РН и буферные свойства сточных вод
Стабильность работы анаэробных реакторов сильно за висит от значения рН и его постоянства. Хотя метаногенез возможен при изменении рН от 6,0 до 8,5, оптимальным значениями рН являются 7,0—8,0. При стабильной работе реактора рН среды самопроизвольно поддерживается в оптимальном диапазоне за счет взаимной сбалансированности процессов подкисления и подщелачивания. Подкисление среды происходит в первую очередь вследствие образований ЛЖК, сероводорода (в малой степени), а также образования угольной кислоты при гидратации СО2. Подщелачивание среды происходит путем потребления ЛЖК и дезаминирования азотсодержащих соединений. Изменения нагрузки идругих параметров процесса может приводить к нарушению баланса образования и потребления ЛЖК, и, следовательно сдвигу рН от оптимальных значений. Длительное (более 3 сут) пребывание при рН=5.0 приводит к долговременному нарушению работоспособности системы. При рН >9. метаногенез также прекращается, однако при возврате к оптимальным значениям рН процесс быстро возобновляется.
Важное значение имеет также буферная емкость, которой обладает жидкая фаза реактора. Чем она больше, тем эффективнее реакторная среда противодействует внезапным изменениям рН в системе. В этой связи используются специальные характеристики: кислотность и щелочность обрабатываемого стока. При этом под кислотностью понимают количество щелочи, которое надо добавить к стоку для доведения его рН до 8,3, а под щелочностью — количество кислоты, которое надо добавить к стоку для доведения рН до 3,8. Для удобства обе характеристики выражаются (пересчитываются) на мг СаСОз/л, который взят как эталон. В создание буферной емкости среды анаэробных реакторов основной вклад вносит угольная кислота, далее следуют ЛЖК; ионы аммония и некоторые другие ионы, попадаемые ее стоками в незначительных количествах. Перечислим основные физико-химические равновесия, в которых участвуют перечисленные выше компоненты. Прежде всего, СО2 в такой системе существует в четырех формах: собственно в виде газа и в растворе в виде [СО2]Ж, HCO3-, СО32-, концентрации которых связаны между собой следующими равновесиями:
![]() |
![]() |
где Ка1 и Ка2 — константы диссоциации, kH — константа Генри. Немаловажную роль играют также диссоциативные равновесные процессы для уксусной кислоты и других ЛЖК, аммиака и воды:
![]() |
Учет физико-химических равновесий является достаточно важным для расчетов режимов и контроля работы анаэробных реакторов, так как эти равновесия, часто в значительной степени определяют рН и буферную емкость среды реактора, ингибирующий эффект тех или иных компонентов, а также концентрацию СО2 в биогазе.
Иногда для увеличения щелочности, а следовательно и буферной емкости, в сточные воды перед сбраживанием добавляют соду или известь.
Температурный режим
Температура — один из наиболее важных параметров, определяющих скорость процесса очистки и производительность промышленных установок. Температурные режимы работы анаэробных реакторов подразделяются на психрофильный (<20°С), мезофильный (20—45 °С) и термофильный (50—65°С). Естественно, что чем выше температура, тем выше скорости биохимических процессов, поэтому, как правило, термофильный режим сбраживания является наиболее производительным. Но несмотря на более высокие скорости сбраживания при термофильном режиме, получаемый эффект, как правило, недостаточно велик, чтобы возместить тепловые затраты, необходимые для его поддержания. К тому же в этих условиях видовой состав микрофлоры достаточно беден, чем и объясняется меньшая стабильность термофильного режима по сравнению с другими. В связи с этим большинство анаэробных реакторов в настоящее время работают в мезофильном режиме, как правило 30—40°С, обеспечивающем приемлемые скорости очистки относительную энергетическую выгодность поддержания температурного режима, и стабильность процесса за счет существования достаточно количества видов микроорганизмов.
Биогенные элементы
Рост клеток метанового биоценоза зависит от поступления питательных веществ, состоящих из ОВ и минеральных солей. Но в следствии низкого прироста биомассы анаэробная очистка сточных вод горазда менее требовательна к содержанию биогенных элементов, чем аэробная. Если для аэробной очистки необходимое минимальное содержание азота и фосфора составляет соответственно 5 и 1% от БПКполн, то для анаэробной 1 и 0,2% соответственно и даже менее. Как правило, сточные воды подвергающиеся сбраживанию содержат достаточное количество микроэлементов. Однако в некоторых случаях для интенсификации процесса может возникнуть необходимость в добавлении соединений серы, азота, фосфора и железа. Очень важное значение имеет отношение C/N (20:1-100:1). Это связано с ингибированием метанового брожения избытком аммиака. Исходя из эмпирической брутто-формулы анаэробной биомассы C5H9O3N и, например, коэффициенте прироста биомассы, равном 0.1, получается теоретическое соотношение C/N— 43:1. При коэффициенте прироста биомассы, равном 0.15, это соотношение будет 29:1. Как видим, оптимальное значение C/N определяется коэффициентом прироста биомассы, который, в свою очередь, зависит от химического состава сбраживаемого стока. Для углеводного стока он будет выше, и, следовательно, соотношение C/N ниже; для стока, содержащего, в основном ЛЖК, — наоборот. При отклонении соотношения C/N от оптимальных значений иногда перед сбраживанием сточные воды, богатые азотом, смешивают со стоками, богатыми углеродом.