Гостиница Ярвил

Более глубокие вариации состава или количества поступающего в систему ила вызывают серьезные нарушения хода процесса, связанные с резким падением значе­ния рН и скорости образования метана, а также с быстрым повышением концентрации летучих кислот в продукте процесса. Как показывают расчеты, резкое повышение концентрации ток­сичного агента также приводит к нарушению режима процесса, если концентрация этого агента превышает некоторое пороговое значение.

Итак, рассматриваемая модель качественно вполне удовлет­ворительно описывает некоторые стороны динамики процесса анаэробной переработки ила. Дальнейшее изучение и совершен­ствование этой модели будет способствовать, с одной стороны, развитию наших представлений о таком сложном процессе, а с другой — улучшению методов проектирования соответствую­щих биореакторов и управления ими. Действительно, в работах Эндрюса и других исследователей содержится ряд конкретных предложений, направленных на разработку принципов управле­ния процессом анаэробной переработки ила и методов обнару­жения возможных отклонений от режима [5—7]. В приведен­ном ниже примере рассмотрена одна из наиболее интересных схем управления, предложенных этими исследователями. Сле­дует подчеркнуть, что необходимой составной частью разработ­ки систем управления процессом является математическая мо­дель, отражающая известные важнейшие детали динамики реального процесса.

Пример 14.3. Моделирование методов управления процессами анаэробной переработки ила. Граеф и Эндрюс рассматривали следующие четыре метода управления процессами анаэробной переработки ила: 1) частичное поглоще­ние и рециркуляция газа; 2) добавление основания; 3) рециркуляция био­массы; 4) снижение скорости потока суспензии ила. Поскольку первый метод управления наименее типичен и поскольку в нем используется часть модели, описывающая ионное равновесие, то здесь мы сосредоточим внимание именно на методе управления путем частичного поглощения и рециркуляции газа.

(Третий и четвертый методы управления рассмотрены в упражнении 14.9.)

На рис. 14П3.1 представлена схема, иллюстрирующая принцип этого ме­тода управления. Как показано на рисунке, часть газа, образующегося в про­цессе анаэробной переработки ила, отделяют, пропускают через скруббер для поглощения CO2 и затем вновь возвращают в биореактор. Значение рН в био­реакторе определяет, какая доля CO2 будет поглощаться при прохождении через эту рециркуляционную линию. Если значение рН в биореакторе падает .ниже определенной пороговой величины, то скорость газового потока через скруббер повышают.

Удаление C02 из отходящих газов приводит к снижению концентрации углекислоты и в жидкой фазе, что вызывает повышение рН.

Такой довольно своеобразный подход к регулированию рН имеет несколь­ко потенциальных преимуществ перед обычными методами, основанными на добавлении основания. Добавление концентрированных растворов щелочей может приводить к образованию (по крайней мере временному) зон с чрез­вычайно высоким значением рН, в то время как рН всей системы при этом практически останется на прежнем уровне. Более того, содержащиеся в щело­чи катионы металлов могут оказаться токсичными по отношению к популя­циям микроорганизмов в биореакторе. При другом способе подщелачивания — добавлении извести — возникает ряд трудностей, связанных с образованием нерастворимого карбоната кальция.

После проверки предложенной ими системы управления Граеф и Эндрюс пришли к выводу, что лучшие результаты достигаются при одновременном регулировании на нескольких уровнях. В предложенной ими схеме имеются два частично перекрывающихся диапазона рН, в которых производится вклю­чение или выключение потока рециркулирующего газа (скорость потока рав­на QR):

На рис. 14П3.2 представлены результаты изучения отклика биореактора для анаэробной переработки ила (с регулированием скорости потока через скруббер по принципу обратной связи) в зависимости от органической пере­грузки. Обратите внимание на то, что система с управлением без последствий переносит резкое повышение концентрации субстрата (питательных веществ) до 40 г/л; при отсутствии управления такой перегрузки более чем достаточно, чтобы вывести биореактор из строя. К сожалению, этот способ управления не может предотвратить нарушение режима работы биореактора при гидравли­ческой перегрузке или при резком повышении концентрации токсичных ве­ществ. Преимущества и недостатки этих и других методов управления био­реакторами для анаэробной переработки ила суммированы в табл. 14П3.1,

Таблица 14П3.1. Методы управления процессами анаэробной переработки ила

В каждом случае регулирование переменной осуществляли способом «включено — выключено»а

Из указанных здесь результатов моделирования следует, что для устойчивой работы биореактора для анаэробной переработки ила при наличии перегрузок всех трех типов необходима схема управления с несколькими измеряемыми переменными, например рН и скоростью образования метана. В соответствии с результатами этих измерений далее следует регулировать другие параметры системы (например, скорость рециркулирующего газа и время пребывания: газа и ила).

Анаэробная денитрификация

В анаэробных условиях многие бактерии, которые могут утилизировать органические вещества и использовать нитрат и нитрит в качестве акцепторов электронов, восстанавливают азотсодержащие соединения. В конечном счете при этом реали­зуются два независимых механизма восстановления:

1. При ассимилирующем восстановлении нитрата часть азотсо­держащих соединений превращается в аммиак, который включается в клеточную биомассу.

2. При диссимилирующем восстановлении конечным продуктом является молекулярный азот.

Поскольку не все бактерии могут осуществлять оба превра­щения, можно записать две независимые реакции:

N03- +органические вещества —>■ 6HOMacca + N02-+C02 NC>2--f-органические вещества —>• биомасса+N2+CO2

Наблюдаемые на практике концентрации нитрита очень низки, поэтому часто достаточно и одного суммарного уравнения, пре­дусматривающего образование биомассы и iN2.

Для достижения необходимой степени превращения нитрата можно добавлять к системе органические вещества. Ранее в ка­честве источника углерода и энергии применяли метанол, обес­печивающий относительно низкий выход биомассы, но вследст­вие повышения его стоимости использование метанола стало невыгодным.

Рост биомассы в конце концов приводит к засорению реактора; следовательно, для успешного использо­вания этого нового метода денитрификации необходимы даль­нейшие проектные и конструкторские разработки.

Отделение фосфорсодержащих соединений

В необработанных сточных водах фосфор обычно содержится в концентрации около 10 мг/л в виде ортофосфата, дегидра­тированного ортофосфата (полифосфата) и органических фос­форсодержащих веществ. Процессы биологической очистки сточ­ных вод приводят к превращению большинства фосфорсодержа­щих соединений в ортофосфат (Н2Р04~, НР042~, Р043~). Эти ионы можно отделить осаждением, если соответствующие инст­рукции требуют снижения содержания фосфора в очищенной воде. Для осаждения ортофосфата можно применять соли каль­ция или алюминия:

Если в качестве источника Са2+ применяют известь, то осаж­дение ортофосфата обычно осуществляют после биологической очистки. Если же осаждающим агентом являются соли алюми­ния (или железа), то эта операция может быть совмещена с операцией образования активного ила или же осуществлена в первичном отстойнике (рис. 14.8).

<< назад верстка брошюры