Рис. 3.3. Биологические превращения для двухсубстратной модели. Эта схема может использоваться для описания обычного реактора с активным илом, реакторов нитрификации и денитрификации, а также анаэробных реакторов. Трехсубстратная модель применима, в частности, для описания процесса биологического удаления фосфора.

Сюда следовало бы добавить еще адсорбцию, которая, хотя и не является превращением в полном смысле слова, но также может влиять на процессы очистки воды.

На рис. 3.3 представлены две модели, описывающие указанные превращения. В реальном реакторе все намного сложнее, чем это показано на рисунке, который подчеркивает только те моменты, которые наиболее важны для описания большинства процессов.

Наиболее существенной проблемой в биологическом превраще­ нии является то, что только определенная часть веществ, которые должны подвергнуться обработке, с самого начала доступна для микроорганизмов.

Ниже мы рассмотрим подробнее все три процесса — рост, гид­ ролиз и распад, а далее (гл. 4-9) используем их для описания закономерностей биологической очистки воды.

3.2.1. Биологический рост

Принято считать, что в процессе очистки воды для роста бактерии используют только очень небольшие и относительно простые орга­

нические соединения, например уксусную кислоту, этанол, метанол, пропионовую кислоту, глюкозу, аммоний, нитрит и т. д.

Этот процесс можно описать следующим уравнением:

где гу,хв “ объемная скорость биологического роста, размерность М*м” 3Т _1 (например, кг Х П К (Б )/(м 3 -сут)), /хмаКс —.максимальная удельная скорость роста, размерность Т " 1 (например, ч” 1 или сут-1 ), f(S) — описывает кинетику роста (нулевой порядок, первый порядок или уравнение Моно), Х в — концентрация биомассы, раз­ мерность Мх •м "3 (например, кг Х П К (Б )/м 3 или кг В В (Б )/м 3).

Расход субстрата, необходимый для биологического роста, мож­ но рассчитать из уравнения

TV.S = (ГУ,ХВ ) / Y макс>

где Y MaKc — максимальный коэффициент прироста ила, раз­

мерность Мхв M g1 (например, кг Х П К (Б )/кг XIIK(S) или кг БВБ(Б)/кг ХПК(Э)).

Наиболее часто для описания расхода субстрата на рост био­ массы используется уравнение Моно, которое выглядит следующим образом:

Следует отметить, что это выражение применимо только в том случае, если единственным фактором, лимитирующим рост, является концентрация субстрата. Напротив, /хмакс можно рас­ сматривать как максимальную удельную скорость роста при данных определенных условиях (температура, pH, концентрации кислорода, питательных и токсичных компонентов). Изменения в окружающей среде можно учесть, как это показано в разделе об аэробной конверсии.

Биомасса Хв является единственной органической фракцией в иле1. Рис. 3.4 демонстрирует влияние нагрузки на ил (см. гл. 4) на распределение его фракций.

1 Это несколько упрощенное представление: в иле может содержаться также нерастворимый органический субстрат и инертные органические вещества, мертвая биомасса и т. д. — Прим. ред.

Рис. 3.4. Распределение биомассы в зависимости от нагрузки на ил.

3.2.2. Гидролиз

Врезультате гидролиза большие молекулы превращаются в ма­ ленькие, легко разлагаемые. В данной ситуации это может быть разложение как частиц, так и растворенных веществ. Процес­ сы гидролиза обычно являются медленными по сравнению с процессами роста. Следовательно, если исходить из скоростей реакций, гидролиз часто может выступать лимитирующей стадией биологической очистки воды.

О процессах гидролиза известно не так много1 [9], для их описания часто используется математический аппарат реакций пер­ вого порядка по отношению к гидролизуемому веществу, например взвешенному веществу Xs:

Аналогичное выражение для гидролиза растворенного органи­ ческого вещества выглядит как

Заметим, что константы гидролиза кь в уравнениях (3.3а) и (3.36) не являются идентичными.

В некоторых моделях применяются более сложные гиперболи­ ческие зависимости, где данная биомасса Хв имеет максимальную гидролизующую активность:

1 Это точка зрения инженеров, к которым относятся и авторы книги. На самом деле ферментативный гидролиз органических полимеров является весьма продвинутой областью энзимологии. — Прим. ред.

Таблица 3.2. Константы гидролиза органических веществ в присут­ ствии различных акцепторов электронов [9. 11]

насыщения, Mxs MXg

Если отношение между гидролизуемым веществом Xs и био­ массой Хв составляет Кх, скорость гидролиза равна половине максимальной скорости.

Для растворенного субстрата

rv,s = ry.xs^x.s,

где * x s — это стехиометрический коэффициент перехода взвешен­ ного вещества X в растворенное вещество S. Если концентрации обоих веществ выражены в одних единицах, то u = 1, например 1кг ХП К(Б)/кг ХПК(Б).

Значения констант гидролиза для гетеротрофных бактерий при различных условиях представлены в табл. 3.2.

3.2.3. Распад биомассы

Микроорганизмы подвергаются различным воздействиям, которые могут приводить к сокращению их массы и численности. Этот процесс называют распадом, лизисом, эндогенным дыханием и поддержанием. Часто термин распад используют для общего описания явления, которое включает в себя также поедание (хищничество) микроорганизмов высшими организмами [40]. Если рассматривается биологическая очистка воды, то распад — это деградация биомассы, связанная с окислением части органиче­