- •Х38 Очистка сточных вод: Пер. с англ./ Хенце М., Армоэс П., Ля-Кур-Янсен Й., Арван Э. — М.: Мир, 2006. — 480 с., ил.
- •ISBN 5-03-003771-3
- •Очистка сточных вод
- •Предисловие научного редактора
- •Предисловие
- •Предисловие к третьему изданию
- •Список используемых обозначений
- •Сточные воды, их объем и состав
- •1.1. Объемы сточных вод
- •1.1.1. Измерения
- •1.1.2. Статистическая обработка
- •1.1.3. Оценочные данные
- •1.1.4. Популяционный эквивалент и нагрузка, создаваемая условным жителем
- •1.1.5. Прогнозирование
- •1.2. Компоненты сточных вод
- •1.2.1. Коммунальные и городские стоки
- •1.2.2. Разброс данных
- •Характеристика сточных вод и биомассы
- •2.1.1. Осаждаемые вещества
- •2.3. Азот
- •Основные биологические процессы
- •3.1.1. Организмы
- •3.2.1. Биологический рост
- •3.2.3. Распад биомассы
- •3.2.4. Накопление запасных веществ
- •3.3.2. Коэффициент прироста ила при аэробной гетеротрофной конверсии
- •3.3.3. Макроэлементы для аэробной гетеротрофной конверсии
- •3.3.4. Кинетические аспекты аэробной гетеротрофной конверсии
- •3.4. Нитрификация
- •3.4.1. Реакции нитрификации
- •3.4.3. Кинетические аспекты нитрификации
- •3.4.4. Влияние окружающей среды на нитрификацию
- •3.5. Денитрификация
- •3.5.1. Реакции денитрификации
- •$.5.2. Коэффициент прироста ила при денитрификации
- •3.5.3. Макроэлементы, необходимые для денитрификации
- •3.5.5. Кинетика денитрификации
- •3.5.6. Влияние окружающей среды на денитрификацию
- •3.6.1. Микроорганизмы
- •3.6.3. Коэффициент прироста биомассы в процессе биологического удаления фосфора
- •3.6.4. Щелочность
- •3.6.5. Кинетика биологического удаления фосфора
- •3.6.6. Влияние окружающей среды на биологическое удаление фосфора
- •3.7.1. Реакции при анаэробном брожении2
- •3.7.2. Рост биомассы и коэффициенты ее прироста при анаэробном брожении
- •3.7.3. Макроэлементы, необходимые для анаэробного брожения
- •3.7.5. Кинетика анаэробного брожения
- •3.7.6. Образование газообразных продуктов
- •3.7.7. Влияние окружающей среды на анаэробное брожение
- •4.3.1. Системы с рециркуляцией активного ила
- •4.3.2. Системы с совмещенным аэротенком и отстойником
- •4.3.3. Системы с контактной стабилизацией ила
- •4.3.6. Проектирование на основе объемной нагрузки
- •4.3.7. Проектирование на основе нагрузки на ил или возраста ила
- •Биофильтры
- •5.4. Двухкомпонентная диффузия
- •5.6.1. Биофильтры без рециркуляции
- •5.6.2. Биофильтры с рециркуляцией
- •5.8.1. Капельные фильтры
- •5.8.2. Погружные фильтры
- •5.9.1. Проектирование капельных фильтров
- •5.9.2. Проектирование реакторов с вращающимися дисками
- •5.9.3. Проектирования фильтров других типов
- •5.9.4. Проектирование биофильтров, предназначенных для удаления растворенных органических веществ
- •5.10. Технические условия работы биофильтров
- •5.10.1. Аэрация в биофильтрах
- •5.10.2. Рост и удаление биомассы
- •5.11. Удаление взвешенных органических веществ
- •Системы очистки с нитрификацией
- •6.1.1. Обособленные системы нитрификации
- •6.1.2. Совместное удаление органического вещества и аммония
- •6.2.4. Фильтры, содержащие только нитрифицирующий ил
- •6.2.5. Двухстадийные системы нитрификации на фильтрах
- •6.3.1. Системы нитрификации с активным илом
- •6.3.2. Оптимизация работы систем нитрификации
- •6.3.3. Проектирование биофильтров для нитрификации
- •Литература
- •Системы денитрификации
- •7.1.1. Обособленные системы денитрификации
- •7.2.3. Биофильтры для денитрификации
- •7.3.2. Кислород/перемешивание
- •7.3.3. Одновременная нитрификация/денитрификация
- •7.3.4. Газообразный азот в отстойниках и на биофильтрах
- •7.3.5. Потребление кислорода
- •7.3.7. Проектирование систем денитрификации с активным илом
- •7.3.8. Проектирование на основе моделирования
- •7.3.9. Проектирование биофильтров для денитрификации
- •7.4. Редокс-зоны в биомассе
- •Литература
- •Системы биологического удаления фосфора
- •8.1. Уравнения массового баланса при биологическом удалении фосфора в системах с активным илом
- •8.2. Типы систем для биологического удаления фосфора
- •8.3.2. Проектирование реакторов для биологического удаления фосфора
- •8.3.3. Оптимизация процесса биологического удаления фосфора
- •Литература
- •Гидролиз/ферментация и анаэробная очистка сточных вод
- •9.1. Гидролиз/ферментация
- •9.2. Анаэробная обработка сточных вод
- •9.2.1. Введение
- •9.2.2. Уравнения массового баланса при анаэробной обработке
- •9.3.3. Анаэробная очистка на фильтрах
- •9.4.1. Проектирование систем со взвешенной биомассой
- •9.4.2. Проектирование анаэробных фильтров
- •9.4.3. Образование газообразных соединений в анаэробном процессе
- •9.4.4. Оптимизация анаэробной очистки
- •9.4.5. Запуск анаэробных реакторов
- •9.4.6. Нарушения в работе анаэробных реакторов
- •Литература
- •Небиологические системы для удаления фосфора из сточных вод
- •10.1. Уравнения массового баланса для процессов удаления фосфора
- •10.2.1. Осаждение
- •10.2.2. Коагуляция
- •10.2.3. Флокуляция
- •10.2.4. Связывание фосфора в почве
- •10.3. Небиологические системы удаления фосфора
- •10.3.1. Осаждающие вещества
- •10.4. Проектирование установок для удаления фосфора
- •10.4.1. Химическое осаждение
- •10.4.2. Связывание фосфора в почве
- •10.5. Работа установок для удаления фосфора
- •Литература
- •Особенности моделей, их калибровка и применение
- •11.1. Прагматизм и теоретические модели
- •11.1.1. Инженерное мастерство
- •11.1.2. Научно обоснованный детерминистский подход
- •11.1.3. Структура моделей, переменные, параметры и движущие силы
- •11.2. Применение моделей
- •11.2.1. Инструмент планирования
- •11.2.2. Анализ процессов на действующих станциях
- •11.2.3. Проектирование новых станций
- •11.2.4. Контроль работы станций в реальном времени
- •11.2.5. Модели как инструменты исследования
- •11.2.6. Уровень агрегации
- •11.3. Калибровка модели и оценка параметров
- •11.3.1. Структура модели
- •11.3.2. Калибровка, верификация и оценка параметров
- •11.4. Проектирование станций очистки воды
- •11.4.1. Идентификация проблемы
- •11.5. Моделирование систем с биопленкой
- •11.6.3. Интерпретация результатов
- •11.7. Контроль в реальном времени
- •Предметный указатель
- •Оглавление
3.6.1. Микроорганизмы
Долгое время бытовало такое мнение, что биологическое удаление фосфора осуществляется только бактериями Acinetobacter. Одна ко в настоящее время уже хорошо известно, что способностью аккумулировать фосфор обладают очень многие гетеротрофные микроорганизмы, содержащиеся в сточной воде и в иле очистных сооружений. Все эти микроорганизмы называют био-Р-бактериями или фосфат-аккумулирующими организмами (ФАО) [41]. Меха низм аккумуляции фосфора не всегда активирован в бактериях, поэтому определение концентраций, например, био-Р-бактерий в сточной воде может быть затруднено. В очистных сооружениях с биологическим удалением фосфора активны несколько групп гетеротрофных микроорганизмов, конкурирующих за субстрат, особенно за низкомолекулярные жирные кислоты, которые и необходимы для реализации фосфор-аккумулирующего механизма. Многие из конкурирующих бактерий не являются ФАО. Именно результат этой конкуренции и определяет успех био-Р-процесса.
Неденитрифицирующие ФАО
Эти микроорганизмы в анаэробных и аноксических условиях потребляют ацетат и пропионат и накапливают их внутриклеточно
ввиде полимерных насыщенных оксикислот (ПНО) (параллельно
вклетках происходит потребление гликогена). Процесс накопления обеспечивается энергией, выделяющейся при разложении полифос фатов, в результате чего образуется ортофосфат. При pH выше 8,0-8,5 образующийся фосфат может осаждаться в виде солей кальция, алюминия или других металлов. В аэробных условиях эти организмы будут расти, потребляя фосфат, накапливая его в виде полифосфатов и возобновляя таким образом запас гликогена. Основным источником энергии, необходимой для осуществления этого процесса, является окисление ПНО. Рассматриваемые мик роорганизмы также способны окислять и другие органические субстраты, доступные в аэробных условиях. Рис. 3.15 иллюстрирует
вупрощенном виде метаболизм ФАО.
Денитрифицирующие ФАО
В анаэробных условиях потребляют ацетат и пропионат и запасают их в виде ПНО, расходуя при этом гликоген. Процесс накопления возможен благодаря энергии, выделяющейся при разложении по-
ФАО
Рис. 3.15. Метаболизм ФАО в аэробных и анаэробных условиях. ПНО —полимерные насыщенные оксикислоты, Гл —гликоген, ПФ — полифосфаты, НАс —ацетат.
лифосфатов, приводящем к образованию ортофосфата. При pH выше 8,0-8,5 часть образующегося фосфата осаждается в виде солей кальция, алюминия или других металлов. В аноксических или аэробных условиях денитрифицирующие ФАО растут, потреб ляя фосфат и запасая его в виде полифосфатов, параллельно происходит синтез гликогена. На осуществление этих процессов затрачивается энергия окисления ПНО. Коэффициент прироста биомассы в анаэробных условиях выше, чем в аноксических.
Неденитрифицирующие неФАО
Способны ферментировать органические вещества в анаэробных условиях. Они также могут окислять большинство органических соединений в аэробных условиях, но не способны запасать поли фосфаты.
Денитрифицирующие не-ФАО
Способны ферментировать органические вещества в анаэробных условиях. В аноксических условиях они проводят денитрификацию
и растут за счет потребления доступного органического субстрата.
Ваэробных условиях коэффициент прироста биомассы больше, чем
ваноксических условиях.
ГАО (гликоген-аккумулирующие организмы)
Гетеротрофные микроорганизмы, которые не могут накапливать полифосфаты, но могут участвовать в конкуренции за субстрат, особенно за глюкозу, если она содержится в сточной воде [43]. В большинстве случаев эти бактерии не участвуют в биологическом удалении фосфора.
Microtrix
Питаются длинноцепочечными жирными кислотами, часто при сутствующими в сточной воде и в анаэробном реакторе на пер вой стадии биологического удаления фосфора. В таком реакторе длинноцепочечные жирные кислоты могут появляться также в результате процессов ферментации или гидролиза [42, 46]. В при сутствии Microtrix повышается иловый индекс, особенно при низких температурах (10-15 °С). Поскольку первая анаэробная стадия в процессе биологического удаления фосфора функционирует в некоторых случаях как селектор1 для клеток Microtrix2, следует использовать иную технологическую схему (анаэробный реактор помещают в линии рецикла ила).
3.6.2. Реающи биологического удаления фосфора
Реакции биологического удаления фосфора весьма сложны [41]. Ниже мы рассмотрим несколько упрощенный их набор, в котором учитываются только баланс ХПК и фосфора. Мы используем следующие допущения для значений стехиометрических коэффи-
1Селектор — специальный термин, используемый для обозначения отдель ного реактора или отдельной зоны в реакторе, где создаются благоприятные условия для селекции (ускоренного роста) той или иной группы микроорганиз
мов. — Прим.
2 Неконтролируемое развитие бактерий рода Microtrix приводит к пенообразованию и всЛУханию ила. — Прим. ред.
циентов в различных подпроцессах и максимального содержания полифосфата в клетках ФАО:
У ф А О ,н а б л |
Наблюдаемый |
коэффициент |
0,3 |
г ХПК(ФАО)/ |
|
прироста биомассы |
|
г ХПК(ПНО) |
|
У ф А О |
Максимальный |
коэффициент |
0,63 |
г ХПК(ФАО)/ |
|
прироста биомассы |
|
г ХПК(ПНО) |
|
Уро4 |
Стехиометрический |
0,40 |
г Р/г ХПК(ПНО) |
|
|
коэффициент для выделения |
|
|
|
|
фосфата (Р04——Р) при |
|
|
|
|
запасании ПНО |
|
0,2 |
|
Упно |
Стехиометрический |
г ХПК(ПНО)/г Р |
||
|
коэффициент для запасания |
|
|
|
|
ПФ при окислении ПНО |
0,17 |
|
|
У п ф ,в |
Максимальное содержание ПФ |
г Р/г ХПК(ФАО) |
||
вбиомассе
Вприведенных ниже уравнениях ПНО следует интерпретиро вать как сумму ПНО и гликогена в ФАО. Субстрат (обычно ацетат или пропионат) обозначен как ХПК(НАс).
Анаэробный процесс:
0,4 г Р(ПФ) + 1 г ХПК(НАс) ->
0,4 г РО^” - Р + 1 г ХПК(ПНО) + 0,04 г Н+ (3.33)
Уравнение (3.33) дает только массовый баланс процесса. Роль гликогена в этом уравнении не показана, поскольку он высту пает как катализатор: расходуется в анаэробной фазе, частично конвертируясь в ПНО, и регенерируется затем в аэробной или аноксической фазе. Это может приводить к некоторым нарушениям баланса при аналитическом определении ПНО, так как измеренное количество ПНО приблизительно на 30% больше, чем можно было бы ожидать, основываясь на количестве ацетата (в моль С), потребленного микроорганизмами [44].
На рис. 3.16 показано изменение концентраций ацетата и фосфата в анаэробных условиях в био-Р-процессе.
Накопление запасных веществ в аэробном процессе:
0,2 г ХПК(ПНО) + 1 г Р О ^ --Р 1 г П Ф -Р + 0,1 г ОН“ (3.34)
При аэробном росте (с максимальным коэффициентом прироста биомассы Упно = 0,63):
1,6 г ХПК(ПНО) + (-0 ,6 г ХПК ( 0 2)) -> 1 г ХПК(ФАО) (3.35)