Кислотогенная стадия анаэробных процессов

Кинетику образования кислоты можно описать уравнением Моно:

Метаногенная стадия

Кинетику образования метана также можно описать уравнением Моно:

3.7.6. Образование газообразных продуктов

Газовая фаза в анаэробном процессе состоит из метана, диоксида углерода и водорода. В ее состав также могут входить азот и сероводород.

Если известен наблюдаемый коэффициент прироста биомассы и концентрация субстрата, то можно написать выражение, определя­ ющее объем выделяющихся газообразных продуктов.

Например, если наблюдаемый коэффициент прироста биомассы составляет 0,08 моль биомассы на 1 моль израсходованной глюкозы,

то получаем следующее выражение:

СеНхаОб + 0.08NH+ -4

-4 0,08C5H7N02 + 2,8СН4 + 2,8С 02 + 0,24Н2О + 0,08Н+ (3.50)

При этом выделяется 2,8 моль СН4 и 2,8 моль СО2. Состав газовой фазы зависит от растворимости СО2 в жидкой фазе.

Основная часть энергии (90-95%), запасенной в субстрате и выраженной в форме ХП К, в результате анаэробного процесса перейдет в метан.

Ли тер а тур а

1.Fenger В., Aktiverede slamanlaeg og biologiske filtre (Activated Sludge Plants and Biofilters). Stads- og Havneing., 61, 47-54 (1970).

2.McKinney R. E., Microbiology for Sanitary Engineers. McGraw-Hill Book Company, Inc., NewYork, N.Y. (1962).

3.van Gils H. W., Bacteriology of Activated Sludge. Research Institute for Public Health Engineering, TNO, Haag. (Report no. 32), (1964).

4.Liebmann #., Handbuch der Frischwasserund Abwasserbiologie (Manual of Freshwater and Wastewater Biology). R. Oldenburg, Munchen (1962).

5.Wanner J., Grau P., Identification of Filamentous Microorganisms from Activated Sludge: A Compromise between Wishes, Needs and Possibilities. Water Res., 23, 883-891 (1989).

6.Arvin E., Biological Phosphorus Removal-Systems, Design and Operation. Vatten, 40, 411-415 (1984).

7.Popel F. (ed.), Lehrbuch fur Abwassertechnik und Gewasserschutz

(Textbook for Wastewater Engineering and Protection of the Aquatic Environment). Deutscher Fachschriften-Verlag, Wiesbaden (1975/1988).

8.Harremoes P.} Henze M.} Arvin E., Dahi, E., Teoretisk vandhygiejne (Water Chemistry). Third edition. Polyteknisk Forlag, Lyngby, Denmark (1989).

9.Henze M.f Grady С. P. L.} Gujer W.f Marais G. v. R., Matsuo T.,

Activated Sludge Model No. 1. IAWPRC, London. (IAWPRC Scientific and Technical Reports No. 1) (1987).

10.Basse H. J., Instrumentelle Bestimmung der organischen Stoffe in Wassern (Instrumental Determination of Organic Matter in Waters). Z. f. Wasserund Abwasser-Forsch., 8, 164-176 (1975).

11.Henze M., Miadenovski C., Hydrolysis of Particulate Substrate by Activated Sludge under Aerobic, Anoxic and Anaerobic Conditions. Water Res., 25, 61-64 (1991).

12.Sharma B., Ahlert R. C., Nitrification and Nitrogen Removal. Water Res., 11, 897-925 (1977).

13.DS. Vandunders0gelse: 5-d0gns biokemisk oxygenforbrug (BOD) (Water Analysis: Determination of Biological Oxygen Demand (BOD)). Danish Standards Association, Copenhagen. (DS/R 254) (1977).

14.Painter H. A., Microbial Transformations of Inorganic Nitrogen. Prog. Wat. Technol., 8. (4/5), 3-29 (1977).

15.EPA, Process Design Manual for Nitrogen Control. U.S. Environmental Protection Agency,. Washington D. C. (1975).

16.Knowles G., Downing A. L., Barrett M. J., Determination of Kinetic Constants for Nitrifying Bacteria in Mixed Culture, with the Aid of an Electronic Computer. J. Gen. Microbiol., 38, 263-278 (1965).

17.Gujer W., Design of a Nitrifying Activated Sludge Process with the Aid of Dynamic Simulation. Prog. Wat. Tech., 9, (2), 323-336 (1977).

18.Buswell A. M. et a/., Laboratory Studies on the Kinetics of the Growth of Nitrosomonas with Relation to the Nitrification Phase of the B.O.D.

Test. Appl. Microbiol., 2, 21-25 (1954).

19.Henze Christensen M.f Harremoes P., Nitrification and Denitrification in Wastewater Treatment. Chap. 15 in: Mitchell, R. (ed.) Water Pollution Microbiology, Vol. 2, pp. 391-414. John Wiley Sc Sons, New York, N.Y. (1978).

20.Anthonisen A. C. et al., Inhibition of Nitrification by Ammonia and Nitrous Acid. J. WPCF, 48, 835-852 (1976).

21.Sutton P. M.f Jank, В. E., Design Considerations for Biological Carbon Removal-Nitrification Systems. In: Conference Proceedings - Research Program for the Abatement of Municipal Pollution under Provisions of the Canada-Ontario Agreement on Great Lakes Water Quality, 1975, pp. 206-249. Training and Technology Transfer Division (Water) Environmental protection Service, Fisheries and Environment Canada, Ottawa, Ontario. (Publ. No. 3) (1976).

22.Tomlinson T. G., Boon A. G.f Trotman G. N. A ., Inhibition of Nitrification in the Activated Sludge Process of Sewage Disposal. J. Appl. Bad., 29, 266-291 (1966).

23.Stensel H. D., Loehr R. C.f Lawrence A. W., Biological Kinetics of Suspended-Growth Denitrification. J. WPCF, 45, 249-261 (1973).

24.Henze Christensen M., Harremoes, P., Biological Denitrification of Sewage. A literature review. Prog. Water Techn., 8, (4/5), 509-555 (1977).

25.Tracy K. D., Flammino A ., Biochemistry and Energetics of Biological Phosphorus Removal. In: Ramadori, R. (ed.): Biological Phosphate Removal from Wastewaters. Proceedings of an IAWPRC specialized conference held in Rome, Italy, 28-30 September 1987, pp. 15-26. Pergamon Press, Oxford. (Advances in Water Pollution Control) (1987).

26.Mino T , Arun V., Tsuzuki Y., Matsuo T., Effect of Phosphorus Accumulation on Acetate Metabolism in the Biological Phosphorus Removal Process. In: Ramadori, R. (ed.): Biological Phosphate Removal from Waste-waters. Proceedings of an IAWPRC Specialized Conference held in Rome, Italy. 28-30 September 1987, pp. 27-38. Pergamon Press, Oxford. (Advances in Water Pollution Control) (1987).

27.Henze M., Harremoes P ., Anaerobic Treatment of Wastewater in Fixed Film Reactors—-A Literature Review. Water Sci. Technol., 15, (8/9), 1-101 (1983).

28.Arvin E., Biological Removal of Phosphorus From Wastewater. CRC Crit. Rev. Environ. Contr., 15, (1), 25-65 (1985).

29.Andrews J. F., Dynamic Model of the Anaerobic Digestion Process. J. Sanit. Engng. Div., Proc. ASCE, 95, 95-116 (1969).

30.Pichinoty F. et al. Etude de 14 bacteries denitrifiantes appartenant du groupe Pseudomonas stutzeri isolees du sol par culture d’enrichissement en presence d’oxyde nitreux. (Study of 14 denitrifying bacteria from the Pseudomonas stutzeri group isolated from soil and enriched in the presence of nitrous oxide). Ann. Microbiol. (Inst. Pasteur), 128Л, 75-87 (1977).

31.Loveless J. E.} Painter H. A., The Influence of Metal Ion Concentrations and pH Value on the Growth of a Nitrosomonas Strain Isolated from Activated Sludge. J. Gen. Microbiol., 52, 1-14 (1968).

32.Hiraishi A ., Masamune K., Kitamura, H., Characterization of the Bacterial Population Structure in an Anaerobic-Aerobic Activited Sludge System on the Basis of Respiratory Quinone Profiles. Appl. Env. Microb., 55, 897-901 (1989).

33.Henze M., Characterization of Wastewater for Modelling of Activated Sludge Processes. Water Sci. Technol., 25, (6), 1-15 (1992).

34.Ekama G. A., Bold P. L., Marais G. v. R., Procedures for Determining COD and the Maximum Specific Gowth Rate of Heterotrophs in Activated Sludge Systems. Water Sci. Technol., 18, (6), 91-114 (1986).

35.Kappeler J., Gujer W., Estimation of Kinetic Parameters of Heterotrophic Biomass under Aerobic Conditions and Characterization of Wastewater for Activated Sludge Modelling. Water Sci. Technol., 25, (6), 125-139 (1992).

36.Grady С. P. L., Daigger G., Lim, H. C., Biological Wastewater Treatment. Theory and Applications. 2nd ed. Marcel Dekker, Inc. New York, N.Y. (1998).

37.Theerman J., Biological Hazards at Wastewater Treatment Facilities. Water Pollution Control Federation, Alexandria, VA. (1991).

38.Kerrn-Jespersen J. P.} Henze, M., Biological Phosphorus uptake under anoxic and aerobic conditions. Water Res., 27, 617-624 (1993).

39.Gujer W., Henze M.} Mina T., van Loosdrecht M. С. M., Activated Sludge Model No. 3. In: Henze M., Gujer W., Mino T. and Loosdrecht M. С. M., (eds.) Activated sludge models ASM1, ASM2, ASM2D and ASM3, IWA Publishing, London. (IWA Scientific and Technical Report No. 9) (2000).

40.van Loosdrecht M. С. M., Henze M., Maintenance, endogeneous respiration, lysis, decay and predation. Water Sci. Technol., 39, (1), 107-117 (1999).

42.Andreasen K., Nielsen P. H., In situ characterization of substrate uptake by Microthrix Parvicella using microautoradiography. Water Sci. Technol., 37, No. 4-5, 19-26 (1998).

ее функционирования и изучения кинетических закономерностей процесса.

Обратим внимание на значения символов в уравнении (4.2): С — это концентрация (в единицах ХПК, ВПК, азота, общего органиче­ ского углерода и т. д.), rV)S или гХ|8 — скорость реакции, единицы

измерения этой величины определяются единицами концентрации и объема V 2. Если мы пользуемся параметром rXjS, то Х 2 — это

концентрация активного ила.

Концентрацию активного ила можно измерять в к гВ В /м 3, кг Б В Б /м 3 или кг Х П К (Б )/м 3. В каждом случае следует указывать

размерность. Под БВБ, например, может подразумеваться общее БВБ в иле, либо содержание нитрифицирующих бактерий в иле, измеренное в единицах БВБ, либо содержание денитрифицирую­ щих бактерий и т. д. Однако, если Х 2 — это концентрация активной

биомассы (живые бактерии), то соответствующая скорость реакции должна иметь в знаменателе ту же размерность.

Массовый баланс в выражении (4.2) записан простейшим об­ разом. В данном случае все превращения вещества включены в один параметр rv>sV 2. Другие параметры описывают транспорт

вещества, т. е. его подачу и удаление.

На практике многие процессы усложняют уравнение массового баланса.

Упрощенная матрица параметров процесса с активным илом без нитрификации представлена в табл. 4.2. Здесь принято, что в процесс конверсии вклад вносят три основных фактора: биологиче­ ский рост, распад и гидролиз. Скорости реакций указаны в правой колонке, а представленные в таблице коэффициенты являются стехиометрическими. С помощью данных таблицы можно написать уравнение массового баланса, например, для легко разлагаемого органического вещества Ss в реакторе идеального перемешивания. Выражения, ответственные за транспорт, не требуют объяснений. Два выражения, описывающие превращения вещества, находим, умножая стехиометрические коэффициенты из (в данном случае) «компонентных» колонок на соответствующие скорости реакций из правой колонки табл. 4.2.

Пример 4.1. Найдите концентрацию активного ила Хв.н в реакторе без рециркуляции, если концентрации загрязнений в подаваемом и обработанном стоках равны 500 и 80 г XIIK(S)/M3 соответственно.

Наблюдаемый коэффициент прироста ила известен и составляет 0,35 кг ХПК(Б)/кг XnK(S), или 0,25 кг БВБ/кг ХПК(Б).

Из выражения (4.4) находим:

Хв,Н =Унабл(С1 -С з ) =

=(0,35 кг ХПК(Б)/кг XIIK(S)) (0,5 кгХПК(8)/м 3- 0,08XIIK(S)/M3) =

=0,147кг ХПК(Б)/м3

Хв,н также можно рассчитать в единицах кг БВВ/м3, если использовать коэффициент прироста ила, выраженный в единицах БВБ (0,25 кг БВБ/кг ХПК). Тогда Х в.н = 0,105 кг БВБ/м3

Пример 4.2. Конструкция реактора с активным илом соответствует показанной на рис. 4.2. Определите необходимый объем реактора, если известны следующие характеристики процесса:

Известно также, что:

rX|S = 3 кг ХПК(8)/(кг ХПК(Б) •сут),

У „а б л = 0,3 кг ХПК(Б)/кг XnK(S).

Исходя из уравнения (4.2), выражение для объема реактора можно записать следующим образом:

V2 = ( Q i C i - Q 3C3)/(rx,sXB,2)

В данном выражении неизвестен только параметр Хв,2. Его определяют так же, как это показано в примере 4.1:

Хв,2 = У „абл (С 1 - Сз) = 0,3(0,5 - 0,06) = 0,132 кг ХПК(Б)/м3

Подставляя найденное значение, получим:

V2 = (1000 •500 - 1000 •60)/(3 •0,132) = 1 111 111 м3

Неплохо было бы проверить, не сделали ли мы ошибки, подстав­ ляя в уравнение только численные значения, без учета размерностей параметров.

Вводя соответствующие размерности, получаем:

Понятно, что это не совсем верно. Исправить ситуацию можно, если мы зададим Ci и Сз в единицах кгХП К (8)/м3, либо введем в

результат фактор перерасчета 1000 г ХПК(8)/кг XnK(S).

V2 = 1 111 111 м3 •г XnK(S)/((1000 г ХПК(8)/кг XnK(S)) =

=111 1 M 3 ,

что (к счастью) является правильным результатом.

Для реакторов с рециркуляцией время гидравлического удержи­ вания и возраст ила разделяются. Таким образом можно накапли­ вать биомассу, состоящую одновременно и из быстро и из медленно растущих микроорганизмов. Это очень важно для характеристики осаждаемости/флокуляции ила. На рис. 4.3 показана структура флокул в активном иле.

Перед рециркуляцией ил следует концентрировать. Как прави­ ло, для этого используется вторичный отстойник, можно также про­ водить флотацию, центрифугирование или применять мембранные системы.

Определенный интерес представляют и уравнения массового баланса для точек а и Ь (рис. 4.2).

Для расчета концентрации ила в подаваемом в аэротенк стоке

Хгд можно, например, воспользоваться уравнением массового

Уравнение массового баланса в точке Ь (рис. 4.2) можно цспользовать для расчета потока возвратного ила Q4, если известна

концентрация ила, вытекающего из верхней и нижней частей вторичного отстойника (Хв,з и Х вд), а также концентрация ила Э обработанном стоке, выходящем из аэротенка Х в,2,2-

(Q l + Q4)XB>2,2 = Q3XB|3 + Q 4X B ,4

Q 4 = (Q I X B ,2,2 - Q 3 X B ,3) / ( X B ,4 - Q 4 X B>2,2)

Для реакторов с активным илом с рециркуляцией часто при­

нимают, что Х в,2,1 « Хв,2,2- Это упрощение неприемлемо для

реактора без рециркуляции.

Пример 4.3. Рассчитайте концентрацию ила Хв,2,2 в стоке на выходе из аэротенка, если известны следующие параметры (обозначения см. на рис. 4.2):

общую концентрацию ВПК, а ВПК в сточной воде (попадая в реактор, сток смешивается с активным илом с очень высокой концентрацией ВПК).

Обычно считают, что во вторичном отстойнике реакций не происходит, поэтому Сг,2 = Сз-

Сг,1 можно найти, используя уравнение баланса в точке а (рис. 4.2):

Q 1C 1 + Q 4C 4 = (Q i + Q 4 )C 2 ,I

Считая, что в аэротенке происходит только удаление вещества, получаем С4 = Сз = Сг.2 , подставляем эти значения и получаем:

С г ,1 = ( Q 1C 1 + Q 4C 8) / ( Q I + Q 4) =

= (2500 •0,4 -f 2000 •0,015)/(2500 + 2000) = = 0,229 кг БПК/м3

Если подставить эту величину в уравнение (4.6), то получим:

Хв,2,2 = 4,5 + (0,229 - 0,015) •0,9 = 4,69 кг ВВ/м3

Данный пример показывает, что при прохождении стока через реактор концентрация биомассы возрастает всего на 4-5%. Учитывая погрешности определения характеристик входящих стоков, эти раз­ личия часто можно вовсе не учитывать и принимать концентрацию ила постоянной внутри реактора.

Примечание! Эти различия нельзя не учитывать при расчете прироста ила в реакторе (см. следующий раздел).

4.2.П онятия и определения,

испол ьзуем ы е д л я описания п р оц ессов, прои сходящ и х в си стем ах с активны м илом

Некоторые из этих понятий представляются не очень логичными и целесообразными, но, поскольку ими, тем не менее, иногда пользуются, полезно познакомить с ними читателя. Несколько таких примеров мы обсудим ниже.

Э ф ф ективность обработки (очистки) обычно используется как характеристика общей эффективности процесса обработки и определяется как

Эффективность обработки можно применять для характеристи­ ки отдельного процесса или отдельного реактора системы.

Кроме того, эффективность обработки можно вводить как безразмерную величину при математическом описании процесса очистки с активным илом.

К ратность рециркуляции (рецикла) определяется как от­ ношение объемов возвратного ила и исходного стока (см. рис. 4.2):

Объемная нагрузка может выражаться в различных единицах, однако обычно это кг Б П К /(м 3 •сут). Объемной нагрузкой пользу­

ются для упрощенного проектирования реактора с активным илом. К онцентрация ила (биомассы) X в аэротенке или в возвра­ щаемом в цикл потоке обычно приводится в единицах взвешенного вещества (Хвв)> беззольного вещества (Х б в б ) или единицах ХПК

(Ххпк)- Для расчета концентрации ила в реакторе с активным илом приемлемы любые из этих единиц измерения. Если, например, используются единицы взвешенного вещества, то все остальные величины также должны быть даны в этих единицах (коэффициент прироста ила, масса ила, прирост ила, скорость удаления субстрата и т. д.). Следует отметить, что только часть биомассы, выраженной, например, в единицах ХПК, представляет собой активную (живую) биомассу, т. е.

Ххпк > Хв,н + Х в ,а >

Таблица 4.3. Некоторые характеристики реакторов с активным илом, обрабатывающих городские стоки

где Хв,н — это концентрация гетеротрофной биомассы, Х в,а — кон­ центрация автотрофной биомассы (нитрифицирующие бактерии).

М асса ила Мх в системе с активным илом — это весь содержа­ щийся в системе ил, включая неаэрируемый. Иногда значительная масса ила скрыта во вторичных отстойниках. Масса ила определя­ ется как

Гидролиз имеет место во всей массе ила независимо от его ме­ стонахождения. Однако скорость гидролиза зависит от доступности

нагрузка измеряется в кг В П К /(кг ВВ •сут). Нагрузка на ил часто используется для проектирования реакторов. Если она измеряется в единицах ВВ, то обязательно следует обращать внимание на состав сточной воды (например, высокие концентрации неорганических ВВ) и на схему работы реактора (например, наличие осаждающих веществ), поскольку это может влиять на соотношение между БВБ и ВВ в активном иле. При проектировании очистных систем нагрузку на ил лучше измерять в кг Б П К /(кг БВБ •сут).

П рирост ила — это количество ила, покидающего реактор в

Таблица 4.4. Компоненты ила, учитываемые в различных методах определения прироста ила

Содержащийся в подаваемом стоке ил (Q iX i) увеличивает прирост ила и, следовательно, его не нужно учитывать в уравнении

( 4 .1 2 ) .

Прирост ила можно рассчитывать различными способами

и соответственно выражать в различных единицах, например кгВ В/сут, кгБВБ/сут, кгХ П К /сут.

Табл. 4.4 показывает, какие компоненты ила учитываются в различных методах определения прироста ила.

Различные единицы измерения прироста ила используются в различных целях. Обезвоживание ила можно измерять в кг ВВ/сут, в случае аэробной или анаэробной стабилизации ила лучше ис­ пользовать такие единицы измерения, как кг БВБ/сут, кг ХПК/сут. Таким образом, величина прироста ила зависит и от подаваемого в реактор стока и от происходящего в реакторе процесса. Величину прироста ила можно непосредственно измерить на работающем реакторе и рассчитать из выражения (4.12).

Оценить величину прироста ила для проектирования реактора

можно, исходя из уравнения (4.13):

Чтобы можно было воспользоваться этим уравнением, сначала следует оценить величину У наблЭта величина меняется в зависи­ мости от нагрузки на активный ил, см. рис. 3 .5 .

Пример 4.4. Рассчитайте нагрузку на ил и прирост ила для реактора с активным илом, обрабатывающим городские стоки. Известно следующее:

Q i = И 000 м3/сут, Ci = 0,4 кг ВПК/м3, С 3 = 0,04 кг БПК/м3

Концентрация активного ила в аэротенке 5,2 кг В В /м 3. Объем аэротенка V 2 = 5600 м3.

Подстановкой получаем: Ох = V2X2/(Q3X3 + Q5X5 + Q6X6).

В этом уравнении нам известны все величины, кроме Q3 и ХвПоскольку объем воды Qe выводится из аэротенка, то Х6 = Х2 находим из уравнения водного баланса всего реактора.

Qi = Q3 + Q5 4- Qe,

Q3 = Qi - Qs - Qe = 1500 •24 - 100 - 1000 = 34 900м3/сут.

Подстановкой Q3 и Xe и других известных величин получаем:

0х = 15 000 •4,0/(34 900 •0,05 + 100 •11,0 + 1000 •4,0) = 8,8 сут.

Примечание! Полученная в итоге информация более чем до­ статочна (даже избыточна) для принятия адекватного решения. Очень часто у инженеров возникают проблемы из-за недостаточности информации, поэтому подобные системы могут использоваться для проведения оценочных расчетов.

Возраст аэробного ила — это время, в течение которого частица ила (например, нитрифицирующая бактерия) находится в реакторе в аэробных условиях. Обычно он несколько меньше общего возраста ила. Определяют возраст аэробного ила так же, как и общий возраст ила:

В реакторе, в котором половину времени сохраняются аэробные условия (а половину времени, например, аноксические), масса аэробного ила составляет 50% общей массы ила, т. е. 0,5VX.

Возраст аэробного ила — это важный параметр процессов нит­ рификации и биологического разложения трудно разлагаемых органических веществ.

4.3. Т и п ы си стем с активны м и лом

Конструкции реакторов с активным илом могут быть самыми разными. Как правило, конструкция реактора и, в частности, его глубина определяются соображениями экономии. Однако во всех случаях реактор состоит из двух основных элементов: аэротенка с известным объемом V 2 и известной концентрацией ила Х 2 и

вторичного отстойника или другого разделительного устройства (с использованием мембран, принципа флотации и т. д.), из которого обработанная вода (с параметрами С3 и Х 3) сливается сверху, а концентрированный возвратный ил (С4 и Х 4) отводится снизу.