• 5

10.3. ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА СКОРОСТЬ БИОХИМИЧЕСКОГО ОКИСЛЕНИЯ

Скорость окисления, зависит от концентрации органических ве­ществ, равномерности поступления сточной воды на очистку и от содержания в ней примесей. При заданной степени очистки основными факторами, влияющими на скорость биохимических реакций, являются концентрация потока, содержание кислорода в сточной воде, температура, и рН среды, содержание биогенных элементов, а также тяжелых металлов и минеральных солей.

Турбулизация сточных вод в очистных сооружениях способствует распаду хлопьев активного ила на более мелкие и увеличивает скорость поступления питательных веществ и кис­лорода к микроорганизмам, что приводит к повышению скоро­сти очистки. Интенсивность перемешивания зависит от количе­

ства подаваемого воздуха. Турбулизацня потока достигается интенсивным перемешиванием, при котором активный ил нахо­дится во взвешенном состоянии, что обеспечивает равномерное распределение его в сточной воде.

Доза активного ила зависит от илового индекса. Чем меньше иловый индекс, тем большую дозу активного ила необ­ходимо подавать на очистные сооружения. Рекомендуется под­держивать следующие соотношения:

Иловый индекс, мг/л           50 80 120 150 200 250 300

Доза ила, г/л 6 4,3 3 2,5 2 15 1

Для очистки следует применять свежий активный ил, кото­рый хорошо оседает и более устойчив к колебаниям темпера­туры и рН среды.

Установлено, что с повышением температуры сточ­ной воды скорость биохимической реакции возрастает. Однако на практике ее поддерживают в пределах 20—30 °С. Превыше­ние указанной температуры может привести к гибели микроор­ганизмов. При более низких температурах снижается скорость очистки, замедляется процесс адаптации микробов к новым видам загрязнений, ухудшаются процессы нитрификации, фло- куляцни и осаждения активного ила. Повышение температуры в оптимальных пределах ускоряет процесс разложения органи­ческих веществ в 2—3 раза. С увеличением температуры сточ­ной воды уменьшается растворимость кислорода, поэтому для поддержания необходимой концентрации его в воде требуется производить более интенсивную аэрацию.

Активный ил способен сорбировать соли тяжелых ме­таллов. При этом снижается биохимическая активность ила и происходит вспухание его из-за интенсивного развития нитча­тых форм бактерий. По степени токсичности тяжелые металлы можно расположить в следующем порядке: Sb>Ag>Cu>Hg> >Co^Ni^Ph>C.r:' ;>V^Cd>Zn>Fe. Соли этих металлов снижают скорость очистки. Допустимая концентрация токсич­ных веществ, при которой возможно биологическое окисление, зависит от природы этих веществ. В тех случаях, когда сточные воды содержат несколько видов токсичных веществ, расчет очистных сооружений ведут по наиболее сильнодействующим1 из них.

Отрицательное влияние на скорость очистки может оказать и повышение содержания минеральных веществ, находящихся в. сточной воде, выше максимально допустимых концентраций.

Абсорбция и потребление кислорода. Для окис­ления органических веществ микроорганизмам необходим кис­лород, но они могут использовать его только в растворенном, в воде виде. Для насыщения сточной воды кислородом проводят

22—822

33?

 

Рис. II-68. Схема переноса кислорода от пузырьков газа к микроорганизмами

А — пузырек газа; Б — скопление микроорганизмов; 1 — пограничный диффузионный слой со стороны газа (1/Рг); 2 — поверхность раздела; 3 — пограничный диффузионный слой со стороны жидкости (1/|Зж); 4 — перенос кислорода от пузырька к микроорганиз­мам; 5 — пограничный диффузионный слой со стороны жидкости у микроорганизмов. (1/Рж); 6 — переход кислорода внутрь клеток; 7 — зона реакции между молекулами кис­лорода с ферментами

процесс аэрации, разбивая воздушный поток на пузырьки, ко­торые, по возможности, равномерно распределяют в сточной воде. Из пузырьков воздуха кислород абсорбируется водой, а затем переносится к микроорганизмам.

Перенос кислорода из газовой фазы к клеткам микроорга­низмов идет в два этапа. На первом этапе происходит перенос кислорода из воздушных пузырьков в основную массу жидко­сти, на втором — перенос абсорбированного кислорода из ос­новной массы жидкости и клеткам микроорганизмов, главным образом под действием турбулентных пульсаций. Оба эти этапа связаны с преодолением диффузионных сопротивлений со сто­роны жидкости у пузырьков воздуха и у клеток хлопьев микро­организмов. Схематично этот процесс представлен на рис. 11-68.

Так как кислород является плохо растворимым в воде газом, то диффузионным сопротивлением газовой фазы можно прене­бречь, поэтому скорость абсорбции его будет лимитироваться сопротивлением жидкой фазы. Толщина диффузионного погра­ничного слоя б при обтекании тела размером I зависит от ко­эффициента диффузии £>, вязкости |АВ, плотности рв и скорости жидкости ув:

6=:0''.(цв/р„)»/= Vzk.            (11.216)

Так как микроорганизмы имеют незначительный размер и движутся в очистных сооружениях со скоростью, равной скоро­сти сточной воды, то толщина жидкого диффузионного погра­ничного слоя у стенок клеток значительно меньше, чем вокруг- пузырьков газа, поэтому он не оказывает заметного сопротив­ления в переносе кислорода. Учитывая также, что удельная по­верхность микроорганизмов значительно превышает удельную- поверхность пузырьков газа, можно сделать вывод о том, что процесс переноса кислорода из пузырьков газа к микроорганиз­мам лимитируется в основном диффузионными сопротивлениями жидкости вокруг пузырьков газа.

Для плохо растворимых газов коэффициент массопередачи принимают равным коэффициенту массоотдачи {Кж — $ж)- По­скольку, как правило, поверхность контакта фаз между возду­хом и сточной водой в очистных сооружениях неизвестна, в рас­четах используют объемный коэффициент массоотдачи ру.

Количество абсорбируемого кислорода может быть вычисле­но по уравнению массоотдачи:

где М — количество абсорбированного кислорода, кг/с; [Н— объемный ко­эффициент массоотдачи, с-1; К — объем сточной воды в сооружении, м3;. с,,, с—равновесная концентрация и концентрация кислорода в основной массе жидкости, кг/м3.

Исходя из уравнения массоотдачи, количество абсорбируе­мого кислорода может быть увеличено за счет роста коэффи­циента массоотдачи или движущей силы. Изменения движущей силы возможны в результате увеличения содержания кислорода в воздухе, уменьшения рабочей концентрации или повышения давления процесса абсорбции. Однако все эти пути или эконо­мически невыгодны, или не приводят к значительному росту интенсивности процесса.

Наиболее надежный способ увеличения подачи кислорода в сточную воду — это повышение объемного коэффициента мас­соотдачи

Этот коэффициент представляет собой произведение действительного ко­эффициента массоотдачи на удельную поверхность контакта фаз а. Увеличивая интенсивность дробления газового потока, т. е. уменьшая раз­меры газовых пузырьков dn и увеличивая газосодержание потока сточной воды в сооружении фг, можно значительно увеличить удельную поверхность контакта фаз и тем самым повысить поступление кислорода в сточную воду.

Удельная объемная поверхность контакта фаз равна

Физические свойства сточной жидкости оказывают заметное влияние на процесс абсорбции 02. Вязкость и поверхностное натяжение влияют иа раз­мер пузырьков газа, изменяя тем самым поверхность массообмена, что не­обходимо учитывать в расчетах.

Растворенный в воде кислород потребляется микроорганизмами. Ско­рость этого процесса не может превышать скорость абсорбции, иначе ухуд­шается обмен веществ и снижается скорость окисления загрязнений. Кон­центрация кислорода в сточной воде зависит от соотношения скоростей аб­сорбции и потребления. Скорость потребления кислорода зависит от многих факторов. Среди них в первую очередь следует отмстить содержание био­массы, скорость роста и физиологическую активность микроорганизмов, вид и концентрацию питательных веществ, меру накопления токсичных продуктов обмена, содержание биогенных веществ и растворенного кислорода.

С повышением концентрации кислорода в сточной воде скорость потреб­ления его увеличивается. Однако это происходит только до определенного предела. Концентрация кислорода в воде, при которой скорость его потреб­ления становится постоянной и не зависит от дальнейшего повышения кон­

М=М'(ср-с),

(11.217)

а=6фг/<&1.

(11.218)

22*

339

центрации, называется критической с„р. Критическая концентрация меньше равновесной ср концентрации и зависит от природы микроорганизмов и тем­пературы.

Скорость роста концентрации кислорода, растворенного в воде, равна скорости абсорбции минус скорость потребления:

</c/<fT=pyV(cP — с) — о„, (11.219) v„=c/Qo2. (11.220)

где Ci — концентрация 02 в клетке; Qо2—расход кислорода.

Если скорость потребления v„ меньше скорости абсорбции, то концент­рация кислорода в сточной воде возрастает, что приведет к снижению ско­рости абсорбции. В результате в сточной воде устанавливается концентрация кислорода се, соответствующая стационарным условиям, при которых сс будет постоянной, так как скорость абсорбции равна скорости потребления:

О„6С=У„=РУУ(СР —с).      (11.221)

Признаком достаточной аэрации сточной воды является положительная разность сс~Сир. Эту разность следует поддерживать минимальной, так как чем ниже сс, тем больше движущая сила абсорбции.

Для успешного протекания реакций биохимического окисле­ния необходимо присутствие в сточных водах соединений б и о- генных элементов и микроэлементов: N, S, Р, К, Mg, Са, Na, CI, Fe, Мп, Mo, Ni, Со, Zn, Си и др. .Среди этих элементов основными являются N, Р и К, которые при биохи­мической очистке должны присутствовать в необходимых коли­чествах. Содержание остальных элементов не нормируется, так как их в сточных водах достаточно.

Недостаток азота тормозит окисление органических загряз­нителей и приводит к образованию труднооседающего ила. Недостаток фосфора приводит к развитию нитчатых бактерий, что является основной причиной вспуханий активного ила,, плохого оседания и выноса его из очистных сооружений, замед­ления роста ила и снижения интенсивности окисления. Биоген­ные элементы лучше всего усваиваются в форме соединений, в= которой они находятся в микробных клетках: азот — в форме аммонийной группы NH4+, а фосфор — в виде солей фосфорных кислот.

Содержание биогенных элементов зависит от состава сточных вод и должно устанавливаться экспериментально. Для ориентировочных подсчетов- можно воспользоваться следующим соотношением БПКполи: N : Р= 100 : 5 : 1. Такое соотношение правильно применять только в течение первых 3 сут. При необходимости большей продолжительности очистки во избежание снижения выхода активного ила следует уменьшить содержание азота и фосфора R сточной воде. При продолжительности очистки 20 сут отношение БПКполн: : N : Р следует поддерживать на уровне 200 : 5 : 1. Точная дозировка азота и фосфора может быть обеспечена соблюдением стехиометрических соотно­шений.

При нехватке азота, фосфора и калия в сточную воду вво­дят различные азотные, фосфорные и калийные удобрения. Соответствующие соединения азота, фосфора и калия содер­

жатся в бытовых сточных водах, поэтому при их совместной очистке с промышленными стоками добавлять биогенные эле­менты не надо.

Авторы: 1379 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 1908 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я