Выбранные критерии очень просты, и тем не менее они оказывались очень полезными на протяжении десятилетий, хотя в ряде ситуаций и приводили к ошибкам в проектировании, поскольку реакторы различаются между собой в гораздо большей степени, чем это учитывается при таких простых подходах. Все сказанное мы проиллюстрируем на примере капельных фильтров и реакторов с вращающимися дисками.

5.9.1.Проектирование капельных фильтров

Всоответствии с классическими критериями эффективность очист­ ки на капельных фильтрах зависит только от объемной нагрузки по органическому веществу и поверхностной гидравлической на­ грузки.

На основании этого положения и многолетнего опыта работы в Германии при проектировании капельных фильтров рекомендуется исходить из нагрузок, приведенных в табл. 5.3.

Данные табл. 5.3 применимы только к обычным городским сто­ кам, состав которых считают относительно постоянным. Все экспе­ риментальные кривые, описывающие результаты обработки стоков (эффективность обработки или концентрацию веществ на выходе из системы очистки), которые в огромном количестве можно найти

влитературе, характеризуются очень сильным разбросом данных. Это показывает, что подобные простые правила по нагрузке не могут учесть всех многочисленных обстоятельств, которые склады­ ваются на практике. В приведенном выше примере, в частности, не учитывались такие важные факторы, как загрузка фильтра, пло-

Таблица 5.3. Рекомендуемая нагрузка при очистке городских стоков в Германии [14]

щадь поверхности, концентрация загрязнений во входящем стоке, особенности органических веществ в стоках. К рекомендациям по нагрузке следует подходить очень критически, даже несмотря на то, что на их основании было успешно осуществлено проектирова­ ние большого числа полномасштабных капельных фильтров.

Пример 5.7. На капельном фильтре с полимерной загрузкой диамет­ ром 10 м и высотой 2 м проводится очистка смешанных коммуналь­ ных и промышленных стоков при нагрузке 235 м3/сут. Концентрация БПК 500 г/м 3.

Определите объемную нагрузку и необходимую кратность рецир­ куляции.

В соответствии с выражением (5.54) объемная нагрузка опреде­

Bv = (235 м3/сут)(500 г БПК/м3)/(тг(5 м)22 м) = 748 г БПК/(м3 •сут).

Следовательно, фильтр работает в режиме нормальной нагрузки, если нитрификация не проводится.

Необходимость в рециркуляции определяется условиями по­ верхностной гидравлической нагрузки, которую (согласно данным табл. 5.3) в данном случае можно оценить как 1,2 м/ч.

Из выражения (5.57) можно определить необходимую кратность рециркуляции Qe:

Подстановка дает:

1,2 м/ч •24 ч/сут = (235 м3/сут + (Зб)/(тг(5 м)2)

Q6 = 2027 м3/сут,

т. е. кратность рециркуляции

R = Qe/Qi = (2027 м3/сут)/(235 м3/сут) = 8,6

Это высокое значение кратности рециркуляции.

5.9.2. Проектирование реакторов с вращающимися дисками

На примере рекомендаций по нагрузке для реакторов с вращаю­ щимися дисками можно наглядно продемонстрировать, насколько различными могут быть такие рекомендации. Из приведенных в табл. 5.4 данных, полученных для стран Северной Америки и Европы, видно, что рекомендуемая нагрузка варьирует от 5 до 26 г Б П К /(м 2 •сут), причем более оптимистичные цифры рекомен­ дованы компаниями. Обратите внимание, что нагрузка рассчитана

на 1 м2 поверхности диска, что теоретически более разумно для описания процесса, чем отнесение ее к 1 м3 общего объема реактора,

в котором диски вращаются.

Толщина биопленки на вращающихся дисках регулируется скоростью вращения, которая обычно устанавливается на таком уровне, чтобы периферическая скорость вращения была не ниже 0,3 м/с. Минимальное расстояние между соседними дисками долж­ но составлять 1,5-2,5 см.

5.9.3. Проектирования фильтров других типов

Ни один из типов реакторов с погружными фильтрами не получил настолько широкого распространения, чтобы для него были выра­ ботаны какие-либо общие рекомендации по нагрузке. Наибольшая объемная нагрузка достигается в реакторе с псевдоожиженным слоем, который может работать при нагрузке 10 кг Б П К /(м 3 •сут).

5.9.4. Проектирование биофильтров, предназначенных для удаления растворенных органических веществ

В настоящее время не разработаны критерии для проектирования биофильтров, удаляющих органические вещества, которые были бы основаны на теории биопленки. В первом разделе настоящей главы были рассмотрены подходы к проектированию биофильтров, уда­ ляющих органические вещества. Проектирование осуществляется в четыре этапа (расчеты для этапов 1 и 2 представлены на рис. 5.10).

Нулевой этап. Определяют порядок реакции, происходящей в биопленке. Обычно это реакция нулевого порядка.

Первый этап. Рассчитывают, используя уравнение (5.32), что потенциально является лимитирующим субстратом — кислород или органическое вещество.

Второй этап. Рассчитывают, является ли биопленка полностью проницаемой (/? ^ 1) или частично проницаемой (/? < 1). Часто обнаруживается, что пленка проницаема лишь частично, т. е. /? < 1.

Третий этап. Используя уравнения массового баланса, например (5.50), для реактора идеального перемешивания рассчитывают количество удаляемого на фильтре вещества. Скорость удаления органического вещества TA,S или кислорода га ,о 2 можно рассчитать

по уравнениям, приведенным ниже.

Если, напротив, мы следим за расходованием кислорода, то

Для f} < 1 и если скорость процесса определяется концентрацией органического вещества:

Для /? < 1 и если скорость процесса определяется концентрацией

кислорода:

Запишем уравнение массового баланса органического вещества в реакторе для случая, когда скорость процесса лимитируется кон­ центрацией органического вещества (обозначения соответствуют рис. 5.14):

В табл. 5.5 приведены константы скоростей реакций с порядком описывающих удаление органического вещества и азота.

Пример 5.8. Нагрузка на фильтр составляет 100 м3 промышленных стоков в сутки, содержащих 500 г/м 3 уксусной кислоты (НАс). Из практических соображений реактор сконструирован в виде отдель­ ных отсеков с площадью поверхности 500 м2 каждый. Эксперимен­ тально установлено, что при полной нагрузке в каждом отсеке содер­ жание кислорода в воде поддерживается на уровне 4 г/м3. В каждом отсеке выполняется условие идеального перемешивания. Биопленка в реакторе очень толстая и проницаема лишь частично, k i/2,A,o2 = 3,5 г1/ 2м“ 1^2сут” 1. Сколько отсеков должно быть в реакторе, чтобы концентрация НАс на выходе из системы не превышала 2KS,HACJ если

KS.HAC = 2 г НАс/м3?

В соответствии с вышеприведенными примерами, скорость про­ цесса определяется концентрацией кислорода в первом отсеке:

га.о2 = 3,5 г1/2 •м~1/2 •сут_1(4 г 0 2/м 3)1/2 = 7 г 0 2/(м 2 •сут)

га,о2А ; = 7 •500 = 3500 г 0 2/сут.

Таблица 5.5. Константы скоростей реакций порядка 1/2 для биофиль­ тров [14, 16, 24, 8, 19]

ft k l/2 ,A ,S = ( 2 D S,2k 0 V f)1/2

Из примера 3.2 можно найти стехиометрические коэффициенты уравнения удаления уксусной кислоты: 1 моль НАс (~ 60 г НАс) требует 0,9 моль Ог « 0,9 •32 = 29 г Ог.

Следовательно,

^о2,нас = (60 г НАс)/(29 г О2) = 2,1 г НАс/г О2,

гл.НАсАг* = 3500 •2,1 = 7,3 кг НАс/сут.

Поток органического вещества при Ci = Si = 500 г/м 3 равен

Q1C1 = 100 •500 = 50 кг НАс/сут

Таким образом, необходимо последовательное соединение по крайней мере семи отсеков. Первые шесть будут работать в идентич­ ном режиме, поскольку концентрация кислоты выше того предела, за которым скорость процесса определяется концентрацией кислорода. В первых шести отсеках удаляется б 7,3 = 44 кг НАс/сут и, следовательно, остается б кг НАс/сут, соответствующих 60 г НАс/м3 в стоке, подаваемом на обработку.

В седьмом отсеке, как предполагается, концентрация НАс должна определять скорость процесса:

= 3,5 •(0,7/1,7 •2,1)1/2 = 3,3(г НАс)1/2 •м "1/2 •сут-1 Массовый баланс уксусной кислоты определяется выражением

Q •Si — гд,нас •А2 = Q •S3 6000 г НАс/сут - 3,3 •500 Sj/2 = 100 S3

Это дает следующее решение:

S\/2 = 3,1 (или Sj/2 = -19)

S3 = 9,6 г НАс/м3

При такой концентрации скорость процесса определяется концен­ трацией уксусной кислоты:

Dred/Dox •«/ox,red = 0,7/(1,7 •2,1) = 0,20

Sox/Sred = - (4 г 0 2/м 3)/(9,6 г НАс/ м3) > 0,20 г 0 2/г НАс

Заметьте, в этом процессе восстановитель является лимитиру­ ющим субстратом, см. выражение (5.32). НАс начинает оказывать лимитирующее действие при SHAC < 4/0,20 = 20 г НАс/м3,

Поскольку концентрация уксусной кислоты все еще выше 2 Ks, то необходим восьмой отсек. В восьмом отсеке удаление описывается реакцией первого порядка, так как концентрация кислоты становится ниже 2 Ks = 4 г НАс/м3.

Выражение (5.20) дает:

kiVf.HAc = koV f.H A c/K s.H A c = (k i/2 ,H A c )2/(2 D H A c * K s.H A c)

kivf.HAc = 3,32/ (2 ■0,7 10-4 •2) = 3,9 •104сут-1

Поскольку пленку считают очень толстой, из выражения (5.9) получаем:

klA .H Ac = \ /(k iv f,H A c *D HAC) = (0,7 10 4' •3,9 •104)1/2 = 1,7 м/сут