WWW.KNIGA.LIB-I.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Онлайн материалы
 

«УДК 628.16.08 В.Л. Поляков, доктор технических наук Институт гидромеханики НАН Украины РАСЧЕТ ВЫСОТЫ СЛОЯ ЗАГРУЗКИ В БИОРЕАКТОРЕ-ФИЛЬТРЕ Представлена методика ...»

УДК 628.16.08

В.Л. Поляков, доктор технических наук

Институт гидромеханики НАН Украины

РАСЧЕТ ВЫСОТЫ СЛОЯ ЗАГРУЗКИ В БИОРЕАКТОРЕ-ФИЛЬТРЕ

Представлена методика инженерного расчета высоты загрузки, исходя из

заданной концентрации легкоразлагаемых органических загрязнений на

выходе из биореактора-фильтра. Выполнен количественный анализ связи

рациональной высоты с исходным и нормативным уровнями

загрязненности воды. Методика иллюстрируется примером ее расчета при типичных условиях биофильтрования.

Ключевые слова: биофильтрование, биореактор-фильтр, субстрат, высота загрузки, биомасса, биопленка.

Представлено методику інженерного розрахунку висоти завантаження виходячи із заданої концентрації низькомолекулярних органічних сполук на виході з біореактора-фільтра. Виконано кількісний аналіз зв’язку раціональної висоти із вихідним і нормативним рівнями забрудненості води. Методика ілюструється прикладом її розрахунку за типових умов біофільтрування.

Ключові слова: біофільтрування, біореактор-фільтр, субстрат, висота завантаження, біомаса, біоплівка.

A method is presented for simplified calculation of filter medium height coming from a given concentration of low-molecular organic substances at the submerged biofilter exit. A quantitative analysis has been performed of the height depending on initial and admissible levels of water pollution. The method has been illustrated by an example of calculating filter height at typical biofiltration conditions.



Key words: biofiltration, submerged biofilter, filter medium, substrate, height, biomass, biofilm.

Высокая эффективность удаления легкоразлагаемых органических веществ достигается в биореакторе-фильтре благодаря окислительному действию (микро)биологической фазы, которая прочно закреплена на элементах (гранулы, зерна) неподвижного слоя загрузки [1, 2]. По существу эта фаза после выхода с течением времени аппарата на основной эксплуатационный режим со стабильными показателями представляет собой континуум со специфическими физико-химическими и биологическими свойствами и чрезвычайно сложной конфигурацией его границ. Тем не менее, в первом приближении всю фиксированную биомассу оправдано рассматривать как протяженную плоскую биопленку с усредненными характеристиками, прежде всего, толщиной l f и удельной площадью деятельной поверхности. Тогда появляется возможность дать детальное описание процессов внутри биопленки, непосредственно отвечающих за удаление растворимой органики, и корректно сформулировать (внутреннюю) математическую задачу для биопленки. Важнейшим результатом ее решения является зависимость потока вещества в биопленку от ее толщины и его концентрации в жидкой фазе фильтра S w. Опираясь на эту зависимость, несложно вывести выражение для функции, характеризующей интенсивность утилизации вещества (субстрата) в объеме загрузки. В дальнейшем решается уже задача устано

–  –  –

биомассой. В первой зоне ( 0 z zm ) толщину биопленки можно считать неизменной и равной lm. Поэтому здесь отпадает необходимость в использовании уравнения баланса биомассы (2), а ее потери косвенно характеризуются параметром lm. Во второй зоне ( zm z L ) толщина l f с глубиной весьма быстро убывает, а значит приобретает особое значение адекватное описание убыли биомассы. Для этого коэффициент kl представляется в виде суммы трех компонентов [10] kl l f k d l f k r k p l f.





(3) В литературе по биопленочным технологиям для величины kd предложены формулы двух типов в зависимости от определяющей ее характеристики, а именно, концентрации биомассы (или толщины l f ) и напряжения трения. Ниже предпочтение отдано наиболее распространенной линейной зависимости [11, 12] k d k d 0l f. (4) В принципе возможно подобрать такую форму функции kd l f, что она будет l f lkp kd. С увеличением содержать критическую толщину lkp и при порядка особенности в точке l f lkp распределение биомассы в загрузке становится равномернее. При таком подходе, во-первых, нет необходимости в экспериментальном определении lm, во-вторых, процедура вычислений значительно упрощается. Однако, возникает серьезная проблема с выбором lkp и видом функции kd l f. Подходящие для этой цели опытные данные автору неизвестны. Поэтому в последующих выкладках задействована формула (4), тем более, что она позволяет выразить характеристики биофильтрования через элементарные функции.

Интенсивность самоокисления биомассы, как правило, считается пропорциональной концентрации и поэтому коэффициент kr в (3) является константой [13]. Потребление микробной биомассы в качестве пищи, прежде всего, зависит от концентрации простейших животных, которая со временем меняется. Поэтому, строго говоря, в исходную модель следовало бы ввести дополнительно уравнение их баланса. Но поскольку простейшим свойственна сезонная динамика, то скорость выедания как и в случае с дыханием оправдано характеризовать постоянным коэффициентом k p, объединив его в расчетах с kr. Далее под kr будет пониматься сумма коэффициентов kr и k p.

Расчеты искомой высоты загрузки предлагается проводить, исходя из заданной в соответствие с существующими нормативами выходной

–  –  –

Следует заметить, что вследствие низкого содержания субстрата во второй зоне и обусловленного этим резкого убывания здесь концентрации биомассы часто оказывается невозможным достигнуть необходимого качества водоочистки в фильтре и при сколь угодно большой мощности его фильтрующего слоя. Тогда приходится искать другие пути реализации поставленной практической задачи, например, применять более мелкие элементы загрузки.

–  –  –

диапазонах, которые отвечают не только условиям глубокой очистки воды.

Кроме того, для иллюстрации практического применения вышеупомянутой методики изложена процедура вычисления конкретных значений L.

В методике задействованы 13 параметров и, ввиду ограниченности объемов статьи, оценить значимость для основного конструктивного параметра каждого из них не представляется возможным. Поэтому весь массив входной информации можно условно разделить на базовую и текущую. Базовая включает значения тех модельных параметров, которые не меняются в ходе всех вычислений, а именно, m 0.1ч 1, kd 0 25 м ч, kr 0, D 2 106 м ч, B 105 гХПК м3, Y 0.5 гХПК S гХПК B ( B биомасса),

0.05 м ч, V 5 м ч, K 20 гХПК м3. Фактически это усредненные значения, из множества доступных литературных данных. Значения S0, S*, lm, варьировавшиеся дискретно или непрерывно, составили текущую информацию и в совокупности позволили исследовать чувствительность по отношению к этим параметрам расчетной высоты.

В первую очередь были проведены две серии расчетов такой высоты L, при которой концентрация субстрата в фильтре снижается до величины S* 10 гХПК м3. При этом для исходной концентрации S0 выбран диапазон от 25 до 250 гХПК м3. При увеличении нагрузки на фильтр удается до некоторых пор поддерживать качество водоочистки на прежнем уровне, наращивая мощность фильтрующего слоя. О степени ее прогнозируемого прироста при разной концентрации биомассы позволяют судить рис.1, 2, на которых показаны кривые зависимости высоты L от концентрации S0. На рис.1 семейство кривых отвечает 1000м 1 и четырем фиксированным значениям lm (или lm ). Бльшие lm при неизменной означают бльшие максимальные концентрации биомассы в загрузке согласно равенству Bm B lm и, благодаря этому, имеет место ускоренное биоокисление субстрата, что дает основание уменьшать высоту L. Набор кривых на рис.2 рассчитан уже при lm 0.1 и трех значениях. Площадь обычно тесно связана с размерами гранул и поэтому при более крупных элементах загрузки оказывается меньше. Если lm - постоянная величина, то более развитой деятельной поверхности биологической фазы будет опять-таки соответствовать более сильное насыщение среды биомассой, а значит и утилизация субстрата должна происходить в фильтре активнее. Снижение темпа роста L по мере увеличения S0 объясняется высоким содержанием субстрата в биопленке и, как следствие, меньшим потоком в нее.

–  –  –

наибольшего насыщения биомассой в основном удавалось добиться желаемого результата и поэтому достаточно было воспользоваться формулой (7), то при малых значениях S* в загрузке из-за ее большой высоты появляется зона частичного насыщения биомассой и искомую величину приходится определять более сложным путем. Для этого дополнительно привлекаются формулы (6), (8)-(13). Установлено, что, вопервых, биомасса в загрузке распределится равномерно и будет максимальной при S* 6.7 гХПК м3. Во-вторых при S* 6.7 гХПК м3 высота загрузки должна быть существенно больше в связи с появлением второй зоны, в которой эффективность удаления субстрата существенно ниже.

Наконец при S* 6.7 в принципе нельзя добиться нужного снижения уровня загрязненности воды подбором высоты L, о чем свидетельствуют вертикальные асимптоты у расчетных кривых на рис.3.

–  –  –

m 0.18, 1 200, 2 0.25, 4 0.004. Затем по формуле (6) определена относительная концентрация субстрата при l f lm, составившая 0.216.

Поскольку S w 2 lm S*, то последующие расчеты выполнялись в три этапа, причем, ввиду громоздкости формул, для облегчения вычислений привлекался стандартный пакет программ математического анализа.

Сначала с помощью формулы (10) находилось произведение 3 zm 0.77.

Далее подбором определялось значение l fe, удовлетворившее уравнению (8). Наконец, по формуле (9) установлена искомая высота L 2.226 м.

Выводы Эффективное удаление легкоразлагаемых органических веществ из сточных и природных вод обеспечивается в биореакторах-фильтрах с фиксированным пористым слоем. На его элементах со временем развиваются и прочно закрепляются биопленки, внутри которых указанные вещества окисляются. Поэтому комплексный процесс биофильтрования может достоверно описываться только математическими моделями, состоящими из взаимосвязанных блоков биопленки и фильтра. На базе одной из таких моделей разработан надежный метод расчета биоокислительного действия подобных фильтров.

Важной составной частью данного метода является методика обоснования рациональной высоты фильтрующего слоя, исходя из норматива качества водоочистки. Упомянутая методика может с успехом применяться при любом характере распределения биомассы в объеме фильтра, в том числе и в наиболее общем случае, когда ее концентрация в верхней части загрузки примерно одинаковая, а в нижней быстро убывает с глубиной. Существование в ней участка с пониженным содержанием прикрепленного биоценоза, а значит с худшей способностью к биоокислению органических загрязнений нецелесообразно из экономических соображений.

Предупредить формирование такого участка на стадии проектирования биореактора-фильтра возможно, в частности, использовав для загрузки элементы меньшего размера.

Список литературы

1. 1. Яковлєв С.В., Воронов Ю.В. Водоотведение и очистка сточных вод. – М.: АСВ., 2002. – 704 с.

2. Mann A.T., Stephenson T. Modelling biological aerated filters for wastewater treatment // Water Res. – 1997. – 31, № 10. – P.2443–2448.

3. 3. Олійник О.Я., Рибаченко С.О. Моделювання і розрахунки параметрів глибокої очистки стічних вод на фільтрах в аеробних умовах // Вісник НУВГП. Збірник наукових праць. – Рівне, 2007. – Вип.4(40), частина 2.

– С.515–520.

4. Поляков В.Л. Инженерный расчет действия биореактора-фильтра // Вісник ОДАБА. – Одеса, 2011. – Вип.42. – С.224–231.

5. Поляков В.Л. Моделирование биофильтрования воды с ограниченным содержанием органического субстрата. Аэробная биопленка // Доп.НАН України. – 2011. – № 5. – С.72–77.

6. 6. Поляков В.Л. Моделирование биофильтрования воды с ограниченным содержанием органического субстрата. Биореактор-фильтр // Доп.НАН України. – 2011. – № 7. – С.58–66.

7. Morgenroth E., Wilderer P.A. Influence of detachment mechanisms on competition, in biofilm // Water Res. – 2000. – 34, № 2. – Р.417–426.

8. Suzuki Y., Takahashi M., Haesslein M., Seyfried C.F. Development of simulation model for a combined activated-sludge and biofilm process to remove nitrogen and phosphorus // Water Environ. Res. – 1999. – 71(4). – P.388–397.

9. Rittmann B.E. The effect of shear stress on biofilm loss rate // Biotechnol.Bioeng. –1982. – 24. – P.501–506.

10. Поляков В.Л. Теоретический анализ установившегося биофильтрования при нелимитированной скорости роста биомассы // Прикладна гідромеханіка. – 2011. – № 2. – С.69–81.

11. Trulear M.G., Characlis W.G. Dynamics of biofilm processes // Water Pollut. Control Fed. – 1982. – 54(9). – P.1288–1301.

12. Wanner O., Gujer W. A multispecies biofilm model // Biotech. Bioeng. – 1986. – 28. – P.314–328.

13. Rittmann B.E., Stilwell D.S. Моделирование биологических процессов в обработке питьевой воды: интегральная модель биофильтрации

Похожие работы:

«Смешарики Тарифный план действует для абонентов (физических лиц), заключивших договор об оказании услуг связи до 05.10.2011 г. на территории Ставропольского края Тарифный план действует на территории Ставропольского края Авансовая система расчетов Ежемесячная абонентская плата за оказание услуг связи с использованием федера...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ П...»

«А. В. Кириленко ОСНОВЫ ИНФОРМАЦИОННОЙ КУЛЬТУРЫ. БИБЛИОГРАФИЯ Выпуск 1 Учебное пособие Санкт-Петербург МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ САНКТ-ПЕТ...»

«МИНИСТЕРСТВО ВНУТРЕННИХ ДЕЛ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПРОТИВОПОЖАРНАЯ СЛУЖБА НОРМЫ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПОРОШКИ ОГНЕТУШАЩИЕ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ. ОБЩИЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ. МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ. КЛАС...»

«"Ученые заметки ТОГУ" Том 7, № 3, 2016 ISSN 2079-8490 Электронное научное издание "Ученые заметки ТОГУ" 2016, Том 7, № 3, С. 111 – 116 Свидетельство Эл № ФС 77-39676 от 05.05.2010 http://pnu.edu.ru/ru/ejournal/about/ ejournal@pnu.edu.ru УДК 568.9 © 2016 г....»

«Иван Ильич Дубровин Дача по-европейски Текст предоставлен правообладателем http://www.litres.ru/pages/biblio_book/?art=6147177 Дача по-европейски: Научная книга; 2013 Аннотация Вы приобрели участок и хотите построить дачу? Но не знаете, как это сделать? Как использовать место с максимал...»

«ОПИСАНИЕ ТИПА СРЕДСТЕ ИЗМЕРЕНИЙ Внесены в Государственный реестр Расходомеры-счетчики средств измерений электромагнитные О2 Регистрационный № Р 3 ОО "ВЗЛЕТ ЭР" Взамен № Выпускаются по техническим условиям ТУ 4213-041-44327050-00 (В41.00-00.00 ТУ). НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТЬ П Р И М Е Н Е Н И Я Расходомеры-счетчики электромагнитные "В...»

«Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение "САХАЛИНСКИЙ ТЕХНИКУМ МЕХАНИЗАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА" Утверждаю: Директор ГБПОУ "СТМСХ" В.Ю. Иконников "_" _ 2015г. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИ...»

«: +7 (495) 215-29-17 E-mail: info@danveks.ru www.danveks.ru Адсорбционный осушитель воздуха DanVex AD-200 © 2011 DanVex Oy : +7 (495) 215-29-17 E-mail: info@danveks.ru www.danveks.ru Технический паспорт на осушитель воздуха DanVex AD-200 СОДЕРЖАНИЕ Инструкция по технике бе...»

«ДЕФЕКТОСКОП ВИХРЕТОКОВЫЙ КОНСТАНТА ВД1 № _ РУКОВОДСТВО ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ УАЛТ.151.000.00РЭ УАЛТ.151.000.00РЭ V18-2 УАЛТ.151.000.00РЭ Содержание Техническое описание и работа. Назначение.. 1.1 5 Рабочие условия эксп...»








 
2017 www.kniga.lib-i.ru - «Бесплатная электронная библиотека - онлайн материалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.