Нитрификация

 

В обычных процессах обработки отходов с аэрацией в числе подвергающихся биологическому окислению субстратов имеются и азотсодержащие органические вещества. Из последних при биологическом окислении обычно сначала образуется аммиак, который затем необходимо окислить до нитрита и, наконец, до нитрата; только в этом случае очищенная вода будет обладать достаточно низкой БПК. Как было показано на рис. 14.3, эти превращения осуществляются при участии двух видов микроорганизмов — Nitrosomonas и Nitrobacter. Соответствующие лревращения описываются следующими схемами реакций:

Удельные скорости роста каждого из этих видов описываются обычным уравнением Mono; согласно данным Лоуренса и Маккарти*, соответствующие параметры имеют следующие значения:

* Lawrence А. W., McCarty Р. L., Unified Basis for Biological Treatment Design and Operation, J. Sanitary Eng. Div., Proc. ASCE, 96, 757 (1970).

Для оценки концентраций аммиака и нитрита в сточных водах, прошедших обработку в системе водоочистки с активным илом (эффективность работы которой оценивают по снижению величины БПК до заданного уровня), за основу можно взять уравнения материальных балансов по популяциям Nitrosomonas и Nitrobacter. Ниже приведен пример такого расчета. Если время пребывания биомассы в системе с активным илом слишком мало, то для завершения процесса нитрификации можно использовать второй аэрируемый биореактор.

 

Пример 14.2. Расчет процесса нитрификации. Шредер [10] рассматривал следующие условия очистки сточных вод:

Максимально допустимые величины БПК и концентрации азота аммиака в очищенной воде составляют 10 и 0,5 мг/л соответственно. Необходимо определить степень нитрификации в биореакторе с активным илом и установить, необходим ли еще один реактор для нитрификации.

Если рост микроорганизмов лимитируется только источником углерода (но не азота или фосфора), то из определения БПК следует

(14П2.1)

С другой стороны, из уравнения материального баланса по биомассе следует

(14П2.2)

Минимальное среднее время пребывания ила, необходимое для достижения заданной величины ВПК, рассчитывают на базе s=10 мг/л. Если Y_набл=0,4/(l+0,06θ_c), то

Следовательно, при θ_c>2,1 сут достигается заданный уровень БПК.

Начальная концентрация азота в системе с активным илом равна 60 мг/л; концентрация ассимилированного азота составляет 14/113(Y_набл) (s_i—s). Таким образом, концентрация ассимилированного азота составит 16,6 и 14,3 мг/л при θ_c равном 3 и 6 сут соответственно.

Согласно уравнению материального баланса по биомассе Nitrosomonas:

(14П2 3)

Расчет удельной скорости роста при приведенных выше параметрах и заданной концентрации аммиака после обработки дает

Следовательно, заданная степень превращения аммиака обеспечивается при θ_c>9 сут. Приняв θ_c равным 10 сут, с помощью уравнения такой же формы с параметрами превращения нитрита можно рассчитать соответствующую концентрацию нитрита

(14П2.4)

или

Подстановкой указанных выше для Nitrobacter параметров получим s_NO2=5,25 мг/л.

Выполненные расчеты показывают, что в этом случае снижение величины БПК осуществляется быстрее, чем нитрификация. Следовательно, для достижения заданной концентрации азота в очищенной воде необходимо или увеличить объем биореактора с активным илом, или установить после него аппарат для нитрификации.

В результате нитрификации общая потребность в кислороде снижается в соответствии со следующей стехиометрией реакций:

В более точных расчетах должны быть учтены процессы нитрификации в отстойнике, расположенном непосредственно после биореактора с активным илом.