2.4.2 Модельный пример 2 – биологическая очистка сточных вод (процесс активированного отстоя)

В современном обществе потребляется большое количество воды, поэтому пере­работка сточных вод становится одной из главных природоохранных задач. Для уничтожения или снижения количества содержащихся в них загрязнений сточные воды можно перерабатывать механическими, химическими и биологическими мето­дами — на большинстве современных предприятий по переработке сточных вод все они используются одновременно. Ниже мы кратко рассмотрим управление биологи­ческим процессом, получившим широкое распространение для переработки как про­мышленных, так и бытовых сточных вод.

Процесс активированного отстоя (activated sludge process) заключается в том, что взвешенные в аэраторе микроорганизмы взаимодействуют с органическими веще­ствами, содержащимися в сточных водах, и растворенным кислородом (Dissolvei Oxygen — DO). В результате этого процесса увеличивается масса микроорганизмов» вырабатывается двуокись углерода и вода. Другими словами, микроорганизмы раз­множаются, питаясь органическими компонентами сточных вод, и высвобождаю? двуокись углерода и воду.

Установка для переработки сточных вод содержит две основные части — аэратор и устройство осаждения (рис. 2.14). Аэратор представляет собой биологический реактор, содержащий микроорганизмы, — в нем происходит реакция со сточными во­дами и кислородом воздуха. В устройстве осаждения активированный отстой, состо­ящий из живых или погибших организмов и другой инертной массы, отделяется от остальной жидкости. Часть концентрированного отстоя регенерируется и снова по ступает в аэратор для того, чтобы поддерживать массу живых микроорганизмов в процессе постоянной; соотношение между объемом сточных вод и массой микроор' ганизмов должно сохраняться в определенной пропорции. Остальной отстой удаляется из устройства осаждения для последующего захоронения. Выход процесса — по ток очищенной воды и концентрированный отстой — менее опасны для окружаюшей среды и легче перерабатываются, чем неочищенные сточные воды.

Временной масштаб биологического процесса обычно составляет величину порядка часов или дней и поэтому не является ограничением для управляющего компьютера Это совсем не означает, что биологическими процессами управлять проще, ^ПЬ ольку в этой области существуют свои проблемы. Состав и концентрация неочищенных сточных вод обычно неизвестны. Концентрация отходов иногда бывает настолько мала, что ее очень трудно измерить — даже самая загрязненная вода на 99 95 % состоит из воды! Однако даже малые концентрации отходов опасны для ок-

жаюшей среды, так как могут накапливаться в живых организмах.

Рис. 2.14. Процесс активированного отстоя при переработке сточных вод

В биологическом реакторе существует очень много видов микроорганизмов, но лишь немногие из них действительно известны и исследованы. Между популяциями микроорганизмов существует борьба, и если одна разновидность обгоняет в разви­тии другую, то это оказывает влияние на баланс процесса, меняя его динамику и про­изводительность. Концентрация растворенного кислорода, вид субстрата и загрязне­ний, величина рН, температура — вот лишь некоторые из факторов, влияющих на скорость роста микроорганизмов.

Для обогащения среды аэратора кислородом необходимо закачивать в него воздух. Расход воздуха, влияющий на эффективность всего процесса, имеет первостепенное значение. Если концентрация растворенного кислорода опускается ниже определен­ного минимального значения (в диапазоне 1-2 мг/л), микроорганизмы будут не в со­стоянии перерабатывать ("поедать") загрязнения с нормальной скоростью и процесс замедлится. С другой стороны, нагнетание воздуха требует много энергии. Концентра­ция растворенного кислорода определяет вид доминирующих организмов и, следова­тельно, влияет на процесс очистки сточных вод от загрязнений.

Кроме того, сточные воды могут содержать токсичные вещества, способные затормо­зить рост некоторых микроорганизмов или даже убить их. С точки зрения управления процессом это означает, что в зависимости от изменения условий работы необходимо выбирать новые виды управляющих воздействий. Поэтому для определения текущего состояния процесса должны применяться специальные методы оценки.

В главе 3 рассмотрены простые модели для описания динамики биологических систем. Проблемы организации измерений обсуждаются в главе 4, а в главе 6 — схемы управления.