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 количества подаваемого воздуха. Турбулизация 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	1,5	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, флокуляции 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≥Pb>Cr³⁺>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 сильнодействующим из них.

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

Абсорбция и потребление кислорода. Для окисления органи­ческих веществ микроорганизмам необходим кислород, но они мо­гут его использовать только в растворенном в воде виде. Для насы­щения сточной воды кислородом проводят процесс аэрации, разби­вая воздушный поток на пузырьки, которые, по возможности, равно­мерно распределяют в сточной воде. Из пузырьков воздуха кислород абсорбируется с водой, а затем переносится к микроорганизмам.

Перенос кислорода из газовой фазы к клеткам микроорганизмов происходит 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 к 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. II-68.

Рис. II-68. Схема переноса кислорода от пузырьков газа к микроорганиз­мам: А — пузырек газа; Б — скопление микроорганизмов; 1 — пограничный диф­фузионный слой со стороны газа (1/β) ; 2 — поверхность раздела; 3 — погранич­ный диффузионный слой со стороны жидкости (1/β_ж ); 4 — перенос кислорода от пузырька к микроорганизмам; 5 — пограничный диффузионный слой со стороны жидкости у микроорганизмов (1/β_ж); 6 — переход кислорода внутрь клеток; 7 — зона реакции между молекулами кислорода с ферментами

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 5 при обтекании тела размером l зависит от коэффициента диффузии D, вязкости μ_в, плотности ρ_в и скорости υ_в :

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 (К_ж= β_ж). Поскольку, как правило, поверхность контакта фаз между воздухом и сточной водой

в очистных сооружениях неизвестна, в расчетах используют объем­ный коэффициент массоотдачи β_v.

Количество абсорбируемого кислорода может быть вычислено по уравнению массоотдачи:

M=β_vV(c_p-c), (II.217)

где М — количество абсорбированного кислорода, кг/с; P_v — объем­ный коэффициент массоотдачи, с^-1; V — объем сточной воды в со­оружении, м³; с_р ,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 объёмного коэффициента массоотдачи β_v.

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

Удельная объемная поверхность контакта фаз равна:

a=6φ_r/d_п. (II.218)

Физические свойства сточной жидкости оказывают заметное вли­яние на процесс абсорбции О₂. Вязкость и поверхностное натяжение влияют на 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 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 отметить 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 потребления его становится постоянной и не зависит от дальнейшего повышения концентрации, называется критической с_кр . Критическая концентрация меньше равновесной с концентрации и зависит от природы микрорганизмов и температуры.

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

dc/dτ=β_vV(c_p-c) - υ_п , (II.219)

υ_п=c_iQ₀₂ (II.220)

где с_i — концентрация О₂ в клетке; Q_O2 — расход кислорода.

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

υ_абс= υ_п= β_vV(c_p -с). (II.221)

Признаком достаточной аэрации сточной воды является положи­тельная разность с_с-с_кр . Эту разность поддерживать минимальной, так как чем ниже с_с, тем больше движущая сила абсорбции.

Для успешного протекания реакций биохимического окисления необходимо присутствие в сточных водах соединений биогенных эле­ментов и микроэлементов: N, S, Р, К, Mg, Ca, Na, Cl, Fe, Mn, Mo, Ni, Со, Zn, Сu 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 БПК_полн: N:P=100:5:l. Такое соотношение правильно применять только в течение первых 3 суток. При необходимости большей про­должительности очистки во избежание снижения выхода активного ила следует уменьшить содержания азота и фосфора в сточной воде. При продолжительности очистки 20 суток отношение БПК_полн: N:P 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 содержатся в бытовых сточ­ных водах, поэтому при их совместной очистке с промышленными стоками добавлять биогенные элементы не надо.