- •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
разделе об осаждении ионами железа и алюминия. На практике конечными продуктами осаждения фосфата кальцием всегда явля ются смешанные комплексы.
До стадии образования апатита происходит образование других в большей или меньшей степени аморфных и в большей или меньшей степени растворимых веществ: СаНРС>4, Са4Н(Р0 4 )з и
Са3(Р 0 4)2.
Относительно высокое содержание в сточной воде магния, поли фосфатов и гидрокарбоната НСО3 препятствует перекристаллиза
ции, приводящей к образованию апатита, поэтому растворимость фосфатов определяется наличием одной из трех перечисленных форм фосфата кальция [3].
10.2.2. Коагуляция
Наши знания о коагуляции на сегодняшний день очень ограничены по сравнению с тем, что мы знаем о следующей стадии — флокуля ции. Объясняется это сложностью первого процесса.
При коагуляции коллоидные частицы образуют агрегаты боль шего размера. Частицы можно сравнивать между собой по диамет
ру dP. |
|
Осаждаемые флокулы: |
dp > 100 мкм |
Первичные частицы: |
1мкм < dp < 100 мкм |
Коллоидные частицы: |
10” 3 мкм < dp < 1 мкм |
Растворенные вещества: |
dp < 10” 3 мкм |
Коллоидные частицы довольно стабильны. Одна из причин этого состоит в следующем: благодаря малому размеру таких частиц броуновское движение молекул воды оказывает на них более сильное воздействие, чем силы гравитации. Кроме того, элек тростатические силы отталкивания, обусловленные поверхностным зарядом коллоидных частиц, предотвращают их коагуляцию и последующее осаждение.
Агрегация частиц в процессе коагуляции является результатом дестабилизации коллоидной системы, обычно вызываемой добавле нием химических веществ. Дестабилизация может осуществляться в соответствии с несколькими механизмами, зависящими от хи мического состава коллоидов и химических коагулянтов. Однако понимание механизма дестабилизации, по существу, является на сегодняшний день неполным.
«Связанная» вода
Свободная вода
Рис. 10.5. Схематическое представление коллоидной гидрофильной белковой частицы, окруженной «связанной» водой [4].
Далее мы обсудим три понятия, которые важны для описания процесса коагуляции не только в связи с осаждением фосфатов из сточных вод, но и для общего понимания сути коагуляции. Эти три понятия следующие:
-гидрофильность/ гидрофобность
-дзета-потенциал,
-изоэлектрическая точка (изоионное значение pH)
Гидрофильностпь/гидрофобностпь
В сточной воде содержатся гидрофильные частицы — коллоид ные частицы, проявляющие сильную тенденцию к связыванию или абсорбированию воды, и гидрофобные частицы —■коллоидные частицы, отталкивающие воду. Весьма приближенно это можно представить так: органические коллоидные частицы являются гидрофильными, а неорганические — гидрофобными. Причина гид рофильное™ органических частиц состоит в том, что на их поверхности существуют группы, способные связывать или ад сорбировать воду, например аминогруппы (-NH2), гидроксильные
(-ОН) и карбоксильные группы (-СООН), см. рис. 10.5. Связывание или адсорбция воды происходит в результате образования так называемых водородных связей. В итоге гидрофильные частицы оказываются окруженными водной оболочкой, которая перемеща ется вместе с частицей. Эту оболочку называют «связанной» водой. Гидрофобные частицы подобной оболочки не имеют.
Дзета-потенциал
Коллоидные частицы, содержащиеся в сточной воде, в основном заряжены отрицательно. Это можно проверить, поместив частицы в электрическое поле. Зная потенциал поля, скорости движения частиц, вязкость и т. д., можно определить так называемый дзетапотенциал, значение которого мы обсудим ниже.
Первичный заряд частиц обусловлен диссоциацией на их по верхности концевых групп, таких как уже упоминавшиеся гид роксильные, карбоксильные и аминогруппы, и(или) адсорбцией ионов из водной фазы. Заряд гидрофильных коллоидов чаще всего определяется диссоциацией, а заряд гидрофобных частиц — адсорбцией. Под действием первичного заряда частиц к ним притягиваются противоположно заряженные ионы (противоионы), которые накапливаются вокруг поверхности частицы, тем самым частично нейтрализуя первичный заряд и создавая двойной элек трический слой.
Слой ионов, непосредственно прилегающий к частице, называют фиксированным, а окружающий его слой — диффузным. Концен трация противоионов в диффузном слое постепенно понижается от центра к периферии и в конце концов становится равной концентрации в толще воды. Схематически эти слои изображены на рис. 10.6 .
На рис. 10.7 показано изменение потенциала частицы. Граница скольжения обозначает межфазное пространство между частью жидкости, движущейся вместе с частицей, и остальной жид костью. Потенциал, возникающий на этой границе, называют дзета-потенциалом. И, как было сказано ранее, именно его мы и измеряем, когда исследуем движение частиц в электрическом поле.
В гидрофобных коллоидных частицах граница скольжения близка к поверхности раздела фиксированного и диффузного слоев.
Граница скольжения гидрофильных коллоидов совпадает с внешней границей слоя «связанной» воды.
Причина, по которой дзета-потенциал является важным пара метром при коагуляции, заключается в том, что он дает пред ставление о величинах электростатических сил отталкивания, а следовательно, и об устойчивости коллоидных систем.
Однако рассчитывать на то, что условия коагуляции можно понять, основываясь лишь на данном параметре, не приходится. Условия коагуляции гораздо более сложны. В гидрофильных коллоидных системах слой «связанной» воды также оказывает
О -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 -45 -50
Дзета-потенциал, мВ
Рис. 10.8. Пример распределения дзета-потенциала (а следовательно, и распределения заряда) среди частиц в сточной воде [5].
важное влияние на их стабильность. На практике наблюдается распределение значений дзета-потенциала, зависящих от состава и структуры коллоидных частиц, см. рис. 10.8 .
Изоэлектрическая точка
Поверхностный заряд частицы органического или неорганического вещества можно изменить, добавляя кислоту или основание в за висимости от кислотно-основных свойств поверхностных групп. На рис. 10.9 показано, как частица органического вещества с поверх ностными аминогруппами и карбоксильными группами меняет свой заряд при изменении pH. Значение pH, при котором суммарный заряд частицы равен нулю, называют изоэлектрической точкой (или изоионным значением pH). Величина его зависит от силы кислоты и основания, свойства которых проявляют соответственно карбоксильные и аминогруппы. Обычно изоэлектрические точки для органических частиц в сточной воде находятся в диапазоне pH от 3 до 5, т. е. при нейтральном значении pH эти частицы заряжены
отрицательно.
На значение изоэлектрической точки до некоторой степени можно влиять добавлением катионов. Например, в зависимости от состава коллоидных частиц кальций способен более или менее специфично связывать их карбоксильные группы. В результате отрицательный заряд частиц может изменяться на положительный (рис. 10.10).
Расстояние между частицами
Рис. 10.12. Взаимодействие между частицами как функция расстояния между ними [4]. Если расстояние между частицами меньше, чем а, при тяжение преобладает и возможно образование первичных частиц.
тростатическое отталкивание превалирует над ван-дер-ваальсовым притяжением. Баланс этих двух сил показан на рис. 10.12.
С уменьшением поверхностного заряда частиц электрическое поле ослабевает и частицы могут сближаться до такой степени, что ван-дер-ваальсовы силы начинают доминировать и происходит образование первичных частиц.
Дестабилизация коллоидных систем
Дестабилизация коллоидных систем происходит в соответствии с одним из следующих механизмов:
а.Возникновение мостиков между коллоидными частицами в результате образования органических или неорганических по лимеров.
б. Захват коллоидных частиц.
в.Уменьшение толщины двойного электрического слоя, приводя щее к ослаблению отталкивания.
Механизм а. Поскольку коллоидные частицы обычно имеют отрицательный заряд, можно было бы ожидать, что способны об разовывать мостики лишь положительно заряженные (катионные)