Проектирование и моделирование процессов с участием активного ила

 

Хотя стоимость водоочистных станций большого города превышает 100 млн. долл., входящие в состав этих станций биологические реакторы обычно проектируют с помощью чрезвычайно упрощенных и идеализированных моделей. Обычно аэрируемый резервуар рассматривают как реактор с полным перемешиванием, а ил считают одним условным видом организмов, скорость роста которых описывается уравнением Моно (с учетом затухающего эндогенного метаболизма). Как мы упоминали в разд. 14.4.2, концентрацию субстрата или лимитирующего рост питательного вещества обычно выражают в единицах БПК.

Приняв условные обозначения, приведенные на рис. 14.10 (они соответствуют символам, использовавшимся в гл. 7—9), можно записать уравнение материального баланса по активным твердым компонентам в стационарном состоянии в следующем виде:

(14.1)

После несложных алгебраических преобразований этого выражения получим

(14.2)

где θ_S — среднее время пребывания активного ила (отношение времени удерживания активных твердых компонентов к скорости их вытекания), иногда называемое также возрастом ила:

(14.3)

На большинстве водоочистных станций возраст ила составляет от 6 до 15 сут.

С помощью уравнения (14.2) можно рассчитать время пребывания активного ила θ_S, необходимое для достижения заданного значения БПК (s_a) для данных сточных вод, если известны кинетические константы соответствующей системы. Типичные значения таких параметров приведены в табл. 14.4.

 

Таблица 14.4. Параметры модели Моно для процессов утилизации различных субстратов аэробной смешанной культурой^а

Не следует забывать, однако, что, как уже указывалось ранее (разд. 3.4.2. и 9.4.1), результатом искусственного объединения всех организмов в один условный «вид» является зависимость кинетических «констант» таких упрощенных моделей от состава сточных вод и условий эксплуатации очистной станции. Отсюда следует, что соответствующие значения μ_max, K_S, k_e и Y необходимо определять экспериментально для каждого типа сточных вод.

Если принять, что экономический коэффициент постоянен, то теперь можно сформулировать уравнение материального баланса по субстрату в аэрируемом биореакторе в стационарном состоянии. Допустив, что субстрат не отделяется в процессе осветления воды (s_a = s_e = s_r), и вспомнив, что первое слагаемое в правой части уравнения (14.2) отражает скорость роста ила, получим

(14.4)

Это уравнение выражает массу активных твердых компонентов Vx_a в аэрируемом биореакторе через рассмотренные выше переменные. На следующем этапе для определения x_r необходимо экспериментально найти характеристики оседания ила, после чего необходимый объем бассейна (биореактора) V при данном отношении рециркуляции а можно рассчитать по формуле

(14.5)

Это выражение получено на основе уравнения материального баланса по активным твердым веществам в биореакторе с учетом уравнения (14.2).

Чрезвычайная простота описанной методики моделирования настолько резко контрастирует со сложностью физических и биологических процессов, осуществляющихся в активном иле, что возникает необходимость привести некоторые экспериментальные данные, подтверждающие обоснованность применения этой модели. На рис. 14.14 представлены результаты экспериментального изучения смешанной культуры микроорганизмов сточных вод в хемостате. Здесь же сплошными линиями изображены расчетные данные, вычисленные с помощью модели роста типа уравнения (14.1) и приведенных на рисунке параметров; нетрудно видеть, что расчетные данные хорошо согласуются с экспериментальными. Обратите внимание на то, что использовавшиеся в этом случае значения параметров существенно отличаются от приведенных в табл. 14.4, хотя порядок величин сохраняется. Этот факт еще раз подтверждает только что упоминавшуюся особенность рассматриваемой модели, параметры которой должны определяться для каждого потока сточных вод, поскольку они зависят от характеристик последних.

РИС. 14.14. Сравнение расчетных данных, полученных на основе уравнения Моно, и результатов экспериментального изучения непрерывной смешанной культуры. [Из статьи: СНіи S. Y. et al., Biotech. Bioeng., 14, 207 (1972).]

 

Как мы уже знаем из материала гл. 7 и 9, зависимость параметров модели от состава исходной смеси и конструкции системы можно снизить путем структурирования модели. Хотя в этой области предстоит сделать еще очень многое, необходимо обратить внимание на блестящие работы по созданию структурированных моделей для процессов с участием активного ила и других близких процессов биологической обработки, выполненные Эндрюсом и сотрудниками [5—7]. Основанием для этих работ послужили указанные выше причины, а также необходимость разработки методов управления водоочистными станциями. Большинство таких станций страдает от ежедневных существенных флуктуаций нагрузки и степени загрязнения очищаемых сточных вод, что требует соответствующего регулирования режима работы станции. Недостаточно структурированная модель не может точно отразить влияние флуктуаций процесса, и поэтому с ее помощью невозможно изучать динамику очистной станции и систем управления ею. К этой проблеме мы возвратимся в примере 14,3; сейчас же рассмотрим структурированную модель Эндрюса для системы с активным илом и ее основные характеристики.

В этой модели биомассу условно разделяют на три компонента, образующиеся с участием субстрата и взаимопревращающиеся в соответствии со схемой:

(14.6)

Скорость стадии адсорбции субстрата принята равной

(14.7)

где k_s — коэффициент массопереноса, а x_s — начальная концентрация биомассы в фазе флокулы. Общую концентрацию биомассы в жидкой фазе и суспендированных твердых частицах обозначают символом x_T в свою очередь x_T равно сумме концентраций начальной биомассы x_s, активной биомассы x_A и инертной биомассы x_і:

(14.8)

Наконец, f_s — максимальная доля общей концентрации биомассы в жидкой и твердой фазах, которую может составить начальная биомасса, s — концентрация субстрата, a K_s — константа насыщения.

 

Таблица 14.5. Значения параметров, предложенные Басби и Эндрюсом для структурированной кинетической модели процессов с участием активного ила^а

 

На базе ряда литературных данных и собственных работ по моделированию Эндрюс и сотрудники предложили значения параметров, приведенные в табл. 14.5.

Считается, что удельная скорость синтеза активной биомассы r₂ описывается уравнением Моно:

(14.9)

а постоянный коэффициент выхода Y_A определяется при этом как количество активной биомассы, образующейся из единицы количества начальной биомассы, и характеризует стехиометрию стадии синтеза биомассы. Имеющиеся данные позволяют предположить, что процесс образования инертной биомассы имеет первый порядок по активной биомассе:

(14.10)

Здесь Y_i обозначает постоянный экономический коэффициент (количество і, образующееся из единицы количества утилизированной биомассы А) для этой стадии.

На рис. 14.15 представлены результаты моделирования периодического роста активного ила с помощью этой модели.