Таблица 3.7. Кинетические константы, стехиометрические коэффици­ енты и их температурная зависимость (fp = fi, ixe = fe.H, ixE= fi,N, /*H = Ммакс) [9]

режиме работы реактора с использованием разнообразных хими­ ческих анализов. Детально этот вопрос обсуждается в работах [9,

33-35].

3.4.Нитрификация

Нитрификация — это микробиологический процесс, в ходе которого аммоний превращается в нитрит, а нитрит в конечном итоге — в нитрат.

Этот процесс происходит в биосфере повсеместно, если условия среды способствуют развитию нитрифицирующих бактерий. Нит­ рификация очень важна для поддержания определенного уровня кислорода в почве, реках, озерах и, соответственно, на станциях очистки воды.

3.4.1. Реакции нитрификации

На практике нитрификацию осуществляет очень ограниченная группа автотрофных микроорганизмов. Процесс проходит в два этапа. На первом этапе аммоний окисляется до нитрита под действием бактерий, часто называемых Nitrosomonas. Затем нитрит окисляется до нитрата под действием другой группы бактерий, часто называемых Nitrobacter. На этот процесс также оказывают влияние бактерии родов Nitrospira, Nitrococcus и Nitrosocystis. В процессах очистки стоков участвует значительное количество раз­ личных нитрифицирующих микроорганизмов. Однако те нитрифи­ цирующие бактерии, которые были идентифицированы с помощью ДНК-зондов, по-видимому, не слишком сильно отличаются по своей активности от известных бактерий Nitrosomonas и Nitrobacter. Таким образом, с инженерной точки зрения нитрификацию можно рассматривать как двухстадийный процесс, с хорошо известной стехиометрией и кинетикой, в котором задействованы две группы бактерий.

Окисление аммония под действием бактерий можно выразить следующей реакцией:

NH+ + | о 2 NOj + Н20 + 2Н+

(3.22)

AG°(W) = -270 кДж/моль NHJ-N

Нитрит-окисляющие бактерии осуществляют следующую реак­ цию:

N 0 2- + - 0 2 N 0 3-

(3.23)

A G °(W ) = -8 0 кДж/моль N O ^ -N

Для нитрифицирующих бактерий характерны низкие скорости роста, что связано с низким энергетическим выходом реакций окисления аммиака и нитрита. Медленный рост таких бактерий — основная проблема при нитрификации на станциях биологической очистки стоков.

8 . Очистка сточных вод

Объединяя выражения (3.23) и (3.25), для нитрит-окисляющих бактерий получаем У„абл^о2 = 0»06 г Б В Б /г N O J—N:

134,5N0J + NHt + 62,2502 + HCOJ + 4Н2С 0 3 ->

C5H7N 0 2 + 134,5NO^ + 3H20 (3.27)

Выражения (3.26) и (3.27) дают суммарное уравнение реакции нитрификации:

NH| + 1,8602 + 1,98НСОз ->

-> 0,020C5H7 N 0 2 + 0,98Ж )з + 1,88Н2С 0 3 + 1,04Н2О (3.28)

Пример 3.5. Рассчитайте потребление кислорода для полной нитри­ фикации.

Из выражения (3.28) находим, что для окисления 1 моль NHf используется 1,86 моль 0 2, т. е. потребление кислорода на г NH^-N составляет:

(1,86 мольОг •32 г 0 2/моль)/(1 моль NH^-N •14 г N/моль) =

= 4,25 г 0 2/г N H J-N

Следовательно, стехиометрический коэффициент I/NH4,02 = 4,25. Из выражения (3.28) рассчитываем также потребление кислорода

на 1 г образующегося NO3 —N:

(1,86 моль 0 2 •32 г О2/ моль)/(0,98 моль NO3 -N •14 г N/моль) =

= 4,34 г 0 2/г NO3 —N « 4,34 г 0 2/г окисленного NH^-N

Различие между значением 4,34 г 0 2/г NH^-N и полученным из выражений (3.22) и (3.23):

NHt + 202 -> NO3 + 2Н+ + Н20

(2,0 моля 0 2 •32 г О2/моль)/(1,0 моль NO3 —N 14 г N/моль) =

= 4,57 г 0 2/г NO3 -N = 4,57 г 0 2/г окисленного N H J-N

объясняется тем, что неорганический углерод, потребляемый бакте­ риями, также является акцептором электронов, что в итоге снижает потребление кислорода.

Окисление аммония до нитрита протекает в несколько стадий, а окисление нитрита до нитрата — это одностадийная реакция. Про­ межуточные продукты, образующиеся между гидроксиламином и нитритом, неизвестны:

N H J 4 N H 2O H 4 ? ->• N O j N O J