Образование биомассы при переваривании аммонийного азота рассчитывается путем применения стехиометрического выхода биомассы к фактически потребленному аммонию. Согласно приведенной реакции, 55 моль ионов аммония образуют 1 моль бактериальной ткани, представленной формулой C5H7O2N с молярной массой приблизительно 113 г/моль. Поэтому необходимо измерить массовый расход аммония, поступающего в пилотный реактор, умножить его на долю удаленного аммония и преобразовать количество потребленного аммония в эквивалентную массу биомассы.

Основной расчет имеет вид: образование биомассы = потребленная нагрузка аммония × стехиометрический выход биомассы. Для указанной реакции выход составляет приблизительно 0,114 г биомассы на 1 г потребленного NH4+ или 0,147 г биомассы на 1 г потребленного NH4-N.

Определение аммонийной нагрузки

Расчет массового расхода аммония на входе

Аммонийная нагрузка, поступающая в реактор, рассчитывается по расходу и концентрации:

[ L_{\text{NH}4} = Q \times C{\text{NH}_4} ]

Где:

(L_{\text{NH}_4}) = входная аммонийная нагрузка
(Q) = расход жидкости
(C_{\text{NH}_4}) = концентрация аммония на входе

Для получения сопоставимых результатов используйте согласованные единицы измерения. Например:

[ \text{кг/сут} = \frac{\text{м}^3}{\text{сут}} \times \frac{\text{мг}}{\text{л}} \times 10^{-3} ]

Это преобразование справедливо, поскольку (1\ \text{мг/л}) эквивалентен (1\ \text{г/м}^3).

Использование фактически потребленного аммония

Биомасса образуется из аммония, удаленного микроорганизмами, а не обязательно из всей входной нагрузки:

[ L_{\text{consumed}} = Q(C_{\text{in}} - C_{\text{out}}) ]

Если доступен только процент удаления:

[ L_{\text{consumed}} = L_{\text{in}} \times X ]

Где (X) — доля превращения аммония. Степень удаления 85% представляется как (X = 0.85).

Применение стехиометрического выхода

Преобразование молей аммония в моли биомассы

Указанная реакция имеет вид:

[ 5CO_2 + 55NH_4^+ + 76O_2 \rightarrow C_5H_7O_2N + 54NO_2^- + 52H_2O + 109H^+ ]

Реакция устанавливает следующее молярное соотношение:

[ 55\ \text{моль NH}_4^+ \rightarrow 1\ \text{моль биомассы} ]

Молярная масса молекулы биомассы составляет приблизительно 113 г/моль. Молярная масса иона аммония — приблизительно 18,04 г/моль.

Следовательно:

[ Y_{\text{biomass/NH}_4^+}

\frac{113}{55 \times 18.04} ]

[ Y_{\text{biomass/NH}_4^+} \approx 0.114\ \frac{\text{г биомассы}}{\text{г NH}_4^+} ]

Тогда скорость образования биомассы составляет:

[ P_{\text{biomass}}

L_{\text{NH}_4^+,\text{consumed}} \times 0.114 ]

Различие между `NH4+` и `NH4-N`

Данные пилотных установок часто приводятся в виде концентрации аммонийного азота, или NH4-N, а не полной массы иона аммония. Это различие изменяет численное значение выхода.

Для записанной реакции:

[ Y_{\text{biomass/NH}_4\text{-N}}

\frac{113}{55 \times 14.01} ]

[ Y_{\text{biomass/NH}_4\text{-N}} \approx 0.147\ \frac{\text{г биомассы}}{\text{г NH}_4\text{-N}} ]

Используйте 0,114 г/г, если концентрация выражена в NH4+. Используйте 0,147 г/г, если она выражена в NH4-N.

Пример расчета для пилотной установки

Пример с расходом, концентрацией и степенью превращения

Предположим, что пилотный реактор имеет следующие параметры:

Расход: (Q = 1.0\ \text{м}^3/\text{сут})
Аммоний на входе: (C_{\text{in}} = 100\ \text{мг NH}_4\text{-N/л})
Аммоний на выходе: (C_{\text{out}} = 20\ \text{мг NH}_4\text{-N/л})

Потребленная нагрузка аммонийного азота составляет:

[ L_{\text{consumed}}

1.0(100-20) ]

[ L_{\text{consumed}}

80\ \text{г NH}_4\text{-N/сут} ]

Применяя выход для NH4-N:

[ P_{\text{biomass}}

80 \times 0.147 ]

[ P_{\text{biomass}} \approx 11.8\ \text{г биомассы/сут} ]

Таким образом, расчетное валовое образование биомассы составляет приблизительно 11,8 г/сут в пересчете на сухую клеточную биомассу.

Выражение результата как выхода реактора

Для сравнения различных режимов работы пилотной установки нормируйте образование биомассы по количеству потребленного аммония:

[ Y = \frac{P_{\text{biomass}}} {L_{\text{NH}_4\text{-N},\text{consumed}}} ]

Это дает выход в единицах:

[ \text{г биомассы}/\text{г потребленного NH}_4\text{-N} ]

Это нормированное значение полезно при сравнении различных гидравлических нагрузок, условий по растворенному кислороду, температур или конфигураций реактора.

Связь расчета с материальным балансом

Разделение направлений распределения азота

Не весь потребленный аммоний превращается в биомассу. Согласно приведенной реакции, аммонийный азот распределяется между:

Новой клеточной тканью
Нитритом
Остаточным аммонием или другими измеряемыми формами азота

Поэтому полный азотный баланс пилотной установки должен включать сравнение:

[ N_{\text{in}}

N_{\text{biomass}} + N_{\text{nitrite}} + N_{\text{residual}} + N_{\text{other outputs}} ]

Стехиометрический расчет оценивает компонент биомассы, а анализ входного и выходного потоков позволяет проверить обоснованность общего азотного баланса.

Учет потребности в углероде и кислороде

Реакция также показывает, что окисление аммония и синтез клеток требуют диоксида углерода и кислорода. Поэтому оценку биомассы следует сопоставлять со следующими параметрами:

Доступный неорганический углерод
Производительность системы аэрации
Измерения растворенного кислорода
Наблюдаемое образование нитрита
Измеренные взвешенные вещества

Если в реакторе недостаточно углерода или кислорода, теоретическое образование биомассы будет превышать фактически достижимое.

Учет удержания биомассы и обращения с твердыми веществами

Валовое образование не равно количеству избыточного ила

Стехиометрический результат представляет собой валовое образование новой биомассы. Количество, покидающее пилотную установку в виде избыточного ила, зависит от удержания твердых веществ, осаждения, рециркуляции, отбора проб и эндогенного распада.

Упрощенный баланс твердых веществ имеет вид:

[ P_{\text{net solids}}

P_{\text{gross biomass}}

P_{\text{decay}} ]

Биомассу, удерживаемую в реакторе или возвращаемую потоками рециркуляции, также необходимо учитывать при расчете скорости отвода твердых веществ.

Учет последующего аэробного сбраживания

Аэробное сбраживание ила является отдельной последующей операцией. Оно обеспечивает дополнительную аэрацию без внешней подачи субстрата, в результате чего микроорганизмы переходят к эндогенному дыханию и потребляют часть собственного клеточного материала.

Согласно дополнительному справочному материалу, аэробное сбраживание может обеспечить приблизительно 50%-ное снижение общего содержания взвешенных веществ при времени удержания клеток и гидравлическом времени удержания приблизительно 15–25 суток. Это снижение следует учитывать после оценки биомассы, образовавшейся в реакторе удаления аммония, а не смешивать с первоначальным стехиометрическим выходом биомассы.

Понимание компромиссов

Теоретический выход может превышать наблюдаемое количество твердых веществ

Стехиометрический выход предполагает, что реакция протекает в указанном виде и необходимые реагенты доступны. Фактически измеренное количество твердых веществ может быть ниже из-за эндогенного дыхания, лизиса клеток, затрат энергии на поддержание жизнедеятельности, неполного улавливания и выноса твердых веществ с выходным потоком.

Аналитическая основа должна оставаться согласованной

Распространенная ошибка — смешивать концентрации NH4+ и NH4-N в одном расчете. Всегда уточняйте, сообщает ли лабораторный анализ массу полного иона аммония или только количество азота, содержащегося в этом ионе.

Реакция описывает конкретный биологический путь

Приведенное уравнение описывает окисление аммония, связанное с образованием биомассы и продукцией нитрита. Его не следует автоматически применять ко всем путям удаления азота, особенно если доминируют другие организмы, акцепторы электронов, источники углерода или реакции.

Состав биомассы является приближенным

C5H7O2N представляет собой эмпирическую формулу клеточной ткани. Она полезна для расчетов при проектировании и обучения материальным балансам, однако реальные микробные сообщества различаются по составу и могут содержать запасные полимеры, неорганические материалы и прикрепленные твердые вещества.

Выбор подхода в зависимости от цели

Используйте расчет с уровнем детализации, соответствующим задаче пилотной установки:

Если основное внимание уделяется теоретическому образованию биомассы: Рассчитайте потребленную аммонийную нагрузку и умножьте ее на 0.114 г биомассы/г NH4+ или 0.147 г биомассы/г NH4-N.
Если основное внимание уделяется проектированию реактора: Объедините оценку биомассы с потребностью в кислороде, доступностью углерода, гидравлической нагрузкой и требованиями к удержанию твердых веществ.
Если основное внимание уделяется измеренному отводу ила: Скорректируйте валовое образование биомассы с учетом распада, удержания, рециркуляции, твердых веществ в выходном потоке и последующего аэробного сбраживания.
Если основное внимание уделяется валидации пилотной установки: Сопоставьте рассчитанные значения биомассы и продуктов превращения азота с измеренными данными по взвешенным веществам, аммонию, нитриту, кислороду и углероду.

При использовании согласованных единиц измерения и полного баланса твердых веществ и азота превращение аммония позволяет получить обоснованную оценку образования биомассы на пилотной установке экологических технологических процессов.

Сводная таблица:

Ключевой показатель	Расчет или рекомендация
Входная аммонийная нагрузка	`Q x C_in`
Потребленный аммоний	`Q x (C_in - C_out)` или входная нагрузка × доля удаления
Выход для `NH4+`	`0.114 г биомассы/г потребленного NH4+`
Выход для `NH4-N`	`0.147 г биомассы/г потребленного NH4-N`
Пример для пилотной установки	`80 г NH4-N/сут x 0.147 = 11.8 г биомассы/сут`
Валовая и чистая биомасса	Скорректируйте с учетом распада, удержания, рециркуляции, твердых веществ в выходном потоке и отвода ила
Данные для валидации	Сопоставьте оценки биомассы с измерениями аммония, нитрита, кислорода, углерода и взвешенных веществ

Нужны надежные данные пилотного масштаба для биологической очистки азотсодержащих стоков? Свяжитесь с LABPARK, чтобы обсудить пилотные установки технологических процессов для экологического образования и профессиональной подготовки, а также очистки воды. LABPARK поддерживает университеты, научно-исследовательские институты и предприятия, предоставляя практические системы для испытаний удаления аммония, образования биомассы, потребности в кислороде, потребности в углероде, удержания твердых веществ и последующего аэробного сбраживания. Наши пилотные установки помогают командам оценивать эффективность процессов, совершенствовать обучение и исследования и принимать более обоснованные решения при проектировании очистных сооружений на основе измеряемых эксплуатационных данных.