БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ №6
БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Наиболее полная очистка производственных сточных вод, содержащих
органические вещества в растворенном состоянии, достигается биологическим
методом. Основной процесс, протекающий при биологической очистке ПСВ –
биологическое окисление. Биологическая очистка ПСВ осуществляется сообществом
микроорганизмов, включающим множество различных бактерий. простейших и ряд
более высоко организованных организмов – водорослей, грибов и т.д., связанных
между собой в единый комплекс сложными взаимоотношениям. Процесс этот по своей
сущности природный, и его характер одинаков для процессов, протекающих в водоеме
и очистных сооружениях.
1 БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД
В ЕСТЕСТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ
1.1 ПОЧВЕННАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Методы почвенной очистки сточных вод основаны на способности самоочищения
почвы. Осуществляется такая очистка на полях орошения или на полях фильтрации.
Полями орошения называются специально подготовленные и спланированные
земельные участки, предназначенные для очистки сточных вод и для выращивания на
них сельскохозяйственных культур. Если земельные участки предназначаются только
для очистки сточных вод они носят название полей фильтрации.
Очистка сточных вод в обоих случаях происходит в результате совокупности
сложных физико-химических и биологических процессов. Сущность процесса очистки
состоит в том, что при фильтрации сточных вод через почву в верхнем ее слое
задерживаются взвешенные и коллоидные вещества, образующие на поверхности
частичек почвы густозаселенную микроорганизмами пленку. Используя кислород,
проникающий из атмосферы в поры почвы, микроорганизмы переводят органические
вещества в минеральные соединения. Таким образом, наличие кислорода является
необходимым условием нормального хода процесса. Так как с точки зрения
кислородного режима верхние слои почвы (0,2–0,3 м) находятся в более благоприятных
условиях, то именно в этих слоях и происходят наиболее интенсивное окисление
органических веществ и процесс нитрификации. Отсюда вытекают требования,
которые предъявляются к отводимой под поля орошения или фильтрации территории, к
свойствам грунтов, а также к качеству и объему ПСВ , которая может быть очищена на
1 га площади полей.
Степень очистки сточных вод на полях орошения и полях фильтрации
значительно снижается в зимнее время в силу замедления и даже прекращения
биологических процессов при низких температурах. В этот период поля всех видов
работают преимущественно как накопители, задерживая в почве сточные воды и
находящиеся в них вещества путем поверхностного намораживания.
Как уже указывалось, при устройстве полей орошения преследуют две цели: а)
санитарную  очистка сточных вод и б) селькохозяйственную  использование сточных
вод как источника влаги, а содержащихся в ней веществ как удобрения.
Поля
орошения
устраивают
в
различных
климатических
районах,
за
исключением северных. Эти поля отличаются небольшой (5  20 м3/га) суточной
нагрузкой
сточных
вод.
Для
устройства
их
не
требуется
предварительной
горизонтальной планировки орошаемых участков (можно ограничиться только
выравниванием микрорельефа), что расширяет область их применения. Однако
применение таких полей носит пока ограниченный характер в связи с рядом серьезных
организационных затруднений, возникающих при их эксплуатации.
ПСВ могут быть смешаны с бытовыми сточными водами, которые содержат
значительное число патогенных бактерий и яиц гельминтов. Поэтому при устройстве и
эксплуатации полей орошения любого типа должны соблюдаться определенные
санитарные требования. В частности, запрещается орошать неочищенными сточными
водами поля при выращивании на них овощей, употребляемых в пищу в сыром виде.
Предварительное отстаивание сточной воды обеспечивает выделение из нее 50 
60% общего числа бактерий вместе с крупными взвешенными веществами в осадок.
Таким образом, сточная вода после отстаивания в бактериальном отношении менее
опасна. Путем искусственной биологической очистки сточных вод можно снизить
число бактерий на 90  95%; санитарная опасность при орошении такой водой
практически невелика.
Концентрация питательных элементов (азота, фосфора и калия) в бытовых
сточных водах зависит от нормы водоотведения. В них содержится 15  60 мг·л-1 азота,
3 12 мг·л-1 фосфора, 6 25 мг·л-1 калия. Соотношение между основными элементами
питания растений азотом, фосфором и калием, содержащимися в сточных водах,
составляет 5:1:2, тогда как в навозе это соотношение 2:1:2. Таким образом, сточные
воды являются удобрением с повышенным содержанием азота, способствующего
развитию растений.
Для орошения могут быть использованы также ПСВ, которые не содержат
ядовитых веществ в объемах, вредно влияющих на рост растений. Общее содержание
солей не должно превышать 3  4 г·л-1, в том числе питательных солей 11,5 г·л-1. При
большем содержании солей в сточных водах требуется их специальная подготовка
(разбавление, нейтрализация и т.д.).
1.2 ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД В БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРУДАХ
В биологических прудах, которые представляют собой искусственно созданные
водоемы, для очистки ПСВ также используются естественные процессы. Эти
сооружения можно использовать для глубокой очистки (доочистки) ПСВ, прошедших
биологическую обработку. Существуют биопруды с естественной и искусственной
аэрацией.
Глубина прудов с естественной аэрацией обычно не превышает 1м. Для
искусственной аэрации используют либо механические аэраторы, либо пропускают
(барботируют) воздух через слой воды. Глубина прудов с искусственной аэрацией
обычно достигает 3м. Как правило, пруды с искусственной аэрацией объединяют в
несколько параллельных каскадов.
В окислительных процессах протекающих в биопрудах, существенную роль
играет водная растительность, которая способствует снижению концентрации
биогенных элементов и регулирует кислородный режим водоема. Продолжительность
очистки ПСВ в биопрудах достаточно велика. Так, время полного окисления в прудах с
естественной
аэрацией
спиртов,
фенолов, карбоновых
кислот,
ароматических
углеводородов составляет 40,44, 60 и 80 суток соответственно. В биопрудах с
искусственной аэрацией время полного окисления тех же веществ уменьшается
примерно в 4-5 раз и составляет 10,11,12 и 17 суток соответственно.
ПСВ, обработанные в биопрудах, рекомендуется дополнительно очищать в
отстойных секциях. Для глубокой очистки стоков воду из прудов необходимо
пропускать через песчаные фильтры.
К недостаткам биопрудов следует отнести низкую скорость биологического
окисления, сезонность работы, потребность в больших территориях.
2 БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД В ИСКУССТВЕННЫХ
УСЛОВИЯХ
Биологическое окисление ПСВ в искусственных условиях осуществляется в
биофильтрах, погружных биофильтрах и аэротенках. Скорости аэробного окисления
при биологической очистке ПСВ вод изменяются в широких пределах  от 10 до
30 мг БПК5 на 1г беззольного вещества активного ила в 1 ч и являются функцией
видового и количественного состава активного ила (или биопленки), начальной
концентрации загрязнений, требуемой степени очистки, биохимической структуры
загрязнений, а также физических параметров процесса (интенсивности перемешивания,
рН, температуры и т. д.). Наибольшая скорость биологического окисления загрязнений
достигается в аэротенках, работающих с высокими дозами активного ила, и в
окситенках, снабжаемых техническим кислородом.
Способ биологической очистки в аэробных условиях эффективен, если
содержащиеся в производственных сточных водах органические и минеральные
вещества способны окисляться в результате биохимических процессов и если условия
среды (концентрация растворенного кислорода, величина рН, температура и
концентрация
в
воде
вредных
веществ)
являются
оптимальными
для
жизнедеятельности микроорганизмов.
Во всех случаях очищаемая вода должна содержать необходимое количество
биогенных элементов (азота, фосфора, калия и др.). Многие ПСВ приходится
подвергать предварительной обработке и добавлять в них биогенные элементы.
Минимальные количества биогенных элементов для интенсивного биохимического
процесса очистки смеси бытовых и производственных сточных вод составляют 5 мг·л-1
азота и 1 мг·л-1 фосфора на 100 мг·л-1 БПКполн.
Кроме основных биогенных элементов необходимы также Mg, Ca, S, Fe и др.;
эти элементы имеются в сточных водах в достаточном количестве, поэтому обычно
добавлять их не приходится.
Биогенные элементы наиболее легко усваиваются в том случае, когда они
находятся в соединениях, аналогичных соединениям протоплазмы клетки. Например,
азот в веществах клетки содержится в восстановленном состоянии (NH4+), фосфор – в
окисленном состоянии (в форме РО43-). Недостаток биогенных элементов тормозит
процесс биохимического окисления; искусственная добавка их стимулирует рост
бактерий, и, следовательно, интенсифицирует окисление органических веществ.
Длительный недостаток азота при биологической очистке сточных вод приводит также
к образованию трудно оседающего активного ила и к потерям его в результате выноса
из вторичных отстойников. В жизни микроорганизмов чрезвычайно велика и роль
фосфора, так как он входит в состав наиболее активных веществ клетки, в частности 
в состав ферментов. При недостатке в сточных водах фосфора в активном иле
развиваются нитчатые формы бактерий, обусловливающие медленное его оседание,
происходит замедление роста активного ила и снижение интенсивности окисления
органических веществ. В качестве источников биогенных элементов применяют
дигидроортофосфат аммония, ортофосфат калия, нитрат аммония, дигидроортофосфат
кальция и др.
Поскольку прирост микроорганизмов при окислении различных веществ
различен; то при биологической очистке ПСВ в каждом конкретном случае
необходимое
количество
биогенных
элементов
должно
устанавливаться
экспериментально.
Роль остальных элементов еще недостаточно ясна, однако имеющиеся
экспериментальные данные показывают, что повышение в сточной воде концентрации
таких элементов, как железо, до 5 мг·л-1 и магния (в виде MgSО4 · 7H2О) до 8 мг·л-1
приводит к стимуляции процесса биологической очистки ПСВ.
Окисление загрязнений сточных вод протекает тем полнее, чем больше
отношение БПКполн : ХПК (отношение БПКполн : ХПК должно быть не менее
0,4).
Как показывает опыт, биохимическому окислению легко поддаются низшие
одноатомные спирты, сложные эфиры, карбоновые кислоты. Легко окисляются также
бензойная кислота, гликоли, ацетон, глицерин, анилин и ряд других веществ. При
длительной адаптации микроорганизмов достигается распад даже таких устойчивых
соединений, как толуол, ксилол, углеводороды нефти, хлорзамещенные углеводороды
и др. Однако окисление некоторых из органических веществ происходит настолько
медленно, что содержащие их ПСВ нецелесообразно подвергать биологической
очистке. Наиболее неблагоприятное влияние на ход биохимических процессов
оказывает присутствие в сточных водах солей тяжелых металлов.
В
результате
длительной
направленной
селекции
микроорганизмов,
выращиваемых только на одном веществе, служащем им единственным источником
углерода, могут быть получены такие культуры, которые будут усваивать это вещество
даже при высоких его концентрациях. Эти культуры могут быть успешно использованы
при очистке сточных вод, загрязненных каким-либо одним веществом, например
фенолом;
в
большинстве
же
случаев
целесообразно
использовать
биоценоз
микроорганизмов (активный ил).
Виды микроорганизмов этого биоценоза отбираются в процессе длительной
работы на сточной воде данного состава. Изменение качества очищаемой воды и ее
концентрации
обусловливает
необходимость
адаптации
микроорганизмов.
Их
способность к адаптации имеет большое значение при биологической очистке
производственных сточных вод.
Процесс очистки протекает более устойчиво и полно в тех случаях, когда
очищают смесь производственных и бытовых сточных вод. Объясняется это тем, что
бытовые воды содержат необходимые биогенные элементы, а также служат для
разбавления. Часто для быстрой инокуляции очистных сооружений микроорганизмами
- минерализаторами к производственным водам добавляют бытовые воды, особенно в
пусковой период. После «созревания» очистных сооружений, когда микроорганизмы
приспособятся к утилизации специфических загрязнений ПСВ, приток бытовых вод
может быть уменьшен или прекращен вообще.
Микробиологическое окисление ПСВ описывается кинетическим уравнением
реакции первого порядка:
k=
1 ln C A0
 CA
или k =
1 2,303 lg C A0 ,
CA

где СА0 – начальная концентрация вещества, вступающего в реакцию;
СА – текущая концентрация вещества*
τ – время, прошедшее от начала реакции. Н
При биологической очистке начальной концентрации вещества соответствует
БПКполн, текущей – (БПКполн – БПКτ), тогда
k=
БПКполн
1 2,303 lg
БПКполн  БПК τ

k* =
БПКполн
1 lg
 БПКполн  БПКτ
.
,
где k* = k/2,303 – константа биоокисления, сут-1.
При потенциировании уравнения получим: БПКτ = БПКполн· (1 – 10–k*τ)
Приблизительно константу биоокисления можно вычислить, если принять, что
окисление растворенных органических веществ на 99% является полным. В этом
случае в ПСВ остается 1% загрязнений, т.е. БПКполн / (БПКполн – БПКτ) = 100.
k* =
1 lg
τполн
БПКполн
1 lg100 = 2/ τ .
=
полн
БПКполн  БПКτ 
Таким образом, k*= 2/ τполн.
Технологические показатели работы
биологических очистных сооружений (БОС):
1. Эффективность (степень) ЭБПК5 очистки ПСВ по БПК5
ЭБПК5 =
БПК 5н  БПК 5к
100%
БПК 5н
2. Нагрузка на единицу объема БОС Нv по БПК5
Нv = Qсв∙24∙БПК5 / Vа общ = 24∙БПК5 / τа ср,
г БПК 5
м 3  сут
,
где Qсв – объемный расход сточных вод, м3·час;-
τ аср – средняя продолжительность аэрации, час.
3. Нагрузка Н на 1г беззольного вещества активного ила по БПК5
Н=
Hv
мг БПК 5
,
Cср (1  Зл) г  сут
где Сср – средняя концентрация (доза) ила в системе;
Зл – зольность (доля минеральных веществ) активного ила.
4. Окислительная мощность ОМ 1 г беззольного вещества активного ила по
БПК5
ОМ = Н ∙ ЭБПК5,
мг БПК 5
г  сут
5. Скорость окисления wок 1 г беззольного вещества активного ила по БПК5
wок = ОМ / 24,
мг БПК 5
г  час
3 ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
Пример1. Смешиваются сточные воды с расходом 2, 10 и 100 тыс.м3·сут-1 и
концентрациями по БПКполн соответственно 500, 380 и 220 мг О·л-1. Определите
БПКполн смеси и отметьте условия, при которых задача может быть решена.
Решение:
Задача может быть решена, если при смешении в стоках не происходит никаких
химических изменений и компоненты не оказывают взаимного токсического или
стимулирующего действия.
БПКполн см.=
 Qi  БПК i
 БПК i
=
2  0,5  10  0,38  100  0, 22
= 0,2366 т·тыс.м-3 = 237 мг
2  10  100
О·л-1.
Ответ: БПКполн смеси равно 237 мг О·л-1.
Пример 2. Вычислите БПК5 и ХПК раствора этанола с концентрацией 200 мг·л-1,
если константа k* процесса окисления (при определении БПК) равна 0,2 сут -1. Удельное
БПКполн спирта равно1,82 мг О·мг-1.
Решение:
Определим удельное ХПК этанола. Уравнение полного окисления этанола:
С2Н5ОН + 3О2 = 2СО2 + 3Н2О.
ХПКуд =
ХПК n  M(O2 )
=
,
Mв-ва
Мв-ва
где n – стехиометрический коэффициент перед кислородом в уравнении полного
окисления вещества;
M(O2) – молярная масса кислорода, г·моль-1
M – молярная масса вещества, г·моль-1.
ХПКуд = 3∙32 / (12∙2 + 1∙6 + 16∙1) = 2,08 мг О·мг-1.
Следовательно, ХПК = ХПКуд ∙ С = 2,08 мгО·мг-1·200 мг·л-1 = 416 мгО·л-1.
БПКполн = БПКполн уд.∙С = 1,82∙200 = 364 мг О·л-1.
Зная БПКполн, вычислим БПК5 по кинетическому уравнению реакции первого
порядка:
БПКτ = БПКполн∙(1 – 10-k*τ);
БПК5 = 364∙(1 – 10-0,2∙5) = 326 мг О·л-1.
Ответ: ХПК раствора этанола равно 416 мг О·л-1, БПК5 этого же раствора – 326
мг О·л .
-1
Пример 3. Вычислите среднюю статистическую простейшую формулу
беззольного вещества и удельное ХПК ила, если анализом по методу сжигания пробы
активного ила найдено, что беззольное вещество имеет следующий состав (масс. %): С–
49, Н – 8, N – 10 О – 33.
Решение:
Обозначим формулу беззольного вещества активного ила СхНуNzOw. Тогда
отношение количеств элементов, входящих в состав вещества, равно
х:у:z:w=
ω(C) ω(H) ω(N) ω(O)
49 8 10 33
: : :
:
:
:
=
= 4,08 : 8 : 0,71 : 2,06
M(C) M(H) M(N) M(O) 12 1 14 16
х : у : z : w = 5,76 : 11,2 : 1 : 2,9 ≈ 6 : 11 : 1 : 3, и формула беззольного вещества –
С6Н11NO3.
Уравнение полного окисления беззольного вещества:
С6Н11NO3 + 14,5О2 = 6СО2 + 0,5N2 + 5,5Н2О
ХПКуд =
ХПК n  M(O2 )
=
,
Mв-ва
Мв-ва
где n – стехиометрический коэффициент перед кислородом в уравнении полного
окисления вещества;
M(O2) – молярная масса кислорода, г·моль-1;
M – молярная масса вещества, г·моль-1.
ХПКуд = 14,5∙32 / (6∙12 + 1∙11 + 14∙1 + 16∙3) = 3,2 г О/г = 3,2 мг О·мг-1.
Ответ: Простейшая формула беззольного вещества активного ила С6Н11NO3.
Удельное ХПК активного ила равно 3,2 мг·мг-1.
Пример 4. Рассчитайте константу скорости биоокисления k*, если
экспериментально установлено, что БПКполн наблюдается на 13 сутки инкубации
пробы. Какую долю от БПКполн в этом случае составляет БПК5?
Решение : Микробиологическое окисление описывается кинетическим
уравнением реакции первого порядка (в логарифмической форме):
k=
БПКполн
1
,
ln
 БПКполн  БПК τ
где k – константа скорости реакции первого порядка, сут-1;
τ – время от начала процесса;
БПКτ – биохимическое потребление кислорода на момент времени τ, мг О·мг-1.
Заменим натуральный логарифм на десятичный и поделим левую и правую
части уравнения на множитель 2,303, получим
k=
БПК полн
2,303
;
lg
τ
БПКполн  БПК τ
1
τ
k* = lg
БПК полн
,
БПКполн  БПК τ
где k* = k/2,303.
Для определения БПКполн принимают, что БПКполн : (БПКполн – БПКτ) = 100 : 1,
т.е. окислено 99% органических веществ.
1
lg 100 = 2 / τполн,
τполн
где τполн – время полного окисления пробы.
k* =
k* = 2 / 13 = 0,15 сут-1.
При потенциированиии получим:
БПКτ = БПКполн∙(1 – 10-k*τ);
Доля БПК5 от БПКполн составляет
БПК5
= 1 – 10-k*5 = 1 – 10-0,15∙5 = 0,822
БПКполн
или 82,2%.
Ответ: Константа скорости биоокисления равна 0,15 сут-1. БПК5 от БПКполн
составляет 82,2%.
Пример 5. Вычислите % (долю) циркуляционного (возвратного) ила, если доза
ила в аэротенке Са = 1,6 г·л-1, доза (концентрация) возвратного ила в регенераторе Св =
5,4 г·л-1 и прирост ила Пр = 120 мг·л-1.
Решение:
Доля возвратного ила α определяется как α =
Qи
∙100%,
Qсв
где Qи – расход возвратного ила, м3·час-1;
Qсв – расход очищаемой сточной воды, м3·час-1.
Составим уравнение материального баланса по илу. В аэротенк в единицу
времени поступает возвратный ил объемом Qи и сточная вода объемом Qсв, очистка
которой обусловит образование ила в количестве Qсв · Пр. Следовательно,
Qи ∙ Св + Qсв ∙ Пр = (Qи + Qсв) ∙ Са.
Поэтому
Qи ∙ Св – Qи ∙ Са = Qсв ∙ Са – Qсв ∙ Пр;
Qи ∙ (Св – Са) = Qсв ∙ (Са – Пр).
α=
C  Пр
Qи
∙100% = a
∙100% = (1,6 – 0,12) ∙ 100% / (5,4 – 1,6) = 39%
Qсв
Св  Са
Ответ: Доля возвратного ила в регенераторе составляет 39%.
Пример 7. Вычислите технологические показатели работы аэротенков по
следующим данным. Приняты трехкоридорные аэротенки с 33%-ной регенерацией
(долей возвратного ила α). Размеры аэротенка: ширина коридора В = 6 м, рабочая
глубина Н = 4,4 м, длина L = 54 м. Установлено, что за отчетный период (30 дней) в
среднем в сутки работало 5,7 аэротенка. Очищено ПСВ за месяц 2340 тыс. м3 с начальной БПК5 = 214 мг О·л-1, ХПК = 283 мг О·л-1, концентрацией взвешенных частиц 190
мг·л-1. Окисленные формы азота отсутствовали. Температура воды 20°С.
В результате получена сточная вода с БПК5 = 13 мг О·л-1, ХПК = 96 мг О·л-1,
концентрацией вынесенного ила 18 мг·л-1, азота нитритов 0,8 мг·л-1 и азота нитратов
3,0 мг·л-1.
Дозы ила в среднем за отчетный период составляли: Са = 1,8 г·л-1, Ср = 5,9 г·л-1.
Зольность ила составляла 29%. На очистку затрачено воздуха 21294 тыс. м3 в месяц.
Температура воздуха 20°С. Концентрации растворенного кислорода: в собственно
аэротенке 7,2 мг·л-1, в очищенной сточной воде 5,7 мг·л-1 и в регенераторе 1,6 мг·л-1.
На подачу воздуха затрачено 548 тыс. кВт∙час в месяц электроэнергии.
Перекачано циркуляционного ила 936 тыс. м3. Прирост ила 17,8 т на 100 тыс. м3
обработанной воды.
Решение:
1) Определим среднюю продолжительность аэрации τа ср. Для этого вычислим
объем трехкоридорного аэротенка Va:
Va = 3 ∙ B ∙ H ∙ L = 3 ∙ 6 ∙ 4,4 ∙ 54 = 4276,8 ≈ 4277 м3.
Здесь B, H, L – ширина, высота и длина коридора.
Общий объем Va общ ПСВ, обрабатываемой за сутки, равен Va общ = 5,7 ∙ Va =
5,7 ∙ 4277 = 24379 м3
Объемный расход сточных вод Qсв, м3·час-1 определим как частное от деления
Qобщ на τ, час:
Qсв = Qобщ / τ = 2340∙103 / (30∙24) = 3250 м3/час
Средняя продолжительность аэрации составит:
τа ср = Va общ / Qсв = 24379 / 3250 = 7,5 час.
2) Определим время пребывания сточных вод в собственно аэротенке τа .
τа = Va / (Qсв + Qи),
где Va –объем собственно аэротенков, м3·час-1;
Qи – объемный расход циркуляционного ила, м3·час-1.
Объем собственно аэротенков при 33%-ной регенерации:
Va = Va общ ∙ (1 – α) = 24379∙(1 – 0,33) =24379·0,67 = 16344 м3
α – доля циркуляционного (возвратного ) ила.
Объемный расход циркуляционного ила:
Qи =
Qи общ 936000
=
= 1300 м3·час-1.
30  24 30  24
Наконец, время пребывания смеси в аэротенке:
τа = Va / (Qсв + Qи) = 16344 / (3250 + 1300) = 3,6 час.
3) Время пребывания циркуляционного ила в регенераторе τр:
τр = Vр / Qи,
где Vр – объем регенератора, м3
Vр = α ∙ Vобщ = 0,33 · Vобщ
τр = 0,33 ∙ Vобщ / Qи = 0,33 ∙ 24379 / 1300 = 6,2 час
4) Общее время окисления снятых загрязнений:
τобщ = τа + τр = 3,6 + 6,2 – 9,8 час
5) Нагрузка на единицу объема аэротенка по БПК5 в сутки:
Нv = Qсв∙24∙БПК5 / Vа общ = 24∙БПК5 / τа ср = 24∙214 / 7,5 = 685
685
мг БПК 5
=
л  сут
г БПК 5
м 3  сут
6) Средняя концентрация (доза) ила в системе:
Сср = Са∙ (1-α) + Ср · 0 α = Са · 0,67 + Ср∙ 0,33 = 1,8 · 0,67 + 5,9 · 0,33 = 3,15 г/л
7) Нагрузка на 1 г беззольного вещества по БПК5:
Н=
Hv
мг БПК 5
685
=
= 306
Cср (1  Зл) 3,15  (1  0, 29)
г  сут
8) Эффективность очистки сточных вод по БПК5:
ЭБПК5 =
БПК 5н  БПК 5к
100% = (214 – 13)∙100% / 214 = 94%
БПК 5н
9) Окислительная мощность (ОМ) 1 г беззольного вещества ила по БПК5:
ОМ = Н ∙ ЭБПК5 = 306 ∙ 0,94 = 288
мг БПК 5
г  сут
10) Скорость окисления 1 г беззольного вещества ила:
wок = ОМ / 24 = 288 / 24 = 12
мг БПК 5
г  час
11) Вычислим удельный расход воздуха.
Удельный расход воздуха Qвозд.уд. – расход воздуха на очистку 1 м3 сточных вод:
Qвозд.уд. = Qвозд. / Qсв = 21294∙10-3 / (2340∙10-3) = 9,1 м3/м3
12) Расход воздуха на 1 кг снятой БПК5:
Qвозд.БПК = Qвозд. уд. / (БПК5 нач – БПК5 кон) = 9,1 / (0,214 – 0,013) = 45,2 м3/кг БПК5
13) Интенсивность аэрации:
I = Qвозд.уд. Н / τа ср = 9,1∙4,4 / 7,5 = 5,3 м3/(м2∙час)
14) Рассчитаем степень использования кислорода воздуха.
Степень использования кислорода воздуха η(О2) – отношение количества
потребленного кислорода к количеству поданного на очистку ПСВ ,%.
Подсчитаем количество использованного О2. Кислород был использован на
снижение БПК, нитрификацию аммонийного азота и насыщение воды растворенным
кислородом. При учете количества О2 на окисление органических загрязнений, т.е. на
снижение БПК, правильнее использовать БПКполн. Примем k* = 0,2 сут-1.
БПКполн нач =
БПК 5нач
1  10
-k*τ
=
214
1  10
0, 2  5
= 238 мг О·л-1;
БПКполн кон =
БПК 5кон
1  10
-k*τ
=
13
1  10
0, 2  5
= 14,4 мг О·л-1.
Снижение БПКполн составило: 238 – 14 = 224 мг О·л-1.
На нитрификацию 1 мг азота до нитритов (N + 2O → NO2ˉ) затрачивается 2,29
мг кислорода, а до нитратов (N + 3O → NO3ˉ) – 3,43 мг.
На процесс нитрификации затрачено всего:
2,29 ∙ 0,8 + 3,43 ∙ 3,9 = 15,2 мг О·л-1.
В целом, при очистке ПСВ 224 мг·л-1 кислорода использовано на снятие БПК,
15,2 мг·л-1 – на нитрификацию и 5,7 мг·л-1 – растворено в очищенной воде. Всего:224 +
5,2 + 5,7 = 245 мг·л-1 = 245 г·м3.
Вычислим количество поданного кислорода. На 1 м3 сточных вод подавалось 9,1
м3 воздуха, или 11,022 кг воздуха (при 20°С плотность воздуха 1,21 кг·м-3). Кислорода в
составе воздуха – 23,1% (масс.), следовательно, на 1 м3 сточных вод подано кислорода:
11,022 ∙ 0,231 = 2,546 кг·м-3.
Степень использования кислорода η(О2) равна:
η(О2) =
m(O2 )исп
·100% = 245∙100% / 2546 = 9,7%
m(О2 )затрач
15) Затрата электроэнергии на 1 кг снятой БПК5:
Nэл =
548000
= 1,17 кВт∙час·кг-1.
2340  (214  13)
Ответ: Средняя продолжительность аэрации СВ в аэротенке 7,5час; время пребывания
СВ в собственно аэротенке 3,6 час; время пребывания циркуляционного ила в регенераторе 6,2 час, общее время окисления снятых загрязнений 9,8 час. Нагрузка на единицу объема аэротенка по БПК5 в сутки 685 г БПК5 / (м3·сут); нагрузка на 1 г беззольного
вещества активного ила по БПК5 306 мг БПК5/ (г·сут). Эффективность очистки сточных
вод по БПК5 94%.Окислительная мощность 1 г беззольного вещества ила по БПК5 288
мг БПК5 / (г·сут). Скорость окисления 1 г беззольного вещества ила 12 мг БПК5 /
(г·час). Степень использования кислорода воздуха 9,7%.
4 ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ
1. Вычислите БПКполн и константу скорости процесса окисления сточных вод k*,
если БПК5 = 216 мг·л-1, и время, при котором наблюдается БПКполн, составляет 15
суток.
2. Рассчитайте константу биоокисления k*, если время полного окисления пробы
ПСВ составляет 18 сут. Какую долю от БПКполн составляет БПК5?
3. Вычислите БПК5 и ХПК раствора пропилового спирта с концентрацией 120
мг·л-1. Константа биоокисления k* =0,2сут-1. БПКполн / ХПК = 0,8. Определите время
полного окисления пропилового спирта.
4. Вычислите БПК5 и ХПК раствора уксусной кислоты с концентрацией 112
мг·л-1, если константа биоокисления k* равна 0,18 сут-1. БПКполн / ХПК = 0,75.
Определите время полного окисления уксусной кислоты.
5. Вычислите БПК5,и ХПК раствора фенола с концентрацией 1 мг·л-1, если
константа биоокисления k* равна 0,15 сут-1. Отношение БПКполн / ХПК равно 0,6.
Определите время полного окисления фенола..
6. Определите среднюю статистическую формулу беззольного вещества и
удельную ХПК ила, если анализом по методу сжигания пробы активного ила найдено,
что беззольное вещество имеет состав (% масс.): С – 48% , Н – 8%, N – 14% и О –30% .
7. Как изменится нагрузка на ил, если изменить процент регенерации с 20 на
30% при продолжительности аэрации 6,0 час, дозе ила в аэротенке – 1,5 г·л-1, в
регенераторе– 5,5 г·л-1, зольности ила 25%. БПК5 воды, поступающей в аэротенк, равна
150 мг·л-1.
8. Как изменится нагрузка на ил, если изменить процент регенерации с 25 на
35% при продолжительности аэрации 6,8 час, дозе ила в аэротенке – 1,4 г·л-1, в
регенераторе– 5,6 г·л-1, зольности ила 27%. БПК5 воды, поступающей в аэротенк, равна
200 мг·л-1.
9. Определите скорость окисления точных вод, если в аэротенк с 25%-ной
регенерацией поступает сточная вода с БПК5 = 120 мг·л-1, а выходит с БПК5 = 10 мг·л1
. Продол-жительность аэрации 5,0 час, доза ила в собственно аэротенке 1,6 г·л-1, в
регенераторе – 6,0 г·л-1, зольность ила 20%.
10. Определите скорость окисления, если в аэротенк с 33%-ной регенерацией
поступает сточная вода с БПК5, равной 210 мг·л-1, а выходит с БПК5 = 20 мг·л-1.
Продолжительность аэрации 4,5 час, доза ила в собственно аэротенке 1,4 г·л-1, в
регенераторе – 5,6 г·л-1, зольность ила 25%.
11. Трехкоридорный аэротенк работает с 30%-ной регенерацией. Размеры
аэротенка: ширина коридора 5 м, глубина коридора 4 м, длина – 50 м. В течение месяца
в среднем за сутки работало 3 аэротенка на БОС. За месяц очищено 50 тыс. м3 с
начальной БПК5 = 290 мг·л-1. Определите: 1) среднюю продолжительность аэрации;
2) время пребывания сточных вод в аэротенке; 3) время пребывания циркуляционного
ила в регенераторе;
4) общее время окисления снятых загрязнений; 5) нагрузку на
единицу объема аэротенка по БПК5.
12. В аэротенке объемом 1200 м3 (глубиной 4 м) за месяц очищено 80 тыс. м3
ПСВ с начальной БПК5 = 200 мг·л-1. В результате очистки получена сточная вода с
БПК5 = 15 мг·л-1. Доза ила в аэротенке в среднем составляла 1,8 г·л-1, а в регенераторе –
12 г·л-1. Вычислите БПК5, время, при котором наблюдается БПКполн, и ХПК раствора
уксусной кислоты с концентрацией 250 мг·л-1, если константа процесса окисления
k* = 0,09 сут-1. БПКполн / ХПК = 0,8.
13. БПК5 сточной воды, подаваемой в аэротенк, 250 мг·л-1. Среднее время
аэрации 7 час. Аэротенк работает с 33%-ной регенерацией. Доза ила в аэротенке
1,5 г·л-1, в регенераторе – 5,5 г·л-1. Зольность ила равна 28%. Вычислите нагрузку на
единицу объема аэротенка и на 1 г беззольного вещества по БПК5, а также
эффективность очистки воды по БПК5 и окислительную мощность 1 г беззольного
вещества активного ила, если БПК5 в очищенной сточной воде 15 мг·л-1.
14. Вычислите степень использования кислорода при работе аэротенка, если
удельный расход воздуха составляет 8 м3·(м3 СВ)-1. При очистке ПСВ БПК5 снизилось с
300 до 24 мг·л-1. Очищенная вода содержит 0,5 мг·л-1 нитритов и 4,0 мг·л-1 нитратов.
15. БПК5 ПСВ, поступающей на очистку в аэротенк, равно 250 мг·л-1, после
чистки – 15 мг·л-1. Константа биоокисления k* равна 0,16 сут-1. Содержание нитратов в
ПСВ после очистки составляет 4,4 мг·л-1, нитритов 2,0 мг·л-1 Степень использования
кислорода воздуха 9,0%. Вычислите удельный объемный расход воздуха м3·(м3 СВ)-1
при 20°С. Концентрация кислорода в очищенной воде 5,0 мг·л-1
16. Смешиваются сточные воды с расходом 50, 70 и 120 м3·сут-1 и
концентрациями по БПКполн соответственно 500, 380 и 220 мг·л-1. Определите БПКполн
смеси, если при смешении в стоках не происходит никаких химических изменений и
компоненты не оказывают взаимного токсичного действия при определении БПК.
17. Вычислите % (долю) циркуляционного (возвратного) ила, если доза ила в
аэротенке Са = 2,0 г·л-1, концентрация возвратного ила в регенераторе Св = 6,4 г·л-1 и
прирост ила Пр = 170 мг·л-1.
18. Вычислите % (долю) циркуляционного (возвратного) ила, если доза ила в
аэротенке Са = 2,2 г·л-1, концентрация возвратного ила в регенераторе Св = 7,0 г·л-1 и
прирост ила Пр = 180 мг·л-1.