5.1 Принципы очистки сточных вод

Все методы очистки сточных вод подразделяют на три группы:

· механические

· физико-химические

· биологические

Использование механических методов приводит к выделению примесей из воды без изменений их химических свойств. Грубодисперсные частицы в зависимости от размеров улавливаются отстойниками, решетками, ситами, песколовками, нефтеловушками и др. Например, для выделения из сточных вод крупных частиц песка, известняка, гипса используют песколовки. Для выделения из сточной воды взвешенных веществ, частицы которых имеют большую или меньшую плотность, чем плотность воды, применяют отстаивание. При этом тяжелые частицы осаждаются на дно под действием силы тяжести, а легкие всплывают на поверхность. Механическая очистка применяется, как правило, на первой стадии очистки.

При физико-химическом методе очистки из сточных вод удаляются тонко дисперсные, растворенные неорганические и органические вещества. К этим методам относятся коагуляция, флокуляция, окисление, сорбция, ионообменный метод, экстракция, электролиз и электрокоагуляция.

Биологический метод очистки сточных вод основан на способности микроорганизмов, использовать органические вещества, находящиеся в сточных водах, в качестве источника питания, в результате чего происходит их окисление загрязняющих веществ. Биологические методы очистки подразделяют на аэробные, анаэробные и комбинированные. Биологическая очистка сточных вод представляет собой результат функционирования системы активный ил -- сточная вода. Активный ил - это сложное сообщество микроорганизмов различных систематических групп: бактерий, простейших, грибов, вирусов и др.

5.2 Кинетика биологических процессов [4]

Сорбция органических веществ микроорганизмами существенного значения в механизме биологической очистки сточных вод не имеет. Основная роль принадлежит процессам превращения вещества внутри клетки, а интенсивность и эффективность биологической очистки определяется скоростью размножения бактерий.

Рассмотрим пути использования основных положений химической кинетики для оценки скорости метаболических превращений.

На скорость химической реакции влияет изменение температуры и концентрации загрязняющего вещества.

a) влияние температуры на скорость химической реакции

Скорость реакции определяется, как изменение количеств реагирующих веществ в единицу времени, в частности, при постоянном объеме системы вместо массы обычно используют концентрацию, тогда

где С и С` - концентрации исходного вещества и продукта реакции соответственно.

Влияние температуры на скорость химической реакции описывает уравнение С. Аррениуса

где А - предэкспоненциальный множитель; E - энергия активации; R - универсальная газовая постоянная; T - температура.

Константы уравнения А и Е не зависят (или мало зависят) от температуры.

Реакция может произойти только в том случае, когда энергия эффективных столкновений молекул реагентов превысит их средний уровень энергии на величину Е (рис.5.1). Энергия активации представлена в виде энергетического «барьера».

Рис. 5.1 Энергетические схемы прохождения реакций

Зная энергию активации, можно рассчитать константу скорости реакции (К2) при температуре Т2, если она известна при температуре Т1. Логарифмируя уравнение (5.1), далее записывая его для двух температур, вычитая одно уравнение из другого и учитывая, что Е и А не зависят от температуры получаем

Исходя из этого уравнения можно определить энергию активации, знак константы скорости реакции при двух температурах.

Теоретическое обоснование уравнения Аррениуса дала теория переходного состояния Эйринга и Поляни. Основное уравнение этой теории раскрывает смысл энергии активации и предэкспоненциального множителя

где NA = 6,02*1023 - число Авогадро; h = 6,625*10-34 Дж*с - постоянная Планка; - энтропия образования переходного состояния; - энталь-пия образования переходного состояния.

b) влияние концентрации реагирующих веществ на скорость химической реакции

Скорость реакции по закону действующих масс пропорциональна концентрациям реагирующих веществ. Для реакции (5.6) скорость реакции равна

где nA и nB - частные порядки реакции по компоненту «А» и компоненту «В» соответственно.

Константа скорости реакции не зависит от концентрации реагентов и времени реакции.

В закрытых системах концентрация исходных веществ со временем уменьшается, и скорость реакции падает. В открытых системах при стационарном процессе (большинство процессов в проточных промышленных реакторах) концентрации реагирующих веществ и скорости химического процесса в данной области реактора остаются постоянными.

Следует заметить, что при увеличении начальной концентрации загрязняющего вещества в 10 раз не значительно повлияет на скорость химической реакции, а, следовательно, на время очистки, что далее будет приведено в расчетах.

5.3 Расчет кинетики биологической очистки низкоконцентрированных растворов от органических веществ

Кинетику биологической очистки сточных вод будем рассчитывать исходя из следующих данных: К1 = 0,32 ч-1, К2/К1 = =2,7, t1 = 17 0C, t2 = 27 0С, при этом порядок реакции (n) примем равный 1.

Направим разбавленный раствор с концентрацией C0 = 16,47 г/л на биологическую очистку. Необходимо произвести снижение концентрации N-метил-формамида до ПДК Cк = 10 мг/л путем биохимического разложения.

Известно, что разложение N-метилформамида описывается кинетическим уравнением первого порядка с константой скорости К1 = 0,32 ч-1 при температуре 17 0С.

Уравнение кинетики первого порядка

Разделяем переменные и интегрируем это уравнение

где С0, С - концентрации C2H5NO в моменты времени 0 и ф.

Подставляем в него исходные данные. При этом концентрацию С0 разбавляем в 10 раз, т.е. С0 = 16470/10 мг/л = 1647 мг/л. В конце получаем уравнения, которые позволяют прогнозировать изменение концентрации C2H5NO и скорости процесса во времени.

Для построения кинетической кривой по уравнениям (5.9) и (5.10) рассчитываем изменение концентрации и скорости процесса в произвольные моменты времени до достижения концентрации N-метилформамида ниже ПДК. Полученные данные сводим в таблице 5.1.

Таблица 5.1 - Кинетика биохимического разложения C2H5NO

Из таблицы 5.1 видно, что ПДК может быть достигнута за время менее 18 ч. Скорость разложения N-метилформамида велика в начале процесса, когда концентрация N-метилформамида в растворе большая, а затем быстро уменьшается из-за снижения движущей силы процесса - разницы рабочей и равновесной концентраций. Кинетические кривые, построенные согласно вычислениям, приведены на рисунке 5.2: наблюдается линейная зависимость lnC = f (ф), конечный участок кривой представлен в большем масштабе (правая ось и правая кривая).

Время достижения ПДК можно вычислить по уравнению (5.9)

Кроме концентрации на скорость существенное влияние оказывает температура. В данном случае при увеличении температуры до 27 0С константа скорости возросла в два раза. Это позволяет вычислить энергию активации E и с помощью уравнения Аррениуса (5.2) прогнозировать скорость процесса при изменении температуры.

Решая систему уравнений (5.2) и (5.3), вычисляем энергию активации E и предэкспоненциальный множитель K0:

Рис. 5.2 Кинетические кривые очистки раствора от C2H5NO

Таким образом, для данного процесса уравнение Аррениуса можно записать в виде

Энергия активации E = 71,8 кДж/моль> 30 кДж/моль характерна для кинетической области протекания процесса биологической очистки. Дополнительную информацию о процессе можно получить из уравнения кинетики переходного состояния (5.5):

Полученные данные позволяют вычислить :

Энергия Гиббса образования переходного состояния будет равна

т.е. в данном случае основное значение при образовании переходного состояния имеет энергетическая составляющая (), энтропийный член ( на несколько порядков ниже.