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^-, СО₃^2-, концентрации которых связаны между собой следую­щими равновесиями:

где К_а1 и К_а2 — константы диссоциации, k_H — 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.