Глава б

Системы очистки с нитрификацией

Йес Ля-Кур-Янсен, Поль Армоэс, Могенс Хенце (Jes la Cour Jansen, Poul Harremoes, Mogens Henze)

Обычно в городских сточных водах содержится 20-50 мг/л со­ единений азота, в основном в виде аммиака или производных аммония (NH^ и NH3), и таких органических веществ, которые в

процессе обработки легко превращаются в аммоний. Перед сбросом обработанных стоков из них стремятся удалить все эти вещества, поскольку их присутствие нежелательно по трем следующим причинам.

Биологическое окисление аммония (нитрификация) требует значительного количества кислорода. В обычных городских стоках содержится всего 40% необходимого для этой цели кислорода. Следовательно, биологическая очистка стока без проведения нит­ рификации во многих случаях приведет к исчерпанию запасов кислорода в водоемах.

Аммиак является сильным ядом для рыбы. К счастью, со­ держание его в воде мало, так как при нейтральных значениях pH равновесие в реакции NH^ <=* NH3 + Н+ сдвинуто влево.

Только при pH выше 8,5 аммиак начинает доминировать среди азотсодержащих соединений. В проточной воде (реках, ручьях) значение pH меняется довольно заметно. В Дании содержание аммиака в реках, в которых разрешается ловля рыбы, не должно превышать 0,025 мг/л. Столь жесткое требование к содержанию ам­ миака означает, что в большинстве случаев аммонийные соединения необходимо окислить до сброса воды.

Наряду с фосфором, азот является наиболее важным элементом питания растений, обеспечивающим их рост. Нитрификация сама по себе не означает, что содержание питательных веществ в воде изменится, так как растения потребляют азот в виде нитрата или аммиака. Однако нитрификация обязательна, если азот должен быть удален из сточной воды путем денитрификации. Объясняется

это тем, что биологическая денитрификация, в процессе которой нитрат превращается в свободный азот, требует, чтобы аммонийные соединения были предварительно окислены до нитрата, который далее восстанавливается до газообразного азота. В гл. 7 более подробно обсуждается связь между нитрификацией и денитрифи­ кацией в процессе очистки воды.

Из всего сказанного выше следует, что, если сточную воду предполагается сбрасывать в ручьи, озера или реки, то наряду с удалением органического вещества из стоков необходимо проводить нитрификацию.

6.1. М ассовы й баланс при нитриф икации

При биологической очистке сточной воды нитрификация протекает либо параллельно с превращением органических веществ, либо как отдельный процесс. В обоих случаях окисление аммония в нитрат происходит под воздействием одних и те же микроорганизмов. Следовательно, эти два процесса имеют много общего.

6.1.1. Обособленные системы нитрификации

Очистное сооружение, предназначенное для нитрификации, может представлять собой реактор с активным илом или биофильтр (капельный фильтр, аэрируемый фильтр, реактор с вращающимися дисками и др.). На рис. 6.1 показаны схемы этих двух типов реакторов.

Уравнение массового баланса в реакторе нитрификации мож­ но составить в том случае, если известна кинетика процесса, положенного в основу соответствующей модели, которую можно построить на основе матрицы параметров, как это показано в табл. 6.1. Заметьте, что коэффициент прироста биомассы в процессе нитрификации в целом У макс,А выражается через количество выделяющегося нитратного азота, а не через количество потреблен­ ного аммонийного азота. Количество выделяющегося азота можно измерять, например, в кг Х П К (Б )/кг N0^*—N. Содержание азота в биомассе выражается параметром fxB.N, кг N/к г ХПК(Б). При описании изменения щелочности среды в табл. 6.1 ассимиляция азота в нитрифицирующих бактериях не учитывалась. Множитель 1/7 перед стехиометрическим коэффициентом означает, что для превращения 1 моль азота (14 г) затрачивается 2 экв щелочности, т. е. 2/14 или 1/7 экв/г N. Нитрификация вносит вклад в образова­ ние ХПК за счет роста биомассы при окислении аммония в нитрат

Значения //Макс,А> KS,NH4 (= Ks), KS,O 2IA и Ьд можно найти в

табл. 3.10 (колонка для окислителей аммония или для суммарного процесса), 0х ,а можно определить из рис. 6.2, после чего можно вычислить значение SNH4>2-

Пример 6.1. Критическим моментом в работе нитрифицирующего реактора с активным илом является понижение температуры в зимнее время. Известно, что в реакторе идеального перемешивания возраст аэробного ила составляет 25 сут, а концентрация кислорода в реакторе равна 1,6 г/м 3

Определите концентрацию аммония в обработанном стоке при

8 ° С .

Известно следующее:

/Х м а к с , А = 0 , 7 с у т “ 1( 2 0 ° С ) ,

ус = 0,09 град-1 ,

KS,NH4,A = 0,5 г N /M3,

K S,O 2,A = 0,8 г Ог/м3,

Ьд = 0,05 сут-1

Рассчитаем /хМакс,д (8°С) по уравнению (3.16):

/^макс,а (8°С) = / W C,A (20 °С)ехр(;к(Т - 20)) = 0,7 •ехр(0,09 •(8 - 20))

= 0,24 сут-1

Подобным образом Ьд (8° С) = 0,02 сут-1 .

Подставляя известные значения в выражение (6.4), получаем

Реакторы с биопленками

Процесс нитрификации заключается в удалении растворимых субстратов: NH^ и ОгСледовательно, удовлетворяются условия функционирования биопленок, описанные в предыдущем разделе, и теория продемонстрировала свою практическую применимость.

Рис. 6.3. Наблюдаемая скорость нитрификации в расчете на единицу площади поверхности биопленки как функция концентрации кислорода в толще воды [1].

На рис. 6.3 показана зависимость наблюдаемой скорости нитрифи­ кации в расчете на единицу площади поверхности от концентрации в толще воды.

Можно записать уравнение баланса азота в нитрифицирующем биофильтре (рис. 6.1,6) (см. выражение (5.3)):

Для отдельного нитрифицирующего биофильтра скорость нит­ рификации определяется концентрацией либо кислорода, либо аммония, поскольку на практике биопленка обычно является лишь частично проницаемой. Условия, при которых скорость реакции определяется концентрацией кислорода или аммония, можно рас­ считать по уравнению (5.32).

На рис. 6.4 показаны условия проницаемости биопленки для

При S N H 4 > 0,3 So2 лимитирующим параметром является кон­ центрация кислорода и скорость реакции определяется как

Пример 6.2. Нитрифицирующий биофильтр с вращающимися диска­ ми, обрабатывающий фильтраты свалок, имеет общую площадь по­ верхности 40 000м2. Фильтр поделен на две секции, каждая работает по принципу идеального перемешивания.

Характеристики стоков:

Qi = 500 м3/сут

SNH4,I = ЮО г N H ^ -N /M3

Концентрация кислорода в двух секциях фильтра:

Площадь поверхности каждого диска 20 000 м2. Процесс характеризуется следующими параметрами:

к*А,о2 = 4 (г Оа)1/а • м"1/а-рут-1

«^NH4,O2 = 4,6 г 0 2/г NH^-N,

k iA.NH4 = 0,7(г N H j-N )1' 2 •м - 1/2 •су т"1 Запишем уравнение массового баланса для первой секции

QI SNH4,I “ А2 •rA,NH4 = Q3SNH4,3

Принимая, что лимитирующей является концентрация кислорода (мы это позднее проверим), получаем из (6.6):

T A ,NH4 = (^ 1 A ,O 2/ I/NH4,O 2)S O !2>2)

а после подстановки приходим к выражению

QISNH4,I - а ; •(kjA.OjM ffU .oJ •So7/,2 = Q3SNH4,3 Подставим известные значения:

500 •100 - 20 000(4/4,6) •51/2 = 500 S NH4,3 или

SNH4.3 = 22rN H +-N /M 3

Проверим, соблюдается ли принятое условие, т. е. справедливо ли выражение

SNH4>3 > 0,3SO2,2

0,3SO2,2 — 0,3 •5 = 1,5

SNH4,3 = 22,

т. e. SNH4,3 > 0,3So2t2Таким образом, мы подтвердили, что лимити­ рующим субстратом является кислород.

Во второй секции реактора эту же роль предположительно выпол­ няет аммоний. Запишем уравнение массового баланса (обозначения взяты из рис. 6.16):

Q S S N H 4,3 — А 4 • k ^ A NH4 • S j / H4 4 = Q S S N H 4i5

Условие идеального перемешивания можно выразить уравнением

SNH4i4 = SNH4,5

После подстановки получаем:

500 - 2 2 - 2 0 000 •0,7 •Sj/^.s = 500 SNH4,5,

т. е.

SNH4,5 ~ 0,6 г/м 3

Проверим, является ли аммоний лимитирующим субстратом:

0,3SO2,4 = 2,1

SNH4,4 = 0,6

SNH4,4 < 0,3SO2,4, таким образом, наше предположение справед­ ливо, т. е. лимитирующим субстратом является аммоний.

На выходе из реактора концентрация аммонийного азота составит приблизительно 0,6 г N H j—N /M3.

Влияние pH

Нитрификация сопровождается уменьшением щелочности среды. Если щелочность исходного стока слишком мала, ее дальнейшее понижение может привести к ингибированию процесса, что и наблюдается при pH = 5,8. Таким образом, в ряде случаев нит­ рификация возможна только при добавлении щелочных агентов, например извести.

Ситуация также усложняется из-за наличия диффузионных ограничений в биопленках, которые необходимо учитывать. При нитрификации потребляется HCOJ и выделяется СО2, в резуль­

тате образуется градиент концентрации, приводящий к диффузии

Рис. 6.6. Соотношение между расходуемыми в биопленке компонентами определяет, какой из них лимитирует скорость реакции [3].

ниже значения 2,4, то происходит резкое падение pH в биопленке (рис. 6.6).

Пример 6.3. Необходимо провести нитрификацию стока со щелоч­ ностью 2 экв/м3. Какова максимально допустимая концентрация аммония в этом стоке?

В соответствии с выражением (3.28) на 1 моль аммония потребля­ ется около 2 моль НСОJ . В подаваемом в нитрифицирующий реактор стоке может быть не больше:

1 моль N Hj = 1 моль N /M3 = 14 г N H J-N /M3.

Сток обрабатывается в реакторе идеального перемешивания, мак­ симальная концентрация аммония в толще воды может составлять 2 г N H J -N /M3.

.Концентрация кислорода в толще воды 4 г/м 3, и кислород является лимитирующим субстратом, поскольку молярное отношение (4/32)/(2/14) = 0,88 < 1,4.

Из-за диффузионных ограничений щелочность должна быть выше, чем