- •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
Таблица 3.7. Кинетические константы, стехиометрические коэффици енты и их температурная зависимость (fp = fi, ixe = fe.H, ixE= fi,N, /*H = Ммакс) [9]
Символ
YA
YH
ixB ixE
Мн
KS
Ко2,н
K NO
bH
Ъ
Vh kh
Кх
K NH3
Ко,А ks
Величина
Размерность |
при 20° С |
при 10°С |
|
||
Стехиометрические параметры |
|
|
г образовавшегося клеточного ХПК/ |
0,24 |
0,24 |
г потребленного азота |
|
|
г образовавшегося клеточного ХПК/ |
0,67 |
0,67 |
г окисленного ХПК |
|
|
Безразмерная величина |
0,08 |
0,08 |
г азота/ХПК в биомассе |
0,086 |
0,086 |
г азота/ХПК в эндогенной массе |
0,06 |
0,06 |
Кинетические параметры |
|
|
сут 1 |
6,0 |
3,0 |
г ХПК •м" 3 |
20,0 |
20,0 |
Г О2 •М_3 |
0,20 |
0,20 |
г NO3 —N •м" 3 |
0,50 |
0,50 |
сут" 1 |
0,62 |
0,20 |
Безразмерная величина |
0,8 |
0,8 |
Безразмерная величина |
0,4 |
0,4 |
г медленно разлагаемого ХПК/г кле |
3,0 |
1,0 |
точного ХПК •сут |
|
|
г медленно разлагаемого ХПК/г кле |
0,03 |
0,01 |
точного ХПК |
|
|
сут" 1 |
0,80 |
0,3 |
г NHa-N •м" 3 |
1,0 |
1,0 |
г Ог •м" 3 |
0,4 |
0,4 |
м3ХПК/г •сут |
0,08 |
0,04 |
режиме работы реактора с использованием разнообразных хими ческих анализов. Детально этот вопрос обсуждается в работах [9,
33-35].
3.4.Нитрификация
Нитрификация — это микробиологический процесс, в ходе которого аммоний превращается в нитрит, а нитрит в конечном итоге — в нитрат.
Этот процесс происходит в биосфере повсеместно, если условия среды способствуют развитию нитрифицирующих бактерий. Нит рификация очень важна для поддержания определенного уровня кислорода в почве, реках, озерах и, соответственно, на станциях очистки воды.
3.4.1. Реакции нитрификации
На практике нитрификацию осуществляет очень ограниченная группа автотрофных микроорганизмов. Процесс проходит в два этапа. На первом этапе аммоний окисляется до нитрита под действием бактерий, часто называемых Nitrosomonas. Затем нитрит окисляется до нитрата под действием другой группы бактерий, часто называемых Nitrobacter. На этот процесс также оказывают влияние бактерии родов Nitrospira, Nitrococcus и Nitrosocystis. В процессах очистки стоков участвует значительное количество раз личных нитрифицирующих микроорганизмов. Однако те нитрифи цирующие бактерии, которые были идентифицированы с помощью ДНК-зондов, по-видимому, не слишком сильно отличаются по своей активности от известных бактерий Nitrosomonas и Nitrobacter. Таким образом, с инженерной точки зрения нитрификацию можно рассматривать как двухстадийный процесс, с хорошо известной стехиометрией и кинетикой, в котором задействованы две группы бактерий.
Окисление аммония под действием бактерий можно выразить следующей реакцией:
NH+ + | о 2 NOj + Н20 + 2Н+
(3.22)
AG°(W) = -270 кДж/моль NHJ-N
Нитрит-окисляющие бактерии осуществляют следующую реак цию:
N 0 2- + - 0 2 N 0 3-
(3.23)
A G °(W ) = -8 0 кДж/моль N O ^ -N
Для нитрифицирующих бактерий характерны низкие скорости роста, что связано с низким энергетическим выходом реакций окисления аммиака и нитрита. Медленный рост таких бактерий — основная проблема при нитрификации на станциях биологической очистки стоков.
8 . Очистка сточных вод
Большинство нитрифицирующих бактерий автотрофны и, сле довательно, в качестве источника углерода используют диоксид углерода. Прежде чем углерод из диоксида углерода будет включен в процесс роста клетки, он должен быть восстановлен. Восстанов ление его происходит за счет окисления источника азота. Если окисляется аммоний, уравнение роста имеет следующий вид:
15С 02 + 13NH+ -> 10NO^ + 3C5H7N 0 2 + 23Н+ + 4Н20 (3.24)
Если же окисляется нитрит, это уравнение выглядит так:
5 С 0 2 + NH+ + 10NOJ + 2Н20 -> IONO3 + C5H7N 0 2 + Н+ (3.25)
Если известны наблюдаемые коэффициенты прироста биомас сы ПО аммонию У „ а б л ^ Н 4 И нитриту Унабл.ГЮ г* т 0 МОГуТ быть
рассчитаны соответствующие уравнения реакций. Максимальные коэффициенты прироста биомассы также могут быть рассчитаны, как показано в работе [8]. Однако метаболическая эффективность является существенно более низкой чем обычно (/? « 0 ,20).
Объединяя уравнения (3.22) и (3.24), а также используя уравне ние для карбонатного равновесия в системе (заметьте, что азот, кис лород и углерод меняют степени окисления), получим следующее
уравнение для аммоний-окисляющих бактерий (У набл,га4 = |
0,1 г |
Б В Б /г N H J -N = 0,14 г Х П К /г N H + -N ): |
|
80,7NH j + 114,5502 + 160,4НСО^ -> |
|
-► C5H7N 0 2 + 79,7NO^ + 82,7Н20 + 155,4Н2С 0 3 |
(3.26) |
Это выражение показывает, что при конверсии 80,7 14 = 1129,8 г N H ^—N образуется 113 г биомассы бактерий (CsH7N 0 2).
Следовательно, коэффициент прироста биомассы составляет 113/1129,8 = 0,1 г Б В Б /г удаленного N H ^—N. В расчете на количество окисленного аммонийного азота коэффициент прироста составляет 113/(79,7 •14) = 0,1 г Б В Б /г окисленного NH4"—N.
Пример 3.4. Из уравнения (3.26) |
коэффициент прироста биомас |
||||
сы может быть |
рассчитан |
и |
в |
других единицах, |
например в |
г ХПК/г NH+-N: |
|
|
|
|
|
113 г бактерий |
(C5H7N0 |
2) |
содержат 1,42 г ХПК/г |
113 г, (см. |
пример 3.2). Следовательно, коэффициент прироста биомассы равен
(1,42 г ХПК/г •113 г)/1129,8 г NH^-N = 0,14 г ХПК/г NH|-N
Объединяя выражения (3.23) и (3.25), для нитрит-окисляющих бактерий получаем У„абл^о2 = 0»06 г Б В Б /г N O J—N:
134,5N0J + NHt + 62,2502 + HCOJ + 4Н2С 0 3 ->
C5H7N 0 2 + 134,5NO^ + 3H20 (3.27)
Выражения (3.26) и (3.27) дают суммарное уравнение реакции нитрификации:
NH| + 1,8602 + 1,98НСОз ->
-> 0,020C5H7 N 0 2 + 0,98Ж )з + 1,88Н2С 0 3 + 1,04Н2О (3.28)
Пример 3.5. Рассчитайте потребление кислорода для полной нитри фикации.
Из выражения (3.28) находим, что для окисления 1 моль NHf используется 1,86 моль 0 2, т. е. потребление кислорода на г NH^-N составляет:
(1,86 мольОг •32 г 0 2/моль)/(1 моль NH^-N •14 г N/моль) =
= 4,25 г 0 2/г N H J-N
Следовательно, стехиометрический коэффициент I/NH4,02 = 4,25. Из выражения (3.28) рассчитываем также потребление кислорода
на 1 г образующегося NO3 —N:
(1,86 моль 0 2 •32 г О2/ моль)/(0,98 моль NO3 -N •14 г N/моль) =
= 4,34 г 0 2/г NO3 —N « 4,34 г 0 2/г окисленного NH^-N
Различие между значением 4,34 г 0 2/г NH^-N и полученным из выражений (3.22) и (3.23):
NHt + 202 -> NO3 + 2Н+ + Н20
(2,0 моля 0 2 •32 г О2/моль)/(1,0 моль NO3 —N 14 г N/моль) =
= 4,57 г 0 2/г NO3 -N = 4,57 г 0 2/г окисленного N H J-N
объясняется тем, что неорганический углерод, потребляемый бакте риями, также является акцептором электронов, что в итоге снижает потребление кислорода.
Окисление аммония до нитрита протекает в несколько стадий, а окисление нитрита до нитрата — это одностадийная реакция. Про межуточные продукты, образующиеся между гидроксиламином и нитритом, неизвестны:
N H J 4 N H 2O H 4 ? ->• N O j N O J
Реакционные стадии а и b селективно ингибируются тиомочевиной и гидразином [12]. Тиомочевина используется для подавления
нитрификации при проведении дыхательных тестов в активном иле и при модифицированном БПК-анализе. Для ингибирования процесса достаточно 1 ч. на млн тиомочевины [13].
3.4.2. Щ елочность
Нитрификация понижает щелочность воды. Из выражений (3.26) и (3.27) видно, что на щелочность влияет только первая стадия процесса нитрификации. На каждый моль N H ^—N, окисляющегося до N0^"—N, расходуется около 2 моль HCOJ, что соответствует 2 экв щелочности. Это существенно при нитрификации относи
тельно мягкой воды, pH которой может быть настолько низким, что дальнейшее его снижение приведет к замедлению или даже прекращению нитрификации.
Из самого уравнения реакции нитрификации не следует, что щелочность среды меняется в процессе реакции. Вклад в изменение щелочности каждого компонента реакции рассчитывается, исходя из его химического состояния при pH 4,5. В упрощенном виде можно записать:
Изменение |
NH^ + 20г -+ N 0 ^ + 2Н+ + Н2О |
Общее изменение: |
||||||
щелочности: |
0 + |
0 |
0 |
—2 |
0 - |
2 |
|
|
Изменение |
NH3 + 20г -+ NOJ + Н+ + Н2О |
Общее изменение: |
||||||
щелочности: |
1 |
0 |
0 |
—1 |
0 |
—1 — (1) = —2 |
|
|
Итак, в обоих случаях общее изменение щелочности составляет |
||||||||
—2 экв/моль окисленного азота. |
|
|
|
|
|
|||
Пример 3.6. Обычные |
коммунальные |
стоки |
содержат |
около |
||||
50 г Мобщ/м3. Часть |
азота аккумулируется в |
иле, |
остальной |
азот |
||||
(около 30 г N/м 3) может быть нитрифицирован. |
|
|
||||||
Расход щелочности при этом составляет |
|
|
|
|||||
(30 г N / M 3)/(1 4 |
г N / м о л ь N) •2 экв/моль N = 4 ,2 9 |
экв/м3 |
|
Если щелочность воды ниже ~ 5 экв/м3 (а такая щелочность стоков встречается часто, см. гл. 1), то ее необходимо повышать, например, добавлением извести или посредством денитрификации (см. разд. 3.5).