- •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
В упрощенном виде конверсию глюкозы в метан можно представить следующим образом:
С б Н 120 б З С Н 4 + З С 0 2 (3.44)
Соотношение образующихся продуктов (метана и диоксида углеро да) равно 1:1. При разложении других органических веществ это соотношение может меняться. Если степень окисления углерода в исходном соединении выше, чем в глюкозе, образуется больше уг лекислого газа, если же степень окисления углерода отрицательна, образуется больше метана.
На практике нужно учитывать, что часть диоксида углерода растворяется в жидкой фазе, т. е. относительное содержание метана в газовой фазе выше, чем рассчитанное из уравнения реакции.
3.7.2. Рост биомассы и коэффициенты ее прироста при анаэробном брожении
Коэффициенты прироста биомассы различны для различных бак терий, участвующих в процессе. На кислотогенной стадии они обычно невысоки и еще ниже на метаногенной стадии.
Для кислотогенной стадии максимальный коэффициент приро ста биомассы Y MaKc,s составляет 0,2-0,3 кг Х П К (Б )/кг X nK (S), что соответствует 0,15-0,20 кг БВБ/кг ХПК(Б).
Если принять наблюдаемый коэффициент прироста биомассы равным 0,2 кг Х П К (Б )/кг X nK (S), а состав биомассы описать фор мулой C 5H 7N O 2, то можно записать уравнение реакции конверсии
глюкозы в уксусную кислоту.
С6н1206 + 0 .2NHJ ->
0,2C5H7NO2 + 2,5СН3СОСГ + 0,6Н2О + 2,7Н+
Коэффициент прироста биомассы можно выразить в единицах моль биомассы/моль глюкозы, как это показано в примере 3.2, т. е. У „абл = 0,24 моль биомассы/моль глюкозы. Тогда уравнение реакции примет следующий вид:
С6н1206 + 0,24NH|
-> 0,24C5H7NO2 + 2,40СН3СОО“ + 0,72Н2О + 2,64Н+ (3.45)
Продукты кислотогенной стадии могут быть использованы в процессах удаления азота и фосфора, если остановить процесс до образования метала. Эта смесь очень активно участвует в реакциях биологического разложения; состоит она в основном из
уксусной и пропионовой кислот, на долю которых приходится 60-80% растворенного ХПК после кислотогенной стадии.
Выход растворенного ХПК на стадии гидролиза по отношению к общему ХПК зависит от температуры, времени и природы органического субстрата. Максимальный выход может достигать 10-20% для первичного ила и только 2-6% для активного ила.
Для метаногенной стадии максимальный коэффициент при
роста биомассы |
У макС)м = |
0,04-0,05 кг ХП К (Б )/кг ХПК(Э), что |
|||
соответствует 0,03—0,04 кг БВБ/кг X nK (S). |
|
||||
Если |
принять |
значение наблюдаемого |
коэффициен |
||
та прироста |
биомассы |
равным 0,03 кг Х П К (Б )/кг X nK (S), |
(0,03 кг Х П К (Б )/кг ХПК(Б) может дать 0,012 моль биомассы/моль уксусной кислоты, см. пример 3.2), то уравнение реакции примет следующий вид:
С Н з С О О Н + 0 ,0 1 2 N H + + 0 ,0 1 2 О Н " - >
-> 0,012C5H7N 0 2 + 0,97СН4 + 0,97СО2 + 0,048Н20 (3.46)
Общий максимальный коэффициент прироста биомассы для анаэ робного процесса в целом равен 0,25-0,35 кг Х П К (Б )/кг ХПК(Б). Заметьте, что в единицах ХПК общий коэффициент прироста биомассы можно получить простым сложением коэффициентов отдельных стадий.
Наблюдаемый на практике общий коэффициент прироста био массы ниже из-за малых нагрузок, при которых анаэробные реакторы обычно функционируют. Часто он составляет 0,05 - ОД кг ХПК (Б )/кг Х П В Д .
3.7.3. Макроэлементы, необходимые для анаэробного брожения
Содержание азота, фосфора и серы в клетках анаэробных бак терий представлено в табл. 3.15. Наиболее существенное отличие аэробных бактерий от анаэробных заключается в более высоком содержании серы в последних.
Зная коэффициент прироста биомассы, можно рассчитать по требность в том или ином веществе.
Пример 3.12. Рассчитайте значения отношений XnK(S)/N, ХПК(Б)/Р
иXnK(S)/S, необходимые для анаэробной очистки сточной во ды. Общий наблюдаемый коэффициент прироста биомассы равен 0,23 кг ХПК(Б)/кг ХПК(Б), а содержание N, Р и S составляет 7, 1,4
и1,4% ХПК соответственно.
Таблица 3.15. Типичные концентрации макроэле ментов в анаэробных бактериях
Макроэлемент |
|
Концентрация |
|
|
г/кг БВБ |
г/кг ХПК(Б) |
г/кг ООУ |
||
|
||||
Азот |
80-120 |
55-85 |
150-250 |
|
Фосфор |
10-25 |
7-18 |
25-55 |
|
Сера |
10-25 |
7-18 |
25-55 |
|
Железо |
5-15 |
4-11 |
12-30 |
При конверсии 1 кг ХПК образуется 0,23 кг ХПК(Б), а содержа ние азота, фосфора и серы составит:
N = 0,07 •0,23 = 0,016 кг N; |
Р = 0,014 •0,23 = 0,003 кг Р; |
S = 0,014 •0,23 = 0,003 кг S. |
|
Таким образом, |
|
XnK(S)/N = 1,0/0,016 = 63/1; |
XnK (S)/P = 1,0/0,003 = 333/1; |
XnK(S)/S = 1,0/0,003 = 333/1.
Если на практике все три соотношения окажутся ниже, то ограниче ния скорости процесса концентрацией макроэлементов наблюдаться не будет.
3.7.4. Щ елочность при анаэробном брожении
Анаэробные процессы влияют на щелочность среды. На кислотоген ной стадии она понижается, а на метаногенной повышается. Сум марный эффект — слабое понижение щелочности. В примере 3.13 показан расчет изменения щелочности отдельно на кислотогенной стадии.
Пример 3.13. Рассчитайте изменение щелочности при превращении глюкозы в уксусную кислоту (НАс) в соответствии с выражением (3.45).
Выделение 2,64 моль Н+ на 1 моль расщепленной глюкозы при ведет к понижению щелочности на 2,64 экв. Образующийся ацетат повышает щелочность, так как рКа уксусной кислоты 4,75, т. е. почти половина ацетата Ас“ при титровании до pH 4,5 переходит в кислоту НАс. В работе [8] показано, что
pH = рКа + log [Ас ] [НАс]
Подставляя значения рКа = 4,75 и pH = 4,5, получаем
l°g |
= -0,25, |
или |
= 0,56, или [Ас- ] = 0,56[НАс] |
|
Принимая, что [НАс] + [Ас- ] = |
1, находим: |
|||
[НАс] + 0,56[НАс] = |
1, следовательно, [НАс] = 0,64 и [Ас"] = 0,36 |
|||
Это означает, что при pH = 4,5 |
|
|||
[Ас"] = 0,36 •([Ас"] + [НАс]) |
и |
[НАс] = 0,64 •([Ас"] + [НАс]) |
||
Таким |
образом, вклад Ас" |
в щелочность составляет 0,64 2,40 = |
1,5 экв/моль глюкозы, а суммарное изменение щелочности равно:
1,5 —2,64 = —1,14 экв/моль глюкозы.
3.7.5.Кинетика анаэробного брожения
Гидролиз в анаэробных процессах
Гидролиз можно описать с помощью тех же выражений, кото рые использовались при рассмотрении процессов, происходящих в аэробных и аноксических условиях. В упрощенном виде они выглядят следующим образом:
rv,xs = кн •Xs rv,ss = кь •Ss
(3.3a)
(3.36)
или с учетом насыщения |
|
|
X s /X B,s |
v |
(3.4) |
rv.xs = k„ x - K x + ( X s / X B s ) - X B.s |
Константы гидролиза в анаэробных условиях ниже, чем в аэроб ных.
Пример 3.14. Скорость гидролиза rv.xs в анаэробных условиях 0,38 кг ХПК(Х)/(м3 •сут). Кроме того, известно, что
Xs = 0,5 кг ХПК/м3, X B,s = 1 кг ХПК/м3,
khX = 0,4 кг ХПК(Х)/(кг ХПК(Б) •сут)
Найдите константу насыщения Кх. Из выражения (3.4) находим:
0,38 кг ХПК(Х)/(м3 •сут) =
= 0,4 сут"1(0,5/1,0)/(Кх + 0,5/1,0)1,0 кг ХПК/м3
0,38 = 0,2/(Кх + 0,5)
Кх = 0,026 кг ХПК(Х)/кг ХПК(Б).