Основы биологической очистки промстоков ЦБП (стр. 3 )

  Хd = 9,3 Ч 10−5 G;  (1.. 2.)

Расчеты и прямое определение числа дисперсных бактерий в аэротенках свидетельствуют о том, что их весовая доля в ак­тивном иле не превышает 1%.

В состав активного ила входят живые (активные) и мертвые (инактированные) микроорганизмы, а также инертное вещество − капсульные биополимеры, продукты автолиза, сорбированные вещест­ва промстоков. Весовая доля живых микроорганизмов составляет в хлопьях 10 − 15%. Отсюда следует, что вне хлопьев ила может находиться не более 10% активных бактерий, т. е. вклад дисперсных форм в общую эффективность окисления органических веществ в типовых аэротенках пренебрежимо мал. Это положение играет важную роль в теории и практике биологической очистки, так как закономерности массопередачи кислорода и субстрата к дисперсным клеткам и их агломератам (хлопьям ила) различны (см. разд. 1.4.).        

Процесс биологической очистки часто рассматривают как двухстадийный: первая стадия − адсорбция органических веществ на хлопьях ила, вторая стадия – биоокисление  сорбированных веществ. Такой подход является упрощенным и в значительней степени условным, так как одни вещества действительно сорби­руются хлопьями, а другие просто диффундируют сквозь хлопковую массу к бактериальным клеткам и затем транспортируются через наружную мембрану во внутриклеточную область.

Величина удельной (на 1 кг активного ила) адсорбции зави­сит от концентрации органических веществ и активного ила, а также интенсивности перемешивания, определяющей эффективную поверхность хлопьев. Типичные для промстоков ЦБП зависимости приведены на рис. 1.4.        

 

  S, кг/м3; Хо, кг/м3; щ, 102 об/мин

Рис. 1.4. Зависимость удельной адсорбции от ХПК промстоков, концентрации активного ила и интенсивности перемешивания в аэротенке: 1 − g (S); 2 − g(Х); 3 − g(щ).

         Уравнение адсорбции для систем с активным илом имеет вид:

  ;  (1.3)

где g − удельная адсорбция, кг ХПК/кг ила;  gо − максимальная сорбционная емкость активного ила, кг ХПК/кг ила; hо − доля по ХПК способных сорбироваться на активном иле органических веществ пром­стоков (максимальная относительная адсорбция); Sо − ХПК исходной (до акта адсорбции) сточной воды, кг ХПК/м3; Хо − исходная концентрация активного ила, кг/м3.

       Максимальная адсорбция hо зависит от состава промстоков. Для сточных вод ЦБП hо = 0,1 − 0,35. Максимальная сорбционная емкость gо определяется не только составом стоков, но и качественными характеристиками активного ила. При недостатке азота и фосфора в среде в активном иле накапливаются внеклеточные полисахариды, хлопья разрыхляются, а сорбционная емкость ила возрастает.

В условиях нормальной обеспеченности процесса биогенными солями (БПК5:азот:фосфор = 100:4:1) и при средних режимах аэрации максимальная сорбционная емкость возрастает с увеличением эффекта очистки согласно уравнению:

  ;  (1.4)

где − параметр состава стоков, изменяющийся в диапазоне 0,05...0,30, lо, l −  соответственно, БПК5 исходной и очищенной сточной воды, кг БПК5/м3.

Значительная часть первоначально сорбируемых илом веществ (в момент смешения в аэротенке потоков сточной воды и возвратного ила) затем биоокисляется. Поэтому чисто (за весь период очистки) сорбционное изъятие загрязнений из промстоков резко снижается по ходу процесса.

Для расчета и управления систем биологической очистки необходи­мы сведения по количественному вкладу в общую эффективность удаления загрязнений обоих процессов: адсорбции и биоокисления. Такая оценка может быть сделана на основе весовой доли сорби­рованных веществ о, которая в типовых очистных системах не превы­шает 0,2:

  ;  (1.5)

где Хs, Х − концентрация (по сухой массе) сорбированных веществ и активного ила, соответственно, кг/м3, ДХs, ДХ − прирост сорбирован­ных веществ и активного ила, соответственно, кг/м3, ДSs, ДS − прирост сорбированных веществ по ХПК (или количество по ХПК загрязнений, удаленных из сточной воды за счет адсорбции на актив­ном иле) и общее снижение ХПК сточной воды в результате биологической очистки, соответственно, кг ХПК/м3, хs − удельное ХПК сорбирован­ных веществ, кг ХПК/кг, у − экономический коэффициент, кг ила/ кг ХПК. Так как хs∙у ≈ 0,5, то согласно неравенству (1.5) имеем:  ДSs/ДS ≤ 0,1. Следовательно, основное количество органических веществ удаляется из промстоков путем биоокисления, а вкладом адсорбции, в первом приближении, можно пренебречь. Это позво­ляет при анализе, как прироста активного ила, так и кинетики биологической очистки в аэротенках, основываться только на закономерностях биоокисления. Учет же сорбционных процессов необходим только для биосорбционных систем, рассмотренных в  разд. 2.1, 3.2.

1.3.  МАТЕРИАЛЬНО - ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ  БАЛАНС

  АЭРОБНОГО  РОСТА  МИКРООРГАНИЗМОВ

Органические вещества промстоков, потребляемые микроорганизмам, служат материалом, из которого строятся новые клетки, и ис­точником энергии (рис.1.5). Энергия, выделяющаяся в результате аэ­робного окисления органических веществ, расходуется на синтез но­вой биомассы и поддержание жизнедеятельности микроорганизмов, а часть ее рассеивается в виде тепла. При недостатке внеклеточного субстрата получает развитие процесс самоокисления биомассы, в ко­торый в первую очередь вовлекаются резервные вещества и некоторые макромолекулы клетки, в частности, РНК и белки.

Рис. 1.5. Обобщенная схема превращений внутриклеточных вещества и энергии

В энергетике роста микроорганизмов наметилась тенденция − выделить особую роль кислорода и рассматривать продукты окисления органических веществ, прежде всего СО2 и Н2О, как вещества нуле­вого энергетического уровня. Основой этого подхода является откры­тый термохимиками в 10 − 20-е годы нашего века факт пропорционально­сти между теплотой сгорания органических соединений и количеством прореагировавшего кислорода. Количество теплоты, выделяющееся при полном биоокислении на единицу потребленного кислорода, практически одинаково (с точностью до 4 %)  для различных органических субс­тратов и биомассы − 112 кДж (27 ккал) на 1 г-экв кислорода иди 13,9 кДж (3,38 ккал) на 1 г кислорода.

В качестве меры энергетического потенциала органических веществ в микробиологии используется понятие доступных электро­нов, введенное Пейном и затем расширенное для азотсодержащих соединений Минкевичем и Ерошиным. Доступными называется электроны, которые акцептируются свободным кислородом при окислении органических веществ до СО2, Н2О и NН3, т. е. по схеме:

  СНрОnNq  +  г О2  = СО2 + (р − 3q) Н2О + q NH3;  (1.6)

Содержание доступных электронов в органических соединениях обычно выражается в расчете на один атом углерода, т. е. как степень восстановленности углерода:

  г = 4 + р − 2n −3q;  (1.7)

Для описания энергетики микроорганизмов в системах биологи­ческой очистки удобнее использовать кислородный эквивалент ор­ганических веществ (теоретическое ХПК), опреде­ляемый стандартным бихроматным методом, который для компонентов промстоков ЦБП практически совпадает с величиной ХПК. Степень восстановленности углерода  и удельное ХПК связаны соотношением:

  г = ;  (1.8)

где  х − удельное  ХПК, кг О2 кг/кг,  у − весовая доля углерода.

Основным понятием баланса для роста микроорганизмов являет­ся энергетический выход, равный доле доступной свободной энергии органического субстрата, перешедший в биомассу. По смыслу энер­гетический выход роста соответствует коэффициенту полезного действия в технике и обычно обозначается буквой з. На основе пропорциональности свободной энергии окисления и кислородного эквивалента  органических веществ можно записать:

  з  = −db/dS;  (1.9.) 

где  b, S − соответственно ХПК биомассы и субстрата, кг О2/м3.

В формуле (1.9) знак "−" отвечает уменьшению концентра­ции субстрата при росте биомассы.

В отсутствии самоокисления биомассы энергетический выход зависит от следующих основных факторов: степень восстановления углерода субстрата, химический состав биомассы, длина углерод­ной цепи молекул субстрата, соотношение  затрат энергии на рост и поддержание жизнедеятельности, сопряженность конструктивного и энергетического обменов.

Степень восстановления углерода субстрата.  Энергию, необходимую для синтеза клеточного вещества, можно представить как сумму энергетических изменений на двух этапах метаболизма: превращение субстрата в промежуточное вещество (например, пируват), являющееся исходным в реакциях синтеза, и синтез клеточно­го материала. На первом этапе в зависимости от степени восста­новленности углерода субстрата происходит освобождение или пот­ребление энергии. Если степень восстановленности углерода в суб­страте меньше, чем в биомассе, то на первом этапе требуются до­полнительные затраты энергии; в результате энергетический выход биомассы снижается.