Таблица 3.3. Органические вещества, содержащиеся в сточной воде

аВ условиях нитрификации.

Пример 3.1. Промышленная сточная вода содержит глутаминовую кислоту C5H9O4N в концентрации 1,5 кг/м3 Объем воды 300 м3/сут.

Определите ХПК сточной воды.

Сколько кислорода в сутки нужно подавать в реактор биологиче­ ской обработки для окисления 70% органического вещества в воде? Нитрификация в реакторе не осуществляется.

Значение ХПК найдем из уравнения реакции

C5H9O4N + 4,50а + Н+ 5СОа + ЗН20 + NHJ

(поскольку азот в органических соединениях не окисляется в условиях определения ХПК). Из уравнения получаем, что 1 моль глутаминовой кислоты (мол. вес 147 г/моль) потребляет 4,5 моль кислорода (144 г/моль). Следовательно, потребление кислорода со­ ставляет 0,98 г кислорода/г глутаминовой кислоты, а ХПК равно 1,5 •0,98 = 1,47 кг Ог/м3.

Таким образом, суточное потребление кислорода составляет 1,47 кг Ог/м3 •300 м3/сут •0,70 = 309 кг Ог/сут.

3.3.2. Коэффициент прироста ила при аэробной гетеротрофной конверсии

Коэффициент прироста ила1 (биомассы) при аэробной гетеротроф­ ной конверсии определяется как прирост биомассы в результате потребления определенной массы субстрата.

Энергетическая эффективность гетеротрофных микроорганизмов /3 обычно составляет 55-60% [8]. При аэробном росте мик-

1В микробиологической литературе используется термин экономический коэффициент. — Прим . ред.

ровной биомассы максимальное количество органического веще­

биомассы и 55-60%-ным выходом энергии объясняется накоплением запасных веществ.

Применительно к процессам обработки сточной воды термин «прирост ила» обычно понимают в широком смысле и рассматри­ вают как общий прирост биомассы в пересчете на массу вещества, удаленного из стоков.

Органические вещества, разлагаемые в аэробном (или анокси­ ческом) процессе, можно использовать в следующих целях:

-получение энергии, выделяющейся при окислении (кислородом или нитратом) до диоксида углерода,

-рост (новая биомасса),

-накопление питательных веществ (разнообразные типы внутри­ клеточных полимеров),

-синтез внеклеточных полимерных веществ (ВПВ).

Поскольку окисление является частью любого аэробного процес­ са, это означает, что органический субстрат никогда не может быть превращен на 100% в органическое вещество биомассы. Конечно, если учитывать образование диоксида углерода, потерь углерода не будет. В процессах накопления запасных веществ прирост может достигать 0,95 г Х П К /г XnK (S). Другая предельная ситуация — весь субстрат расходуется на поддержание жизнедеятельности клеток (эндогенное дыхание), в результате прирост биомассы равен нулю или даже отрицателен. При заданном количестве субстрата прирост биомассы зависит от длительности процесса [47].

Табл. 3.4 демонстрирует зависимость прироста биомассы от

условий, в которых происходит превращение субстрата. Максимальный коэффициент прироста биомассы Y MaKC в

аэробном процессе (в условиях минимального накопления за­

пасных веществ) составляет примерно 0,6-0,65 гХ П К /гХП К (8). В моделях, описывающих процесс биологической очистки воды, обычно используют величины этого порядка [41]. Наблюдаемый на практике коэффициент прироста биомассы У „абл часто ниже (0,3-0,5 г ХПК/г ХПК) из-за процессов поддержания жизнеде­

ятельности клеток (эндогенного дыхания). Однако, как было сказано выше, при биологической очистке воды с низкой (или нулевой) концентрацией источника углерода (низкая нагрузка

Таблица 3.4. Прирост биомассы в различных биологических системах, (кг веса на кг потребленного питания)

на ил) наблюдаемый коэффициент прироста биомассы будет отрицательным. Часто целью обработки сточных вод является получение низкого прироста ила. Достичь этого можно, понижая нагрузку на ил или же используя процессы с высоким ФПЦ (фактор питательной цепи). Если в конверсии органического вещества участвует более, чем один организм, то для получения энергии при дыхании расходуется большее количество этого вещества, что приводит в результате к понижению прироста биомассы. Если наблюдаемый коэффициент прироста биомассы в каждом из двух биологических превращений, которые претерпевает субстрат, равен 0,5 гХП К /гХП К , то суммарный коэффициент прироста для всего процесса составит 0,5 •0,5 = 0,25 гХП К /гХП К . Реакторы с активным илом обычно имеют невысокий ФПЦ (около 1,2), а вот в капельных фильтрах он может быть выше— до 2,0 из-за наличия большого числа простейших и многоклеточных организмов. Это приводит к более низким приростам ила в капельных фильтрах по сравнению с реакторами с активным илом.

Если известен коэффициент прироста биомассы, то можно написать уравнение роста микробов в аэробных условиях, при­ чем соотношение между количеством полученной биомассы (со­ става C5H7NO2) и количеством удаленного субстрата (состава

CisHigOgN) и дает У „абл.:

где b •М\Убиом/а •M W opr = Y Ha&i> MWemnc и M W opr — молярный вес биомассы и органического субстрата соответственно, У „абл — на­ блюдаемый коэффициент прироста биомассы в весовых единицах.

Если, например, У набл = 0,5 кг биомассы/кг органического вещества, то выражение (3.12) примет следующий вид:

b -M W 6„OM/a - M W opr = 0,5

(коэффициенты а или b находят подбором при оценке выражения, здесь а=1).

Молярный вес биомассы (C5H7NO2) и органического вещества

(CieHigOgN) в данном примере составляют 113 г/моль и 393 г/моль

CI8HI90 9N + 0,74NH3 + 8 ,8 0 2 ->

-> 1,74 - C5H7N 0 2 + 9,ЗС 02 + 4,52Н20 (3.13)

(следовательно, необходимо добавить некоторое количество азота в виде аммиака (или аммония), поскольку в органическом веществе азота недостаточно для ассимиляции его в биомассу).

Коэффициенты прироста биомассы можно выражать самыми

разными способами. Так, в уравнении (3.13) У набл = 0 ,5 кг

биомассы/кг органического вещества. Чтобы перейти к единицам ХПК, и биомассу, и органическое вещество пересчитывают в единицах ХПК. Поскольку фактор пересчета при данном условном составе биомассы и органического вещества в обоих случаях составляет 1,42 кг 0 2/к г органического вещества, то У „ абл = 0,5 кг

Х П К (Х )/кг ХПК(Б). Выраженное в молях значение коэффициента прироста биомассы в уравнении (3.13) равно: Y „a6ji = 1,74 моль биомассы/моль органического вещества.

Пример 3.2. Наблюдаемый коэффициент прироста биомассы аэробно­ го окисления уксусной кислоты 0,55 кг ХПК/кг ХПК.

Предложите уравнение реакции, если состав биомассы описыва­ ется формулой C5H7NO2.

Рассчитаем ХПК уксусной кислоты и биомассы:

СНзСООН + 202 -* 2С02 + 2Н20

CSH7N 02 + 502 + Н+ -* 5С02 + 2Н20 + NHJ