РАЗДЕЛ 2
2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДА КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ОБОРОТНОЙ ВОДЫ ЗА СЧЕТ СОЛЕЙ АММОНИЯ
В воде систем оборотного водоснабжения проходят различные биологические и химические процессы. Химические превращения в воде оборотных систем рассмотрены и учтены в современной практике довольно широко, однако имеющие место биологические процессы принято, как правило, подавлять введением различных реагентов в оборотную воду, тем самым пресекаются как отрицательные, так и положительные факторы биологических процессов.
2.1 Исходные теоретические положения
Оборотная вода систем охлаждающего водоснабжения является благоприятной средой для развития множества микроорганизмов. Об этом говорит приемлемая для мезофильных форм температура оборотной воды (30-40°С); рН оборотной воды (6-9); наличие всех биогенных элементов: как органогенов (углерод, водород, кислород, азот), так и элементов золы (фосфор, калий, сера, магний, железо). Благодаря этому, в оборотных циклах развиваются различные виды микроорганизмов, сине-зеленые водоросли, грибы, простейшие, ракообразные и пр.
В числе этих микроорганизмов находятся и нитри- денитрифицирующие бактерии [89], которые и обуславливают протекание процессов нитри- денитрификации в оборотных системах.
Нитрификация ? биохимический процесс, осуществляемый нитрозобактериями посредством ферментативных реакций окисления аммиака и солей аммония кислородом.
NH4+ + 1,86O2 + 1,98HCO3- > 0,02 C2H7NO2 + 0,98NO3- + 1,88СO2 + 2,92 H2O.
(2.1)
Нитрификация является аэробным процессом и осуществляется автотрофными микроорганизмами, то есть полученная в ходе ферментативных реакций энергия расходуется на построение органического клеточного вещества.
Окисление азота аммонийного и аммиака до нитратов проходит в две стадии, осуществляемые различными видами микроорганизмов. На первой стадии посредством бактерий Nitrosomonas происходит окисление до нитритов (NO2-), а на второй, посредством Nitrobacter - до нитратов NO3-. В целом, эти виды микроорганизмов представляют из себя симбиоз, при котором продукт жизнедеятельности одного вида используется для существования второго вида. Стехиометрически эти реакции требуют 4,57 г кислорода на 1 г окисленного аммиака, чем и может быть обусловлено снижение содержания кислорода в оборотной воде, содержащей азот аммонийный.
Скорости роста обоих нитрифицирующих организмов значительно увеличиваются с нарастанием температуры [90]. Так, с увеличением температуры на 1 °С количество Nitrosomonas возрастает на 9,5%, а Nitrobacter - на 5,9%. Данный факт указывает на возможность интенсификации прироста нитрифицирующих бактерий в оборотной воде.
Константа полунасыщения азотом аммония [] для Nitrosomonas и азотом нитритов [] для Nitrobacter колеблется от 14 до 575 ммоль с возрастанием температуры от 8 до 30 °С. [91].
Необходимо отметить, что в воде оборотных циклов может проходить конкурирование за аммонийный азот со стороны нитрифицирующих бактерий и фитопланктона. Максимальные показатели специфического роста этих двух групп находятся в одинаковых пределах [92]. Однако, константы полунасыщения при поглощении азота аммония фитопланктоном намного ниже [=0,1-10ммоль], поэтому указанное конкурирование может наблюдаться при концентрации азота аммония ниже 10 ммоль. Кроме того, при высоких концентрациях азота аммония (>75 ммоль) происходит угнетение фотосинтеза фитопланктона [88].
Согласно уравнению (2.1) при нитрификации осуществляется потребление щелочности. При этом гидрокарбонаты расходуются на изъятие углерода для построения клеточного вещества нитрифицирующих бактерий и на нейтрализацию образующихся в ходе ферментативных реакций кислот азотного основания.
С другой стороны, щелочность оборотной воды обуславливает образование нерастворимого соединения карбоната кальция, который представляет собой основную составляющую накипи:
2HCO3- - CO32- + CO2 + H2O , (2.2)
Ca2+ + CO32- > CaCO3v . (2.3)
Уравнение (2.2) еще носит название уравнения углекислотного равновесия[94]. Согласно принципу Ле Шателье, внешнее воздействие на систему, находящуюся в состоянии равновесия, приводит к смещению этого равновесия в направлении, при котором эффект произведенного действия уменьшается. Применительно к уравнению (2.2), это означает, что снижение концентрации ионов щелочности HCO3- приводит к смещению углекислотного равновесия влево. Что, в свою очередь, приводит к уменьшению глубины распада бикарбонат иона и снижению содержание карбонатов CO32- в растворе. В этом случае, можно рассмотреть уравнение (2.3) как систему с равновесием, также смещенным влево, что приведет к снижению интенсивности образования карбоната кальция CaCO3.
Таким образом, снижение концентрации ионов щелочности в оборотной воде приведет к снижению интенсивности процессов накипеобразования.
2.2 Обоснование метода кондиционирования оборотной воды ионами азота аммонийного
При нитрификации щелочность потребляется на построение клеточного вещества микроорганизмов и нейтрализацию образующихся кислот азотного основания. Это явление связывает химические и биологические процессы, проходящие в системах оборотного охлаждающего водоснабжения. Причем биологические процессы могут быть направлены на оптимизацию химического состава оборотной воды.
Зачастую азот аммонийный содержат большинство биологически очищенных промышленных сточных вод, в том числе и коксохимического производства. Таким образом, можно сделать теоретическое заключение о возможности использования биологически очищенных сточных вод для подпитки систем оборотного водоснабжения не только как мероприятие по экономии природных водных ресурсов, но и как метод подавления накипеобразования в теплообменной аппаратуре оборотных циклов.
С биологическим изъятием щелочности может конкурировать следующий химический процесс:
NH4+ + HCO3- - NH3 ^ + CO2 + H2O