- •Х38 Очистка сточных вод: Пер. с англ./ Хенце М., Армоэс П., Ля-Кур-Янсен Й., Арван Э. — М.: Мир, 2006. — 480 с., ил.
- •ISBN 5-03-003771-3
- •Очистка сточных вод
- •Предисловие научного редактора
- •Предисловие
- •Предисловие к третьему изданию
- •Список используемых обозначений
- •Сточные воды, их объем и состав
- •1.1. Объемы сточных вод
- •1.1.1. Измерения
- •1.1.2. Статистическая обработка
- •1.1.3. Оценочные данные
- •1.1.4. Популяционный эквивалент и нагрузка, создаваемая условным жителем
- •1.1.5. Прогнозирование
- •1.2. Компоненты сточных вод
- •1.2.1. Коммунальные и городские стоки
- •1.2.2. Разброс данных
- •Характеристика сточных вод и биомассы
- •2.1.1. Осаждаемые вещества
- •2.3. Азот
- •Основные биологические процессы
- •3.1.1. Организмы
- •3.2.1. Биологический рост
- •3.2.3. Распад биомассы
- •3.2.4. Накопление запасных веществ
- •3.3.2. Коэффициент прироста ила при аэробной гетеротрофной конверсии
- •3.3.3. Макроэлементы для аэробной гетеротрофной конверсии
- •3.3.4. Кинетические аспекты аэробной гетеротрофной конверсии
- •3.4. Нитрификация
- •3.4.1. Реакции нитрификации
- •3.4.3. Кинетические аспекты нитрификации
- •3.4.4. Влияние окружающей среды на нитрификацию
- •3.5. Денитрификация
- •3.5.1. Реакции денитрификации
- •$.5.2. Коэффициент прироста ила при денитрификации
- •3.5.3. Макроэлементы, необходимые для денитрификации
- •3.5.5. Кинетика денитрификации
- •3.5.6. Влияние окружающей среды на денитрификацию
- •3.6.1. Микроорганизмы
- •3.6.3. Коэффициент прироста биомассы в процессе биологического удаления фосфора
- •3.6.4. Щелочность
- •3.6.5. Кинетика биологического удаления фосфора
- •3.6.6. Влияние окружающей среды на биологическое удаление фосфора
- •3.7.1. Реакции при анаэробном брожении2
- •3.7.2. Рост биомассы и коэффициенты ее прироста при анаэробном брожении
- •3.7.3. Макроэлементы, необходимые для анаэробного брожения
- •3.7.5. Кинетика анаэробного брожения
- •3.7.6. Образование газообразных продуктов
- •3.7.7. Влияние окружающей среды на анаэробное брожение
- •4.3.1. Системы с рециркуляцией активного ила
- •4.3.2. Системы с совмещенным аэротенком и отстойником
- •4.3.3. Системы с контактной стабилизацией ила
- •4.3.6. Проектирование на основе объемной нагрузки
- •4.3.7. Проектирование на основе нагрузки на ил или возраста ила
- •Биофильтры
- •5.4. Двухкомпонентная диффузия
- •5.6.1. Биофильтры без рециркуляции
- •5.6.2. Биофильтры с рециркуляцией
- •5.8.1. Капельные фильтры
- •5.8.2. Погружные фильтры
- •5.9.1. Проектирование капельных фильтров
- •5.9.2. Проектирование реакторов с вращающимися дисками
- •5.9.3. Проектирования фильтров других типов
- •5.9.4. Проектирование биофильтров, предназначенных для удаления растворенных органических веществ
- •5.10. Технические условия работы биофильтров
- •5.10.1. Аэрация в биофильтрах
- •5.10.2. Рост и удаление биомассы
- •5.11. Удаление взвешенных органических веществ
- •Системы очистки с нитрификацией
- •6.1.1. Обособленные системы нитрификации
- •6.1.2. Совместное удаление органического вещества и аммония
- •6.2.4. Фильтры, содержащие только нитрифицирующий ил
- •6.2.5. Двухстадийные системы нитрификации на фильтрах
- •6.3.1. Системы нитрификации с активным илом
- •6.3.2. Оптимизация работы систем нитрификации
- •6.3.3. Проектирование биофильтров для нитрификации
- •Литература
- •Системы денитрификации
- •7.1.1. Обособленные системы денитрификации
- •7.2.3. Биофильтры для денитрификации
- •7.3.2. Кислород/перемешивание
- •7.3.3. Одновременная нитрификация/денитрификация
- •7.3.4. Газообразный азот в отстойниках и на биофильтрах
- •7.3.5. Потребление кислорода
- •7.3.7. Проектирование систем денитрификации с активным илом
- •7.3.8. Проектирование на основе моделирования
- •7.3.9. Проектирование биофильтров для денитрификации
- •7.4. Редокс-зоны в биомассе
- •Литература
- •Системы биологического удаления фосфора
- •8.1. Уравнения массового баланса при биологическом удалении фосфора в системах с активным илом
- •8.2. Типы систем для биологического удаления фосфора
- •8.3.2. Проектирование реакторов для биологического удаления фосфора
- •8.3.3. Оптимизация процесса биологического удаления фосфора
- •Литература
- •Гидролиз/ферментация и анаэробная очистка сточных вод
- •9.1. Гидролиз/ферментация
- •9.2. Анаэробная обработка сточных вод
- •9.2.1. Введение
- •9.2.2. Уравнения массового баланса при анаэробной обработке
- •9.3.3. Анаэробная очистка на фильтрах
- •9.4.1. Проектирование систем со взвешенной биомассой
- •9.4.2. Проектирование анаэробных фильтров
- •9.4.3. Образование газообразных соединений в анаэробном процессе
- •9.4.4. Оптимизация анаэробной очистки
- •9.4.5. Запуск анаэробных реакторов
- •9.4.6. Нарушения в работе анаэробных реакторов
- •Литература
- •Небиологические системы для удаления фосфора из сточных вод
- •10.1. Уравнения массового баланса для процессов удаления фосфора
- •10.2.1. Осаждение
- •10.2.2. Коагуляция
- •10.2.3. Флокуляция
- •10.2.4. Связывание фосфора в почве
- •10.3. Небиологические системы удаления фосфора
- •10.3.1. Осаждающие вещества
- •10.4. Проектирование установок для удаления фосфора
- •10.4.1. Химическое осаждение
- •10.4.2. Связывание фосфора в почве
- •10.5. Работа установок для удаления фосфора
- •Литература
- •Особенности моделей, их калибровка и применение
- •11.1. Прагматизм и теоретические модели
- •11.1.1. Инженерное мастерство
- •11.1.2. Научно обоснованный детерминистский подход
- •11.1.3. Структура моделей, переменные, параметры и движущие силы
- •11.2. Применение моделей
- •11.2.1. Инструмент планирования
- •11.2.2. Анализ процессов на действующих станциях
- •11.2.3. Проектирование новых станций
- •11.2.4. Контроль работы станций в реальном времени
- •11.2.5. Модели как инструменты исследования
- •11.2.6. Уровень агрегации
- •11.3. Калибровка модели и оценка параметров
- •11.3.1. Структура модели
- •11.3.2. Калибровка, верификация и оценка параметров
- •11.4. Проектирование станций очистки воды
- •11.4.1. Идентификация проблемы
- •11.5. Моделирование систем с биопленкой
- •11.6.3. Интерпретация результатов
- •11.7. Контроль в реальном времени
- •Предметный указатель
- •Оглавление
сегодняшний день информация о неопределенности так же важна, как и предсказание усредненных характеристик процесса.
Важными инструментами для оценки неопределенности модели служат анализ чувствительности и распространение ошибки.
Анализ чувствительности
При анализе чувствительности каждый параметр оценивается с точки зрения его важности для конечного результата. Такой анализ позволяет оценить важность каждого параметра в рассматрива емом диапазоне действия. Это важно дня выяснения вопроса, какие параметры можно считать фиксированными на основании априорных знаний, а какие следует определять экспериментально.
Распространение ошибки
Распространение ошибки — это способ оценки неопределенности предсказания. Он состоит в комбинировании неопределенностей всех параметров и всех данных на входе, выбранных из априорных данных, для определения влияния неопределенности на оконча тельный результат предсказания. Оценить неопределенность пред сказания можно, в частности, методом Монте-Карло, основанном на многократном испытании модели со случайно подобранными параметрами в соответствии с их априорно известным статистиче ским распределением. Таким образом определяется статистическое распределение данных на выходе.
11.4. Проектирование станций очистки воды
11.4.1. Идентификация проблемы
Проектирование в данном контексте понимается как определение конфигурации и размеров каждого компонента линии очистки — от входа до выхода. Это может быть создание оригинального проекта в том случае, если станция очистки ранее не существовала, или же модернизация существующей станции, обычно проводимая с целью расширения ее возможностей от традиционного удаления ВПК до удаления азота и фосфора.
Важным элементом проектирования является выбор парамет ров, характеризующих подлежащий обработке сток. Это касается объема стока и типичных концентраций содержащихся в нем веществ (см. гл. 1), и то, и другое можно измерить. Неопределен
ность заключается в оценке условий, в которых станции очистки предстоит работать.
Необходимо выбрать уровень проектирования.
—Очень маленькие станции, например предназначенные для обработки стоков, поступающих из дома, в котором живет одна семья, проектировать не нужно, можно использовать уже готовые проекты станций, подходящих по масштабам.
—Небольшие станции, предназначенные для деревень или ма лых городов, в которых отсутствуют промышленные стоки, можно проектировать на основе хорошо известных правил по нагрузке.
—Для более крупных станций, предназначенных для обслужи вания городов среднего размера или для обработки промышлен ных стоков, проектирование должно основываться на известных правилах. Однако было бы разумно проверить проект, проведя компьютерное моделирование предполагаемых нагрузок.
—Станции очистки в больших городах необходимо проектиро вать, и проекты эти проверять с помощью моделей. Моделирование должно включать анализ чувствительности процесса к различным нагрузкам и параметрам и учитывать возможное будущее изме нение нагрузки. Необходимо провести изучение работы пилотной установки, для того чтобы выявить возможные проблемы, прове рить значения параметров и функциональность модели.
Как описано в гл. 1, нагрузка характеризуется стандартными параметрами, например Q4,cp или СемакеЭто удобно для обычного проектирования, но если используется моделирование, гораздо лучше проверить модель на основании экспериментальных (или предполагаемых) значений суточных колебаний и краткосрочных колебаний, например в период дождя. Это же относится к измене ниям температуры и концентрации.
Два рассматриваемых ниже примера иллюстрируют использо вание моделей для проектирования систем с активным илом и с биофильтром.
Пример 11.1. Моделирование системы с активным илом Для проектирования систем с активным илом существуют ком
пьютерные программы различной степени сложности. Большинство программ основаны на модели IAWQ для активного ила, ASM JV* 1 и 2 [1, 2]. Важная характеристика программы —это набор параметров процесса, представленный в табл. 11.1.
Чтобы использовать модель, необходимо охарактеризовать вхо дящие данные, т. е. поток и концентрацию сточной воды. Если нельзя провести детальный анализ, то следует оценить эти параметры
из данных табл. 1.7-1.10. Для проектирования станций очистки обычных городских стоков оценочных данных обычно бывает доста точно. Если предполагается очистка промышленных и нетипичных городских стоков, необходим детальный анализ воды в данной или в аналогичной системе.
Необходимо также выбрать параметры модели, как об этом говорилось в предыдущем разд. 11.3. Метод калибровки непригоден для проектирования станции, поскольку станции, на которой можно провести калибровку, пока не существует. Единственная возмож ность—это оценить значения параметров на основании априорных знаний, накопленных в результате многочисленных исследований. Для оценки городских стоков можно воспользоваться данными табл. 11.2.
Приведенные в ней величины заимствованы из трех источников, в которых использовались три различные программы. Обратите, пожалуйста, внимание на разницу в параметрах, которые в иных обстоятельствах считались бы инвариантными. Причины того, что параметры изменяются, могут быть следующими:
—Исследования проводились в разных условиях (разный климат, разные характеристики стоков, разные методы измерения).
—Статистический разброс наблюдается всегда.
—Использованы модели различной структуры, что безусловно влияет на значения параметров. Например, если параметры роста определены на основе экспериментальных данных, то значения //макс зависят от числа членов в уравнении Моно.
—Набор параметров может определяться из доступных данных не единственным способом, и следовательно, параметры могут быть взаимозависимыми. Например, если параметры роста определены из экспериментальных данных, то значения /1Макс зависят от значений Ks, использованных в уравнениях Моно.
Хорошим примером, иллюстрирующим последний тезис, яв ляется взаимосвязь между коэффициентом прироста биомассы и скоростью роста, комбинация которых используется для описания скорости реакции, см. уравнение (3.2). На практике измеряют имен но скорость реакции, которая связана с отношением скорости роста и коэффициента прироста. Каждая из них определяется только в результате предпринятого независимого анализа. Часто считают, что коэффициент прироста является наиболее инвариантным из этих двух величин, см. ниже пример 11.2.
В любом случае, оценки, приведенные в табл. 11.2, в сочетании с выбором модели являются хорошей исходной основой для анализа проекта, например, анализа работы станции очистки при суточной нагрузке или кратковременных изменениях, вызванных дождем.
Таблица 11.1. Классический набор параметров процесса для
(/Х=А*макс, Xp=Xl,fp=fxB,XI, Y = Y MaKC,fxB=fxB,N, lXP=fxi,N)
|
|
Процесс |
|
|
|
|
|
|
Компонент, i |
7 |
|||
j |
|
|
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
Si |
Ss |
Xi |
XS |
Хв,н |
Хв.А |
хР |
1 Аэробный |
|
|
|
рост |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
гетеротрофных организмов |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
2 Аноксический рост гетеро |
|
|
1 |
|
|
1 |
|
|
|||||
|
|
YH |
|
|
|
|
|||||||
трофных организмов |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
3 Аэробный |
рост |
автотроф |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|||
ных организмов |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
4 Распад гетеротрофных ор |
|
|
|
|
1 -fp |
- 1 |
|
fp |
|||||
ганизмов |
|
|
|
|
|
|
|
|
i-fp |
|
|
fp |
|
5 Распад автотрофных орга |
|
|
|
|
|
- 1 |
|||||||
низмов |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 Аммонификация раствори |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
мого органического азота |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
7 Гидролиз |
нерастворимых |
|
|
1 |
|
- 1 |
|
|
|
||||
органических частиц |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
8 Гидролиз |
нерастворимого |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
органического азота |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Наблюдаемые |
скорости |
|
|
|
|
n= I> yP j |
|
||||||
превращения [M-L“ 3T _1] |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
j |
|
|
||||||
Стехиометрические |
пара |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
метры: |
|
|
|
|
|
органическоеинертноеРастворимое |
Ь~3)-(М(ХПК)вещество |
субстратразлагаемыйЛегко 3)-Ь-(М(ХПК) |
органическоеинертноеВзвешенноеве- Ь"3)-(М(ХПК)щество |
субстратразлагаемыйМедленно Ь"3)-(М(ХПК) |
биомассагетеротрофнаяАктивная 3)-Ь-(М(ХПК) |
биомассаавтотрофнаяАктивная 3)-Ь-(М(ХПК) |
образующиесявещества,Взвешенные биомассыраспадепри 3)-Ь-(М(ХПК) |
Коэффициент |
прироста |
||||||||||||
биомассы |
гетеротрофных |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
организмов YH |
прироста |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Коэффициент |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
биомассы |
автотрофных |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
организмов Уд |
биомассы, |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Фракция |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
образующая |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
нерастворимые продукты, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
fp |
N/масса |
ХПК |
в |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Масса |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
биомассе, ixB |
ХПК |
в |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Масса |
N/масса |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
продуктах |
распада |
био |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
массы, ixp |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8
So
1—YH YH
4,57-YA
YA
значение |
|
(отрицательное Х П К )-Ь -3) |
|
Кислород |
ХПК) (М (- |
компьютерного моделирования станции с активным илом [2]
9
S N O
1 - Y H
2,8 6Y H
1 Y A
|
К ом п о н ен т, i |
|
|
|
10 |
11 |
12 |
|
13 |
S N H |
S N D |
X N D |
|
ел |
-ixB |
|
|
_ ! х в . |
|
|
|
|
14 |
|
-ixB |
|
|
|
1 - Y H |
|
|
14 -2,86Y H |
||
|
|
|
_ i x a |
|
|
|
|
|
14 |
|
|
|
» х в _____ L _ |
|
- *X B - 7 T |
|
14 |
7Y A |
С к о р о с ть процесса
fib ( M - L |
- Т - 1 ) |
|||
( |
K S + S S ) |
X |
|
|
Х (к ол +So) Хв,н |
||||
Л „ ( |
Ss |
W |
К о.Н \ |
|
\ K S + S s / 4 K 0 .H +S 0 / |
||||
х |
( |
* |
) |
ч * х в -н |
( |
K N H + S N H ) |
Х |
|
|
Х( ^ |
) |
Хв-А |
|
|
|
ixB-fpixp |
ЬнХв.н |
|
|
|
|
ixB-fpixp |
ЬаХв.а |
|
|
1 |
- 1 |
1 |
kaSNDXfl.H |
||
14 |
|||||
|
|
lei. X S / X |
B ' H__X |
|
|
|
|
КЬкх+(Х5 |
/Хвн)Х |
|
|
|
|
Х [ ( K o ,H + s o ) + щ ( K o ,H + S o ) Х |
|||
|
|
|
х ( к |
^ |
) ] Хв.н |
|
1 |
- 1 |
P8 (XND/X S) |
п = Е « з д j
Нитратный и нитритный азот (M(N)-L-3) |
Аммонийный и аммиачный азот (M(N)-L-3) |
Растворимый биологически разлагае мый органический азот (M(N)-L~3) |
Взвешенный биологически разлагае мый органический азот (M(N)*L-3 ) |
Щелочность, моль |
Кинетические параметры: Гетеротрофный рост и рас
пад: £ H I Ks, Ко,н» KNO, bH Автотрофный рост и рас
пад: /ZAI KNHI KO.AI Ьа
Поправочный фактор для аноксического роста гетеро трофных организмов: щ Аммонификация: ка Гидролиз: кь, Кх Поправочный фактор для аноксического гидролиза: т/ь