- •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
ского вещества биомассы1. Это может быть окисление отдельных внутриклеточных структур или разложение целых клеток. Распад является важным элементом в описании процессов конверсии на очистных станциях. Тот факт, что микроорганизмы умирают, не влияет на количество веществ в системе, но означает возрастание в ней концентрации медленно разлагаемого вещества. Это вещество будет гидролизовано и впоследствии будет способствовать новому росту и потреблению кислорода или нитрата (см. рис 3.3).
Обычно процесс распада описывают уравнением первого поряд ка по биомассе Хв*.
rv,xs = ЬХв |
(3.5) |
где Ь — это константа распада (размерность Т ” 1, например сут-1 ). При распаде образуется некоторое количество биологически неразлагаемого (или очень медленно разлагаемого) вещества, т. е. при любых скоростях процесса в биореакторе всегда содержатся
неразлагаемые (инертные) вещества.
3.2.4. Накопление запасных веществ
При определенных обстоятельствах микроорганизмы способны запасать органические и неорганические вещества в клетках (табл. 3.2а). Запасные вещества хранятся в полимерной форме внутри клетки. Микроорганизмы также способны превращать органиче ский субстрат во внеклеточные полимерные вещества (ВПВ). Явля ются ли такие вещества запасными для микроорганизмов — это вопрос спорный, так как микроорганизмы обычно их в дальнейшем не используют. В процессе биологической очистки воды обнаружено три типа запасных веществ.
Полимерные насыщенные оксикислоты (ПНО) — это липиды, включающие в себя разнообразные жирные кислоты. Такие поли меры состоят в основном из полиоксибутирата (ПОБ) и полиоксивалерата (ПОВ) (см. табл. 3.2а). Они синтезируются из жирных кислот, присутствующих в стоке или образующихся в процессе ферментации. Определить указанные вещества в биомассе можно аналитическими методами. Метаболизм фосфат-аккумулирующих организмов (ФАО) также связан с накоплением гликогена. Для рас четов можно принять, что ПОБ имеет общую формулу (С4Нб02)п-
1В анаэробных процессах может происходить, например, химическое дис пропорционирование, в результате которого одна часть углерода биомассы окисляется, а другая восстанавливается. — Прим. ред.
Таблица 3.2а. Запасные вещества, обнаруженные в биомассе в процессе биологической очистки воды
Запасное вещество |
Аббревиатура |
Внеклеточные |
ВПВ |
полимерные |
|
вещества |
|
Поли-/?-оксибутират |
ПОБ |
Поли-/?-оксивалерат |
ПОВ |
Полимерные |
ПНО |
насыщенные |
|
оксикислоты |
|
Гликоген |
Гл |
Полифосфаты |
ПФ |
Какие микроорганизмы используют
Гетеротрофные аэробные микро организмы при углеводной нагрузке
Гетеротрофные микроорганизмы при высокой нагрузке по ацета ту, ФАО, некоторые нитчатые микроорганизмы
Гетеротрофные микроорганиз мы при нагрузке по ацетату и пропионату, ФАО, некоторые нитчатые организмы
Как в случае ПОБ
Гетеротрофные микроорганизмы при нагрузке по глюкозе, ФАО, ГАО
ФАО
Запасные полимерные вещества метаболизируются очень быст ро, часто за 4 -6 ч при 20 °С.
Гликоген (Гл) — полимерный углеводород, накапливается в ге теротрофных организмах при обработке промышленных стоков, богатых углеводородами [43], или в ФАО вместе с ПНО. Накопление и расходование гликогена и ПНО в ФАО происходит в противофазе: пока одно вещество создается, другое расходуется (см. рис. 3.15). Накопление гликогена имеет для биомассы в реакторе долгосроч ный эффект, так как может обеспечить запас энергии на 1-2 дня.
Полифосфаты обнаружены в ФАО, где они используются как энергетический запас только в анаэробных условиях в присутствии ацетата и при возможности накопления ПОБ. В аэробных условиях полифосфаты могут сохраняться в течение многих дней, и разла гаются они только при распаде клеток [40].
При аэробной обработке сточной воды процесс накопления запасных веществ можно изобразить следующей схемой, представ ленной на рис. 3.4а.
детальное описание процесса биологической конверсии сточных вод можно найти, например, в работе [36].
Органическое вещество в сточной воде имеет приблизительно следующий химический состав: CieHigOgN [7]. Если это веще ство окисляется под действием микроорганизмов до диоксида углерода, суммарную реакцию можно представить следующими уравнениями:
CI 8HI 90 9N + 17,502 + Н+ -> 18С 02 + 8Н20 + NH+ |
(3.6) |
(без нитрификации)
CisHigOgN + 19,502 -> 18С 02 + 9Н20 + N 0 ^ |
(3.7) |
(с нитрификацией)
Потребление кислорода микробами, согласно уравнениям (3.6) и (3.7), составляет 1,42 и 1,59 кг 0 2/к г органического вещества соответственно. Значение ХПК в обоих случаях равно 1,42 кг 0 2/к г органического вещества, так как аммоний при определении ХПК не окисляется.
Количество энергии, выделяющееся в ходе реакции окисления органического вещества, можно найти из уравнений двух следую щих полуреакций [8]:
1 |
28 |
17 |
1 |
1 |
- C |
18H190 9N + ^ Н 20 |
-> - С |
0 2 + т^НСОз + |
- N H + + Н+ + е " |
|
A G °(W ) = |
—32 кДж/эл. экв |
(3.8) |
|
|
^Н 20 -> j 0 2 + Н+ + е“ |
A G °(W ) = 78 кДж/эл. экв (3.9) |
При объединении уравнений (3.8) и (3.9) получаем общий энергетический выход реакции аэробного окисления органического вещества:
i c 18H1909N + \02-> ^С02+ ^НС03- + ^NH+ + ^Н20
A G °(W ) = —110 кДж/эл. экв |
(3.10) |
Органическое вещество, содержащееся в обычных городских сто ках, можно разделить на углеводы, жиры и белки. По массе эти вещества представлены примерно в равной пропорции. В табл. 3.3 приведены формулы веществ, потребление кислорода и процентное содержание углерода и азота в веществах этих трех групп. Из таблицы видно, что потребление кислорода для указанных групп субстратов сильно различается.