Материал: Доочистка сточных вод химического предприятия от неорганических веществ с использованием элодеи и роголистника (90
являются растениями - аккумуляторами таких металлов как железо, цинк, марганец, в наименьшей степени - меди и никеля. В технологиях доочистки концентрации загрязняющих веществ в элодее и роголистнике на единицу их массы не превышают нормативных значений концентраций тяжелых металлов в кормах сельскохозяйственных животных и удобрениях за счет прироста биомассы растений. Полученные в результате экспериментальных исследований зависимости изменения концентраций в воде и в водных растениях во времени позволяют рассчитать значения коэффициентов диффузии тяжелых металлов из воды в элодею и роголистник.
В пятой главе построена дискретная математическая модель биогидроботанической очистки сточной воды; разработана компьютерная программа моделирования работы водоочистного сооружения с использованием высшей водной растительности «CLEANING»; разработана блок-схема технологии доочистки промышленных сточных вод на базе использования элодеи
ироголистника; предложен вариант утилизации избытка биомассы водных растений в качестве сырья для получения биогаза для объектов энергетики; оценен предотвращенный экологический ущерб от попадания загрязняющих веществ в природные водоемы при внедрении технологии доочистки сточных вод с помощью элодеи и роголистника.
Разработана дискретная математическая модель процесса доочистки воды в очистном сооружении с посаженными в него водными растениями, где происходит процесс диффузии загрязняющих веществ из воды в растения. Математически описаны изменения концентраций загрязняющих веществ в воде
ирастениях во времени при доочистке в стоячей воде.
x(t) (x y ) |
|
V2 |
|
e t x |
|
V1 |
|
y |
|
V2 |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
0 |
0 |
|
V1 V2 |
0 |
|
V1 V2 |
0 |
|
V1 V2 |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(1) |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
V1 |
|
|
|
|
|
V |
|
|
|
|
V2 |
||||
y(t) (x |
y ) |
|
e t x |
y |
0 |
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
0 |
|
0 |
|
V1 V2 |
|
|
0 |
|
V1 V2 |
|
|
V1 V2 |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
где х(t), у(t) – концентрации загрязняющих веществ в воде и в растении соответственно в произвольный момент времени t, (мг/л) и х(t=0)=х0, у(t=0)=y0; V1 и V2 – объемы очищаемой воды и водных растений, (м3); коэффициент
V1 V2 Sb; S – площадь поверхности водных растений, (м2); b – коэффициент
V1V2
диффузии (м/с); t – время, (с).
Полученные соотношения (1) позволяют определить изменение концентрации загрязняющего вещества в зависимости от времени и экспериментальным путем определить значения коэффициента диффузии загрязняющих веществ из воды в водные растения для стоячей воды. Для элодеи он составил 0,021 0,003 мм/с, для роголистника – 0,019 0,003 мм/с при температуре 22-230С, влажности воздуха – 60% и естественном освещении в весенне – осенний период. При совместном культивировании элодеи и роголистника коэффициент диффузии составил 0,026 0,002 мм/с.
11
Экспериментальное исследование показало, что для относительно низких скоростей течения воды в интервале от 0,1 до 0,5 м/с может быть использован коэффициент диффузии как для случая стоячей воды.
В общем случае связь концентрации загрязняющих веществ в воде и в водных растениях на входе и выходе произвольного элемента объема очистного сооружения с учетом коэффициента диффузии можно найти следующим образом:
xn 1(t t)yn 1(t t)
xn |
(t) (1 |
S0 b K |
t) yn |
(t) |
S0 b K |
t |
, |
(2) |
|
|
|||||||
|
|
1 K |
|
1 K |
||||
yn (t) (1 S0 b t) xn (t) S0 b t
где t l - время прохождения очищаемой воды со скоростью Vх (м/с)
Vx
длины элемента объема очистного сооружения l (м); S0 – удельная площадь поверхности водных растений, (1/м); К – коэффициент заполнения очистного сооружения водными растениями.
Соотношение (2) выполняются тем точнее, чем меньше t . Последовательно применяя соотношение (2) можно найти концентрацию
загрязняющих веществ в воде и в водных растениях в любом сечении очистного сооружения, в том числе и на выходе.
В процессе очистки воды с помощью высших водных растений масса растений растет (рис.5), при этом изменяется коэффициент заполнения очистного сооружения водными растениями.
Соотношения (3) позволяют в модели процесса очистки при расчете концентраций загрязняющих веществ в очищаемой воде и в водных растениях учесть прирост биомассы во времени.
xn 1(t t)
yn 1(t t)
x |
(t) (1 |
K(t) |
t) y |
(t) |
K*( t) |
t |
K(t) |
|
|
|
K*( t) , (3) |
||||||
n |
1 K(t) |
n |
1 K*( t) |
|
||||
K(t)
yn(t) K*( t)(1 t) xn (t) t
где |
S0 |
b K |
, а S |
0 |
b , |
К* ( t) - «новое» значение коэффициента |
||||
|
|
|||||||||
1 |
K |
|
|
|
|
K |
|
|||
заполнения, через время t; |
yn |
(t) |
|
- концентрация веществ в водном растении |
||||||
K* |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
сучетом прироста, т.е. увеличения биомассы.
Воснову соотношения (3) положена дискретная математическая модель очистного сооружения с загрузкой из водных растений
Соотношение (2) позволяет определить необходимый объем очистного
сооружения (Vоч.соор.):
V |
|
1 K |
|
R |
ln( |
Kз х0 |
) , |
(4) |
|
b S0 |
|
||||||
оч.соор. |
|
K |
|
хПДК |
|
|||
где использованы вышеприведенные обозначения, а также S0 – удельная площадь водных растений в единице объема очистного сооружения, (1/м); R –
12
расход очищаемой воды (м3/с); Кз – коэффициент запаса, отражающий динамический диапазон концентраций на выходе из очистного сооружения (5). Поскольку концентрация загрязняющего вещества на выходе из очистного сооружения должна быть ПДКрыбохоз., то для процесса очистки в очистном сооружении Кз>1
Kз |
|
хПДК |
(5); |
|
хn |
||||
|
|
|
где хПДК – предельно – допустимая концентрация загрязняющего вещества на выходе из очистного сооружения (мг/л), хn – концентрация загрязняющего вещества на выходе из очистного сооружения, (мг/л).
Выражение (4) позволяет оценить необходимый объем очистного сооружения при заданном значении расхода воды, известных параметрах водных растений, концентрациях загрязняющих веществ на входе в очистное сооружение, нормативных значений концентраций загрязняющих веществ на выходе из очистного сооружения, коэффициенте заполнения очистного сооружения водными растениями и коэффициенте запаса. Математическая модель очистки загрязненных вод с помощью высших водных растений положена в основу компьютерной программы доочистки загрязненных вод «CLEANING».
Компьютерная программа «CLEANING» позволяет смоделировать процесс доочистки загрязненных вод до нормативных значений; рассчитать объем очистного сооружения и его загрузки; анализировать работу очистного сооружения во времени с учетом периодической замены растительной массы; разрабатывать оптимальные технологические схемы очистки вод; оценивать эффективность очистки («самоочистки») водными растениями в естественных проточных водоемах; анализировать работу водоочистного сооружения с загрузками любой природы при известных эквивалентных параметрах загрузки.
Областью применения программы являются разработка инженерных систем очистки и доочистки загрязненных вод; ландшафтный дизайн городов с возможностью улучшения качества природных вод; выращивание водной растительной массы для задач альтернативной энергетики – устройство метантенков; моделирование процесса очистки загрязненных вод в учебном процессе. Программа может быть использована при проведении лабораторных и практических работ по различным экологическим дисциплинам в области защиты окружающей среды и гидробиологии. Программа предназначена для условий скоростей течения жидкости через очистное сооружение отличных от нуля.
Компьютерная программа включает блок параметров воды на входе очистного сооружения, блок параметров очистного сооружения и параметров водного растения (рис.6).
Интерфейс компьютерной программы включает:
-параметры воды на входе очистного сооружения: среднее значение (по поперечному сечению канала) скорости воды, расход воды, вид загрязняющего вещества, исходная концентрация загрязняющего вещества;
-параметры очистного сооружения: площадь поперечного сечения, длина сооружения, число контейнеров с загрузкой, вид загрузки – водное растение;
-параметры водного растения: отношение рабочей площади поверхности растения к объему растения (S0, 1/м), скорость диффузии (b, мм/с), максимальная
13
удельная скорость роста биомассы растений (a, 1/сутки), начальная плотность заполнения контейнера растениями (К0) и максимальная плотность заполнения контейнера растениями (Кm).
Рисунок 6 - Рабочее окно компьютерной программы «CLEANING»
Вправом верхнем углу расположено окно с информацией о ПДКрыбохоз. загрязняющего вещества.
Вправой нижней части находится блок с информацией об общих характеристиках сооружения (объем, биомасса растений, масса загрязняющих веществ в растениях), о характеристиках контейнера (объем, загружаемая биомасса) и данные текущей перезагрузки контейнеров (изъятая биомасса, изъятое загрязняющее вещество, загружаемая биомасса).
Для реализации технологии доочистки сточных вод химического предприятия с использованием элодеи и роголистника нами предлагается очистное сооружение - биоплато, которое представляет собой сетчатые емкости, заполненные водными растениями и закрепленные на понтонах. Размер ячеи емкостей должен соответствовать размерам погруженных в них водных растений. Рекомендуемый коэффициент заполнения емкостей в начале процесса доочистки
-0,4 - 0,6, в конце - 0,8 - 0,9. Для работы очистного сооружения на базе элодеи и роголистника в начальный момент времени рекомендуется использовать
14
соотношение «вода : элодея : роголистник» как 3:1:1. Необходимость замены элодеи и роголистника и объем новой загрузки водных растений рассчитывается в автоматизированном режиме в программе «CLEANING». Извлеченная из садков избыточная биомасса элодеи и роголистника может быть использована в качестве биотоплива (рис.7).
Поскольку программа «CLEANING» позволяет оценить оптимальное время очистки, появляется возможность планирования технологических работ на очистном сооружении.
Рисунок 7 - Схема использования избытка биомассы водных растений в качестве альтернативного вида топлива в биоэнергетике
Блок-схема процесса доочистки химически загрязненных производственных сточных вод с использование элодеи и роголистника представлена на рис.8.
Блок - схема включает в себя блок доочистки с использованием водной растительности и вовлечением в оборот очищенной воды. Поскольку вода доводится до нормативного качества, она может быть возвращена в водоем. Второй блок схемы включает получение биогаза на базе метанового сбраживания биомассы водных растений, как альтернативного источника энергии. Эти блоки связаны посредством автоматизированного анализа процесса доочистки с помощью компьютерной программы «CLEANING», которая позволяет рассчитать время очистки воды, объем водной растительности, периодичность ее замены и дальнейшего использования в процессе метанового сбраживания.
15