Исследование процесса сопряженного массообмена в орошаемом биофильтре

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ......................................................... 6
ГЛАВА 1. ОБЗОР НАУЧНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ................................ 14
1.1. Биопленки как способ существования микроорганизмов 14
1.2. Обусловленность формирования биопленок
микроорганизмами............................................ 16
1.3. Особенности протекающих в биопленке процессов.......... 17
1.4. Биологическая кинетика................................. 19
1.5. Перенос загрязнений к поверхности биопленки............ 25
1.6. Эрозия биопленки, обусловленная течением жидкости...... 27
1.7. Примеры исследований в области моделирования
функционирования биопленки.................................. 31
1.8. Некоторые конструкции биологических очистных устройств... 38
1.9. Экспериментальные и теоретические исследования
биофильтров с загрузкой..................................... 44
Выводы 47
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ МАССОПЕРЕДАЧИ И ЭРОЗИИ БИОПЛЕНКИ В ОРОШАЕМОМ БИОФИЛЬТРЕ.......................... 48
2.1. Методика проведения экспериментов и инструменты........ 48
2.2. Обработка экспериментальных данных..................... 52
2.2.1. Массопередача................................... 53
2.2.2. Эрозия.......................................... 54
2.3. Истинная поверхность омывания колец.................... 57
2.4. Коэффициенты массопередачи............................. 59
2.5. Теоретическое исследование массопередачи............... 61
2.6. Сравнение эксперимента по определению массопередачи и теории................................................. 65
2.7. Определения плотности сухой биомассы................... 66
о
Э
2.8. Результаты проведения эксперимента по определению
кинетики эрозии и обсуждение................................ 67
2.9. Выводы 74
ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАЗВИТИЯ БИОПЛЕНКИ НА ОСНОВЕ ДИФФУЗИОННО-КИНЕТИЧЕСКОГО ПОДХОДА 76
3.1. Физико-математическая формулировка нестационарной
задачи...................................................... 76
3.1.1. Кинетика........................................ 77
3.1.2. Диффузионно-кинетическое уравнение для изменения концентрации субстрата в биопленке..................... 77
3.1.3. Уравнение баланса концентрации активной биомассы.. 79
3.1.4. Уравнение изменен 11я толщины биопленки......... 81
3.1.5. Краткий анализ уравнений системы................ 83
3.2. Алгоритм решения системы уравнений..................... 85
3.2.1. Преобразование области решения системы
определяющих уравнений................................. 85
3.2.2. Приведение системы определяющих уравнений к безразмерному виду..................................... 86
3.2.3. Аппроксимация дифференциальных уравнений
вычислительными аналогами.............................. 87
3.3. Обсуждение результатов моделирования развития биопленки. 88
3.3.1 Оценки характерных времен установления стационарных решений................................... 89
3.3.2. Развитие бпопленки в условиях низкой эрозии при различных начальных толщинах биопленки................. 92
3.3.3. Развитие биопленки в условиях низкой эрозии при различных начальных концентрациях активной биомассы в биопленке.............................................. 94
4
3.3.4. Развитие биопленки мри неблагоприятных начальных
условиях............................................... 97
3.4. Выводы.................................................. 99
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ СТАЦИОНАРНЫХ РЕЖИМОВ ПЕРЕРАБОТКИ СУБСТРАТА БИ ОП ЛЕНКОЙ С УЧЕТОМ КВАДРАТИЧНОГО ЗАКОНА ОТМИРАНИЯ АКТИВНОЙ БИОМАССЫ............................................................ 101
4.1. Исследование режимов переработки субстрата биопленкой известной толщины............................................ 101
4.1.1. Математическая постановка задачи................ 101
4.1.2. Решения при больших значениях 5................. 103
4.1.3. Решения при относительно малых значениях б........ 107
4.1.4. Обсуждение результатов............................ 112
4.1.5. Выводы............................................ 114
4.2. Исследование режимов переработки субстрата биопленкой при известном уровне эрозии.................................. 115
4.2.1. Математическая модель стационарной
биопленки................................................ 115
4.2.2. Приближенные аналитические решения................ 117
4.2.3. Обсуждение результатов.........................s' 120
4.2.4. Выводы............................................ 123
ГЛАВА 5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА БИОЛОГИЧЕСКОЙ ВОДООЧИСТКИ С ПОМОЩЬЮ ОРОШАЕМОГО БИОФИЛЬТРА..................................................... 124
5.1. Экспериментальная установка............................. 125
5.2. Модель водоочистки в биофильтре........................... 126
5.3. Приближенные решения уравнений водоочистки в биофильтре................................................ 130
5
5.4. Сравнения расчетов и измерений.................... 133
5.5. Обсуждение результатов............................ 135
5.6. Выводы............................................ 140
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................. 141
ЛИТЕРАТУРА.................................................. 143
Приложение А 156
Приложение Б 162
6
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. В настоящее время все большее внимание уделяется такой проблеме как очистка сточных вод предприятий и коммунального хозяйства. Аналитические прогнозы предсказывают, что в недалеком будущем вполне вероятны международные конфликты, связанные не с территориальными претензиями или нехваткой ресурсов таких, как нефть, природный газ, уголь, а с дефицитом чистой воды. Территория РФ богата водными ресурсами, что в свою очередь может выдвинуть государство на выгодные позиции на мировом рынке воды, но, в то же время, качество воды, поставляемой водоканалами в жилой сектор большинства городов, оставляет желать лучшего. Это очень серьезная проблема, так как вода является неотъемлемой частью организма человека. Благодаря этому химическому соединению осуществляются все обменные процессы в организме, и логично полагать, что общее состояние здоровья граждан во многом зависит от того, какую воду они потребляют.
Зафязненная вода способна к самовосстановлению в природных условиях, но интенсивность очищения этого ресурса невелика, в связи с чем необходимо использовать технологии очистки использованных человеком вод. Существуют различные методы восстановления отработанных вод, такие как химические, механические, биологические. Последние представляют наибольший интерес, так как являются по сути безотходными.
Несмотря на довольно широкое использование биологических методов очистки на сегодняшний день, до сих пор не существует общепринятой единой теории, описывающей на фундаментальном уровне процессы биоводоочистки. По-видимому, это связано с все еще неполным пониманием процессов, протекающих в очистных установках, либо с трудностью учета их всех.
Основным технологическим приемом биологических методов является использование микроорганизмов, способных утилизировать довольно широкий
7
спектр загрязнений, растворенных в воде. Особенностью является тот факт, что, в природе бактерии крайне редко встречаются в свободной форме - они, в основном, агрегируются и их жизнедеятельность происходит в колониях. Данные колонии представляют собой слизистые, вязкотекучие образования из микроорганизмов, прикрепившихся к поверхности раздела сред, и созданных ими внеклеточных полимеров. Для обозначения этих образований используется термин «биопленка».
При выявлении основных закономерностей, присущих развитию биопленки и ее работе, появляется возможность менять характеристики процесса биоводоочистки с целью управления им в целом. В основном, инженеров интересует возможность интенсификации обработки воды.
До недавнего времени оптимизация процессов биоочистки базировалась на эксперименте. Биологические эксперименты, как правило, длятся месяцами. Во время их проведения приходится варьироваться достаточно большой набор различных параметров, что, в свою очередь, доставляет дополнительные трудности.
Понимание основ механизмов переработки нечистот и моделирование агрегата биопленки позволяет с большой вероятностью предсказать определяющие факторы и наиболее плодотворно проводить физические эксперименты.
Именно моделированию биопленки уделяется достаточно много внимания в различных работах. Несмотря на то, что удалось выделить основное звено в работе очистных сооружений, коим является биопленка, описание процесса водоочистки затруднено, потому что в целом приходится одновременно описывать ряд процессов, связанных с:
1. переносом субстрата в потоке жидкости (вода с растворенными загрязнениями), омывающим биопленку. Выбор корректного в каждом случае коэффициента массоперсдачи;
8
2. разрушением биопленки, вызванным обтекающим потоком жидкости;
3. переносом субстрата внутри биопленки и его переработкой;
4. описанием роста и отмирания биологически активной биомассы;
5. описанием роста толщины биопленки.
Подавляющее большинство работ на сегодняшний день, например, такие как [4, 10, 17, 18, 31, 32, 34, 35, 44, 45, 48 и др.], в основном, акцентируют внимание на отдельных аспектах развития и функционирования биопленки, и лишь некоторые предпринимают попытки полного описания биопленки [19, 20, 24, 46, 49, 57], а в ряде случаев, и описания биореакторов различной конфигурации [29, 55, 58].
Итак, при детальном рассмотрении механизма очистки воды с помощью биологических методов приходиться сталкиваться с описанием процессов переноса вещества через межфазную границу в гетерогенных системах. Подобные задачи успешно решаются с помощью подходов, развитых в физикохимической гидродинамике [1].
Цели и задачи исследований. Целью настоящей работы является
1. разработка физико-математических моделей, описывающих процессы переработки загрязнений, растворенных в воде, с помощью биопленок на основе кинетики Моно;
2. экспериментальное и теорет1гческое определение коэффициента массопередачи от водной среды к биопленке и эрозии за счет обтекающего потока воды;
3. исследование поведения характеристик биопленки во время нестационарного периода ее формирования;
4. выявление возможных режимов функционирования биопленки в установившихся режимах;
9
5. получение приближенных аналитических решений, позволяющих выявить роль множества факторов в установлении различных режимов переработки субстрата;
6. создание физико-математической модели капельного биофильтра на основе подходов, широко применяемых в физико-химической гидродинамике [1, 88], и ее верификация с помощью эксперимента. Методы исследований. Решение рассматриваемых задач осуществлялось
на основе численных, аналитических и экспериментальных подходов, применяемых при решении задач физико-химической гидродинамики, а именно:
1. с помощью методов математической физики получены приближенные решения:
а) задачи о стационарных режимах потребления субстрата в биопленке при квадратичном законе смертности микроорганизмов,
б) задачи о равновесной толщине биопленки,
в) задачи о нахождении коэффициента массопередачи субстрата от водной среды к биопленке,
г) задачи об очистке воды с помощью биофильтра;
2. методом конечных разностей решались дифференциальные
уравнения для диффузии и потребления субстрата внутри биопленки, для баланса концентрации биомассы, для переноса субстрата в полости биофильтра;
3. экспериментальными методами получено:
а) решение задачи об эрозии биоиленки за счет обтекающего потока жидкости,
б) подтверждение теоретически полученного выражения для коэффициента массопередачи,
в) подтверждение результатов расчета производительности биофильтра проведено с помощью эксперимента.
10
Научная новизна. Показана неприемлемость использования линейного закона отмирания активной биомассы в биопленке. Обнаружено, что описание устойчивого функционирования биопленки возможно при использовании квадратичного закона отмирания биомассы, выведенною с учетом влияния продуктов жизнедеятельности на метаболизм микроорганизмов.
Получена зависимость коэффициента массопередачи субстрата от водной среды к поверхности биопленки от числа Рейнольдса в условиях пленочного обтекания водой зерна пористой засыпки.
Экспериментально найдена зависимость параметра эрозии биопленки от удельного расхода раствора субстрата через пористую засыпку с заданными характеристиками в режиме пленочного течения.
Выявлены два принципиально разных режима функционирования биопленки при использовании квадратичного закона отмирания микроорганизмов: насыщенный - поток субстрата в биопленку лимитируется скоростью переработки нечистот внутри биопленки, ненасыщенный — поток субстрата в биопленку лимитируется диффузией.
Разработана физико-математическая модель капельного биофильтра, учитывающая биокинетику микроорганизмов, характеристики пористой загрузки и течение, концентрацию загрязнении в очищаемой с его помощью воде.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Зависимость коэффициента массопередачи субстрата из водной среды к поверхности биопленки от числа Рейнольдса в условиях пленочного обтекания водой зерна пористой засыпки.
2. Зависимость параметра эрозии биопленки от числа Рейнольса через пористую засыпку с заданными характеристиками (размер зерна, пористость) в режиме пленочного течения.
3. Физико-математическая модель, описывающая жизнедеятельность биопленки, основанная на диффузионно-кинетическом подходе,
11
учитывающая изменение толщины биопленки за счет ее роста и разрушения потоком жидкости (эрозия), с учетом квадратичного закона отмирания микроорганизмов.
4. Утверждение, что при выбранном квадратичном законе отмирания микроорганизмов существуют два принципиально разных режима функционирования биопленки: насыщенный - поток субстрата в биопленку лимитируется скоростью переработки нечистот внутри биопленки, ненасыщенный - поток субстрата в биопленку лимитируется диффузией.
5. Физико-математическая модель капельного биофильтра, учитывающая характеристики биореактора, такие как пористость среды, величина зерен загрузки, площадь поперечного сечения, а также характеристики очищаемой воды.
Достоверность. Достоверность полученных результатов работы обеспечивается строгостью используемых математических постановок задач, непротиворечивостью результатов и выводов. Результаты численных расчетов являются достоверными в силу того, что уравнения математических постановок решались различными методами. Соблюдались все критерии, обеспечивающие устойчивость и сходимость решений. Приближенные анапитические решения проверялись с помощью численных решений, устойчивость и справедливость которых были установлены прежде. Правомерность предложенных гипотез и моделей проверялась путем сравнения результатов моделирования с данными собственных экспериментов по оценке скорости эрозии биопленки, по нахождению коэффициента массопередачи, по измерению степени очистки загрязненной воды с помощью капельного биофильтра.
Практическая значимость. Значимость диссертационной работы определяется возможностью применения разработанного подхода при моделировании процессов, характерных не только для биологической очистки сточных вод и почв, но и для различных технологических процессов, где
12
приходиться сталкиваться с переносом вещества через межфазную границу гетерогенных систем, и реализуется пленочный режим течения жидкости. Развитая модель капельного биофильтра с учетом характеристик пористой загрузки позволяет оптимизировать, в частности, процесс проектирования очистных сооружений.
Получены приближенные аналитические выражения для широкого диапазона параметров, описывающие режимы функционирования биопленки, формулы для подсчета глубины очистки воды, протекающей по полости капельного биофильтра. Получено выражение, описывающее зависимость коэффициента массоотдачи от величины удельного расхода жидкости, протекающей по реактору с заданными характеристиками.
Разработаны фундаментальные критерии перехода от одного режима функционирования биопленки к другому.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на:
I. Международных конференциях: Международная школа-конференция
молодых ученых «Физика и химия наноматериалов» (Томск, ТГУ, 2005), IX Московская международная телекоммуникационная конференция молодых ученых и студентов «Молодежь и наука» (Москва, МИФИ, 2005), Международная конференция «Системы воды и почв» «Conference on Soil/Water-Systcms» (Франция, Центр Собраний Бордо, 2005), III международная научно-практическая конференция «Экология речных бассейнов» (Владимир, ВГУ, 2005), XLIII Международная научная студенческая конференция “Студент и научно-технический прогресс” (Новосибирск, НГУ, 2005), Международная конференция «Биовосстаиовление почвы и фунтовой воды» (Польша, Краков, 2004), Европейский симпозиум по биотехнологии окружающей среды «ESEB 2004» (Бельгия, Оостенде, 2004), Международная конференция “Ракетные двигатели и проблемы их применения для освоения космического пространства” (Москва-Калуга, 2003), XLI Международная научная студенческая конференция “Студент и научно-
технический прогресс’’ (Новосибирск, НГУ, 2003), Международная конференция “Байкальские чтения II по моделированию процессов в синергетических системах” (Улан-Удэ, Томск, 2002);
II. Всероссийских конференциях: Всероссийская конференция
«Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» (Томск, НИИ ПММ, 2006), II Всероссийская конференция «Физика и химия высокоэнергстических систем» (Томск, ТТУ, 2006), Всероссийская научная конференция молодых ученых «НАУКА. ТЕХНОЛОГИИ. ИШ-ЮВАЦИИ» (Новосибирск, НГТУ, 2006), Всероссийская конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» (Томск, НИИ ПММ, 2004), VII Всероссийская научно-техническая конференция «Механика летательных аппаратов и современные материалы» (Томск, ТГУ, 2003), IX Всероссийская студенческая конференция «Экология и проблемы защиты окружающей среды» (Красноярск, КрасГУ, 2002).
В целом по теме диссертации опубликовано 28 работ включая тезисы и материалы докладов Всероссийских региональных и международных конференций [19, 24, 26, 102, 106- 129].
Основные результаты работы опубликованы в 4 журналах, относящихся к перечню Высшей аттестационной комиссии [19, 24, 106, 107].
Вклад автора. При получении результатов представляемой к защите работы автором сделан определяющий вклад, заключающийся в выполнении всех расчетов с помощью методик приближенных вычислений. Автором замечена противоречивость использования линейного закона для описания скорости смертности микроорганизмов. Автором частично проведены эксперименты по определению скорости эрозии биопленки и коэффициента массопередачи. Основная часть приближенных аналитических решений для задачи о переработки субстрата биоплепкой и для задачи очистки воды с помощью биофильтра также была получена автором. Автором совместно с научным консультантом - доктором И.Г. Диком (Johann Dueck) разработана
14
методика проведения эксперимента для определения скорости эрозии биопленки, выращенной на зернах пористой засыпки.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5-ти глав, заключения и двух приложений. Полный объем диссертации составляет 165 с. Список источников литературы - 13 с. и содержит 129 названий.