АВТОМАТИЗАЦИЯ  И  УПРАВЛЕНИЕ  ПРОЦЕССОМ  БИОЛОГИЧЕСКОЙ  ОЧИСТКИ  СТОЧНЫХ  ВОД

Денисов  Сергей  Егорович

д-р  техн.  наук,  профессор,  заведующий  кафедрой  водоснабжения  и  водоотведения,  Южно-Уральский  государственный  университет,  г.  Челябинск,  РФ,  г.  Челябинск

Е-mail : 

Максимов  Сергей  Павлович

Магистрант  Южно-Уральский  государственный  университет,  г.  Челябинск,  РФ,  г.  Челябинск

Е-mail :  balid@hotbox.ru

Микляева  Татьяна  Александровна

студент  3  курса,  филиал  Южно-Уральского  государственного  университета  в  г.  Златоусте,  РФ,  г.  Златоуст

Е-mail: 

AUTOMATION  AND  CONTROL  OF  BIOLOGICAL  WASTEWATER  TREATMENT  PROCESS

Sergej  Denisov

doctor  of  Sc. ,  Full  Professor,  head  of  the  Department  water  supply  and  sanitation,  South  Ural  state  University,  Chelyabinsk  Russia,  Chelyabinsk

Sergej  Maksimov

master  student ,  South  Ural  State  University,  Chelyabinsk,  Russia,  Chelyabinsk

Tatyana  Miklyaeva

student,  South  Ural  State  University,  Zlatoust  branch,  Russia,  Zlatoust

АННОТАЦИЯ

Показана  возможность  использования  роторных  аппаратов  для  повышения  эффективности  биологической  очистки  сточных  вод.  Приведена  схема  подключения  и  описана  работа  роторного  аппарата  с  модуляцией  потока.  Разработана  функциональная  схема  автоматического  управления  технологическим  процессом  биологической  очистки.

ABSTRACT

It  is  shown  the  ability  to  use  rotary  apparatus  to  improve  the  efficiency  of  biological  wastewater  treatment.  It  is  shown  the  connection  scheme  and  described  the  work  of  the  rotary  apparatus  with  modulation  of  the  flow.  It  is  developed  the  functional  diagram  of  the  automatic  control  of  biological  treatment  process.

Ключевые  слова:  бытовые  стоки;  биологическая  очистка;  автоматизация;  управление  процессом;  эффективность  очистки;  активный  ил;  насыщение  кислородом  функциональная  схема.

Keywords:  Domestic  waste;  biological  treatment;  automation;  process  control;  treatment  efficiency;  activated  sludge;  oxygenation;  functional  diagram.

Автоматизация  одно  из  направлений  научно-технического  прогресса,  позволяющее  использовать  саморегулирующие  сложные  технические  средства  и  математические  аппараты  для  них,  с  целью  повышения  эффективности  технологических  процессов  в  целом,  или  работы  отдельного  оборудования.  Автоматизация  позволяет  повысить  производительность  труда,  улучшить  качество  продукции  или  повысить  стабильность  протекания  технологического  процесса,  оптимизировать  процессы  управления  и  исключить  человека  из  сложной  технологической  цепочки  процесса  производства.  Этот  процесс,  за  исключением  отдельных  случаев,  требует  комплексного  и  системного  подхода  к  решению  поставленных  задач.  Не  остается  в  стороне  и  водокоммунальное  хозяйство,  обладающее  огромным  количеством  машин,  механизмов,  приводных  систем,  призванных  на  высоком  уровне  отрабатывать  свое  служебное  назначение.  Водоотведение  и  водоочистка  занимает  ключевое  место  в  этих  процессах,  поскольку  отвечает  за  доставку  и  переработку  стоков  к  очистным  сооружениям,  которые  представляют  собой  сложную  последовательность  стадий  (рисунок  1)  [2],  при  прохождении  которых  загрязненные  воды  подлежат  очистке  до  установленных  нормативами  значений.  Одной  из  стадий  данного  процесса  является  биологическая  очистка  сточных  вод.  Качество  очистки  при  этом  зависит  от  следующих  факторов:  степени  загрязнения  стоков,  температуры  окружающей  среды  и  воды,  качества  и  эффективности  барботирования,  объемной  подачи  стоков  в  единицу  времени,  химического  состава  загрязнений  и  др.  Очистные  сооружения  для  большинства  крупных  городов  рассчитывались,  как  правило,  на  меньший  дебет  и  сегодня  работают  на  предельных  возможностях,  что  конечно  негативно  сказывается  на  эффективности  водоочистки.  Поэтому  разработка  новых  эффективных  методов  и  средств,  использующих  на  этапах  водоочистки,  средства  автоматизации  и  управления  является  актуальной  задачей  современного  водокоммунального  хозяйства.

Рисунок  1.  Схема  очистки  сточных  бытовых  вод

Биологическая  очистка  представляет  сложный  и  хрупкий  процесс  поглощения  простейшими  микроорганизмами  органических  загрязнений  [1].  В  процессе  жизнедеятельности  микроорганизмы  растут,  размножаются  и  отмирают.  Причем,  как  было  установлено,  наибольшая  их  активность  наблюдается  при  определенных  размерах  простейших.  Для  поддержания  активности  микроорганизмов  и  насыщения  кислородом  водной  среды  используют  барботирование  –  перемешивание  и  разбиение  хлопьев  активного  ила  путем  пропускания  мощных  потоков  воздуха  через  водную  среду  [3].  Необходимо  заметить,  что  насыщение  кислородом  очищаемой  воды  на  этом  этапе  является  необходимым  и  обязательным  условием  активной  деятельности  микроорганизмов  по  размножению,  росту  и  переработке  растворенных  органических  веществ.  В  настоящее  время  этот  процесс  очень  энергозатратный  и  малоэффективный  в  виду  наличия  относительно  больших  пузырьков  воздуха,  что  уменьшает  общую  площадь  соприкосновения  их  при  всплывании  и  эффективного  растворения  на  значительный  промежуток  времени.  Поэтому  важнейшей  технической  характеристикой  аэротенка  является  то,  какое  количество  кислорода  в  растворенном  состоянии  вводится  в  единицу  объема  при  постоянной  аэрации  водной  суспензии  и  как  быстро  происходит  падение  концентрации  растворенного  кислорода  в  обрабатываемой  среде  [4].  Последние  характеристики  являются  важнейшими  в  цепочке  биологической  очистки  сточных  вод,  а  их  величина  является  мерой  конструктивного  совершенства  аппарата,  в  частности,  устройства,  обуславливающего  насыщение  среды  кислородом. 

Ощутимого  снижения  энергозатрат  можно  добиться,  используя  современные  устройства  эффективного  растворения  кислорода  в  жидкой  среде  за  счёт  увеличения  площади  межфазной  поверхности  без  увеличения  объёма  подаваемого  воздуха.  Вместе  с  тем  необходимо  осуществлять  целенаправленную  размерную  регенерацию  микроорганизмов  до  определенных  величин,  тем  самым,  повышая  их  активность  и  способность  к  продолжительному  очищению  среды  от  растворенных  примесей.  Сохраняя  неизменной  технологическую  последовательность  очистки,  тем  самым,  можно  добиться  повышения  ее  эффективности  адресным  преобразованием  значимых  характеристик  и  величин  процесса.

В  работе,  для  активации  активного  ила  и  эффективного  насыщения  кислородом  обрабатываемой  среды,  предлагается  использовать  роторный  аппарат  с  модуляцией  потока  (РАМП)  [5].  Общей  для  всех  аппаратов  подобной  конструкции  является  модуляция  площади  проходного  сечения  потока,  и  как  следствие  и  модуляция  расхода,  объёма,  доли  обрабатываемой  жидкой  среды  в  зазоре  между  ротором  и  статором.

Работу  аппарата  можно  описать  следующим  образом.  Обрабатываемая  жидкость  подается  под  давлением  или  самотеком  через  входной  патрубок  в  полость  вращающегося  ротора.  Проходит  через  каналы  ротора  и  статора  и  выходит  из  аппарата  через  выходной  патрубок.

Скорость  потока  жидкости  в  канале  статора  является  переменной  величиной.  При  распространении  в  канале  статора  импульса  избыточного  давления,  вслед  за  ним  возникает  кратковременный  импульс  пониженного  (отрицательного)  давления.  Объем  жидкости,  вошедший  в  канал  статора,  стремится  к  выходу  из  канала,  и  инерционные  силы  создают  растягивающие  напряжения  в  жидкости,  что  вызывает  кавитацию.  В  виду  того,  что  скорость  потока  жидкости  в  канале  статора  велика  и  имеет  флуктуации,  поток  имеет  развитую  турбулентность.

Вышеперечисленные  особенности  работы  роторных  аппаратов  позволяют  предположить  возможность  их  использования  для  интенсификации  процесса  биологической  очистки  сточных  вод.  Предполагаемая  схема  подключения  аппарата  показана  на  рисунке  2.

Рисунок  2.  Схема  подключения  РАМП

Как  было  замечено,  работа  роторного  аппарата  представляет  сложный  процесс,  поэтому  для  эффективной  обработки  среды  необходимо  анализировать  массу  факторов  оказывающих  на  процесс  существенное  влияние.  Кроме  того,  относительно  компактные  размеры,  простой  прямой  привод  способствуют  включению  его  в  схему  автоматизированного  управления  (рисунок  3).

Рисунок  3.  Функциональная  схема  автоматического  регулирования  работы  РАМП:  Д1  —  датчик  расхода  очищаемой  среды;  Д2  —  датчик  температуры  воды;  Д3  —  датчик  расхода  воздуха;  Д4  —  датчик  давления  на  выходе  из  РАМП;  Д5  —  давление  жидкой  среды  на  входе  в  РАМП;  М  —  привод  РАМП;  ЛУ  —  логическое  устройство  для  управления  системой

Представленная  схема  и  технология  значительно  повысит  качество  биологической  очистки  сточных  бытовых  вод  за  счет  оптимального  подбора  параметров  и  автоматического  управления  работы  роторного  аппарата.  Это  позволит  повысить  эффективность  за  счет  качественного  насыщения  кислородом  обрабатываемой  жидкости  и  целенаправленной  размерной  обработки  скоплений  простейших  микроорганизмов  иловой  среды  в  стадию  наиболее  активного  поглощения  растворенных  в  воде  органических  соединений.

Список  литературы:

1.Биологическая  очистка  сточных  вод.  Мосин  О.В.  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://www.o8ode.ru/article/planetwa/oprecnenie/biologi4eckaa_o4ictka_cto4nyh_vod.htm  (дата  обращения  12.04.2015).

2.Максимов  С.П.,  Алексеев  И.А.  Обзор  методов  биологической  очистки  сточных  вод  //Технические  науки  –  от  теории  к  практике.  —  2014.  —  №  41  —  с.  95—101.

3.Нюансы  очистки  сточных  вод  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://kanalizaciya-expert.ru/naruzhnaya/stochnye-vody/ochistnye-sooruzheniya-kanalizacii-99  (дата  обращения  02.03.2015).

4.Современные  методы  интенсификации  работы  аэротенков  на  очистных  сооружениях  больших  городов:  обзорная  информация/  В.И.  Калицун,  В.Н.  Николаев,  В.Д.  Журавлёв,  М.Г.  Картавцева.  М.:  МГЦНТИ.  —  1985.  —  Вып.  6.  —  24  с.

5.Юдаев  В.Ф.,  Маршалов  О.В.,  Биглер  В.И.  Ячеечная  модель  поглощения  субстрата  флокулами  активного  ила//Хранение  и  переработка  с/х  сырья.  —  2007,  —  №  11.  —  С.  66—68.