3.2.3. Наличие в сточной воде биогенных элементов, ингибиторов и токсичных веществ

Как уже отмечалось, анаэробный биоценоз вследствие низкого прироста биомассы менее требователен к содержанию в реакционной среде биогенных элементов, чем аэробный активный ил. Если для аэробного процесса необходимые количества азота и фосфора определяются соотношением БПК : N : P = 100 : 5 : 1, то при анаэробной очистке достаточно количества этих элементов в пропорции 100 : 1 : 0,2.

Имеет значение соотношение С : N, оптимальная величина которого колеблется по различным данным от 20 : 1 до 100 : 1. При большей доле азота в сточной воде наблюдается ингибирование метаногенеза высокой концентрацией образующегося аммиака, который присутствует в реакционной среде в двух находящихся в равновесии формах: в виде растворенного аммиака и иона аммония. Более токсичным является растворенный аммиак, при концентрации которого 50 мг/дм³ скорость биохимических превращений уменьшается в 2 раза. Кроме аммиака, ингибирующим действием при высокой концентрации обладают собственные интермедиаты метаногенеза − ЛЖК и водород, а также побочный продукт − сероводород. Ингибирующий эффект ЛЖК проявляется при концентрации 2000 мг/дм³, причем большей токсичностью обладают не анионы кислот, а недиссоциированные молекулы, которые легче проникают через клеточную стенку микроорганизмов. Наиболее токсична и трудноразлагаема из ЛЖК –пропионовая кислота.

Если рН реакционной среды >7, то концентрация недиссоциированных молекул ЛЖК низкая и ингибирование маловероятно.

Сильным ингибитором является водород. При нарушении баланса в образовании и потреблении водорода и достижении концентрации его в газовой фазе 0,2−0,5% метаногенез затормаживается. Присутствие в сточной воде соединений серы приводит к развитию сульфатвосстанавливающих бактерий, продуцирующих сероводород, который распределяется между газовой и жидкой фазами. Токсичностью обладает растворенный сероводород при концентрации свыше 200 мг/дм³. Продукт его диссоциации − сульфид-ион − не токсичен. В процессе метаногенеза часть растворенного сероводорода взаимодействует с тяжелыми металлами с образованием нерастворимых в воде сульфидов, что способствует предотвращению ингибирования.

В числе потенциально токсичных соединений являются также тяжелые металлы, антибиотики, галогенсодержащие органические соединения и другие ксенобиотики. В то же время установлено, что микроорганизмы метанового биоценоза обладают достаточно высокими адаптационными способностями и проблема ингибирования биометаногенеза не так серьезна, как предполагали раньше.

3.3.Кинетические закономерности функционирования анаэробных биореакторов

Сложность и многообразие протекающих при метановом сбраживании процессов сильно затрудняет математическое моделирование биореакторов. Разработанные к настоящему времени модели применимы в определенных границах и описывают функционирование биореакторов второго поколения с различной степенью адекватности. Они непрерывно совершенствуются и имеют своей целью прогнозирование, управление и интенсификацию процесса.

В практике проектирования анаэробных установок пользуются упрощенными эмпирическими моделями на основе теории хемостата.

Если не учитывать сложность составов как загрязнений сточной воды, так и метанового биоценоза, то для описания кинетики процесса в проточном биореакторе с идеальным перемешиванием можно использовать уравнения хемостатной культуры:

(1)

(2)

где X, X₁ − концентрация биомассы в биореакторе и в очищенной сточной воде на выходе из биореактора соответственно, кг/м³;

μ_max − максимальная удельная скорость роста биомассы, сут⁻¹;

K_s – константа, численно равная концентрации биомассы, при которой μ = 0,5 μ_max, кг/м³;

b − удельная скорость отмирания биомассы, сут⁻¹;

S₀, S₁ − концентрация загрязнений в исходной и очищенной сточной воде соответственно, кг ХПК/м³;

G − скорость протока сточной воды, м³/сут;

v − рабочий объем биореактора, м³;

Y − экономический коэффициент (выход биомассы от деструктированных загрязнений), кг/кг ХПК.

Удельная скорость роста биомассы μ зависит от концентрации субстрата S по уравнению Моно:

(3)

В установившемся режиме функционирования биореактора имеем:

(4)

Следует отметить, что для биореактора, не удерживающего биомассу активного ила, X = X₁.

Отношение представляет собой удельную скорость

р азбавления ферментационной среды в биореакторе, сут⁻¹. Этот параметр часто выражают в виде процентной суточной дозы загрузки биореактора:

После преобразования уравнения (3.4) получим:

т. е. «чистая» удельная скорость прироста биомассы равна:

(5)

Отсюда возраст биомассы

(6)

г де − время пребывания сточной воды в биореакторе, сут.

Из уравнения (6) следует, что , где называют коэффициентом выноса биомассы.

Для биореакторов первого поколения (метантенков со свободными клетками микроорганизмов) X = X₁, f = 1, а следовательно,

(7)

Это означает, что проток сточной воды не может быть больше величины максимальной «чистой» удельной скорости роста метаногенного биоценоза и на практике соответствует времени пребывания стока в метантенке, функционирующем в мезофильном режиме, 10−15 сут.

Для биореакторов второго поколения величина коэффициента выноса биомассы значительно меньше единицы и составляет 0,005−0,1, что обеспечивает возможность устойчивой работы биореактора при гидравлической нагрузке, в 10−200 раз превышающей значение удельной скорости роста биомассы, что соответствует времени пребывания сточной воды в аппарате 0,5−10 ч.

В стационарном режиме работы биореактора из уравнения (2) следует:

(8)

где g − удельная производительность биореактора по деструктируемым загрязнениям, кг ХПК/(м³ _˙ сут).

Удельный выход метана (на единицу объема жидкой среды в аппарате) связан с удельной производительностью через коэффициент выхода метана из единицы массы деструктированных загрязнений:

g_м = g y_м,

где g_м − удельный выход метана, м³/(м³ _˙ сут);

y_м − выход метана, м³/кг ХПК.

Приведенные уравнения справедливы как для кислотогенной и метаногенной стадий в отдельности, так и для процесса анаэробной очистки в целом (табл. 6).

Таблица 6