авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Войти на сайт

Основные биологические

процессы

Здесь мы обсудим наиболее важные биологические процессы,

которыми пользуются при биологической очистке сточной воды.

Сложность биологических процессов такова, что «научные

объяснения» могут показаться неудовлетворительными. Для того

чтобы посмотреть на процессы с инженерной точки зрения, весь

излагаемый мате­риал несколько упрощен, но принципиальные

моменты изложены достаточно детально. Мы рассмотрим только процессы конверсии и, чтобы, как было указано выше, упростить изложение, все скорости процессов будут считаться положительными. В последу­ющих главах при привлечении уравнений массового баланса всем выражениям будет задано направление (математически: приписан знак плюс или минус).

3.1. Биология в биологической очистке сточных вод В осуществлении биологической очистки сточных вод участвуют самые разнообразные группы организмов. Можно составить только очень приблизительный список отдельных видов, входящих в био­ логический консорциум, развивающийся в очистном сооружении, так как его состав очень сильно зависит от внешних условий. Мы поговорим об этом при обсуждении методов селекции.

3.1.1. Организмы Все организмы, обитающие в очистном сооружении, попадают в него из какого-либо внешнего источника: вместе со сточной водой, из воздуха и почвы вместе с рядом добавок, или же заносятся муха­ ми, крысами, чайками и т. д. Существенная часть таких организмов Войти на сайт www.rosecology.ru Войти на сайт www.rosecology.ru может размножаться непосредственно в очистном сооружении, и это указывает на значимость процессов селекции микроорганизмов, которые описаны в следующем разделе.

При рассмотрении биологических способов очистки воды нельзя не упомянуть о важном гигиеническом аспекте этой проблемы - о наличии патогенных организмов. В этой книге мы не будем больше об этом говорить, но важно помнить, что большое количество патогенных организмов всегда присутствует на любой стадии биологической очистки, за исключением тех стадий, на которых применяется мощная дезинфицирующая обработка. Распространи­ телями опасных патогенных организмов могут быть животные, обитающие вблизи очистных станций. Так что опасность заражения существует даже в отсутствие непосредственного контакта со сточной водой.

Организмы, обитающие в очистных сооружениях, можно разде лить на следующие группы [1]:

бактерии, грибы, водоросли, простейшие, многоклеточные.

В двух основных типах реакторов (сооружений) биологической очистки сточных вод - биофильтрах и установках с активным илом1 - создаются разные условия для жизнедеятельности, и это сказывается на составе обитающих в них организмов. Наибольшее число видов организмов обнаружено в биофильтрах. Из-за разли­ чий в конструкции и операционных характеристиках биофильтры отличаются сильно изменяющимися условиями среды, и хорошо приспосабливаться к обитанию в них могут самые различные организмы. В установках с активным илом их меньше и они не так разнообразны по видовому составу.

Бактерии. Многочисленны в реакторах обоих типов, но в реакто­ рах с активным илом их относительно больше. Основная задача 1 Это упрощенное разделение, которое, в целом, справедливо для реакторов, используемых для аэробной биологической обработки стоков. Классификация же анаэробных реакторов несколько другая. Дополнительную информацию см. Калю:нснъtй С. В., Даниловu'{ Д. А., Но:нсевникова А. Н., Анаэробная биологическая очистка сточных вод. - М.: ВИНИТИ, Итоги науки и техники, сер. Биотехнология, 29, 1991. -187 с. - Пр им. ред.

Войти на сайт www.rosecology.ru Войти на сайт www.rosecology.ru бактерий - первичная трансформация и разложение растворен­ ных органических веществ. Они также участвуют в разложении взвешенных органических веществ посредством синтеза внекле­ точных ферментов. Обычное содержание бактерий в активном иле составляет 1010-1012 на литр [3].

Грибы. Конкурируют с бактериями за источники питания и, поскольку преимущество обычно бывает на стороне бактерий, в реакторах грибы не так многочисленны, как бактерии. Однако именно их развитию способствуют низкие значения рН в реакторе. Грибы лучше представлены в биофильтрах, чем в активном иле.

Водоросли. Обнаруживаются на поверхности биофильтров, где условия благоприятны для их развития (свет и питание), а также в биопрудах, используемых на конечных стадиях очистки стока.

Простейшие. Обычные обитатели биофильтров. В сооружениях с активным илом их численность зависит от нагрузки на это сооружение: чем ниже нагрузка, тем больше простейших.

Простейшие паразитируют на бактериях, поедают грибы и водоросли, взвешенные органические вещества и выполняют важную функцию во вторичном осаждении сточных вод.

Многоклеточные. Ареал распространения тот же, что и у про­ стейших, т. е. они предпочитают биофильтры и активный ил при низкой нагрузке. В реакторах можно обнаружить коловраток, ракообразных, различного вида насекомых и т. д.

В табл. 3.1 перечислены организмы, часто встречающиеся в реакторах, предназначенных для биологической обработки стоков.

Опыт работы на очистных сооружениях показывает, что непо­ средственный контакт с водой опасен, поскольку бактерии, ви­ русы и особенно патогенные микроорганизмы могут проникать в организм человека через кожу, при употреблении такой воды в качестве питьевой или вдыхании ее паров [37]. Однако причиной инфекционных болезней, передаваемых воздушно-капельным пу­ тем, очистные станции становятся редко. Раньше на церемонии открытия новых станций очистки было принято, чтобы мэр пил воду, прошедшую очистку. Теперь этого уже не делают, так как даже на выходе из очистной станции вода может содержать патогенные микроорганизмы.

Войти на сайт www.rosecology.ru Организмы, участвующие в процессе биологической 3.1.

Таблица очистки воды Бактерии, часто встречающиеся как в биофильтрах, Achromobacter так и в реакторах с активным илом Один из родов бактерий, ответственных за биологиче­ Acinetobacter ское удаление фосфора [16] Бактерии, часто встречающиеся как в биофильтрах, так и Alcaligenes в реакторах с активным илом, а также в метантенках Красные черви Очень подвижные личинки красного цвета, длиной 1 2 см. Встречаются в реакторах с активным илом и в биофильтрах, а также в очень загрязненных стоках [4] Мотыль (личинки комаров) Chironomidae Ракообразные, обитающие в реакторах с активным илом при Crustacea очень низкой нагрузке, а также в прудах Дафнии Ракообразные, обитающие в реакторах с активным илом при очень низкой нагрузке, а также в прудах Сульфат-восстанавливающие бактерии, обычно обитают Desulfovibrio в метантенках. Вырабатывают токсичный обладающий неприятным запахом сероводород [2] Фильтровые мошки Двукрылые насекомые, 2-5 мм длиной, могут быть весьма многочисленными в биофильтрах при низкой нагрузке. Они не играют особой роли в работе реактора, но могут создавать довольно неприятный фон Бактерии, часто встречающиеся в реакторах с актив­ Flavobacterium ным илом, биофильтрах, а также в метантенках Гликоген-аккумулирующие организмы, не накапливают фосфат ГАО Род грибов, обитающих в реакторах с активным илом и Geotrichum биофильтрах Бактерии, вызывающие образование пены в реакторах с Gordonia активным илом (ранее назывались Nocardia) Бактерии, часто встречающиеся как в биофильтрах, так и Micrococcus в реакторах с активным илом Бактерии, вызывающие вспухание ила (высокий иловый Microtrix индекс) в реакторах с активным илом. Предпочитают длинноцепочечные жирные кислоты Бактерии, окисляющие нитрит до нитрата. Развиваются в Nitrobacter реакторах с низкой нагрузкой Бактерии, окисляющие аммоний до нитрита. Развивают­ Nitrosomonas ся в реакторах с низкой нагрузкой ФАО Фосфат-аккумулирующие организмы Бактерии, обитающие в реакторах с активным илом, Pseudomonas биофильтрах, в метантенках и в денитрифицирующих реакторах Фильтровые мошки Psychodidae Коловратки, живут в реакторах с активным илом при низкой Rotifera нагрузке. Являются индикатором очень хорошей биологической очистки Нитчатые бактерии, могут препятствовать про­ Sphaerotilus natans цессу осаждения активного ила, вызывая так называемое вспухание ила.

Эти бактерии встречаются также в очень загрязненных стоках [5] Малощетинковые красные черви длиной 3-4 см. Встречаются в ТuЬifex биофильтрах и в очень загрязненных стоках [4] Сувойки, колоколообразные прикрепленные инфузории.

Vorticella Являются индикатором хорошей очистки. Свободно плавающие инфу­ зории поедают свободно плавающих бактерий, очищая тем самым воду.

Если в воде доминируют прикрепленные формы, это означает, что в растворе питания для них (т. е. бактерий) немного и, следовательно, вода чистая (2] Бактерии, обитающие в реакторах с активным Zoogloea ramigera илом и в биофильтрах. Выделяют желатиноподобную слизь, приводящую к флокуляции активного ила Войти на сайт www.rosecology.ru Активный ил, в котором представлены бактерии рода Zoogloea Рис. 3.1.

(большие кластеры) и Gordonia (нити), а также простейшие. (Водные консорциумы, Бильбао.) Рис. 3.1 иллюстрирует биологическое разнообразие организмов в активном иле.

3.1.2. Селекция орrанизмов Селекцией называют механизм, способствующий преимущественно­ му росту определенных видов микроорганизмов и затрудняющий рост других видов. В основе селекции лежит разнообразие видов.

Чтобы происходила селекция, необходимо определенное количество видов различных организмов, и чем их больше, тем больше вероятность того, что вы получите микроорганизмы, способные развиваться в предлагаемых условиях.

Кроме селекции, происходит также и адаптация ряда микроор­ ганизмов.

Биологическая очистка воды в значительной степени основана на селекции микроорганизмов. К счастью, богатое разнообразие видов, содержащихся в стоках, обеспечивает селекцию среди самых разных микроорганизмов. Ввиду большого разнообразия микроорганизмов, поступающих со стоками на очистные станции, Войти на сайт www.rosecology.ru Войти на сайт www.rosecology.ru мы можем не слишком задумываться о том, в какие условия попадают там микроорганизмы, а можем быть уверенными, что биологическая очистка воды будет происходить. Качество очистки, конечно, зависит от созданных условий, но в любом случае произойдет определенная биологическая обработка воды. Вопрос только в том, насколько изобретательны и профессиональны мы в технологической реализации процесса.

Два основных метода биологической очистки довольно сильно различаются по механизму селекции. Наиболее жесткий отбор происходит в активном иле. Вероятно, именно поэтому на первых этапах освоения технологий с активным илом в систему добавляли чистые культуры организмов в надежде на то, что только эти культуры выживут в реакторе. В то время еще не вполне понимали, насколько велико разнообразие микроорганизмов в необработанных стоках.

Селекция на биофилътрах Существуют два основных механизма селекции микроорганизмов на биофильтрах: либо он основан на адгезии, либо определяется скоростью роста (зависит от субстрата, температуры, рН, содержа­ ния кислорода и т. д.) Селекция, определяемая скоростями роста, эффективна не все­ гда, так как и субстрат, и температура среды все время меняются.

Субстраты могут меняться весьма значительно, если городские сто­ ки содержат сточные воды производств, работающих не круглосу­ точно или не полную неделю. Температура меняется в зависимости от времени года. Изменения температуры особенно важны, посколь­ ку приводят к сезонной селекции микроорганизмов в реакторе.

Селекция в реакторах с активным илом Селекцию в реакторах с активным илом можно подразделить на несколько рассмотренных ниже типов.

1. Акцепторы электронов. Поскольку в работе реактора с активным илом принципиальным является то обстоятельство, что через смесь ила и воды продувают воздух, то анаэробные бактерии вряд ли способны выживать в нем длительное время. Анаэробные условия могли бы сохраняться внутри флокул ила, но флоку­ лы часто разрушаются и формируются заново. Факультативные анаэробные организмы, впрочем, способны выживать в таких изменяющихся (но все-таки преимущественно аэробных) условиях.

Войти на сайт www.rosecology.ru Войти на сайт www.rosecology.ru В реакторах денитрификации в определенные периоды акцеп­ тором электронов может служить нитрат. В такой ситуации пре­ имущество получают те бактерии, которые способны использовать в качестве акцепторов электронов как кислород, так и нитрат.

2. Субстрат. Микроорганизмы должны быть способны исполь­ зовать как первичные, так и вторичные субстраты. Например, в процессе биологического удалении фосфора происходит отбор фосфат-аккумулирующих организмов (ФАО), поскольку они спо­ собны использовать относительно небольшие органические молеку­ лы (уксусную кислоту, спирты и т. д.) при анаэробных условиях.

Другие бактерии, обычно содержащиеся в активном иле, такой способностью не обладают [6].

3. Седиментационные и флокуляционные характеристики. Седи­ ментационные (осаждающиеся) формы составляют основную часть активного ила. Если организмы обладают достаточно большими размерами и массой, они осаждаются самопроизвольно и, следова­ тельно, удерживаются в реакторе. Маленькие и легкие организмы должны образовывать агрегаты или флокулы с другими такими же клетками, чтобы вернуться в реактор.

4. Температура. Если температура в реакторе ниже той, при которой организм способен расти, он в конечном итоге погибнет.

5. Скорость роста. Для поддержания постоянных условий в реакторе с активным илом из него выводят избыточный ил. Это один из способов удаления организмов из процесса очистки. Кроме того, происходит поедание ила многоклеточными организмами и вынос их вместе со взвешенными веществами в обработанном стоке. Для того чтобы организмы оставались в реакторе, скорость их воспроизведения должна быть больше скорости их удаления.

Следовательно, скорость роста микроорганизмов очень важна для их выживания в реакторе. Организмы, разлагающие сложные органические вещества, например различные токсичные продукты, часто характеризуются невысокими скоростями роста, так как они «выполняют тяжелую работу», не дающую большого выигры­ ша энергии. То же самое касается нитрифицирующих бактерий, вызывающих конверсию аммония. Для эффективного удаления специфических загрязнений в реакторах с активным илом особое значение имеет та минимальная скорость роста, при которой соответствующие микроорганизмы могут выживать в реакторе.

6. Суспендированные (неприкрепленные) формы. Микроорга­ низмы, растущие только на поверхностях, не могут выживать в реакторах с активным илом при долговременной эксплуатации.

Войти на сайт www.rosecology.ru Войти на сайт www.rosecology.ru Организм в активном иле Погибает от голода._ да... _. Да....

Организм Живет в активного толще ила воды?

Нет Нет Нет Погибает от Вымывается перегрева Вымывается из Погибает из реактора или переох­ реактора лаждения Селекция в реакторе активным илом.

Рис. 3.2. с На рис. 3.2 представлена схема механизмов селекции в системах с активным илом.

В реакторах с активным илом, как и в биофильтрах, механизмы селекции по субстрату и температуре не являются постоянно действующими. Два других механизма (концентрация кислорода и скорость роста) в какой-то степени зависят от условий работы реактора. Содержание кислорода изменяется в зависимости от содержания органических веществ и(или) интенсивности аэрации.

Необходимая минимальная скорость роста организмов зависит от возраста ила в реакторе.

3.2. Пр оцессы конвер сии на станциях биологической очистки стоков Для биореакторов принципиально важными являются несколько типов биологических превращений: биологический рост, гидролиз, распад.

Войти на сайт www.rosecology.ru Войти на сайт www.rosecology.ru Медленно разлагаемый материал Медленно разлагаемый материал Гидролиз Гидролиз Легко разлагаемый материал Легко разлагаемый материал Гидролиз Биологический рост Очень легко разлагаемый материал Б•оiасса Рост Распад ••+оса Инертный материал Распад Инертный материал Биологические превращения для двухсубстратной модели.

Рис. 3. 3.

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 Войти на сайт www.rosecology.ru Войти на сайт www.rosecology.ru нические соединения, например уксусную кислоту, этанол, метанол, пропионовую кислоту, глюкозу, аммоний, нитрит и т. д.

Этот процесс можно описать следующим уравнением:

(3.1) µмаксf(S)Хв, rv,xв = где rv,xв объемная скорость биологического роста, размерность М·м - 3т-1 (например, кг ХПК(Б)/(м3·сут)), µмакс - 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), Хв - концентрация биомассы, раз­ мерность Мх · м-3 (например, кг ХПК(Б)/м3 или кг ВВ(Б)/м3).

Расход субстрата, необходимый для биологического роста, мож­ но рассчитать из уравнения rv,s = ( rv,хв)/Умакс, где Умакс - максимальный коэффициент прироста ила, раз­ мерность Мх в · М31 (например, кг ХПК(Б)/кг ХПК(S) или кг БВБ(Б)/кг ХПК(S)).

Наиболее часто для описания расхода субстрата на рост био­ массы используется уравнение Моно, которое выглядит следующим образом:

µмакс S (3.2) · --- · Хв rvs = ' Умакс S + Ks - Следует отметить, что это выражение применимо только в том случае, если единственным фактором, лимитирующим рост, является концентрация субстрата. Напротив, µмакс можно рас­ сматривать как максимальную удельную скорость роста при данных определенных условиях (температура, рН, 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, д. - Прим. ред.

мертвая биомасса и т.

Войти на сайт www.rosecology.ru Войти на сайт www.rosecology.ru Х Х Xs Xs Хв Хв Нагрузка Низкая Высокая на ил:

Распределение биомассы в зависимости от нагрузки на ил.

Рис. 3.4.

3.2.2. Гидролиз В результате 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:

(3.3а) Аналогичное выражение для гидролиза растворенного органи­ ческого вещества выглядит как (3.3б) Заметим, что константы гидролиза kh в уравнениях (3.3а) и (3.3б) не являются идентичными.

В некоторых моделях применяются более сложные гиперболи­ ческие зависимости, где данная биомасса Хв имеет максимальную гидролизующую активность:

rv,xs = khx [Xs/Xв/(Kx + Хs/Хв)]Хв (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.

Войти на сайт www.rosecology.ru Войти на сайт www.rosecology.ru Таблица 3. 2. Константы гидролиза органических веществ в присут­ ствии различных акцепторов электронов (9. 11] --;

:;

' :;

s.

111 :;

s u 1111 111 I Q) Е- 111 Е- ------ о.

sс.

Акцептор О О' О QES, '"'" u = &l-- g)Q)"' электронов ;

ag)t;

rti' о;

Ф О о: Ef з gJ t Е Е- о: О u Е Q) tgpx u о°" =Ei'o: s- ="(х'"' х u Cltp:i 8 '"'"( о:

'"'"( Q) о О '"' ::

о ::;

: о::;

: '"' ::

= '"' Q Q :.: :.:

0,6-1, 3-20 0,6-1,4 0,02-0, Кислород Нитрат 0,15-0, 1-15 0,15-0,4 0,02-0, Без кислорода и без нитрата 0,3-0,7 0,02-0, 0,3-0, 2- где khx - константа гидролиза, Mxs М)(.т-1, Кх - константа · насыщения, Mxs М)( · Если отношение между гидролизуемым веществом Xs и био­ массой Хв составляет Кх, скорость гидролиза равна половине максимальной скорости.

Для растворенного субстрата rv,s = rv,xsvx,s, где vx,s - это стехиометрический коэффициент перехода взвешен­ ного вещества Х в растворенное вещество S. Если концентрации обоих веществ выражены в одних единицах, то v = 1, например 1 кг ХПК(S)/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 Войти на сайт www.rosecology.ru Войти на сайт www.rosecology.ru ского вещества биомассы 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 полиокси­ валерата (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 (C4H602)n· 1 В анаэробных процессах может происходить, например, хими ческое дис­ пропорционирование, в результате которого одна часть углерода биомассы Прим. ред.

окисляется, а другая восстанавливается. Войти на сайт www.rosecology.ru Войти на сайт www.rosecology.ru Таблица 3.2а. Запасные вещества, обнаруженные в биомассе в процессе биологической очистки воды Какие микроорганизмы Запасное вещество Аббревиатура используют Гетеротрофные аэробные микро Внеклеточные впв полимерные организмы при углеводной вещества нагрузке Гетеротрофные микроорганизмы Поли-,В-оксибутират ПОБ при высокой нагрузке по ацета ту, ФАО, некоторые нитчатые микроорганизмы Поли-,В-оксивалерат Гетеротрофные микроорганиз пов мы при нагрузке по ацетату и пропионату, ФАО, некоторые нитчатые организмы Как в случае ПОБ Полимерные пно насыщенные оксикислоты Гликоген Гетеротрофные микроорганизмы Гл при нагрузке по глюкозе, ФАО, ГАО Полифосфаты ПФ 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.

Войти на сайт www.rosecology.ru Войти на сайт www.rosecology.ru АSМЗ Нитрифицирующие мик оо ганизмы 1 Гетеротрофные организмы Рост Накопление Гидролиз Эндогенное дыхание Потоки ХПК в гетеротрофных микроорганизмах в модели Рис. 3'.4а.

с активным илом ASM3 [39]. Модель основана на предположении, что весь субстрат проходит через стадию запасного вещества перед тем, как будет метаболизирован гетеротрофными микроорганизмами.

Это предположение является почти верным при определенных высоких нагрузках и совершенно неоправдано при низких нагрузках. Однако схему можно использовать для упрощенного описания процесса.

3.3. Аэр обная гетер отр офная конвер сия ор ганических веществ 3.3.1. Реакции аэробной конверсии Органические вещества, попадающие в аэробный биологический реактор, могут:

окисляться до диоксида углерода и различных питательных веществ (в виде N-, Р- и S-содержащих соединений);

ассимилироваться в биомассе (иле) ;

проходить сквозь реактор, не претерпевая изменений (биоло­ гически не разлагаемые в данных условиях, т. е. инертные, вещества);

превращаться в другие органические вещества.

Обычно при обработке городских стоков интересуются общим количеством подлежащих удалению органических загрязнений.

Только в особых случаях, например при удалении токсичных ве­ ществ, таких как цианиды, фенолы, хлорированные углеводороды, обращают внимание на отдельные конкретные компоненты. Более Войти на сайт www.rosecology.ru Войти на сайт www.rosecology.ru детальное описание процесса биологической конверсии сточных вод можно найти, например, в работе [36].

Органическое вещество в сточной воде имеет приблизительно следующий химический состав: C1sH1909 N [7]. Если это веще­ ство окисляется под действием микроорганизмов до диоксида углерода, суммарную реакцию можно представить следующими уравнениями:

C1sH190gN + 17,502 + н+ -t l8C02 + 8Н2О + NHt (3.6) (без нитрификации) (3.7) C1sH1909N + 19,502 l8C02 + 9Н2О + NОЗ - (с нитрификацией) Потребление кислорода микробами, согласно уравнениям (3.6) и (3.7), составляет 1,42 и 1,5 9 кг 02/кг органического вещества соответственно. Значение ХПК в обоих случаях равно 1,42 кг 02/кг 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 1 1 + + 70 C1sH190gN + 70Н2О -t 70 СО2 + 70нсо3 + 70 NH4 + Н + e (3.8) ЛG0(W) = -32 кДж/эл. экв 78 кДж/эл. экв дG0(W) (3.9) = При объединении уравнений (3.8) и (3.9) получаем общий энергетический выход реакции аэробного окисления органического вещества:

1 1 1 + C1sH1909 N + 4 02 -7 70 СО2 + 70нсоз + 70 NH4 + 0 Н2О 70 ЛG0(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. 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.

Войти на сайт www.rosecology.ru Войти на сайт www.rosecology.ru Органические вещества, содержащиеся в сточной воде 3.3.

Таблица П отребление кислорода Усредненная У глерод, Азот, Вещество микробами, формула % % 02/ кг кг вещества C10H1s09 1,13 Углеводы о 2, СвНвО2 Жиры, масла о C 14H 1 201N Белки 1,20 (1,60а) 53 8, Усредненное органическое C 1sH1909N 3, 1,42 (1,59а) вещество а В условиях нитрификации.

3.1. Промышленная сточная вода содержит глутаминовую Пример кислоту CsH904N в концентрации 1,5 кг/м3. Объем воды 300 м 3 /сут.

Определите ХПК сточной воды.

Сколько кислорода в сутки нужно подавать в реактор биологиче­ ской обработки для окисления 70% органического вещества в воде?

Нитрификация в реакторе не осуществляется.

Значение ХПК найдем из уравнения реакции CsH904N + 4,502 + н+ 5СО2 + 3Н2О + NH;

j -+ (поскольку азот в органических соединениях не окисляется в условиях определения ХПК). Из уравнения получаем, что 1 моль глутаминовой кислоты (мол. вес 147 г/моль) потребляет 4,5 моль кислорода (144 г/моль). Следовательно, потребление кислорода со­ ставляет 0,98 г кислорода/г глутаминовой кислоты, а ХПК равно 1,5 0,98 = 1,47 кг О2/м 3• · Таким образом, суточное потребление кислорода составляет 1,47 кг О2/м3 300 м 3 /сут · 0,70 = 309 кг 02/сут.

· 3.3.2. Коэффициент прироста ила при аэробной гетеротрофной конверсии Коэффициент прироста ила1 (биомассы) при аэробной гетеротроф­ ной конверсии определяется как прирост биомассы в результате потребления определенной массы субстрата.

У = ЛХ/ЛS (3.11) Энергетическая эффективность гетеротрофных микроорганизмов /3 обычно составляет 55-60% [8). При аэробном росте мик 1 В микробиологической литературе используется термин экономический коэффициент. - Прим. ред.

Войти на сайт www.rosecology.ru Войти на сайт www.rosecology.ru робной биомассы максимальное количество органического веще­ ства, превращаемого в новую биомассу, составляет около 50% по ХПК. Это означает, что коэффициент прироста ила ра­ вен 0,5 г ХПК/г ХПК(S) (45]. Разность между 50%-ным выходом биомассы и 55-6 0%-ным выходом энергии объясняется накоплением запасных веществ.

Применительно к процессам обработки сточной воды термин «прирост ила» обычно понимают в широком смысле и рассматри­ вают как общий прирост биомассы в пересчете на массу вещества, удаленного из стоков.

Органические вещества, разлагаемые в аэробном (или анокси ческом) процессе, можно использовать в следующих целях:

получение энергии, выделяющейся при окислении (кислородом или нитратом) до диоксида углерода, рост (новая биомасса), накопление питательных веществ (разнообразные типы внутри­ клеточных полимеров), синтез внеклеточных полимерных веществ (ВПВ).

Поскольку окисление является частью любого аэробного процес­ са, это означает, что органический субстрат никогда не может быть превращен на 100% в органическое вещество биомассы. Конечно, если учитывать образование диоксида углерода, потерь углерода не будет. В процессах накопления запасных веществ прирост может достигать 0,95 г ХПК/г ХПК(S). Другая предельная ситуация весь субстрат расходуется на поддержание жизнедеятельности клеток (эндогенное дыхание), в результате прирост биомассы равен нулю или даже отрицателен. При заданном количестве субстрата прирост биомассы зависит от длительности процесса [47].

Табл. 3.4 демонстрирует зависимость прироста биомассы от условий, в которых происходит превращение субстрата.

Максимальный коэффициент прироста биомассы Умакс в аэробном процессе (в условиях минимального накопления за­ пасных веществ) составляет примерно 0,6-0,65 г ХПК/г ХПК(S).

В моделях, описывающих процесс биологической очистки воды, обычно используют величины этого порядка [41]. Наблюдаемый на практике коэффициент прироста биомассы Унабл часто ниже (0,3-0,5 г ХПК/г ХПК) из-за процессов поддержания жизнеде­ ятельности клеток (эндогенного дыхания). Однако, как было сказано выше, при биологической очистке воды с низкой (или нулевой) концентрацией источника углерода (низкая нагрузка Войти на сайт www.rosecology.ru Войти на сайт www.rosecology.ru 3.4. Прирост биомассы в различных биологических системах, Таблица (кг веса на кг потребленного питания) Прирост, г ХПК/г ХПК Бактерии с субстратом для роста (1 сут) 0, Бактерии при избытке субстрата в условиях 0, накопления питательных веществ (1 ч) Бактерии при сильной нехватке субстрата 0, Рыба (1 год, до 0,5 кг) 0, 0, Курица Свинья (до 65 кг) 0, Яловая корова 0, Человек (0-16 лет) 0, Человек (0-70 лет) 0, Человек (16-70 лет) 0, на ил) наблюдаемый коэффициент прироста биомассы будет отрицательным. Часто целью обработки сточных вод является получение низкого прироста ила. Достичь этого можно, понижая нагрузку на ил или же используя процессы с высоким ФПЦ (фактор питательной цепи). Если в конверсии органического вещества участвует более, чем один организм, то для получения энергии при дыхании расходуется большее количество этого вещества, что приводит в результате к понижению прироста биомассы.

Если наблюдаемый коэффициент прироста биомассы в каждом из двух биологических превращений, которые претерпевает субстрат, равен 0,5 г ХПК/г ХПК, то суммарный коэффициент прироста для всего процесса составит 0,5 0,5 0,25 г ХПК/г ХПК. Реакторы с · = активным илом обычно имеют невысокий ФПЦ (около 1,2), а вот в капельных фильтрах он может быть выше - до 2, 0 из-за наличия большого числа простейших и многоклеточных организмов. Это приводит к более низким приростам ила в капельных фильтрах по сравнению с реакторами с активным илом.

Если известен коэффициент прироста биомассы, то можно написать уравнение роста микробов в аэробных условиях, при­ чем соотношение между количеством полученной биомассы (со­ става C5H1N02) и количеством удаленного субстрата (состава С1вН19О9N) и дает Унабл.:

(3.12) Войти на сайт www.rosecology.ru Войти на сайт www.rosecology.ru где Ь MWбиом /а MWорг = Унабл, MWбиом И MWорг - молярный · · вес биомассы и органического субстрата соответственно, Унабл - на­ блюдаемый коэффициент прироста биомассы в весовых единицах.

Если, например, Унабл = 0,5 кг биомассы/кг органического вещества, то выражение (3.12) примет следующий вид:

Ь МWбиом/а МWорг 0, = · · (коэффициенты а или Ь находят подбором при оценке выражения, здесь a=l).

Молярный вес биомассы (C5H7N02) и органического вещества (C18H190gN) в данном примере составляют 113 г/моль и 393 г/моль соответственно.

Находим Ь:

0,5. 1. 393 1 ь = ' 4.

= Таким образом, уравнение реакции выглядит так:

C1sH19 OgN + О, 74NНз + 8,802 -+ -+ 1, 74 C5H1N02 + 9,3СО2 4,52Н20 (3.13) + · (следовательно, необходимо добавить некоторое количество азота в виде аммиака (или аммония), поскольку в органическом веществе азота недостаточно для ассимиляции его в биомассу).

Коэффициенты прироста биомассы можно выражать самыми разными способами. Так, в уравнении (3.13) Унабл = 0,5 кг биомассы/кг органического вещества. Чтобы перейти к единицам ХПК, и биомассу, и органическое вещество пересчитывают в единицах ХПК. Поскольку фактор пересчета при данном условном составе биомассы и органического вещества в обоих случаях составляет 1,42 кг 02/кг органического вещества, то Унабл = 0,5 кг ХПК(Х)/кг ХПК(S). Выраженное в молях значение коэффициента прироста биомассы в уравнении (3.13) равно: Унабл = 1,74 моль биомассы/моль органического вещества.

Наблюдаемый коэффициент прироста биомассы аэробно­ Пример 3.2.

го окисления уксусной кислоты 0,55 кг ХПК/кг ХПК.

Предложите уравнение реакции, если состав биомассы описыва­ ется формулой C5H1N02.

Рассчитаем ХПК уксусной кислоты и биомассы:

2СО2 + 2Н2О СНзСООН + 202 -+ 5СО2 + 2Н2О + NHt C5H1N02 + 502 + н+ -+ Войти на сайт www.rosecology.ru Войти на сайт www.rosecology.ru 1 моль уксусной кислоты (60 г) соответствует 2 моль кислорода (64 г), т. е. 64 г ХПК/60 г уксусной кислоты= 1,07 г ХПК/г уксусной кислоты.

1 моль биомассы (113 г) соответствует 5 моль кислорода (160 г), т. е. 160 г ХПК/113 г биомассы = 1,42 г ХПК/г биомассы.

Выражение (3.12) в единицах ХПК выглядит следующим образом:

Ь · МWбиом · 1,42/а · МWорг 1,07 = Унабл (3.12) · Если примем а 1 и подставим все остальные известные величи­ = ны, то найдем Ь:

Ь · 113 г биомассы/моль · 1,42 ХПК/г биомассы 1· 60 г уксусной кислоты/моль· 1,07 ХПК/г уксусной кислоты = 0,55 г ХПК/г ХПК ь 0, = Следовательно, уравнение реакции выглядит так:

СНзСООН + 0,22NH:t + о,22он- + 0,902 --+ --+ 0,22CsH1N02 + О,9СО2 + 1,78Н Это уравнение показывает, что бактериям необходим азот для роста, т. е. что процесс не может протекать в присутствии только уксусной кислоты. Это касается и других необходимых компонентов (фосфора, серы, калия и т. д.).

Из приведенного выражения следует, что значение Унабл = 0, моль биомассы/моль уксусной кислоты.

В биологических реакторах коэффициент прироста биомассы зависит от типа стоков и нагрузки на реактор. На рис. 3.5 эта зависимость показана на примере реактора с активным илом.

3.3.3. Макроэлементы для аэробной гетеротрофной конверсии Для роста микроорганизмов необходимы макроэлементы. Если известен «химический состав» микроорганизмов, то потребность их в макроэлементах можно рассчитать из уравнений материального баланса. В табл. 3.5 перечислены типичные концентрации различ­ ных веществ в микроорганизмах, взятых из реактора аэробной конверсии. Эти концентрации могут довольно сильно меняться при биологическом разложении определенных органических ве­ ществ (развиваются другие группы микроорганизмов), а также в Войти на сайт www.rosecology.ru Войти на сайт www.rosecology.ru Коэффициент прироста биомассы кг ХПК(Б)/кг кг ВВ/кг внесенного внесенного БПК ХПК(S) 1,0 0,5 -----:'""---- Сточная - вода -- 0, 2:..:,;

..._ 0, 0, 0, Нагрузка на ил 0, '---'--'---J'---'-._.,. кг БПК/(кг ВВ ·сут) 0,1 0,5 1,......._..._ _._.. _...,. кг ХПК(S)/(кг ВВ. сут) 1,0 2, Рис. 3.5. Зависимость наблюдаемого коэффициента прироста биомассы от нагрузки на реактор с активным илом.

Типичные концентрации элементов в гетеротрофных Таблица 3. 5.

микроорганизмах, участвующих в аэробных процессах Концентрация элемента, Элемент г/кг ООУ г/кг БВБ г/кг ХПК 800- 400-600 300- Углерод Азот 80-120 150- 55- Фосфор 10-25 25- 7- Сера 5-15 4-11 12- 5-15 4-11 12- Железо результате других биологических процессов (при удалении фосфо­ ра, например).

В коммунальных и городских стоках (без специфических про­ мышленных стоков) обычно содержится достаточное количество макроэлементов, тогда как промышленные стоки часто обеднены азотом и фосфором (см. пример 3.3).

Стоки пивных производств с 2,5 кг ХПК/м3, 15 г N/м Пример 3.3.

3 необходимо обработать в аэробных условиях с актив­ и 20 г Р /м ным илом. Наблюдаемый коэффициент прироста биомассы равен 0,45 кг ХПК/кг добавленного ХПК, содержание азота и фосфора в иле 7% N/ХПК и 1,5% Р /ХПК соответственно.

Следует ли добавлять в реактор азот и фосфор, и если следует, то в каком количестве?

Войти на сайт www.rosecology.ru *Uд.п t ;

д;

;

az:;

a:w Войти на сайт www.rosecology.ru Если имеет место полное превращение ХПК, то образование ила FsP в расчете на 1 м 3 воды можно описать следующим образом:

Fsp/Q1 С1 Унабл 2,5 кг ХПК/м3 0,45 кг ХПК/кг ХПК = = · = 1,125 кг ХПК/м3.

= Следовательно, потребление азота и фосфора должно составлять fx,NFsp /Q1 0,07· 1,125 79 г N/м 3, = = 17 г Р /м3.

0,015· 1, fx,PFsp /Q1 = = Таким образом, фосфора в воде достаточно, а вот азот (79 -15 = 64 г N/м3 ) необходимо добавить. В противном случае очистка будет происходить очень медленно, будет неполной, а, кроме того, возмож­ но ухудшение показателей осаждаемости и флокулированности ила.

3.3.4. Кинетические аспекты аэробной гетеротрофной конверсии Превращение субстрата под действием микроорганизмов можно представить реакцией первого порядка по биомассе:

(µнабл/Умакс)· Хв, rv,s = где rv,s - скорость удаления субстрата, М м-зт-1;

Хв концен­· трация биомассы, М м-3;

µнабл - наблюдаемая удельная скорость · роста, т -1;

умакс - максимальный коэффициент прироста биомас­ сы, Мх М31.

· На скорость роста влияет ряд параметров окружающей среды, таких как концентрации субстрата S и кислорода So2, рН, темпе­ ратура Т и т. д.:

µнабл = µмaкcf(S)f(So2 )f(pН)f(T) Обычно кинетика роста описывается уравнением Моно:

µнабл = µмакс(S2/(S2 + Ks)), (3.14) где µнабл наблюдаемая удельная скорость роста, µмакс - макси­ мальная удельная скорость роста, S2 - концентрация субстрата в реакторе, Ks - константа насыщения по субстрату.

Кинетику процесса, в соответствии с уравнением (3.14), можно в определенных случаях (например, при высоких концентрациях субстрата в промышленных стоках) описать уравнением нулевого порядка по субстрату, т. е. если S2 » Ks:

(3.15) Войти на сайт www.rosecology.ru Войти на сайт www.rosecology.ru 3.3.5. Гетеротрофные микроорганизмы в аэробной конверсии Аэробные микробиологические превращения на очистных соору­ жениях осуществляются чрезвычайно большой и разнообразной группой микроорганизмов. Состав биомассы очень сильно меняется от реактора к реактору из-за различного состава сточных вод, а также различий в конструкции и эксплуатационных особенно­ стях реакторов. Что касается скоростей обработки органического вещества в промышленных стоках, то опыт показывает, что они все являются величинами одного порядка, несмотря на различия в составе биомассы.

3.3.6. Влияние окружающей среды на аэробную гетеротрофную конверсию Наибольшее влияние на аэробную конверсию оказывают:

температура, содержание кислорода, рН, содержание токсичных веществ, азота, фосфора.

Температура Зависимость скорости биологического процесса от температуры можно описать уравнением Вант-Гоффа:

µмакс(Т) = µмакс(20°С) ехр(х(Т 20)) (3.16) · Для аэробных процессов это выражение применимо в интервале температур от О до 32 °С. При 32-40 °С скорость потребления субстрата практически не меняется, а при дальнейшем повышении температуры уже до 45 °С обычно резко снижается практически до нуля.

Гетеротрофная конверсия может также происходить в тер­ мофильных условиях (50-60 °С);

при этом значения скоростей приблизительно на 50% выше, чем при 35 °С.

Кислород Зависимость скорости аэробного процесса от концентрации кисло­ рода можно описать уравнением Моно:

µмакс(Sо2,2/(Sо2,2 + Ks,02)) µнабл = Войти на сайт www.rosecology.ru Войти на сайт www.rosecology.ru где 8о"2 - концентрация кислорода в реакторе, Ks,02 - константа насыщения по кислороду.

Объединяя это выражение с выражением (3.14), получаем двойное уравнение Моно:

(3.17) µнабл = µмакс(82/(82 + Ks) (802,2/(802,2 + Ks,02)) · Константа насыщения Ks,02 зависит от размера флокул (тол­ щины биопленки) и от температуры, поскольку температура на­ кладывает ограничения на диффузию кислорода внутрь флокул (биопленки).

рН Скорость аэробной конверсии является рН-зависимой (см. рис. 3.6).

Довольно необычный вид зависимости связан с наложением нескольких факторов - рН-зависимости для конкретных микроор­ ганизмов и селекции различных микроорганизмов.

Кинетику зависимости от рН можно описать следующим обра зом: Крн µмакс(рН) = µмакс (ОПТ рН) (3.18) КрН + I · } где Крн - это рН-константа, I = 1о(опт. рН-рН - 1.

Обычно в процессе биологической обработки воды проблемы возникают только при низких значениях рН. Низкие значения рН в реакторе могут быть связаны с низким значением рН в самом стоке, а также могут быть результатом нитрификации (см. разд.

3.4) и, возможно, химического осаждения фосфора.

Токсичные вещества Многие вещества являются токсичными для аэробной конверсии, даже с учетом в целом высокой надежности аэробных процес­ сов очистки сточных вод. Оценивать токсический эффект того или иного компонента непросто, так как он часто маскируется рядом других факторов: образованием различных комплексов, химическим осаждением (осаждением металлов сульфидом), био­ логическим разложением (цианиды, фенолы и т. д.). Для оценки токсичности конкретного стока необходимы специальные тесты.

Детальное описание влияния токсичных веществ на биоконверсию можно найти, например, в работе [36].

Механизм ингибирования токсичными веществами процессов биологического разложения включает как конкурентное, так и неконкурентное ингибирование [8].

Войти на сайт www.rosecology.ru Войти на сайт www.rosecology.ru 4 6 7 5 9 рН рН-зависимость для аэробных гетеротрофных процессов. В Рис. 3.6.

данной модели Крн 200 (см. выражение (3.18)).

= При обратимом конкурентном ингибировании увеличивается константа насыщения Ks Ks,r + С к" s - Кs (3.19) _ Ks,r где К константа насыщения при ингибировании, Ks константа - насыщения без ингибирования, Ks,r - константа ингибирования, C r - концентрация ингибитора.

При обратимом неконкурентном ингибировании снижается мак симальная удельная скорость роста (3.20) µ акс = µмакс Кs,r/(Ks,r + Cr) где µакс - максимальная удельная скорость роста с ингибитором, µмакс - максимальная удельная скорость роста без ингибитора.

Азот и фосфор Влияние азота и фосфора на процесс аэробной деградации можно выразить двойным уравнением Моно, которое, однако, не показы­ вает, что при низких концентрациях азота и фосфора микробный рост ингибируется.

µнабл =µмакс· SNн4/(SNн4 + Ks,NнJ · Spo4/(Spo4 + Ks,PoJ, (3.21) где SNH4 концентрация аммония, Spo4 - концентрация фосфора (ортофосфат), Ks,Nн4 - константа насыщения по азоту, Ks,Po4 константа насыщения по фосфору.

Войти на сайт www.rosecology.ru Войти на сайт www.rosecology.ru Кинети'Ческие и другие констант'Ы в аэробной гетеротрофной -конверсии В табл. 3.6 представлены типичные значения кинетических и других констант, а также стехиометрических коэффициентов для аэробного процесса очистки городских стоков. Следует отметить, что между индивидуальными константами существует опреде­ ленная корреляция, поэтому необходимо пользоваться набором констант из одного источника, а не выбирать отдельные константы из различных источников. В табл. 3. 7 представлены подобные корреляции.

Эксперимент аль ное определение констант - работа довольно кропотливая;

проводят ее при периодическом или непрерывном Константы уравнения скорости реакции гетеротрофной Таблица 3.6.

аэробной конверсии городских стоков (20 °С) Х арактеристика Обозначение Р азмерность Величина ре акции Максимальная удельная сут-1 4- скорость роста µмакс сут - 1 0,1-0, Константа распада ь Константа насыщения по г ХПК/м Кs,хпк 5- субстрату Константа насыщения по г О2/м Ks,02 0,5- кислороду Максимальный коэффициент прироста г ХПК/г ХПК 0,5-0, биомассы У м акс,Н Температурная константа град -1 0,06-0, ДЛЯ µмакс,kь И Ь х - 150- К рн рН-константа Константа гидролиза сут- kь 0,6-1, взвешенных веществ Константа гидролиза сут - растворенных веществ 3- kь kьх 0,6-1, Константа г идролиза кг ХПК(Х) / кг ХПК(Б)· сут Константа насыщения при kx 0,02-0, кг ХПК(Х)/ гидролизе кгХПК(Б ) Константа насыщения по N/м Ks,Nн азоту 0,1-0, r Константа насыщения по Р/м Ks,P фосфору 0,1-0, r Войти на сайт www.rosecology.ru Войти на сайт www.rosecology.ru коэффици­енты и их температурная зависимость (fp = f1, iхв = fв,н, ixE= f1,N, µмакс) (9] µ = Величина Размерность Симв ол при 1 0 ° С при 20 ° С Стехиометрические параметры г образовавшегося клеточного ХПК/ 0,24 0, Ул г потребленного азота г образовавшегося клеточного ХПК/ 0,67 0, Ун г окисленного ХПК Безразмерная величина 0,08 0, fp г азота/ХПК в биомассе 0,086 0, iхв г азота/ХПК в эндогенной массе 0,06 0, i xE Кинетические параметры - сут µн 6,0 3, г ХПК · м -3 20,0 20, Ks г 02 · м - 3 0,20 0, К о2, н г N03 - N · м - KNo 0,50 0, сут- 1 0,62 0, Ьн Безразмерная величина 0,8 0, 1/g Безразмерная величина 0,4 0, 1/h г медленно разлагаемого ХПК/г кле kh 1, 3, точного хпк сут.

Кх г медленно разлагаемого ХПК/г кле- 0, 0, точного хпк сут- µА 0,80 0, г NH3 -N · м - К N н3 1,0 1, г 02 м - К о,л 0,4 0, · м 3 ХПК/г · сут ks 0,08 0, Войти на сайт www.rosecology.ru

 


 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.