Растворение и потребление кислорода

Сточные воды, содержащие органику, наиболее полно очищаются в аэробных условиях, для которых нужен кислород. Преимущественно он пополняется из воздуха. Так, в очистных сооружениях, где осуществляется минерализация органических загрязнений, осуществляется два процесса: растворение кислорода и потребление его аэробными бактериями. Последний эффект, называемый биохимическим окислением органики, происходит в 2 этапа: сначала окисляются вещества, содержащие углерод, в результате выделяется углекислота и вода, затем окисляются вещества, содержащие азот до нитритов, потом – до нитратов.

Если в стоках присутствует кислород в достаточных количествах, скорость окисления углеродосодержащих веществ подчиняется следующему закону – при определенной температуре соединение с O₂ пропорционально массе окисляющейся органики. Из чего следует, что при отсутствии поступления окислителя скорость реакции с течением времени постепенно замедляется.

Так закон разрешает пользоваться формулой потребления кислорода в закрытой структуре. Для этого вводятся следующие обозначения:

• L_a – объемы окислителя, достаточные для того, чтобы минерализовать всю органику, содержащуюся в воде в начале реакции;
• xt – объемы кислорода, затраченные на окисление в течение всего времени;
• L_t – содержание O₂, необходимого для соединения с оставшейся органикой после времени t.

Таким образом, формула выглядит:

L_t = L_{a –} xt.

Также закон можно выразить таким уравнением:

dxt / dt = k₁ (L_{a –} xt), где

• k₁ - коэффициент данной пропорции или иначе – константа скорости потребления O₂.

Интегрируя уравнение, получаем:

-ln (L_{a –} xt) = k₁t + C/

При условии равенства t нулю, xt = 0, то C = -ln L_a. Откуда следует, что

ln (L_{a –} xt) = ln L_a - k₁t.

Здесь нужен новый коэффициент, чтобы перейти к десятичным логарифмам. k₁ = k₁ lg e = 0,434 k₁. Теперь нужно освободиться от логарифмов, что в итоге дает уравнение потребления кислорода окисления органики в закрытой структуре:

L_t = L_{a –} xt = L_a х 10^{- k1t}.

xt = L_a - L_t = L_a (1 - 10^{- k1t}).

Если нужно рассчитывать данные для смеси стоков бытовой и промышленной канализации, то зависимости выражаются сложнее. В данном случае будет справедлива такая бимолекулярная формула:

dxt / dt = k (L_{a –} xt)², где

• k – постоянная величина скорости соединения с кислородом равна 0,0006. Она напрямую зависит от температуры, при которой происходит процесс, и увеличивается с увеличением t. Изменение константы определено эмпирическим способом, и найдена формула:

k_1(T2) = k_1(T1) х 1,047 ^T2-T1, где

• k_1(T2) и k_1(T1) – показатели постоянной величины при температурах T₁ и T₂.

Формула верна в температурном диапазоне от +10 до +30 градусов С. Для смеси речной и сточной воды значение константа – 0,1. Но многое зависит от качества воды. Так для стоков в канализации Оренбурга константа варьировалась от 0,08 до 0,25 в различное время года, что говорит о том, что состав и свойства органики в стоках – непостоянно.

Расчеты по формуле L_t = L_{a –} xt = L_a х 10^{- k1t}, при условии t= 20 градусов С, а k₁=0,1, разрешают составить таблицу необходимости в кислороде по времени – сутки.

Далее представлено уравнения расчета времени снижения потребления O₂. Уравнение для изменения L_a до L_t.

t = 1/ k₁ lg L_a / L_t.

Из чего следует, что вся органика стоков не может быть полностью окислена, если L_t равно нулю. Формула показывает, что для полного завершения реакции необходимо бесконечно долгое время. Этот же закон регулирует процесс растворения O₂ в воде. Этот газ, как все другие аналогичные формы, может растворяться в жидкости до определенного предела – насыщения конкретного объема, который в свою очередь зависит от давления и t. В таблице ниже сведены расчеты для температур летом и зимой, при давлении равном 0,1 мПа.

Так растворимость O₂ воздуха, который находится под давлением, увеличивается с увеличением показателей последнего фактора. Это явление происходит и в процессе фотосинтеза, когда зеленый культуры в лучах солнца поглощают углекислоту и выделяют O₂. Скоростные показатели растворения последнего прямо пропорциональна нехватки этого газа в воде, обратно пропорциональна – уровню насыщенности. Закономерность актуальна только для слоя воды, где происходит диффузия. Если необходимо, чтобы положение было справедливым для всего объема жидкости, потребуется перемешивание.

Недостача кислорода в жидкости может выражаться в относительных величинах – это доли или % от полной недостачи. Есть и абсолютные показатели, они определяются мг/литр. Для расчета предлагается формула:

D_t = D_a х 10^{- k2t}, где

• D_a - начальная недостача O₂;
• D_t - дефицит через промежуток времени t;
• k₁ t – постоянная величина, зависящая от температурного режима, свойств среды, качества газа, условий прохождения реакции.

Но с увеличением t скорость растворения O₂ в жидкости повышается, но в небольших пределах.