Это означает, что стехиометрический коэффициент равен
_ |
7 моль XIIK(S)(32 г ХПК/мольХПК) _ |
|
^NOs.xnK |
2,46 моль NO3 —N |
14 г N/моль N |
= 6,5 г X nK (S)/r NO3 |
-N |
|
[
1/NOs.xnK = 6,5 кг X nK (S)/Kr N O J-N
Следовательно,
Гу,Б(ХПК) = |
^ О з .Х П К •rV ,S(N 03) |
|
rv,S (N 03) |
= |
r V ,S (X n K )/^ N 03lXnK |
|
|
3,6 кг XnK(S)/(M3 •сут) |
rv ,s(N 03) |
- |
6 5 Kr xnK (S)/(l кг N O J-N ) ~ |
|
= 0,55 кг NO3 —N / ( M 3 •сут) |
|
или |
|
, |
|
23 г N 03 —N / ( M 3 •сут). |
|
Используя стехиометрический коэффициент, находим также мак симальный коэффициент прироста биомассы по нитрату:
Y MaKC,N03 = ^ м а к с Х П К •^N03,XnK = 0,5 *6,50 =
= 3,25 кг ХПК/кг N O J-N .
Подставляя этот коэффициент в выражение (3.32), можем найти
r v ,s (N 0 3)-
3.5.6. Влияние окружающей среды на денитрификацию
Источники энергии (субстраты)
Денитрифицирующие бактерии способны использовать самые раз нообразные источники энергии, в том числе и неорганические вещества (табл. 3.11).Наиболыпий интерес среди органических суб стратов с этой точки зрения представляют вещества, содержащиеся в стоке и иле, — так называемые внутренние источники энергии.
Среди экзогенных источников углерода и энергии наиболь ший интерес представляют метанол и уксусная кислота, если по каким-то причинам не представляется возможным использовать стоки промышленных производств (например, стоки пивных про изводств).
Пример 3.10. Если рассматривать проблемы водоснабжения, то ис точником энергии для денитрификации может являться уксусная кислота. При реализации обособленного процесса денитрификации
Таблица 3.11. Восстановители, используемые в процессе денитрифика ции. Жирным шрифтом выделены вещества, широко применяемые на практике [19]
Ацетон |
Меласса |
Газетная бумага |
Метан |
В одород (в питьевой воде) |
Метанол |
Стоки пивных производств |
Оливковое масло |
Уксусная кислота |
Органические вещ ества в стоках |
Этанол (в питьевой воде) |
Сырой сироп |
Глюкоза |
Опилки |
Вишневый сок |
Сера |
Мармелад |
|
наблюдаемый коэффициент прироста биомассы выше, чем в комбини рованных процессах нитрификации/денитрификации. Коэффициент прироста биомассы примем равным 0,5 кг ХПК/кг ХПК, что соответ ствует 0,38 кг биомассы/кг уксусной кислоты (эти величины можно рассчитать, исходя из уравнений окисления биомассы C 5H 7N O 2 и уксусной кислоты С 2Н 4О 2, см. пример 3.2).
Денитрификация описывается следующим уравнением:
4 ,9 6 C 2 H 40 2 + 3 ,9 4 Ж )з + N H J + 2 ,9 4Н + ->
-» C5H7NO2 + 4,92С02 + 1,97N2 + 9,9Н20
Щелочность в данном случае меняется особым образом, по скольку в процессе используется уксусная кислота, обладающая отрицательной щелочностью.
В результате собственно денитрификации щелочность среды увеличивается на 2,94 экв в расчете на 3,94 моль NO3 —N, т. е. 0,75 экв/моль NO3 —N.
Кроме того, еще до начала денитрификации часть щелочности нейтрализуется при добавлении уксусной кислоты.
4,96 моль уксусной кислоты на 3,94 моль NO3 —N —это 1,26 моль уксусной кислоты/моль NO3 —N. При pH 4,5 диссоциирует 36% ук сусной кислоты. Это означает такое понижение щелочности, которое соответствует 36% количества добавленной уксусной кислоты, т. е. 0,36 1,26 = 0,45 экв/моль NO3 —N (значение 36% получено из примера 3.13).
В конечном итоге получаем, что щелочность в рассматриваемом процессе повышается на 0,30 экв/моль NOJ—N.
Источник энергии влияет и на скорость денитрификации. На рис. 3.13 это показано на примере удельной скорости реакции rx,s(N 03) (== rv,s(NOs) /Х в)« В присутствии метанола скорости срав-
Рис. 3.13. Зависимость удельной скорости денитрификации от темпе ратуры при использовании различных источников углерода [24].
нительно высоки, поскольку метанол легко разлагается, и, кроме того, существует специальный тип бактерий, разлагающих метанол. Следовательно, биомасса должна быть адаптирована к метанолу. Если источником энергии служат органические вещества стоков, скорости реакции ниже, а медленнее всего денитрификация прохо дит в том случае, если используется эндогенный источник энергии. В такой ситуации скорость процесса лимитируется скоростью гидролиза.
Температура
Температурная зависимость денитрификации аналогична той, ко торая приведена для аэробного гетеротрофного процесса (выраже ние (3.16)). Процесс может проходить и в термофильных условиях (при 50-60 °С), однако такого рода данных не так уж много. Скорости термофильной денитрификации в среднем на 50% выше, чем аналогичных реакций при 3 5 °С.
Концентрация кислорода
Кислород является ингибитором денитрификации. Понятно, что принципиальное значение имеет концентрация кислорода, непо средственно воздействующего на микроорганизмы, т. е. его концен трация внутри флокул, биопленок, а не измеряемая в толще жидкой
Таблица 3.12. Кинетические константы и стехиометрические коэффи циенты денитрификации при 20°С [29, 24, 39]
|
Обозначение |
Размерность |
Величина |
|
Максимальная удельная |
/4Макс |
сут-1 |
|
З-б |
скорость роста*1 |
|
|
|
|
на метаноле |
/4 макс |
сут-1 |
|
5-10 |
Константа распада |
ь |
сут-1 |
0,05-0,10 |
|
Константа насыщения*1 |
К б .х п к |
г ХПК/м3 |
10-20 |
|
по нитрату |
Ks,N0 3 |
rN /м3 |
0,2-0,5 |
|
по кислороду |
K S ,O 2 ,( N O 3 ) |
г Ог/м3 |
0,1-0,5 |
|
по метанолу |
K s .M e O H |
г ХПК/м3 |
|
5-10 |
Константа гидролиза |
khx |
кг ХПК(Х)/ |
0,15-0,4 |
|
|
|
кг ХПК(Б) •сут |
|
|
взвешенных веществ |
kh |
сут-1 |
0,15-0,4 |
|
растворенных веществ |
kh |
сут-1 |
|
1-15 |
Константа насыщения |
Kx |
кг ХПК(Х)/ |
0,02-0,05 |
|
для гидролиза |
|
кг ХПК(Б) |
|
|
Максимальный |
Y MaKC |
кг ХПК/кг ХПК |
0,5-0,55 |
|
коэффициент |
Y Maxc |
кг ХПК/ |
1,6-1,8 |
|
прироста биомассы*1 |
|
кг N O J—N |
|
|
по метанолу |
|
кг ХПК/кг ХПК |
0,5-0,65 |
|
Температурная константа |
X |
град-1 |
0,06-0,12 |
|
ДЛЯ /4макс И Ь |
|
|
|
|
а Органическое вещество, содержащееся в сточной воде |
|
|
||
выход оксидов азота, особенно N2О. На практике оксид |
азота |
|||
N 0 , являющийся сильным |
токсичным |
агентом, вряд |
ли |
может |
выделяться в ощутимых концентрациях [24, 30].
Кинетические константы денитрификации
В табл. 3.12 представлен ряд кинетических констант денитрифи кации.
3.6. Б и ол оги ческое удаление ф о сф о р а
В этом процессе бактерии потребляют большие количества фос фата, который используется ими в качестве энергетического за паса, позволяющего разлагать субстрат в анаэробных условиях. Восполнение израсходованного фосфата происходит в аэробных и аноксических условиях [28, 41]. Процессы, в результате которых происходит биологическое удаление фосфора, еще не до конца изучены, но общая картина соответствует приведенной далее.