В упрощенном виде конверсию глюкозы в метан можно представить следующим образом:

С б Н 120 б З С Н 4 + З С 0 2 (3.44)

Соотношение образующихся продуктов (метана и диоксида углеро­ да) равно 1:1. При разложении других органических веществ это соотношение может меняться. Если степень окисления углерода в исходном соединении выше, чем в глюкозе, образуется больше уг­ лекислого газа, если же степень окисления углерода отрицательна, образуется больше метана.

На практике нужно учитывать, что часть диоксида углерода растворяется в жидкой фазе, т. е. относительное содержание метана в газовой фазе выше, чем рассчитанное из уравнения реакции.

3.7.2. Рост биомассы и коэффициенты ее прироста при анаэробном брожении

Коэффициенты прироста биомассы различны для различных бак­ терий, участвующих в процессе. На кислотогенной стадии они обычно невысоки и еще ниже на метаногенной стадии.

Для кислотогенной стадии максимальный коэффициент приро­ ста биомассы Y MaKc,s составляет 0,2-0,3 кг Х П К (Б )/кг X nK (S), что соответствует 0,15-0,20 кг БВБ/кг ХПК(Б).

Если принять наблюдаемый коэффициент прироста биомассы равным 0,2 кг Х П К (Б )/кг X nK (S), а состав биомассы описать фор­ мулой C 5H 7N O 2, то можно записать уравнение реакции конверсии

глюкозы в уксусную кислоту.

С6н1206 + 0 .2NHJ ->

0,2C5H7NO2 + 2,5СН3СОСГ + 0,6Н2О + 2,7Н+

Коэффициент прироста биомассы можно выразить в единицах моль биомассы/моль глюкозы, как это показано в примере 3.2, т. е. У „абл = 0,24 моль биомассы/моль глюкозы. Тогда уравнение реакции примет следующий вид:

С6н1206 + 0,24NH|

-> 0,24C5H7NO2 + 2,40СН3СОО“ + 0,72Н2О + 2,64Н+ (3.45)

Продукты кислотогенной стадии могут быть использованы в процессах удаления азота и фосфора, если остановить процесс до образования метала. Эта смесь очень активно участвует в реакциях биологического разложения; состоит она в основном из

уксусной и пропионовой кислот, на долю которых приходится 60-80% растворенного ХПК после кислотогенной стадии.

Выход растворенного ХПК на стадии гидролиза по отношению к общему ХПК зависит от температуры, времени и природы органического субстрата. Максимальный выход может достигать 10-20% для первичного ила и только 2-6% для активного ила.

Для метаногенной стадии максимальный коэффициент при­

(0,03 кг Х П К (Б )/кг ХПК(Б) может дать 0,012 моль биомассы/моль уксусной кислоты, см. пример 3.2), то уравнение реакции примет следующий вид:

С Н з С О О Н + 0 ,0 1 2 N H + + 0 ,0 1 2 О Н " - >

-> 0,012C5H7N 0 2 + 0,97СН4 + 0,97СО2 + 0,048Н20 (3.46)

Общий максимальный коэффициент прироста биомассы для анаэ­ робного процесса в целом равен 0,25-0,35 кг Х П К (Б )/кг ХПК(Б). Заметьте, что в единицах ХПК общий коэффициент прироста биомассы можно получить простым сложением коэффициентов отдельных стадий.

Наблюдаемый на практике общий коэффициент прироста био­ массы ниже из-за малых нагрузок, при которых анаэробные реакторы обычно функционируют. Часто он составляет 0,05 - ОД кг ХПК (Б )/кг Х П В Д .

3.7.3. Макроэлементы, необходимые для анаэробного брожения

Содержание азота, фосфора и серы в клетках анаэробных бак­ терий представлено в табл. 3.15. Наиболее существенное отличие аэробных бактерий от анаэробных заключается в более высоком содержании серы в последних.

Зная коэффициент прироста биомассы, можно рассчитать по­ требность в том или ином веществе.

Пример 3.12. Рассчитайте значения отношений XnK(S)/N, ХПК(Б)/Р

иXnK(S)/S, необходимые для анаэробной очистки сточной во­ ды. Общий наблюдаемый коэффициент прироста биомассы равен 0,23 кг ХПК(Б)/кг ХПК(Б), а содержание N, Р и S составляет 7, 1,4

и1,4% ХПК соответственно.

Таблица 3.15. Типичные концентрации макроэле­ ментов в анаэробных бактериях

При конверсии 1 кг ХПК образуется 0,23 кг ХПК(Б), а содержа­ ние азота, фосфора и серы составит:

XnK(S)/S = 1,0/0,003 = 333/1.

Если на практике все три соотношения окажутся ниже, то ограниче­ ния скорости процесса концентрацией макроэлементов наблюдаться не будет.

3.7.4. Щ елочность при анаэробном брожении

Анаэробные процессы влияют на щелочность среды. На кислотоген­ ной стадии она понижается, а на метаногенной повышается. Сум­ марный эффект — слабое понижение щелочности. В примере 3.13 показан расчет изменения щелочности отдельно на кислотогенной стадии.

Пример 3.13. Рассчитайте изменение щелочности при превращении глюкозы в уксусную кислоту (НАс) в соответствии с выражением (3.45).

Выделение 2,64 моль Н+ на 1 моль расщепленной глюкозы при­ ведет к понижению щелочности на 2,64 экв. Образующийся ацетат повышает щелочность, так как рКа уксусной кислоты 4,75, т. е. почти половина ацетата Ас“ при титровании до pH 4,5 переходит в кислоту НАс. В работе [8] показано, что

pH = рКа + log [Ас ] [НАс]