2.1.4. Теоретические основы процесса биологической очистки сточных вод

Влияние концентрации органических загрязнений на скорость биохимического окисления. Скорость роста биомассы микроорганизмов описывается уравнением Моно:

,

где μ – удельная скорость роста биомассы, ч^–1;

μ_мах – максимальная удельная скорость роста биомассы, ч^–1;

S – концентрация субстрата, мг/дм³;

K_s – константа насыщения по субстрату, численно равная такой концентрации субстрата, когда μ = 0,5 μ_мах, мг/дм³.

Удельная скорость роста биомассы находится по следующей формуле:

,

где Х – концентрация биомассы, мг/дм³.

Взаимосвязь между скоростью потребления субстрата и скоростью роста биомассы выражается зависимостью:

,

где у – экономический коэффициент, характеризующий выход биомассы на единицу потребленного субстрата, мг/мг.

С учетом уравнения Моно скорость потребления субстрата записывается в виде:

×X.

Это уравнение используется в математических моделях систем биологической очистки сточных вод.

Применительно к сточным водам оно выглядит следующим образом:

,

где L – величина БПК_полн, которая характеризует концентрацию потребляемого субстрата S, мг/дм³;

α – величина, обратная экономическому коэффициенту, характеризующая количество БПК, из которого образуется 1 г ила, мг/г;

K_m – константа насыщения по загрязнениям, мг/дм³;

а – концентрация беззольного вещества активного ила, г/дм³.

Прирост ила небольшой, и значение а принимается постоянным.

После разделения переменных и интегрирования получается:

– (K_m×ln L_t + L_t) = μ_мах×а×α×t + c,

где L_t – значение БПК_полн в момент времени t, мг/дм³.

В начальный момент времени, когда t = 0, с = – (K_m×ln L₀ + L₀),

где L₀ – исходное значение БПК_полн.

Тогда

– (K_m×ln L_t + L_t) = μ_мах×а×α×t – (K_m×ln L₀ + L₀),

откуда

.

Это уравнение положено в основу формул для расчета периода аэрации в аэротенках различных конструкций. Дополнительно вводятся коэффициенты, учитывающие влияние концентрации растворенного кислорода, свойства органических загрязняющих веществ, зольность ила, ингибирование продуктами распада и т. д.

Влияние токсикантов. Процесс окисления загрязнений представляет собой совокупность ферментативных реакций. Токсичные вещества, присутствующие в сточной воде, могут ингибировать ферментативные реакции вследствие взаимодействия с ферментом.

По своему механизму это взаимодействие может быть конкурентным или неконкурентным.

В первом случае токсикант конкурирует с субстратом за взаимодействие с активным центром фермента, и это приводит к изменению константы насыщения. Уравнение, описывающее кинетику процесса, в этом случае выглядит следующим образом:

,

где I – концентрация ингибитора, мг/дм³;

K_i – константа насыщения при ингибировании, мг/дм³.

Такое ингибирование менее ощутимо при достаточно высокой концентрации субстрата.

При неконкурентном ингибировании токсикант реагирует не с активным центром, а с другим участком фермента. При этом он не мешает взаимодействию субстрата с ферментом, но может препятствовать распаду фермент-субстратного комплекса. В этом случае степень торможения определяется концентрацией ингибитора, уменьшается максимальная скорость, и процесс описывается следующим уравнением:

,

где μ_мах – максимально возможная скорость в отсутствии ингибирования, ч^–1;

– максимально возможная скорость в присутствии ингибитора, ч^–1.

При очистке концентрированных сточных вод может наблюдаться так называемое субстратное ингибирование. В условиях высокой концентрации субстрата может осуществляться взаимодействие промежуточных продуктов ферментативной реакции с еще одной (или несколькими) молекулами субстрата. В результате образуется комплекс, не дающий конечных продуктов реакции.

Степень ингибирования субстратом можно уменьшить различными способами:

– снижением концентрации субстрата, т. е. концентрации загрязнений в случае очистки сточных вод;

– увеличением концентрации фермента, т. е. дозы активного ила;

– снижением величины константы скорости реакции за счет длительной адаптации активного ила.

Влияние концентрации кислорода. Зависимость скорости аэробного процесса от концентрации растворенного кислорода можно описать уравнением

,

где С_к – концентрация растворенного кислорода, мг/дм³;

K_к – константа насыщения по кислороду, мг/дм³.

Двойное уравнение Моно учитывает влияние на скорость аэробного окисления и субстрата, и кислорода:

.

Из этого уравнения следует, что влияние концентрации растворенного кислорода на скорость процесса наиболее ощутимо при отсутствии лимитирования субстратом. Поэтому максимальное повышение скорости окисления загрязнений за счет увеличения концентрации растворенного кислорода возможно при неполной очистке концентрированных сточных вод либо на начальных стадиях многоступенчатых схем.

Влияние дозы ила. Выше отмечалось, что увеличение дозы ила в аэротенке сдерживается ухудшением его осаждения во вторичных отстойниках и увеличением энергетических затрат на аэрацию. С другой стороны, исследования показывают, что скорость окисления прямо пропорциональна концентрации беззольного вещества активного ила только в небольшом диапазоне его концентраций (1–7 г/л). Одной из причин снижения активности окисления загрязнений активным илом при увеличении его концентрации считают ингибирующее влияние продуктов метаболизма. Кинетика процесса в этом случае описывается уравнением для неконкурентного ингибирования, где ингибитором выступают продукты метаболизма ила:

,

где Р – концентрация продуктов метаболизма ила, мг/дм³;

K_p – константа насыщения по продуктам метаболизма, мг/дм³.