РАЗДЕЛ 2
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ И СОЗДАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА В АЭРОТЕНКЕ
В данном разделе на основании анализа литературных данных [1 - 86] и данных
обследования водоочистных сооружений завода Черновцылегмаш представлены:
возможный механизм и математическая модель кинетики процесса биохимического
окисления органических веществ в водных системах аэротенка. Методика
обследования водоочистных сооружений представлена в разделе 3.
2.1 Механизм процесса
Используя фундаментальные представления [87], механизм процесса очистки сточных
вод от органических веществ можно представить в виде следующих этапов
трансформирования вещества и энергии:
диффузия соединений субстрата к клеточной поверхности активного ила (к
флокулам);
адсорбция субстрата на клеточной поверхности;
расщепление адсорбированного субстрата внеклеточными ферментами;
поглощение расщепленных мономеров клетками;
внутриклеточные процессы (рост и эндогенное дыхание);
высвобождение экстретируемых продуктов;
"выедание" первичной популяции организмов вторичными потребителями
(простейшими) и диффузия (отвод) газообразных продуктов.
Клеточная поверхность в аэротенке представлена в основном в виде флокул
активного ила со средним размером 200 – 400 мкм.
В работе [88], с использованием эволюционного метода сравнения времен диффузии
, и времени биохимической реакции , показало, что диффузионные ограничения на
стадиях подвода органических веществ к поверхности флокулы активного ила и
внутри нее незначительны по сравнению с временем биохимической реакции.
Длительность последней в 80 – 100 раз больше, чем время подвода реагентов, то
есть процесс лимитируется скоростью биохимических реакций в клетке. Что
касается кислорода, то он также сорбируется во флокулы. Область протекания
реакции во флокуле по кислороду, согласно [88], можно отнести к
диффузионно-кинетической. Это объясняется низкой концентрацией растворенного
кислорода и высокой скоростью его потребления. Известно [89], что растворимость
кислорода в воде при 302 К составляет 8,3 мг/дм3, концентрация растворенного
кислорода ~ 2 г/м3 является оптимальной и отражает усредненные потребности
микроорганизмов смешанных биоценозов.
Внутреннее потребление кислорода, то есть процесс трансформации органического
вещества и энергии в клетке можно представить в виде схемы [87]:
Дыхание – окисление органического вещества:
CxHyOz + O2 ® CO2 + H2O - DGx
Синтез клеточного вещества:
CxHyOz + NH3 ® клеточное вещество + H2O - DGz
Самоокисление:
клеточное вещество + O2 ® CO2 + H2O + NH3 - DGm
Потребление кислорода внутри клетки осуществляется с помощью ферментов. Полный
состав белков – ферментов, необходимых для очистки сточных вод, неизвестен,
однако чисто эмпирически установлено [90], что для процессов деструкции и
окисления органических соединений важны ферменты, относящиеся к классам:
оксидоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы. Например, первая группа
ферментов отнимает ион водорода от окисляемого субстрата, а также способствует
процессу: О2 + 4е- ® 2О-2 .
Другие классы ферментов способствуют разрыву связей в органических соединениях,
например, негидролитическим путем, переносу атомных групп с одной молекулы на
другую и т. п.
Перенос молекул субстрата через цитоплазматическую мембрану осуществляется
благодаря участию молекул переносчиков – специальных конферментов или пермеаз.
Молекулы кислорода, согласно [87] беспрепятственно диффундируют через мембрану,
и скорость диффузии зависит от скорости потребления кислорода внутри клетки.
Если молекула субстрата имеет большие размеры, чем каналы в мембране, то
внеклеточные ферменты аналогичных классов подвергают их деструкции в жидкой
фазе, близкой к адсорбционной зоне флокулы ила [90].
Таким образом, можно утверждать, что на микро уровне процесс деструкции и
окисления молекул субстрата лимитируется скоростью реакции биохимического
окисления. Однако этот факт имеет место, если эффективны стадии 2, 3, а также
равномерно поддерживается оптимальная концентрация растворенного кислорода (~ 2
г/м3) во всем объеме аэротенка. Известно [91], что адсорбционная и
перерабатывающая характеристика активного ила зависят от величины его удельной
поверхности и ферментативной активности. Эти величины в свою очередь в
значительной мере определяются величиной коэффициента зооглейности, который
характеризует соотношение капсульных и безкапсульных штаммов [92]. Коэффициент
(kz) зооглейности обнаруживает хорошо выраженную зависимость от специфических
особенностей экологических группировок бактерий. Наиболее высоким kz обладают
аблигатные аэробы (kz = 30), термотолеранты (kz = 40) и мезофилы (kz = 18). У
микроаэрофильных и капнетических аэробов, окситолерантных анаэробов значение kz
меньше 10, что, по мнению авторов [92], указывает на неблагоприятный
технологический режим биологической очистки.
В той же работе [92], показано, что в случае использования сточных вод с
условно постоянным биохимическим показателем (G), режим аэрации предопределяет
биоценоз активного ила и при увеличении интенсивности аэрации возрастает
процент аблигатных аэробов и уменьшается количество нитчатых бактерий. Это
повышает коэффициент kz и интенсифицирует процесс очистки. Очевидно, что
результаты работы [92] подтверждаются в более поздней работе [93].
Таким образом, можно утверждать, что на макро уровне процесс в аэротенке будет
определяться следующими условиями:
- скоростью растворения кислорода в сточных водах и равномерным распределением
концентрации по всему объему. Эти условия фактически определяются
гидродинамикой в аэротенке и величиной объемного коэффицие
- Київ+380960830922