ХПК, г/мэ

Используя приведенную выше процедуру, мы можем получить результаты компьютерного моделирования, аналогичные показан­ ным на рис. 7.24. Основная часть работы состоит в том, чтобы дать характеристику подаваемого на обработку стока. Обычно необходимо изменить всего лишь несколько констант, как это было сделано в рассмотренном примере. Найденные константы, как показывает опыт, уже практически не изменяются во времени. Одна из причин этого состоит в том, что, несмотря на недельные и месячные колебания в составе воды, процентное соотношение между фракциями считается постоянным. Также считается, что некоторые константы процесса зависят от конструкции станции и от ее функционирования (например, от размера флокул или состава ила).

7.3.9. Проектирование биофильтров для денитрификации

Вданном случае проектирование основано на тех же принципах, что и проектирование нитрифицирующих фильтров (см. гл. 6, разд. 6.3.3). Прежде всего необходимо, используя уравнение массо­ вого баланса, найти необходимую площадь поверхности подложки Аг*.

Зная концентрацию органического вещества и нитрата, проходя­ щих через фильтр (который может работать в режиме идеального перемешивания, хотя обычно он больше напоминает реактор пол­ ного вытеснения), и используя выражение (7.6а) или (7.66), можно определить субстрат, лимитирующий скорость процесса.

Далее в соответствии с выражением (5.13) определяют кинетику процесса и находят скорость реакции по уравнениям (7.7а), (7.76), (7.7в) или (7.7г). Необходимую площадь поверхности подложки А£ устанавливают из выражения (7.5).

Пример 7.9. Необходимо спроектировать фильтр, действующий по принципу полного вытеснения, для денитрификации 1800 м3/сут городских стоков. Вода обрабатывается нитрифицирующим актив­ ным илом, после чего подвергается денитрификации при добавлении уксусной кислоты НАс в качестве внешнего источника углерода.

Концентрация исходного стока, подаваемого на фильтр SNO3,I = 23 г NOJ —N/M3.

Концентрация обработанного стока SNO3,3 должна составлять 3 г NOJ—N/M3.

Из табл. 7.2 находим стехиометрически необходимое количество уксусной кислоты (включая ассимиляцию): 5.5 г ХПК/г NO3 —N.

Мы предпочитаем добавить чуть больше уксусной кислоты, скажем, 6,5 г ХПК/г NO3 —N. Следовательно,

SxnK.i.MHH = (SNO3,I — SNO3,3) *v =

= (23 - 3)г N O J-N /м 3 •6,5 г ХПК/г N O J-N = = 130 г ХПК/м3,

что соответствует

130 г ХПК/м3 •юепк.НАс = 130 г ХПК/м3 •0,937 г НАс/г ХПК =

=122 г НАс/м3

Спомощью выражения (7.66) можно определить, является ли нитрат лимитирующим субстратом.

Из табл. 5.1 находим: DN03/DxnK = 1,6.

= 1,6 •5,5 = 8,8 г ХПК/г NOJ —N.

Таким образом, скорость процесса лимитируется содержанием уксусной кислоты, а не нитрата. В обработанном стоке концентрация уксусной кислоты (и нитрата) понижается. Из значения ь'хпк.нас =

В соответствии с выражениями (5.37) и (5.42) решение уравнения выглядит следующим образом:

V2 = A2*/u; = 4900м2/100 м" 1 = 49 м3

(что соответствует времени гидравлического удерживания для пусто­ го фильтра около 40 мин).

Ну хорошо, это был длинный пример. Насколько он правдоподо­ бен? Мы ответим на этот вопрос, процитировав немецкого философа Георга Вильгельма Фридриха Гегеля: «Если реальность не хочет подчиняться теории, то тем хуже для реальности».

7.4. Редокс-зоны в биомассе

Если биомасса в реакторе присутствует в виде биопленок или флокул, скорость процесса очистки может ограничиваться диффузией. Как правило это характерно для реакторов с биофильтрами, но может также иметь место и при использовании активного ила. В обоих случаях могут возникать такие ситуации, которые нельзя объяснить, если не учитывать возможность диффузионных ограни­ чений реакции. Для понимания происходящего следует учитывать не только то, что диффузия лимитирует скорость реакции, но и что диффузионные ограничения приводят к образованию в биомассе зон с различными редокс-потенциалами. Наглядным примером сказанного является описанное выше одновременное протекание в биопленке аэробного удаления органического вещества и денитри­ фикации. Но это явление имеет более общую природу.

0 — удаление Ф — образование

Рис. 7.27. Расположение слоев редокс-зон в биопленке.

Рис. 7.27 демонстрирует возможное расположение слоев редоксзон в биопленке. Для каждого слоя указано, что происходит в нем — удаление или образование веществ. Если вещество удаляется, кри­ вая идет вниз, если же образуется, кривая как вторая производная концентрации идет вверх (разд. 5.1).

Внешний слой биопленки, соприкасающийся с толщей воды, насыщенной кислородом, является аэробной зоной благодаря диф­ фузии кислорода в биопленку. Процесс аэробного превращения в реакторе контролируется глубиной проникания кислорода. В этой зоне происходит окисление тех содержащихся в воде веществ, кото­ рые могут разлагаться в аэробных условиях (это относится в основ­ ном к диффундирующим органическим веществам и аммонию). Указанные процессы описаны в гл. 5 и 6 . Необходимо понимать, что

в этой зоне происходит не только окисление веществ, пришедших

из толщи воды, в нее также диффундируют восстановленные продукты анаэробной реакции из внутренних слоев биопленки. На рисунке все это показано на примере аммония.

Если в воде присутствует нитрат или если он образуется в результате нитрификации в аэробной зоне, он диффундирует в бескислородную (аноксическую) зону, где происходит денитрифи­ кация. Для денитрификации необходим восстанавливающий агент, под которым до сих пор мы понимали исключительно вещество, диффундирующее в пленку из толщи воды. Но восстановитель может также поступать и из внутренних зон биопленки. Это явление может влиять на общий процесс удаления веществ.

Во внутренних восстановительных зонах могут происходить все процессы, требующие анаэробных условий. Это могут быть хорошо известные восстановительные процессы с электронным потенциалом ниже р(е)° = 5,8, см., например, работу [9]. Наиболее важными процессами, которые необходимо упомянуть в связи с очисткой воды, являются следующие:

—Восстановление металлического железа до таких его произ­ водных, которые растворимы и, следовательно, способны диффун­ дировать во внешние слои пленки.

—Восстановление органических веществ до жирных кислот. Некоторые промежуточные продукты, как и сами жирные кислоты, способны диффундировать во внешние слои пленки.

—Восстановление сульфата до сульфида (см. рис. 7.27).

При анаэробном разложении органических веществ образуется аммоний, который затем диффундирует в аэробную зону.

Восстановление сульфата в биопленке или окисление сульфида, диффундирующего из анаэробной зоны в результате восстанов­ ления органических веществ, имеет принципиальное значение. Образующийся сульфид может осаждать ионы металлов или же диффундировать в поверхностные окислительные слои биопленки.

Конечной стадией анаэробного восстановления органического вещества является его превращение в метан и диоксид углерода. Метан может диффундировать в поверхностные зоны, где про­ исходит его окисление. Метан плохо растворим в воде, поэтому его накопление на внутренней поверхности биопленки приводит к перенасыщению и образованию пузырьков газа, которое, в свою очередь, приводит к сбросу биомассы с загрузки фильтра.

Все описанные процессы сопровождаются образованием кисло­ ты или щелочи, что в какой-то степени влияет на значения pH в биопленке, а это опять-таки важно для создания соответствующих

редокс-зон. Все описанные здесь процессы связаны между собой сложным образом и определяются условиями диффузии, возни­ кающими редокс-потенциалами, значениями pH, скоростями роста и распада в каждой зоне и т. д. История образования биопленки и механическое воздействие потока также являются важными факторами, определяющими сброс и новый рост биомассы.

Об этих условиях и важности их учета в техническом подходе к использованию биофильтров для очистки сточной воды известно очень немного. Все указанные процессы играют важную роль, если очистка ведется на капельных фильтрах старого образца с низкой нагрузкой. Такие фильтры часто подвержены локальной кольматации. В анаэробных условиях биопленка разлагается и в конце концов сбрасывается, в результате чего освобождается пространство для нового роста. При обслуживании таких фильтров возникает много проблем, и сегодня они уже неконкурентноспо­ собны.

О степени влияния анаэробных условий на общий процесс очистки на капельных и погружных фильтрах, а также в реакторах с вращающимися дисками, работающими при нормальной нагрузке без нитрификации, ничего не известно.

Если нагрузка достаточно низка для того, чтобы могла проте­ кать нитрификация, то на фильтре образуются три зоны: аэробная, аноксическая и анаэробная. На таких фильтрах, как это было по­ казано ранее, происходит и денитрификация. Влияние анаэробных зон практически неизвестно.

Оценивать процессы, происходящие в такой сложной биопленке, основываясь лишь на суммарной реакции на фильтре, весьма трудно. Относительно недавно были разработаны методы, позво­ ляющие с помощью микродатчиков детально анализировать про­ цессы, протекающие внутри биопленки [12]. Сегодня существуют

микродатчики, позволяющие измерять pH и концентрации таких компонентов, как S2” , О2, NO3 , NOj , глюкоза.

Взаимодействие между процессами в различных редокс-зонах можно описать с помощью моделей. Проблема заключается в том, что необходимо знать о процессе довольно много, чтобы можно было описать расположение различных зон в биопленке. В последнее время исследовательские работы в области биопленок значительно интенсифицировались. Следует надеяться, что лучшее понимание микробиологических процессов в биопленке, более пол­ ное представление о структуре биопленки и расположении в ней редокс-зон будут достигнуты в ближайшем будущем.