РН и буферные свойства сточных вод

Концентрация загрязнений

Концентрационная шкала загрязненности сточных вод для анаэробного метода значительно отличается от общеприня­той, относящейся к аэробной очистке. Применительно к со­временным системам анаэробной обработки низкоконцентрированными считаются сточные воды, имеющие ХПК 1 — 15 г/л (менее 1 г/л — очень низкоконцентрированными), кон­центрированными — при ХПК 5—20 г/л, высококонцентрированными — при ХПК более 20 г/л.

Значения концентрации субстрата определяет величину прироста биомассы в процессе очистки единицы объема сто­ка. Вследствие низкой скорости роста метановых бактерий анаэробная очистка низкоконцентрированных стоков воз­можна только при условии эффективного удержания био­массы в реакторе. На сегодняшний день предельно нижнее значение концентрации загрязнений в сточных водах, при котором целесообразно рассматривать возможность их ана­эробной очистки составляет по БПКполн 500—1500 мг/л. Сейчас интенсивно ведутся исследования по разработке технологий анаэробной очистки городских сточных вод с кон­центрацией по БПКполн 150—300 мг/л.

Верхнее предельное значение концентрации по ХПК сто­ка, подаваемого на очистку без рециркуляции, определяет­ся тем обстоятельством, что интермедиаты метанового бро­жения — ЛЖК являются его потенциальными ингибиторами, поэтому в зависимости от конструкции реактора это значе­ние варьирует от 10 до 150 г/л.

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.