Transcript Раздел IV Методи, процеси и съоръжения за пречистване на битови отпадъчни води

Раздел IV
Методи, процеси и съоръжения за
пречистване на битови отпадъчни води
Тема 15
Конструктивни и технологични
модификации на биобасейните
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Конвенционални биобасейни
Биобасейни-смесители
Биобасейни с разсредоточено подаване на отп. вода
Биобасейни с регенератори на активните утайки
Биобасейни с продължителна аерация (ниско натоварени)
Биобасейни с високо натоварване
Двустепенни биобасейни (А-В метод)
Комбинирани биобасейни-утаители
Биореактори с циклично действие (SBR)
Биобасейни с чист кислород
Аеробни стабилизатори на утайки
1
Раздел IV, Тема 15
Конструктивни и технологични модификации на
биобасейните
Обща постановка:
• Конструктивните
и
технологичните
модификации
на
биобасейните са взаимно свързани и неразделни
• Конструктивните и технологичните модификации на
биобасейните определят степента на трансформация (редуциране)
на субстрата - S и прираста на биомасата - X (т.е., определят
степента на пречистване)
• Степента на трансформация (редуциране) на субстрата - S и
прираста на биомасата - X зависят от две основни групи фактори:
1. кинетиката на биохимичните реакции; 2. хидродинамичните
процеси в реакторите от определен хидродинамичен тип
• Динамичното поведение на проточните биореактори със
суспендирана биомаса може да се моделира адекватно само чрез
едновременно отчитане на кинетиката на биохимичните и
хидродинамичните процеси, протичащи съвместно
2
Раздел IV, Тема 15
Конструктивни и технологични модификации на
биобасейните
Основни подтеми:
• Кинетика на биохимичните процеси в основните
хидродинамични типове реактори
• Видове конструктивно-технологични модификации на
биобасейни
3
Раздел IV, Тема 15
Конструктивни и технологични модификации на
биобасейните
15.1. Кинетика на биохимичните процеси в основните
хидродинамични типове реактори
dS  dS 
 dS 
 
 
dt  dt  hydrodin  dt biohim
4
15.1. Кинетика на биохимичните процеси в
основните хидродинамични типове реактори
А. Моделиране на кинетиката на биохимичните процеси
(Monod)
Скорост на прираста на биомасата, dX/dt:
dX
 . X  kd . X
dt
  m
S
Ks  S
Скорост на снижение на субстрата, dS/dt:
dS 
 .X  U .X
dt Y
При биохимични реакции от първи ред (мономолекулярен тип;
пълно пречистване):
m . X
 dS 

.S  k1.S
 
 dt biohim Y .K S
5
15.1. Кинетика на биохимичните процеси в
основните хидродинамични типове реактори
Б. Моделиране на хидродинамичните процеси
в основните типове биореактори
/Скорост на разреждане на субстрата (dS/dt)hydrodin /
1. Идеален “бутален” реактор:
dS
 dS 
 v.
 
dl
 dt  hydrodin
v – средна постъпателна (конвективна) скорост на основния поток
l – хоризонтална (надлъжна) координата по посока на основното течение
6
15.1. Кинетика на биохимичните процеси в
основните хидродинамични типове реактори
2. Идеален смесител:
S 0  St
 dS 

 
t
 dt  hydrodin
S0 – начална концентраця на субстрата (на входа на реактора)
St – концентрация на субстрата в реактора (и на изхода му)
t - действителен времепрестой на субстрата в реактора
t V /Q
V – обем на реактора
Q – водно количество
7
15.1. Кинетика на биохимичните процеси в
основните хидродинамични типове реактори
3. Дифузионен (конвенционален) реактор:
d 2S
dS
 dS 
 D. 2  v.
 
dl
dl
 dt  hydrodin
D – коефициент на надлъжна турбулентна дифузия, m2/s
8
15.1. Кинетика на биохимичните процеси в
основните хидродинамични типове реактори
4. Каскаден (клетъчен) реактор:
S n 1  S n
 dS 
 m.
 
t
 dt  hydrodin
m – общ брой на клетките в реактора
n – пореден номер на клетката
Sn-1 – концентрация на субстрата на входа на клетка
номер n
Sn - концентрация на субстрата на изхода на клетка
номер n
9
15.1. Кинетика на биохимичните процеси в
основните хидродинамични типове реактори
В. Съвместно моделиране на биохимичните и
хидродинамичните процеси
dS  dS 
 dS 
 
 
dt  dt  hydrodin  dt biohim
Проточните биореактори работят в стационарен (постоянен,
стабилен) режим, който се характеризира с условието:
dS
0
dt
Тогава
 dS 
 dS 
 
0
 
 dt  hydrodin  dt biohim
10
15.1. Кинетика на биохимичните процеси в
основните хидродинамични типове реактори
Последното уравнение се решава в зависимост от хидродинамичния
тип на биореактора и с отчитане на кинетиката на биохимичните
реакции (по Monod).
1. При идеален “бутален” реактор:
dS
v.
 k1.S  0
dl
По дефиниция при идеалния “бутален” реактор е в сила условието:
dS / dl  dS / dt
Тогава
Или окончателно
dS
v.
 k1.S  0
dt
S / S0  exp( k1.t )
11
15.1. Кинетика на биохимичните процеси в
основните хидродинамични типове реактори
2. При идеален реактор-смесител:
S0  S
 k1.S  0
t
Или окончателно:
S
1

 (1  k 1.t ) 1
S 0 1  k1.t
12
15.1. Кинетика на биохимичните процеси в
основните хидродинамични типове реактори
3. При каскаден (клетъчен) реактор:
S n 1  S n
m.
 k1.S  0
t
Или окончателно:
S / S 0  (1  k1.t )  m
13
15.1. Кинетика на биохимичните процеси в
основните хидродинамични типове реактори
4. При дифузионен (конвенционален, реален) реактор:
d 2S
dS
D. 2  v.  k1.S  0
dl
dl
При т.н. “реактори от закрит тип” (Dankwerts, 1953) са в сила
следните гранични условия, съответно при входа (l = 0) и при изхода
(l = L) на коридорния реактор:
dS / dl  v.( S0  S ) / D
dS / dl  0
Тогава окончателното решение на първото уравнение има вида:
S
4. A. exp( 0,5.Pe)

S 0 (1  A) 2 . exp( 0,5. A.Pe)  (1  A) 2 . exp( 0,5. A.Pe)
14
15.1. Кинетика на биохимичните процеси в
основните хидродинамични типове реактори
В последното
параметри:
уравнение
фигурират
следните
означения
и
A  (1  4.k1.t / Pe)0,5
където
А – изчислителен (помощен) параметър
Ре – число на Пекле (Peclet)
Числото на Пекле - Ре отразява съотношението на масата,
транспортирана чрез постъпателно движение (конвекция) със
скорост v и тази, транспортирана чрез надлъжна турбулентна
дифузия (с коефициент D):
Pe  v.L / D
Числената стойност на критерия Ре може да се определи само
експериментално, чрез изследване на модели на реактори в
подходящ мащаб или на реални съоръжения.
15
15.1. Кинетика на биохимичните процеси в
основните хидродинамични типове реактори
Експерименталното определяне на критерия Ре се основава на
статистическите параметри на кривите на отклика на съответния
реактор (или негов модел) по отношение на външно въздействие,
смущаващо неговия стационарен режим.
Обикновено въздействието се състои в импулсно (внезапно)
въвеждане на индикатор (трасиращ елемент – радиоактивен
изотоп, соли, оцветители) на входа на реактора и проследяване на
концентрацията му на изхода, която се изменя във времето.
Кривата на отклика може да се интерпретира статистически като
функция на разпределение на времепрестоя – F(t) в реактора на
елементарен обем на потока (субстрата).
16
15.1. Кинетика на биохимичните процеси в
основните хидродинамични типове реактори
Общ вид и параметри на крива на отклика - F(t)
t1 – начален момент на регистриране на индикатора
tк – краен момент на регистриране на индикатора
t3 – медиана на фигурата
t - действителен среден времепрестой
17
15.1. Кинетика на биохимичните процеси в
основните хидродинамични типове реактори
Дисперсията σ2 на функцията на разпределение F(t) определя
разсейването на времепрестоите на елементарните водни обеми
(субстрата) около действителния среден времепрестой t и
следователно може пряко да характеризира степента на отклонение
от поведението на идеалните реактори.
Дисперсията σ2 на функцията на разпределение F(t) се определя с
израза:

 2   (t  t ) 2 .F (t ).dt
0
Може да се докаже, че:
- за идеален “бутален” реактор
2 0
2 t
- за идеален реактор-смесител
 2  2.t 2 .( Pe  1  e  Pe ) / Pe2 - за дифузионен реактор
При известна стойност на σ2 от последната формула може да се
определи Ре, а следователно и D.
18
15.1. Кинетика на биохимичните процеси в
основните хидродинамични типове реактори
Криви на отклика при основните хидродинамични типове реактори
1 – идеален “бутален” реактор
2 – идеален реактор-смесител
3 – дифузионен (или каскаден) реактор
19
15.1. Кинетика на биохимичните процеси в
основните хидродинамични типове реактори
Сравнение между основните хидродинамични типове
реактори:
S / S 0  exp( k1.tбут ) - при идеален “бутален” реактор
S / S 0  (1  k1.tсм ) 1
- при идеален реактор-смесител
При една и съща степен на пречистване S/S0, предвид горните два
израза може да се запише:
tбут
1 
1 

  . ln 
k1  1  k1.tсм 
При обичайните за конвенционални биобасейни стойности на
параметъра k1 = 0,6 и при tсм = 4 h се получава:
1
1


tбут  
. ln 
  2,04h
0,6  1  0,6.4 
т.е. в случая идеалният “бутален” реактор изисква 2 пъти по-малък
20
обем от този за реактора-смесител при един и същи ефект.
15.1. Кинетика на биохимичните процеси в
основните хидродинамични типове реактори
На практика коридорните биобасейни работят като дифузионни
реактори.
Счита се, че когато Ре < 2 реакторът се доближава до идеален
смесител, а при Ре > 10 надлъжната циркулация е незначителна
и реакторът се доближава до идеален “бутален”.
На пректика може да се реализира реактор с хидродинамични
условия произволно близки до идеалния “бутален” чрез
конструирането му като каскаден реактор с избран брой
(обикновено до 10 бр.) клетки.
21
15.1. Кинетика на биохимичните процеси в
основните хидродинамични типове реактори
Сравнение между хидродинамичните условия в два типа реактори
Реактор I – дифузионен
Реактор II - каскаден
22
Раздел IV, Тема 15
Конструктивни и технологични модификации на
биобасейните
15.2. Видове конструктивно-технологични модификации
на биобасейни
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Конвенционални биобасейни
Биобасейни-смесители
Биобасейни с разсредоточено подаване на отп. вода
Биобасейни с регенератори на активните утайки
Биобасейни с продължителна аерация (ниско натоварени)
Биобасейни с високо натоварване
Двустепенни биобасейни (А-В метод)
Комбинирани биобасейни-утаители
Биореактори с циклично действие (SBR)
Биобасейни с чист кислород
Аеробни стабилизатори на утайки
23
15.2. Видове конструктивно-технологични
модификации на биобасейни
Общи бележки:
Освен по начините на реализиране на основната цел – снижение
на концентрацията на субстрата до необходимото ниво с
минимални капитални разходи, различните конструктивни
модификации на биобасейните се различават значително и по
конструктивните
предпоставки,
определящи
техните
експлоатационни разходи.
Експлоатационните разходи при биобасейните зависят основно от
начина на осигуряване на кислород в съоръженията. В тази
връзка основна цел е оптимизирането на аерационните системи с
оглед оползотворяване на кислорода в максимална степен и без
енергиен преразход.
Енергийните разходи за осигуряване на кислород в биобасейните е
основното перо в бюджета на пречиствателните станции за
отпадъчни води.
24
15.2. Видове конструктивно-технологични
модификации на биобасейни
Биобасейн с нелинейно разпределено захранване с отп. вода
(осигуряващо равномерна консумация на кислород по дължината му)
25
15.2. Видове конструктивно-технологични
модификации на биобасейни
Биобасейни-смесители
S1 – потребление на кислород; S2 – внасяне на кислород
26
15.2. Видове конструктивно-технологични
модификации на биобасейни
Биобасейн с разсредоточено подаване на отпадъчните води
(система Gould, 1939)
S1 – потребление на кислород; S2 – внасяне на кислород
27
15.2. Видове конструктивно-технологични
модификации на биобасейни
Биобасейн с регенератор на активните утайки
(Contact stabilization)
28
15.2. Видове конструктивно-технологични
модификации на биобасейни
Схеми на коридорен биобасейн
в ляво – напречен разрез
в дясно – разпределение (вход – изход) на водата
29
15.2. Видове конструктивно-технологични
модификации на биобасейни
Разпределяне на водата (вход – изход), на рециркулиращата
активна утайка и пеногасителна система при
биобасейни
30
15.2. Видове конструктивно-технологични
модификации на биобасейни
Общ вид на коридорни биобасейни
31
15.2. Видове конструктивно-технологични
модификации на биобасейни
Биобасейн с продължителна аерация (ниско натоварен)
(конструкция тип “Carousel”)
32
15.2. Видове конструктивно-технологични
модификации на биобасейни
Биобасейн с продължителна
аерация (ниско натоварен),
конструкция тип “Carousel”
33
15.2. Видове конструктивно-технологични
модификации на биобасейни
Общ вид на биобасейни тип “Carousel”
(с аерационни четки)
34
15.2. Видове конструктивно-технологични
модификации на биобасейни
Общ вид на биобасейни тип “Carousel”
(с турбо-аеатори)
35
15.2. Видове конструктивно-технологични
модификации на биобасейни
Детайли от биобасейни тип “Carousel”
36
15.2. Видове конструктивно-технологични
модификации на биобасейни
Биобасейни с високо натоварване
(Високонатоварени, високопроизводителни)
• Обикновено се реализират като реактори-смесители, но при тях не
конструкцията, а технологичните параметри на биологичните
процеси определят спецификата им:
– Натоварване на утайката – Rу = 0,8 – 5,0 g БПК 5 /g.d
– Голяма окислителна мощност (ОМ = 1,5 – 3 пъти по-голяма от тази при
конвенционалните биобасейни)
– Непълно пречистване (η < 50 – 60 %)
– Висок прираст на активните утайки (много излишни активни утайки)
– Склонност на активните утайки към разбухване (нишковидни бактерии)
• Обикновено не се използват самостоятелно, а като първа степен на
двустепенни биобасейни при пречистване на отпадъчни води с
висока органична концентрация (БПК 5 > 500 mg/l)
37
15.2. Видове конструктивно-технологични
модификации на биобасейни
Двустепенни биобасейни
(съществува и специфична тяхна модификация, предложена през 1987 г. от проф.
Bönke и известна като адсорбционно-биоакумулационен метод или А-В метод)
38
15.2. Видове конструктивно-технологични
модификации на биобасейни
Комбиниран коридорен биобасейн-утаител
39
15.2. Видове конструктивно-технологични
модификации на биобасейни
Комбиниран радиален биобасейн-утаител
40
15.2. Видове конструктивно-технологични
модификации на биобасейни
Общ вид на пречиствателна станция с комбинирани
радиални биобасейни-утаители
41
15.2. Видове конструктивно-технологични
модификации на биобасейни
Мембранен биобасейн
(без вторичен утаител)
42
15.2. Видове конструктивно-технологични
модификации на биобасейни
Общ вид на пакет от мембрани (снопове кухи нишки)
на фирма Zenon за мембранен биобасейн
43
15.2. Видове конструктивно-технологични
модификации на биобасейни
Общ вид (схема) на мембранен биобасейн на фирма Zenon
44
15.2. Видове конструктивно-технологични
модификации на биобасейни
Шахтови биобасейни
45
15.2. Видове конструктивно-технологични
модификации на биобасейни
Шахтов биобасейн
(комбиниран с вторичен утаител)
46
15.2. Видове конструктивно-технологични
модификации на биобасейни
Схема на действие на биобасейн с циклично действие (цикличен,
непроточен биореактор)
(Sequencing Batch Reactor – SBR)
47
15.2. Видове конструктивно-технологични
модификации на биобасейни
Схема на биобасейн с подаване на чист кислород
48
15.2. Видове конструктивно-технологични
модификации на биобасейни
Схема на аробен биореактор с разтваряне на чист кислород
49
15.2. Видове конструктивно-технологични
модификации на биобасейни
Аеробни стабилизатори за утайки
• Не се различават по конструкция от биобасейните за третиране на
отпадъчни води
• Обикновено се реализират като реактори-смесители
• Различават се от биобасейните само по своите технологични
параметри:
– Работят в ендогенната кинетична фаза на бактериалния растеж
– Кинетиката на редукция на биомасата е линейна (по Monod → dX/dt =
kd.X, където kd = const.)
– Оптималната концентрация на биомасата е 20 g/l
– По-голяма специфична потребност от кислород; по-малък денонощен
разход накислород; по-голям общ разход на кислород за периода на
стабилизация (t = 25 – 60 d).
50