periods of exposure // Transactions of the Institution of Chemical Engineers. 1935. № 31. P. 365–389.
  10. Danckwerts P. V. Absorption by simultaneous diffusion and chemical reaction into particles of various shapes and into falling drops // Transactions of the Faraday.  1951. № 47. P. 1014–1023.
  11. Diffused aeration design guide. Sanitaire. Режим досту- па: https://www.academia.edu/14028569/DIFFUSED_ AERATION_DESIGN_GUIDE (дата обращения 27.08.2019).
  12. Rosso D., Stenstrom M. K., Larson L. E. Aeration of large-scale municipal wastewater treatment plants: state of the art // Water Science and Technology. 2008. V.  57 (7).  P. 973–978.
  13. Henze M., Mark C. M., van Loosdrecht, Ekama G. A., Brdjanovic D. Biological wastewater treatment. Chapter 9. Aeration and mixing (Stenstrom M. K., Rosso D.). – IWA Publishing, 2008. 528 p.
  14. Rosso D., Libra J. A., Wiehe W., Stenstrom M. K. Membrane properties change in fine-pore aeration diffusers: Full-scale variations of transfer efficiency and headloss // Water Research. 2008. V. 42. P. 2640–2648.
  15. Garrido-Baserba M., Sobhani R., Asvapathanagul P. Modelling the link amongst fine-pore diffuser fouling,oxygen transfer efficiency, and aeration energy intensity // Water Research. 2017. № 111. P. 127–139.
  16. Баженов В. И., Эпов А. Н., Канунникова М. А. Основа управляемых процессов при биологической очистке. Современные пневматические мембранные  аэрато-  ры // Вода Magazine. 2012. № 4 (56). С. 22–28.
  17. Баженов В. И., Эпов А. Н. Энергосбережение как кри- терий выбора аэратора // Наилучшие доступные тех- нологии водоснабжения и водоотведения. 2012. № 1. С. 2–17.
  18. Jiang Lu-Man, Garrido-Baserba M., Nolasco D., Rosso D. Modelling oxygen transfer using dynamic alpha factors // Water Research. 2017. № 124. P. 139–148.
  19. Баженов В. И., Устюжанин А. В. Математическая мо- дель биологической очистки сточных вод с учетом гид- родинамических и нестационарных условий // Вестник Иркутского государственного технического универси- тета. 2014. № 11 (94). С. 128–134.
  20. Баженов В. И., Канунникова М. А. Механизм адапта- ции активного ила к низким концентрациям кисло- рода // Достижения науки и техники АПК. 2012. № 9. С. 82–84.
  21. Ракицкий Д. С., Егорова Ю. А., Левин Д. И., Гордеев С. А., Нагорный С. Л., Баженов В. И., Петров В. И., Устюжанин А. В. Энергоэффективный принцип рекон- струкции воздуходувной станции городских очистных канализационных сооружений Самары // Водоснабже- ние и санитарная техника. 2016. № 8. С. 52–62.
  22. Битиев А. В., Басов Н. С., Новиков С. Н., Смоленский А. В., Баженов В. И., Устюжанин А. В. Прогнозиро- вание энергосберегающего эффекта управляемой по- дачи воздуха для Ново-Люберецких очистных соору- жений // Водоснабжение и санитарная техника. 2018. № 9. С. 47–56.
  23. Mueller J., Boyle W. C., Popel I. H. J. Aeration: principles and practice. 2002. V. 11. 368 p.
  24. Худенко Б. М., Шпирт Е. А. Аэраторы для очистки сточных вод. – М.: Стройиздат, 1973. 112 с.
  25. Khudenko B. M., Shpirt E. A. Hydrodynamic parameters of diffused air systems // Water Research. 1986. V. 20. № 7. P. 905–915.

 

REFERENCES

  1. Informatsionno-tekhnicheskii spravochnik po nailuchshim dostupnym tekhnologiiam ITC 10-2015. Ochistka stochnykh vod s ispol’zovaniem tsentralizovannykh system vodootvedeniia poselenii, gorodskikh okrugov [Information and reference technical reference book ITS 10-2015. Wastewater treatment with the use of public wastewater disposal systems of communities, urban districts. Мoscow, NDT Bureau Publ., 2015. 378 p.]. Available at: http://docs.cntd.ru/document/1200128670 (Accessed on 27.08.2019).
  2. Bazhenov V. I., Danilovich D. A., Samburskii G. A., et al. [Digital vodokanal – a myth or reality]. Nailuchshie Dostupnye Tekhnologii Vodosnabzheniia i Vodootvedeniia, 2017, no. 6, pp. 38–48. (In Russian).
  3. Shvetsov V. N., Morozova K. M., Stepanov S. V. [Designing facilities for municipal and industrial wastewater biological treatment  in aeration tanks with nutrients removal]. Vodosnabzhenie i Sanitarnaia Tekhnika, 2018, no. 9, pp. 26–39. (In Russian).
  4. Danilovich D. A., Epov A. N. [Designing biological treatment facilities with nitrogen and phosphorus removal according to BAT requirements: methodological recommendations have been developed]. Nailuchshie Dostupnye Tekhnologii Vodosnabzheniia i Vodootvedeniia, 2019, no. 1, pp. 6–13. (In Russian).
 
  1. Danilovich D. A. [The experience of improving and evaluating the efficiency of aeration systems]. Vodosnabzhenie i Sanitarnaia Tekhnika, 2015, no. 1, pp. 38–51. (In Russian).
  2. Aeration manual of practice No. FD-13. Water Pollution Control Federation, 1988, 167 p.
  3. Lewis W. K., Whitman W. G. Principles of gas absorption. Industrial & Engineering Chemistry, 1924, no. 16, pp. 1215–1220.
  4. Popkovich G. S., Repin B. N. Sistemy aeratsii stochnykh vod [Wastewater aeration systems. Мoscow, Stroiizdat Publ., 1986, 136 p.].
  5. Higbie R. The rate of absorption of a pure gas into a still liquid during short periods of exposure. Transactions of the Institution of Chemical Engineers, 1935, no. 31, pp. 365–389.
  6. Danckwerts P. V. Absorption by simultaneous diffusion and chemical reaction into particles of various shapes and into falling drops. Transactions of the Faraday, 1951, no. 47, pp. 1014–1023.
  7. Diffused aeration design guide. Sanitaire. Available at: https://www.academia.edu/14028569/DIFFUSED_AERATION_ DESIGN_GUIDE (Accessed on 27.08.2019).
  8. Rosso D., Stenstrom M. K., Larson L. E. Aeration of large-scale municipal wastewater treatment plants: state of the art. Water Science and Technology, 2008, v. 57 (7), pp. 973–978.
  9. Henze M., Mark C. M., van Loosdrecht, Ekama G. A., Brdjanovic D. Biological wastewater treatment. Chapter 9. Aeration and mixing (Stenstrom M. K., Rosso D.). IWA Publishing, 2008, 528 p.
  10. Rosso D., Libra J. A., Wiehe W., Stenstrom M. K. Membrane properties change in fine-pore aeration diffusers: Full-scale variations of transfer efficiency and head loss. Water Research, 2008, v. 42, pp. 2640–2648.
  11. Garrido-Baserba M., Sobhani R., Asvapathanagul P. Modelling the link amongst fine-pore diffuser fouling, oxygen transfer efficiency, and aeration energy intensity. Water Research, 2017, no. 111, pp. 127–139.
  12. Bazhenov V. I., Epov A. N., Kanunnikova M. A. [The basis of controlled processes in biological treatment. Advanced pneumatic membrane aerators]. Voda Magazine, 2012, no. 4 (56), pp. 22–28. (In Russian).
  13. Bazhenov V. I., Epov A. N. [Power conservation as a criterion of choosing an aerator]. Nailuchshie Dostupnye Tekhnologii Vodosnabzheniia i Vodootvedeniia, 2012, no. 1, pp. 2–17. (In Russian).
  14. Jiang Lu-Man, Garrido-Baserba M., Nolasco D., Rosso D. Modelling oxygen transfer using dynamic alpha factors. Water Research, 2017, no. 124, pp. 139–148.
  15. Bazhenov V. I., Ustiuzhanin A. V. [Mathematical model pf wastewater biological treatment with account of hydrodynamic and transient conditions]. Vestnik Irkutskogo Gosudarstvennogo Tekhnicheskogo Universiteta, 2014, no. 11 (94), pp. 128–134. (In Russian).
  16. Bazhenov V. I., Kanunnikova M. A. [Mechanism of activated sludge adaptation to low concentrations of oxygen]. Dostizheniia Nauki i Tekhniki APK, 2012, no. 9, pp. 82–84. (In Russian).
  17. Rakitskii D. S., Egorova Iu. A., Levin D. I., Gordeev S. A., Nagornyi S. L., Bazhenov V. I., Petrov V. I., Ustiuzhanin A. V. [Energy- efficient principle of upgrading the air-blower house at the Samara municipal wastewater treatment facilities]. Vodosnabzhenie i Sanitarnaia Tekhnika, 2016, no. 8, pp. 52–62. (In Russian).
  18. Bitiev A. V., Basov N. S., Novikov S. N., Smolenskii A. V., Bazhenov V. I., Ustiuzhanin A. V. [Predicting energy-efficient effect of the controlled air delivery at the Novo-Liuberetskie Wastewater Treatment Facilities]. Vodosnabzhenie i Sanitarnaia Tekhnika, 2018, no. 9, pp. 47–56. (In Russian).
  19. Mueller J., Boyle W. C., Popel I. H. J. Aeration: principles and practice, 2002, v. 11, 368 p.
  20. Khudenko B. M., Shpirt E. A. Aeratory dlia ochistki stochnykh vod [Aerators for wastewater treatment. Мoscow, Stroiizdat Publ., 1973, 112 p.].
  21. Khudenko B. M., Shpirt E. A. Hydrodynamic parameters of diffused air systems. Water Research, 1986, v. 20, no. 7, pp. 905–915.
открыть статью в PDF