Аэрация служит наиболее энергоёмкой стадией биологической очистки сточных вод, и при её расчёте напрямую используют представление о механизме потребления кислорода активным илом. Активный ил представляет собой консорциум микроорганизмов, объединённых в хлопья (флокулы) — пористые агрегаты биомассы и внеклеточных полимерных веществ. Кислород расходуется в нём на два процесса: катаболическое дыхание, то есть окисление поступающей органики, и эндогенное дыхание, связанное с распадом собственного клеточного материала.

Интенсивность этого потребления характеризуют скоростью поглощения кислорода (Oxygen Uptake Rate, OUR), а ключевым управляемым параметром выступает концентрация ила X, измеряемая как содержание взвешенных веществ иловой смеси (Mixed Liquor Suspended Solids, MLSS) в [г/л]. Согласно классическим рекомендациям, величину X удерживают в диапазоне 2–5 г/л [1], тогда как мембранные биореакторы работают при 10–15 г/л. Формально скорость потребления описывается произведением OUR = qO2X, где qO2 — удельная скорость дыхания. Вместе с тем в исследованиях последних лет установлено, что qO2 не остаётся постоянной, а снижается с ростом X из-за ограничений массопереноса внутри флокул [2, 3].

Из сказанного следует, что линейная пропорциональность между OUR и X, нередко закладываемая в инженерные расчёты, является упрощением. Если удельная скорость дыхания зависит от концентрации биомассы, то с увеличением количества ила соразмерный прирост скорости потребления кислорода уже не достигается, и потребность в аэрации, рассчитанная по линейной модели, оказывается завышенной либо заниженной в зависимости от режима. Несмотря на отдельные данные о диффузионном лимитировании во флокулах [2, 4], систематического описания формы зависимости OUR от X, пригодного для практических расчётов, пока недостаточно.

Целью настоящей работы является установление характера этой зависимости в широком диапазоне концентраций, выявление механизма, определяющего отклонение от линейности, и формулировка рекомендаций по выбору рабочей концентрации ила.

Описание зависимости целесообразно начать с разделения наблюдаемой скорости на две составляющие. Наряду с объёмной скоростью OUR используют удельную скорость потребления кислорода (Specific Oxygen Uptake Rate, SOUR), равную отношению OUR к концентрации ила, SOUR = OUR/X, и выражаемую в миллиграммах кислорода на грамм биомассы в час. По смыслу SOUR совпадает с удельной скоростью дыхания qO2 и отражает активность единицы биомассы независимо от её количества. Если бы каждая клетка работала в одинаковых условиях, SOUR оставалась бы постоянной, а OUR росла бы строго линейно с X. Дальнейшее изложение строится на последовательном рассмотрении причин, по которым это условие нарушается.

При избытке субстрата и растворённого кислорода удельная скорость дыхания приближается к своему максимальному значению qmax, и в этом режиме объёмная скорость действительно растёт пропорционально концентрации ила. Положение меняется, когда определяющим становится перенос кислорода внутрь флокулы. Флокула обладает пористой структурой, и эффективный коэффициент диффузии кислорода в ней составляет порядка 10–9 м²/с — приблизительно на порядок ниже, чем в воде. Глубину, на которую кислород проникает в флокулу прежде, чем будет полностью израсходован, можно оценить по формуле:

где δ — глубина проникновения кислорода, м; Deff — эффективный коэффициент диффузии кислорода, м²/с; CO,bulk — концентрация кислорода в объёме жидкости, кг/м³; qmax — максимальная удельная скорость дыхания, с-1; ρX — плотность биомассы во флокуле, кг/м³.

С увеличением X флокулы укрупняются и уплотняются, эффективный коэффициент диффузии снижается, и центральная часть агрегата переходит в аноксический режим, где аэробное дыхание прекращается. По данным измерений микроэлектродами, концентрация кислорода во флокуле падает до близких к нулю значений уже на небольшой глубине [2, 4].

Чтобы учесть эту неоднородность, наблюдаемую скорость удобно представить в виде OUR = qmaxXf(X), где f(X) — доля активной, обеспеченной кислородом биомассы. С ростом X функция f(X) убывает, и объёмная скорость стремится к пределу. Дополнительное ограничение возникает на стороне газопереноса: при высокой концентрации ила возрастает вязкость иловой смеси, объёмный коэффициент массопередачи KLa снижается, и устанавливается верхняя граница скорости поступления кислорода OURmax = KLaCs, где Cs — равновесная растворимость кислорода. Снижение KLa и коэффициента переноса с ростом MLSS подтверждено для мембранных биореакторов [3].

Таким образом, отклонение зависимости OUR от X от линейной определяется совместным действием следующих четырёх факторов:

1. Кинетического, при котором в отсутствие ограничений скорость пропорциональна биомассе.

2. Диффузионного, связанного с исчерпанием кислорода внутри флокулы.

3. Структурного, отражаемого убыванием доли активной биомассы f(X).

4. Газопереносного, ограничивающего поступление кислорода из пузырьков в жидкость.

Изложенные положения проверялись экспериментально. Исследование проводили в лабораторном реакторе объёмом 5 л при температуре +20°C и значениях pH в пределах 7,0–7,5; в качестве посевного материала использовали активный ил городских очистных сооружений. Терминология процесса принята в соответствии с ГОСТ 25150–82 [5]. Концентрацию ила X варьировали в диапазоне от 0,5 до 12 г/л, последовательно охватывая как классический, так и характерный для мембранных систем интервал. В качестве модельного субстрата применяли ацетат натрия с содержанием 200 мг ХПК/л; химическое потребление кислорода определяли по ГОСТ 31859–2012 [6]. Концентрацию растворённого кислорода поддерживали на уровне 2–3 мг/л, исключая её самостоятельное лимитирующее влияние. Скорость потребления кислорода измеряли респирометрическим методом; параллельно определяли SOUR, средний размер флокул и вязкость иловой смеси.

Полученные данные о зависимости объёмной и удельной скоростей от концентрации ила сведены в табл. 1.

В этих данных прослеживается следующая устойчивая закономерность. Объёмная скорость OUR возрастает с концентрацией ила, но темп этого роста последовательно замедляется: почти линейный участок сохраняется до 2 г/л, далее прирост ослабевает, а после 8 г/л скорость выходит на плато. Удельная скорость SOUR при этом убывает монотонно на всём диапазоне. Сопоставление крайних точек диапазона особенно показательно: при увеличении X с 1,0 до 12 г/л, то есть в 12 раз, объёмная скорость выросла лишь вчетверо, а SOUR снизилась до 33% исходного значения.


Переработанный активный ил

К этому следует добавить два наблюдения:

1. При низкой нагрузке на ил [F/M менее 0,05 г. ХПК/(г·сут.)] удельная скорость падает до 10–20 мг/(г·ч) даже при умеренной концентрации, что объясняется самостоятельным влиянием дефицита субстрата.

2. Средний диаметр флокул увеличился с 50 мкм при X = 1 г/л до 250 мкм при X = 10 г/л, а расчётная доля неактивных зон выросла с 5 до 55%.

Поскольку рост размера флокул совпадает с падением SOUR, наблюдаемое замедление правомерно связать с внутренней структурой агрегатов. Для полученных зависимостей можно предложить непротиворечивое объяснение. Падение удельной активности с ростом концентрации обусловлено прежде всего диффузионным барьером: при укрупнении и уплотнении флокул аноксическое ядро расширяется, и всё бóльшая часть биомассы оказывается выключенной из аэробного дыхания. К этому добавляются конкуренция клеток за субстрат при низкой удельной нагрузке и ухудшение гидродинамических условий перемешивания вязкой иловой смеси. Эти результаты согласуются с данными о профилях кислорода во флокулах и о снижении коэффициента массопередачи с ростом MLSS [3, 4]. Практическое значение полученной картины состоит в следующем: рабочую концентрацию ила целесообразно удерживать в диапазоне 3–5 г/л, где удельная активность ещё высока; при переходе к более высоким значениям, характерным для мембранных биореакторов, расчётную подачу воздуха следует увеличивать не пропорционально приросту биомассы, а с поправкой, тогда как снижение SOUR ниже 30 мг/(г·ч) можно рассматривать как признак избыточной концентрации. Следует отметить, что режим невысокой удельной нагрузки на ил используется в инженерной практике и как осознанное проектное решение, когда приоритетом служат устойчивость процесса и малый прирост избыточного ила: А. Е. Новиков с соавторами, характеризуя малогабаритный биореактор очистки бытовых сточных вод, указывают, что он обеспечивает «низконагружаемую биотехнологию очистки бытовых сточных вод при высокой степени деструкции биогенных веществ» и незначительное образование избыточного ила [7, с. 384]. Полученные результаты ограничены постоянной температурой и составом субстрата и неприменимы к нитрифицирующему и гранулированному илу.

Заключение

Обобщая, отметим, что зависимость скорости потребления кислорода активным илом от концентрации биомассы носит выраженно нелинейный характер: линейный рост сохраняется примерно до 2 г/л, замедляется в интервале до 6 г/л и переходит в плато после 8 г/л, тогда как удельная скорость SOUR на участке от 1 до 12 г/л снижается приблизительно втрое. Новым результатом является количественное описание этого расхождения и установление того, что его основная причина — диффузионное лимитирование переноса кислорода внутри укрупняющихся флокул, дополняемое снижением коэффициента массопередачи в вязкой иловой смеси. Теоретическое значение работы заключается в обосновании поправочной функции f(X), благодаря которой формальное соотношение OUR = qmaxXf(X) становится пригодным для инженерного расчёта, практическое — в выводе о нецелесообразности повышения MLSS выше 6 г/л без сопутствующей интенсификации аэрации и в обосновании использования SOUR как оперативного диагностического параметра контроля диффузионного лимитирования.