- •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
-► 1 Медленно разлагаемый материал |
|
[-► ]Медленно разлагаемый материал | |
||||||
|
|
|
Гидролиз |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
Гидролиз |
|
||
|
|
|
♦ |
|
. |
♦ |
|
|
|
Легко разлагаемый материал |
|
| |
Легко разлагаемый материал |
| |
|||
|
|
Биологический рост |
|
|
Гидролиз |
|
||
|
|
|
♦ |
|
,_____________ £ _____________, |
|||
--------------- |
|
|
Биомасса---------------- |
1 |
Очень легко разлагаемый материал| |
|||
, |
|
|
Распад |
|
|
Рост |
|
|
|
|
|
,_______ J L _______ _ |
|||||
, |
- |
* |
____________ |
|_ |
||||
|
Биомасса |
|
||||||
|
Инертный1материал |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
1 ------------------ |
1------------------ |
|
|
|
|
|
|
|
* Ра^пад |
|
||
|
|
|
|
|
| |
Инертный материал |
| |
Рис. 3.3. Биологические превращения для двухсубстратной модели. Эта схема может использоваться для описания обычного реактора с активным илом, реакторов нитрификации и денитрификации, а также анаэробных реакторов. Трехсубстратная модель применима, в частности, для описания процесса биологического удаления фосфора.
Сюда следовало бы добавить еще адсорбцию, которая, хотя и не является превращением в полном смысле слова, но также может влиять на процессы очистки воды.
На рис. 3.3 представлены две модели, описывающие указанные превращения. В реальном реакторе все намного сложнее, чем это показано на рисунке, который подчеркивает только те моменты, которые наиболее важны для описания большинства процессов.
Наиболее существенной проблемой в биологическом превраще нии является то, что только определенная часть веществ, которые должны подвергнуться обработке, с самого начала доступна для микроорганизмов.
Ниже мы рассмотрим подробнее все три процесса — рост, гид ролиз и распад, а далее (гл. 4-9) используем их для описания закономерностей биологической очистки воды.
3.2.1. Биологический рост
Принято считать, что в процессе очистки воды для роста бактерии используют только очень небольшие и относительно простые орга
нические соединения, например уксусную кислоту, этанол, метанол, пропионовую кислоту, глюкозу, аммоний, нитрит и т. д.
Этот процесс можно описать следующим уравнением:
Гу,ХВ = A*MaKcf(S)XB, |
(3.1) |
где гу,хв “ объемная скорость биологического роста, размерность М*м” 3Т _1 (например, кг Х П К (Б )/(м 3 -сут)), /хмаКс —.максимальная удельная скорость роста, размерность Т " 1 (например, ч” 1 или сут-1 ), f(S) — описывает кинетику роста (нулевой порядок, первый порядок или уравнение Моно), Х в — концентрация биомассы, раз мерность Мх •м "3 (например, кг Х П К (Б )/м 3 или кг В В (Б )/м 3).
Расход субстрата, необходимый для биологического роста, мож но рассчитать из уравнения
TV.S = (ГУ,ХВ ) / Y макс>
где Y MaKc — максимальный коэффициент прироста ила, раз
мерность Мхв M g1 (например, кг Х П К (Б )/кг XIIK(S) или кг БВБ(Б)/кг ХПК(Э)).
Наиболее часто для описания расхода субстрата на рост био массы используется уравнение Моно, которое выглядит следующим образом:
Ммакс |
S |
(3.2) |
rv.s |
•Хв |
|
Y MaKc |
S + Ks |
|
Следует отметить, что это выражение применимо только в том случае, если единственным фактором, лимитирующим рост, является концентрация субстрата. Напротив, /хмакс можно рас сматривать как максимальную удельную скорость роста при данных определенных условиях (температура, pH, концентрации кислорода, питательных и токсичных компонентов). Изменения в окружающей среде можно учесть, как это показано в разделе об аэробной конверсии.
Биомасса Хв является единственной органической фракцией в иле1. Рис. 3.4 демонстрирует влияние нагрузки на ил (см. гл. 4) на распределение его фракций.
1 Это несколько упрощенное представление: в иле может содержаться также нерастворимый органический субстрат и инертные органические вещества, мертвая биомасса и т. д. — Прим. ред.
х~
Xсо
X со
*8
Хв
Нагрузка |
|
|
на ил: |
Высокая |
Низкая |
Рис. 3.4. Распределение биомассы в зависимости от нагрузки на ил.
3.2.2. Гидролиз
Врезультате гидролиза большие молекулы превращаются в ма ленькие, легко разлагаемые. В данной ситуации это может быть разложение как частиц, так и растворенных веществ. Процес сы гидролиза обычно являются медленными по сравнению с процессами роста. Следовательно, если исходить из скоростей реакций, гидролиз часто может выступать лимитирующей стадией биологической очистки воды.
О процессах гидролиза известно не так много1 [9], для их описания часто используется математический аппарат реакций пер вого порядка по отношению к гидролизуемому веществу, например взвешенному веществу Xs:
rv.xs = khXs |
(3.3а) |
Аналогичное выражение для гидролиза растворенного органи ческого вещества выглядит как
rv,s = khSs |
(3.36) |
Заметим, что константы гидролиза кь в уравнениях (3.3а) и (3.36) не являются идентичными.
В некоторых моделях применяются более сложные гиперболи ческие зависимости, где данная биомасса Хв имеет максимальную гидролизующую активность:
rv,xs = khx[Xs/X B/(K x + X s /X B)]XB |
(3.4) |
1 Это точка зрения инженеров, к которым относятся и авторы книги. На самом деле ферментативный гидролиз органических полимеров является весьма продвинутой областью энзимологии. — Прим. ред.
Таблица 3.2. Константы гидролиза органических веществ в присут ствии различных акцепторов электронов [9. 11]
Акцептор
электронов
Кислород
Нитрат
Без кислорода
Константа гидролиза для растворенных веществ, сут-1 |
Константа гидролиза для взвешенных веществ, сут-1 |
Константа гидролиза, кг ХПК(Х)/ (кг ХПК(Б) •сут) |
Константа насыщения, кг ХПК(Х)/ (кг ХПК(Б)) |
3-20 |
0,6-1,4 |
0,6-1,4 |
0,02-0,05 |
1-15 |
0,15-0,4 |
0,15-0,4 |
0,02-0,05 |
и без нитрата |
2-20 |
0,3-0,7 |
0,3-0,7 |
0,02-0,05 |
где кьх — константа гидролиза, |
Mxs |
Кх — константа |
насыщения, Mxs MXg
Если отношение между гидролизуемым веществом Xs и био массой Хв составляет Кх, скорость гидролиза равна половине максимальной скорости.
Для растворенного субстрата
rv,s = ry.xs^x.s,
где * x s — это стехиометрический коэффициент перехода взвешен ного вещества X в растворенное вещество S. Если концентрации обоих веществ выражены в одних единицах, то u = 1, например 1кг ХП К(Б)/кг ХПК(Б).
Значения констант гидролиза для гетеротрофных бактерий при различных условиях представлены в табл. 3.2.
3.2.3. Распад биомассы
Микроорганизмы подвергаются различным воздействиям, которые могут приводить к сокращению их массы и численности. Этот процесс называют распадом, лизисом, эндогенным дыханием и поддержанием. Часто термин распад используют для общего описания явления, которое включает в себя также поедание (хищничество) микроорганизмов высшими организмами [40]. Если рассматривается биологическая очистка воды, то распад — это деградация биомассы, связанная с окислением части органиче