способ управления процессом очистки сточных вод

Формула изобретения

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД, включающий подачу сточных вод в усреднитель, аэротенк, отстойник последовательно, измерение расхода сточных вод после усреднителя, отличающийся тем, что отбирают часть расхода очищенных сточных вод, охлаждают эту часть и с помощью теплового насоса сообщают полученное при охлаждении тепло сточным водам перед входом их в аэротенк, измеряют температуру сточных вод на выходе из усреднителя, температуру очищенных сточных вод на выходе от отстойника и после охлаждения мощность, затраченную на привод теплового насоса, регулируют величину отбираемой части расхода по температуре сточных вод на выходе из усреднителя, при этом регулирование величины отбираемой части расхода производят в соответствии с формулой



где a величина части расхода очищенных сточных вод, подлежащих охлаждению, от общего их расхода;

t_min минимально допустимая температура в аэротенке, ^oС;

t_уср, t_отс, t_охл - температуры сточных вод на выходе из усреднителя, из отстойника и после охлаждения соответственно, ^oС.

V расход сточных вод, м³/с;

N мощность, затрачиваемая на привод теплового насоса, Вт;

C теплоемкость сточных вод, Дж / (кг град);

плотность сточных вод, кг/м³.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам управления и регулирования процессов биологической очистки хозбытовых и промышленных сточных вод и может быть использовано, например, в угольной промышленности.

Известен способ управления процессом биологической очистки сточных вод в установке, включающей резервную емкость и последовательно установленные усреднитель, аэротенк и вторичный отстойник, путем стабилизации органической нагрузки на активный ил в аэротенке изменением подачи воды в резервную емкость и из резервной емкости на вход усреднителя в зависимости от концентрации органических загрязнений в воде, поступающей на очистную установку, и в воде на выходе резервной емкости и изменения расхода возвратного ила в аэротенк, концентрации в воде органических загрязнений и концентрации ила в аэротенке. При этом расход сточной воды в резервную емкость и из нее, расход сточной воды в аэротенк и концентрацию в ней органических загрязнений корректируют по расходу сточной воды, поступающей в установку, и расходу воды в усреднитель или в резервную емкость [1]

Известен также способ регулирования процесса очистки сточных вод, реализуемый одноименным устройством, по которому изменяют объем воды во вторичном отстойнике при скачкообразном изменении концентрации органических веществ в сточной воде, а также регулируют расход возвратного ила при скачкообразном изменении расхода сточной воды [2]

Известные способы не обеспечивают достаточной эффективности очистки вследствие нестабильности температурного режима процесса очистки при периодическом понижении температуры сточных вод.

Наиболее близким к предлагаемому является способ управления процессом биологической очистки сточных вод последовательно в усреднителе, аэротенке и отстойнике путем стабилизации нагрузки на активный ил, изменением подачи воды в резервную емкость и из нее в зависимости от концентрации загрязнений на ее входе и выходе и от расхода воды, поступающей на установку, в усреднитель или резервную емкость. При этом расход воды в резервную емкость корректируют по разности прогнозируемых и заданных значений концентраций загрязнений на входе в аэротенк и на выходе из отстойника с учетом поправки на фактическое значение этих концентраций [3]

Недостатком известного способа является неудовлетворительная эффективность очистки сточных вод, обусловленная нестабильностью температурного режима в аэротенке при периодическом понижении температуры сточных вод.

Нестабильность температурного режима процесса очистки по известным способам обусловлена отсутствием операций подогрева сточных вод в случае понижения их температуры. Благодаря усреднению расхода сточных вод кратковременное понижение температуры сточных вод сглаживается в усреднителе и не приводит к существенному падению температуры на входе в аэротенк, однако при длительных периодах (более 2-3 ч) понижения температуры сточных вод весь объем воды в усреднителе приобретает низкую температуру, и при этой же низкой температуре сточные воды поступают в аэротенк.

Скорость роста, окислительная способность и ферментативная активность микроорганизмов активного ила зависят от его температуры.

Благоприятным для деятельности микроорганизмов является температурный диапазон 20-40^оС. Нижняя граница этого диапазона представляет собой минимальную температуру, при которой обеспечивается устойчивая и эффективная биологическая очистка сточных вод [4]

Практически для всех географических районов СССР температура сточных вод даже в летний сезон не превышает 30^оС. В то же время в районах с умеренным и холодным климатом, как показало обследование условий эксплуатации установок биологической очистки сточных вод типа ТАБС на ряде предприятий угольной промышленности [5] имеют место значительные как суточные, так и сезонные колебания температуры сточных вод в области пониженных температур (5-18^оС).

При периодическом понижении температуры поступающих на очистку сточных вод (связанном, например, с колебаниями температуры окружающей среды или с отключением горячего водоснабжения на объекте, стоки которого подлежат очистке) соответственно понижается температура в аэротенке, что приводит к уменьшению биохимической эффективности микроорганизмов активного ила и, как следствие, росту остаточных концентраций загрязняющих веществ в очищенных сточных водах на 20-40% т.е. снижению эффективности очистки.

Цель изобретения повышение эффективности очистки путем стабилизации температурного режима в аэротенке.

Цель достигается тем, последовательно в усреднителе, аэротенке и отстойнике дополнительно отбирают часть расхода очищенных сточных вод, измеряют температуру сточных вод на выходе из усреднителя и по ее значению регулируют величину отбираемой части расхода. Эту часть охлаждают и посредством теплового насоса сообщают полученное при охлаждении тепло сточным водам перед входом их в аэротенк. Кроме того измеряют мощность, затрачиваемую на привод теплового насоса, расход сточных вод и температуру их на выходе из отстойника и после охлаждения. Регулирование величины отбираемой части расхода производят в соответствии с соотношением

a 100 где а величина части расхода очищенных сточных вод, подлежащих охлаждению, от их общего расхода;

t_min минимально допустимая температура в аэротенке,^оС;

t_уср, t_отс,t_охл температуры сточных вод на выходе из усреднителя, на выходе из отстойника и после охлаждения соответственно,^оС;

V расход сточных вод,м³/с;

N мощность, затрачиваемая на привод теплового насоса,Вт;

с теплоемкость сточных вод,Дж/кгград;

- плотность сточных вод,кг/м³.

Такие признаки, как отбор части расхода очищенных сточных вод, измерение температуры сточных вод на выходе из усреднителя и регулирование по ее значению величины отбираемой части расхода, охлаждение этой части и передача посредством теплового насоса полученного при охлаждении тепла сточным водам перед входом их в аэротенк, измерение мощности, затрачиваемой на привод теплового насоса, расхода сточных вод и температур их на выходе из отстойника и после охлаждения, а также регулирование величины отбираемой части расхода в соответствии с соотношением:

a 100 отличают заявляемое решение от прототипа и обуславливают соответствие его критерию "Новизна".

Приведенное соотношение получено путем решения системы уравнений энергетического баланса.

Из научно-технической и патентной литературы известны способы и устройства, по которым осуществляют охлаждение одного объекта и передачу полученного при охлаждении тепла второму объекту посредством теплового насоса. Наиболее часто для этой цели применяются парокомпрессионные тепловые насосы, содержащие компрессор, конденсатор, дроссель и испаритель [6]

При этом в известных способах регулирование количества тепловой энергии, передаваемой от первой среды к второй, осуществляется изменением температуры испарения промежуточного теплоносителя либо управлением величиной интервалов времени, в течение которых происходит передача тепловой энергии, причем охлаждению подвергается весь расход первой среды.

В предлагаемом способе нагрев сточных вод после выхода их из усреднителя осуществляется за счет отбора тепла от этих же сточных вод, прошедших биологическую очистку, таким образом охлаждаемая и нагреваемая среды являются соответственно продуктом и исходным материалом одного и того же технологического процесса очистки сточных вод. Регулирование количества передаваемой тепловой энергии в зависимости от температуры сточных вод производится изменением величины части расхода очищенных сточных вод, подлежащей охлаждению.

Из научно-технической и патентной литературы неизвестны способы управления процессом биологической очистки сточных вод, по которым производят стабилизацию температурного режима процесса очистки за счет охлаждения части расхода очищенных сточных вод, причем в зависимости от значения температуры сточных вод регулируют величину этой части.

На чертеже представлена схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство содержит усреднитель 1, аэротенк 2 и отстойник 3, соединенный с аэротенком 2 трубопроводом 4 возвратного активного ила и с насосной станцией 5. На выходе из отстойника 3 трубопровод очищенных сточных вод разветвляется на два трубопровода 6 и 7, снабженные задвижками 8 и 9.

Тепловой насос 10 содержит соединенные между собой компрессор 11, дроссель 12, конденсатор 13 и испаритель 14. Конденсатор 13 и испаритель 14 представляют собой двухполостные теплообменники, причем одна из полостей как первого, так и второго заполнена промежуточным теплоносителем (например, фрионом-12).

Второй своей полостью конденсатор 13 подключен к трубопроводу 15 между усреднителем 1 и аэротенком 2, а испаритель 14 второй полостью подключен к трубопроводу 6.

Устройство снабжено измерителями 16-19 температуры, установленными соответственно на выходе из усреднителя 1, на входе в аэротенк 2, на выходе из отстойника 3 и на выходе из испарителя 14.

Измеритель 20 расхода установлен соответственно на выходе из усреднителя 1 и на входе в испаритель 14.

Устройство снабжено также измерителем 21 мощности привода теплового насоса. В состав устройства может быть включен блок 22 автоматического управления.

Способ управления процессом биологической очистки сточных вод осуществляют следующим образом.

Сточные воды поступают в усреднитель 1, в котором смешиваются и поступают в аэротенк 2 для очистки активным илом.

Иловая смесь из аэротенка 2 поступает в отстойник 3, откуда осажденный активный ил возвращается в аэротенк 2 по трубопроводу 4 под действием напора, создаваемого насосной станцией 5. Очищенные сточные воды удаляются из отстойника 3 по трубопроводам 6,7.

На выходе усреднителя 1 измерителем 16 определяют температуру t_уср.

Если измеренное значение t_уср ниже заданной температуры t_min(нижней границы диапазона температур, в котором обеспечивается устойчивая и эффективная очистка), то рассчитывают по соотношению

a 100 величину а части расхода очищенных сточных вод, подлежащей отбору на охлаждение. При расчете используют значения температур t_уср и t_min, а также значение температуры очищенных сточных вод на выходе из отстойника t_ост, которое определяется измерителем 18, значение температуры очищенных сточных вод после охлаждения t_охл, определяемое измерителем 19, расход сточных вод V, определяемый измерителем 20, и мощность N, затрачиваемую на привод теплового насоса 10, определяемую блоком 22. Теплоемкость с и плотность сточных вод определяют из справочных данных.

Если в предшествующий момент времени температура t_уср была выше t_min и тепловой насос не был включен, то принимают значение t_охл на 8-12^оС ниже t_отс, а величину N выбирают из диапазона 70-85% от максимальной мощности электродвигателя привода компрессора 11.

Затем регулируют степень открытия задвижек 8 и 9, обеспечивая пропуск рассчитанной величины части расхода очищенных сточных вод по трубопроводу 6 через испаритель 14, и включают тепловой насос 10 (если в предшествующий момент времени он не был включен).

Очищенные сточные воды в испарителе 14 отдают тепло промежуточному теплоносителю, который при этом испаряется. Образовавшиеся пары сжимаются компрессором 11 и поступают в конденсатор 13, где конденсируется, нагревая при этом сточные воды перед входом их в аэротенк 2. Жидкий промежуточный теплоноситель поступает на дроссель 12, проходя который частично испаряется, охлаждается и вновь направляется в испаритель 14.

Температура сточных вод после подогрева контролируется измерителем 17. Если ее фактическое значение отличается от t_min, производят измерение мощности N измерителем 21 и температуры t_охл измерителем 19, после чего вновь рассчитывают величину части расхода сточных вод, подлежащих охлаждению, и корректируют положение задвижек 8,9. При необходимости операции корректировки повторяют.

Как показывают расчеты, одного-двух таких последовательных приближений достаточно для достижения на входе в аэротенк температуры сточных вод, отличающейся от t_min не более, чем на 1^оС.

При необходимости описанный выше процесс измерения, расчета и регулирования может управляться блоком 22 автоматического управления. Если же температура сточных вод на выходе из усреднителя становится равной или большей t_min, то тепловой насос отключают, и сточные воды поступают в аэротенк без подогрева.

Температура охлаждения очищенных сточных вод должна быть выше температуры их замерзания для исключения возможности образования льда в испарителе.

В силу термодинамических свойств парокомпрессионного цикла на сжатие паров промежуточного теплоносителя затрачивается значительно меньшее количество энергии (в 4-10 раз) по сравнению с количеством тепловой энергии, передаваемой от очищенных сточных вод к исходным сточным водам.

П р и м е р 1. Расход сточных вод через установку биологической очистки составляет 100 м³/ч. Из опыта эксплуатации установки известно, что эффективная и качественная очистка наблюдается при температуре не ниже t_min 20^оС. Установка снабжена серийно выпускаемым тепловым насосом МКТ-220, использующим в качестве промежуточного теплоносителя фреон-12.

В результате отключения горячего водоснабжения на объекте, стоки которого подлежат очистке, температура сточных вод на выходе из усреднителя понизилась до 10^оС. Поскольку эта температура ниже t_min, производят охлаждение очищенных сточных вод, имеющих после отстойника температуру 16^оС, до 5^оС, отбирая от них тепловую энергию на испарение фреона-12. Пары последнего сжимают в компрессоре, а затем конденсируют, сообщая выделяющееся тепло протекающим через конденсатор загрязненным сточным водам и подогревая их до t_min.

При этом на охлаждение направляют 82,0% расхода очищенных сточных вод (величина рассчитана по соотношению, приведенному выше).

П р и м е р 2. Способ осуществляют, как описано в примере 1, за исключением того, что температура сточных вод на выходе из усреднителя составляет 15^оС.

В этом случае на охлаждение направляют 41,9% расхода очищенных сточных вод.

Некоторые показатели, характеризующие предлагаемый способ, приведены в таблице.

Предлагаемый способ может быть реализован на установках биологической очистки сточных вод практически всех имеющихся в народном хозяйстве типов.

Наиболее эффективно использование способа для управления процессом очистки сточных вод, объектов, характеризующихся значительными суточными и сезонными колебаниями температуры сточных вод.

Подогрев сточных вод регулируемым количеством теплоты позволяет стабилизировать температуру их на входе в аэротенк и повысить стабильность процесса биологической очистки путем поддержания достаточно высокой и близкой к постоянной биохимической активности микроорганизмов активного ила.

По предлагаемому способу подогрев сточных вод в случае понижения их температуры производят до заданной температуры, при которой обеспечивается устойчивая биологическая очистка с удовлетворительными эффективностью и качеством (20-25^оС). В то же время подогрев до такой температуры требует значительно меньших (в 2-3 раза) затрат энергии по сравнению с подогревом до более высоких температур (30-40^оС).

Использование предлагаемого способа управления процессом биологической очистки сточных вод обеспечивает по сравнению с известными способами стабилизацию температурного режима в аэротенке при периодическом понижении температуры поступающих на очистку сточных вод, что позволяет повысить эффективность процесса очистки и производительность очистных сооружений.