CC BY
109
БИОХИМИЯ И БИОТЕХНОЛОГИЯ
УДК 628.3
С. А. Понкратова, О. А. Дмитриева СТЕХИОМЕТРИЯ ПРОЦЕССОВ АЭРОБНОЙ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
Ключевые слова: биологическая очистка, аэротенк, математическое моделирование, компьютерная модель, очистка
сточных вод, стехиометрия, нелинейная кинетика.
Рассмотрены балансовые уравнения системы водоочистки с активным илом. Получены расходные коэффициенты для балансовых уравнений. Приведены формулы расчёта истинного экономического коэффициента и коэффициента энергии поддержания для различных компонентов.
Keywords: biological cleaning, aerotank, mathematical modeling, computer simulations, waste water treatment, stechyometric,
nonlinear kinetics.
Considered the balance equations of waste water treatment with activated sludge. Expendable ratios for the balance equations are obtained. The formulas calculate the true economic coefficient and the coefficient of energy to maintain the various components.
Наиболее существенной ошибкой, встречающейся во многих методиках расчёта процессов водоочистки, является предположение о постоянстве экономического коэффициента прироста биомассы активного ила. Такое мнение не оправдано с позиций физиологии микроорганизмов [1] и затрудняет понимание процессов, протекающих в биохимическом реакторе-утилизаторе.
Основную роль в процессе очистки сточных вод играют процессы превращения вещества, протекающие внутри клеток
микроорганизмов. Эти процессы заканчиваются окислением вещества с выделением энергии и синтезом новых веществ с затратой энергии.
Как известно [2] потребление субстрата микроорганизмами идёт на поддержание их жизнедеятельности и построение биомассы. Поскольку соотношение расходов субстрата по этим двум направлениям зависит от физиологического состояния микроорганизмов, а последнее, в свою очередь, от условий культивирования, соотношение потребленного субстрата и приросшей биомассы меняется в зависимости от технологических параметров процесса.
Общую направленность процессов аэробного окисления, осуществляемых
бактериями-гетеротрофами, можно условно описать следующими схемами:
1. Окисление органических веществ в процессе энергетического обмена:
(І)
СхНуОгМда + а1002 а1с СО 2 + а1н Н2О + а1м ЫН 3 — АН,
где а10 = х + — — — ——, а1с = х, а1н = -——,
0 4 2 4 с н 2
а1м = \м
2. Синтез биомассы клеток микроорганизмов в процессе конструктивного обмена:
a2LCxHyOzNw + a2N NH 3 + a2O O2 ^
CaHbNcOd + a2CCO2 + a2HH2O + AH,
(2)
где a2L = a +(x 5), a1O = x + 0,25y - 0,5z - 5,
a1C = x - 5,
a2N = w
a2H =||a +(x 5) |y + 3c-y |/2,
З. Окисление органических веществ, входящих в состав клеток микроорганизмов:
CaHbOcNd + a 3 O O 2 ^
a3c CO 2 + a3H H 2O + a3NNH 3 - AH,
(З)
где
a3H =
a3O =1 2a
b - 3c 2
-d | /2,
a3C = a,
b - 3c 2 ,
a3N = c
Условно принятые обозначения:
СхНу02Ыда - все органические вещества сточных вод (молекула субстрата); СаНьЫс0й -условная молекула биомассы (С5Н7Ы02 - среднее соотношение основных элементов в клеточном веществе бактерий); ДН - энергия; аш -стехиометрический коэффициент, стоящий перед компонентом I в реакции п, где п принимает значение: 1 - уравнение энергетического обмена, 2 - уравнение конструктивного обмена роста биомассы при потреблении субстрата, 3 -
окисление органических веществ.
Количество кислорода, необходимое для окисления органических примесей в ферментативных реакциях конструктивного и энергетического обмена (1, 2), характеризует полное БПК. Образующийся аммиак окисляется нитрифицирующими бактериями до нитратов. После окисления органических примесей сточных
вод происходит разложение содержимого клеток микроорганизмов (3).
Коэффициенты (х.у.7) и
среднестатистическое соотношение между
основными элементами могут отличаться для разных групп микроорганизмов. Поэтому эта схема весьма условна, но с помощью её можно проследить общий ход процессов преобразования органических веществ при аэробных способах очистки сточных вод.
Несмотря на существенные различия в составе сточных вод от различных источников загрязнения, элементный химический состав активных илов достаточно близок. Например, химический состав активного ила системы очистки коксохимического завода отвечает формуле
Сэ7Н19дО53М2882, завода азотных удобрений -С90Н-|67О52М2488 и городских сточных вод -С54Н212О82Мз87 [3].
Из уравнения конструктивного обмена
0хИу02 + ыиз + О2 ^ С5И71\Ю2 + 002 + и20 + А и
(4)
были получены коэффициенты (х,у,7) для среднего соотношения основных элементов молекулы субстрата и общее уравнение тогда принимает вид:
С6И603 + ыи3 + 02 ^ С5И7Ы02 + С02 + И20 + А И
(5)
По данному соотношению составлены уравнения для активного ила сточных сооружений химического завода
С116,4И170,6°79,5Ы28 + а1002 ^
а1сС02 + а1иИ20 + а1ыЫИз — АИ
а2ЬС116,4И170,6 0 79,5Ы28 + а2ЫЫИ3 + а2002 ^ С97И199Ы53028 + а2СС02 + а2иИ20 + АИ
С 97 И199 0 53 Ы 28 + а3002 ^
а3СС0 2 + а3иИ20 + а3 ы ЫИ 3 — А И
(6)
(7)
(8)
Запишем коэффициенты уравнений (6-8) в виде матрицы
02 ЫИ3 X С02 И20
(1) а1ь а10 а1ы а1х а1С а1и
(2) а2ь а20 а2ы а2х а2С а2и
(3) а3Ь а30 а3ы а3х а3С а3и
где (1), (2), (3) - уравнения энергетического обмена, конструктивного обмена и окисления соответственно.
Стехиометрические коэффициенты для уравнений (6-8) рассчитывали из системы
уравнений баланса по субстрату, биомассе активного ила и кислороду.
Результирующая матрица составила:
02 ЫИ3 X С02 И20
(1) — 1 — 98,3 28 0 116,4 43,3
(2) —1,79 —114,3 8 2 — 1 111,4 109,42
(3) 0 — 99,75 28 —1 97 57,5
Зависимость экономического
коэффициента УХ/|_, выражаемого грамм биомассы на грамм субстрата, от удельной скорости роста микроорганизмов имеет вид:
Ух
(10)
т + ц/УЕв
где т - константа энергетического обмена, 1 г субстрата на 1 г биомассы в 1 ч; ц - удельная скорость роста микроорганизмов, час-1; Уес -истинный экономический коэффициент, 1 г
биомассы на 1 г субстрата.
Константа энергетического обмена, так называемый коэффициент энергии поддержания, по Перту [3] есть
т = а/Увз,
(11)
где а - удельная скорость поддержания, которая может рассматриваться как скорость оборота биомассы; это удобный показатель для сравнения скорости оборота компонентов биомассы и потребности в энергии, расходуемой на процессы поддержания. По имеющимся данным, скорость обновления белка в растущих бактериях составляет 0,006 ч-1 (0,6% ч),
увеличиваясь в десять раз при прекращении роста.
В работе [4] показано, что система активный ил - сточная вода в проточном реакторе подчиняется соотношению (10).
Проведены расчеты экономического коэффициента в зависимости от удельной скорости роста по модели Моно. Показано, что увеличение УХ/|_ сопровождается увеличением скорости роста биомассы и замедлением скорости потребления субстрата.
С учётом изложенного и на основании полученных экспериментальных данных по формулам (12)-(16) были рассчитаны значения величин т и УЕ0. Полученные данные приведены в таблице 1.
Уе-с = 4Х = -^. т- = -£- (12)
У02 _ ’ЕС _
АЬ a2LML ’
АХ М*х
У
А02
а20М02
т02 _
ЕС
а
У°2
’ЕС
(13)
^С02 _ ’ЕС “
АХ
АС02
Мх
а2СМС02
т
С02
уыи3 _ АХ ЕС _АЫИ3
Мх
а2|\|Мми3
т
\И3
уС0 2 ’ЕС
У\И3
’ЕС
уИ20 _ ’ЕС "
АХ
АИ20
Мх
а2ИМИ20
ти20 _
уи20
’ЕС
(14)
(15)
(16)
где Мх - молекулярная масса биомассы с учётом зольных элементов; М_ М0з, МС0>2, МыИ3, МИз0 -
молекулярные массы субстрата, кислорода,
углекислого газа, аммиака и воды, г/моль; т_, т°2 - коэффициенты расходования субстрата и кислорода в процессе поддержания
жизнедеятельности; т°°2, тыИ3, тИ2<0 -
коэффициенты образования углекислого газа, аммиака и воды в процессе поддержания
_
ЕС :
У
ЕС :
уС02 уЫИ3
ТЕС 5 ’ЕС
жизнедеятельности; У
УеН(|0 - истинные экономические коэффициенты,
определяющие потребление на конструктивные цели субстрата, кислорода, аммиака и образование углекислого газа и воды соответственно.
Таблица 1 - Значения истинного
экономического коэффициента и константы энергетического обмена для различных компонентов
Коэффициент _ 02 С02 ЫИ3 И20
Уес 0,643 1,017 0,759 7,812 1,888
т, ч-1 0,009 0,006 0,008 0,001 0,003
Величина, характеризующая расход компонентов на единицу биомассы, и обратная экономическому коэффициенту, называется расходным коэффициентом. Запишем выражения для расходных коэффициентов через истинные экономические коэффициенты и удельную скорость:
У _ 1
г_/х _ ТТ
Т р=<
_
т
+ — ЕС Ц
У
т°2
0^Х
У02
УЕС
(17)
(18)
У
т
С02
С02/Х
^С02
УЕС
У
т
Ц
\И3
1\И3/Х
У
У
ЕС
1
т
Ц
И20
и20/Х
УИ20
УЕС
Ц
(19)
(20)
(21)
Для моделей Моно и Герберта по формулам (17) - (21) получены следующие значения расходных коэффициентов (табл. 2.)
Таблица 2 - Значения расходных
коэффициентов
Коэффициент Модель Моно Модель Герберта
У1_/Х , г ь/г х 4,17 3,70
У02/Х’ г 02/г X 2,64 2,32
УС0 2/Х , г С02/г Х 3,54 3,12
У\1Н3/Х’ г ыи3/г х 0,34 0,30
Уи20/Х, г И20/г Х 1,42 1,25
Таким образом, расходные
(стехиометрические коэффициенты) балансовых уравнений являются количественной оценкой преобразования компонентов питательной среды в целевой продукт биосинтеза. Они также являются необходимой составной частью кинетических моделей роста для описания поведения систем биологической очистки сточных вод [5].
Литература
1. Иванов, В.Н. Стехиометрия и энергетика микробиологических процессов / В.Н. Иванов, Е.В. Стабникова. - Киев: «Наукова Думка», 1987. - 152 с.
2. Перт, С.Дж. Основы культивирования микроорганизмов и клеток. - М: Мир, 1978. - 336 с.
3. Родионов, А.И. Техника защиты окружающей среды / А.И. Родионов, В.Н. Клушин, Н.С. Торочешников. -М.: Химия, 1989. - 512.
4. Цыганков, С.П. Стехиометрия процессов аэробной биохимической очистки сточных вод / С.П. Цыганков, О.П. Смирнов, А.Н. Дергилева, Т.П. Слюсаренко // Водные ресурсы, 1984. - №3. - С. 142-146
5. Понкратова, С.А. Математическое моделирование и управление качеством очистки сточных вод / С.А. Понкратова, В.М. Емельянов, А.С. Сироткин, М.В. Шулаев // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. -№ 6. - С. 76 - 85.
© С. А. Понкратова - канд. техн. наук, доц. каф. химической кибернетики КНИТУ, kiberponk@front.ru; О. А. Дмитриева - ведущий электроник той же кафедры.
а
1
+
1
а
+
а
+
1
+
Ц
