- •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
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
Процесс
Аэробный рост нит рифицирующих бактерий
Распад нитрифи цирующих бактерий
Гидролиз органиче ского вещества
S N H 4 |
% о 3 |
1 |
1 |
V1 макс,А |
V1 макс,А |
- f X B . N |
|
1
Размерность |
кг N /M3 |
Аммоний Нитрат
|
Компонент |
|
So2 |
|
Х В ,А |
4,57-YMaxc-A |
1 |
|
v — |
|
|
1макс,А |
|
|
|
|
- 1 |
кгХПК/м3
X S,N
fx B .N
- f x B . N
- 1
кг N/м 3
Бщел
1
*^макс,А
fXB.N
14
экв/м3
Скорость
реакции rVl...
SNH4
М макс,АаМН4+К з ;ц н 4,А
So, |
v |
KK,O2,A+SO2 |
B ,A |
Ьа х в,а
k h ,A - X ND
Нитрифи Взвешенный Кислород цирующая органический Щелочность
биомасса азот
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
значение концентрации аммония SNH4,2 в аэротенке: |
|
|||
/4макс,А |
SNH4,2 |
|
S Q 2,: |
1 |
|
|
- Ьд |
0X,A |
|
SNH4,2 + KS,NH4iA KS,02,A + So2t2 |
||||
0,24 |
SNH4i2 |
1,6 |
1 |
(6.4) |
SNH4i2 + 0,5 0,8 + |
— o,02 = — |
|||
|
1,6 |
|
||
следовательно, |
SNH4i2 ~ |
0,3 г NH^—N /M3 |
|
|
|
|
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)):
QI CN ,I - T A ,N H 4 * А-2 = Q3CN ,3 |
( 6 .5 ) |
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
NH^ и О2 в двух случаях (см. выражение |
(5.32)): |
|
||||||
SNH4 |
> |
DO2 . |
_ |
2,1 |
1(Г4 |
1 |
__ 0 ,3 T N H + - N / M3 |
|
So2 |
< |
DNH4 I'° 2,NH< “ |
1,7 |
lO "1 |
' 4,25 |
“ |
г Оз/м* |
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.
|
Ar |
А4. |
|
^о2.2 |
30г4 |
Q, |
, SNH4.2 |
SNH4.4 J |
SNH4II |
j SNH43 1C |
SNH4,5 |
Характеристики стоков:
Qi = 500 м3/сут
SNH4,I = ЮО г N H ^ -N /M3
Концентрация кислорода в двух секциях фильтра:
SO2,2 |
= |
5 г 0 2/м 3 |
и |
So2t4 |
= |
7 г 0 2/ м3 |
|
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
|
2,4 •4/32 = 0,30 экв/м3 |
Следовательно, |
можно удалить только 2,0 — 0,3 = 1,7 экв/м3, |
что соответствует |
12 г NH^-N/M3. В противном случае требуется |
добавление извести. |
|