Математическое моделирование как возможность прогнозирования качества очистки стоков предприятий химической промышленности

На качество воды поверхностных водных объектов большое влияние оказывают в том числе и выпуски сточных вод предприятий химической отрасли города. Куйбышевское водохранилище является источником водоснабжения для промышленных объектов химической промышленности г. Тольятти, а Саратовское водохранилище является «приемником» сточных вод. Объем и качество сбрасываемых сточных вод оказывают значительное негативное воздействие на водный объект. В настоящее время механизмы самовосстановления водной экосистемы естественным способом не справляются с антропогенной нагрузкой промышленных предприятий, что указывает на необходимость проведения работ, направленных на улучшение качества и снижение токсичности сбросов [1, 2] .

Контроль качества и количества сбрасываемых сточных вод в поверхностный водный объект, в том числе превышений установленных нормативов, регламентируются требованиями законодательства Российской Федерации.

Сточные воды представляют собой воду, загрязненную большим количеством посторонних веществ органического и минерального происхождения и населенную огромным количеством микроорганизмов. Состав сточных вод разнообразен. Обычно разделяют хозяйственно-фекальные (бытовые) и промышленные стоки.

Состав бытовых сточных вод, как показывают многолетние исследования, более или менее однороден и представлен в основном взвешенными веществами, азотом аммонийным, фосфатами, калием, патогенной микрофлорой и др.

Сточные воды промышленных предприятий специфичны и имеют различный состав, в зависимости от специфики производства и используемого сырья в производственных процессах.

Основные схемы очистных сооружений с использованием аэротенков для биологической очистки стоков, были описаны еще в 1949 году профессором, доктором технических наук Б.О. Ботуком: к предварительно осветленной сточной воде прибавляли культуры специфических микроорганизмов (активный ил), смесь интенсивно аэрировали в течении определенного промежутка времени, после чего (в очищенном состоянии) сбрасывали в водный объект. Также было отмечено, что на состав биоценоза активного ила значительное влияние оказывает состав сточной воды, способы обработки и другие параметры [3] .

Процесс биологической очистки сточных вод основывается на ферментативных процессах, осуществляемых микроорганизмами, входящих в состав биоценоза активного ила [4] .

Основной задачей биологической очистки является удаление органических и минеральных примесей, которые могут быть растворены в стоках, находиться в коллоидном или взвешенном состояниях.

В типовом составе активного ила очистных сооружений содержатся бактерии, простейшие, грибы и дрожжи [5] .

Комфортная жизнедеятельность биоценоза напрямую зависит от концентрации поступающих на очистку стоков.

В рамках постановки научного эксперимента проведен анализ поступающих на биологическую очистку смешанных стоков химического производства и стоков городской канализации, а также анализы стоков прошедших биологическую очистку. Было исследовано порядка 24 определяемых показателей загрязняющих веществ входящих в состав стоков. Результаты проведенных экспериментов показали, что значения концентраций некоторых веществ после биологической очистки снизились, но предельно допустимых не достигли.

Для прогнозирования и анализа контрольных показателей, может применяться метод математического моделирования процессов. Любую динамическую систему с происходящими в ней превращениями можно описать с помощью математической модели.

Математическая модель, которая описывает процессы очистки жидких стоков биологическими методами, представляет собой систему дифференциальных уравнений материального баланса, которая характеризует кинетику поглощения органических соединений и других загрязняющих веществ микроорганизмами активного ила, изменение концентрации биомассы в иловой смеси и содержание растворенного кислорода в системе:

dL^ = Q • (1 + Rj) ( j j \ j d- у \Lout(j-1) Lout(j)) + RLj где LLMt(-^ и L^^,^ - концентрация j-го компонента в рассматриваемой i-й ячейке и в предыдущей, мг/л;^ - расход поступающей сточной воды, м3/ч;У -объем ячейки, м3;Rj - коэффициент рециркуляции активного ила; RJLi - скорость потребления j-го субстрата в i-й ячейке, мг/л⋅ч [6].

Расчет по максимальным значениям концентраций приоритетных загрязняющих веществ, которые были определены при исследованиях работы очистных сооружений, выполняется в программа Mathcad. Произведенный расчет показывает, что концентрация загрязняющих веществ на входе в аэротенк высока и может нести угрозу жизнедеятельности биоценоза активного ила и как следствие качеству очистки. Необходимо, как минимум, применение системы дополнительного разбавления стоков перед попаданием на биологическую очистку.