ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Порядок реакции при самоочищении из "Прогноз качества воды водоёмов-приемников сточных вод " Отдельные исследователи получили математическое описание, адекватное экспериментальным данным, уравнением своего порядка, и для них оказались неприемлемыми уравнения других порядков. Это свидетельствует о том, что в биохимическом процессе действуют факторы сложного характера, прямым образом не учитываемые уравнением какого-то определенного порядка. Из этого же следует, что выбор уравнения того или иного порядка в упомянутых публикациях осуществлялся формально, без должного анализа факторов, влияющих на порядок реакции биохимического процесса. Между тем только на основании такого анализа можно обоснованно выбрать порядок реакции для описания процесса самоочищения водоемов. [c.147] Для реакций, в которых участвует два вещества или более, в химической кинетике используются уравнения И или более высоких порядков. При этом, когда вещества вступают в реакции в равных или эквивалентных количествах, процесс может быть описан уравнениями типа (4.1) или (4.2). [c.147] Однако для того, чтобы решить, каким же должен быть порядок реакции при взаимодействии этих величин, следует рассмотреть удельное значение каждого из них в процессе биохимической деструкции органического вещества. [c.148] Допустим, что не будет существенной погрешности для точности описания процесса, если отбросить величину, составляющую 10% значения какой-то другой величины, также характеризующей этот процесс. В данном случае, если Ког = 0,2 мг/л и составляет 10% концентрации растворенного кислорода, последняя должна составлять 2 мг/л. В действительности концентрации растворенного кислорода обычно превышают это значение, вследствие чег.о Ко должна составлять меньше 10% концентрации растворенного в воде кислорй да. Отбросим Ко в знаменателе формулы (4.4), тогда концентрация растворенного кислорода в этом выражении сократится и окажется, что скорость биохимического окисления органического вещества не будет зависеть от концентрации растворенного кислорода. [c.149] Данные о влиянии концентрации растворенного кислорода на скорость биохимического окисления органических веществ в аэротенках приводятся Н. А. Берновской. В процессе исследований по биодеградации фенолов в аэротенках при обычных дозах активного ила ею было установлено, что увеличение концентрации растворенного кислорода от 0,1 до 2 мг/л приводило к значительному возрастанию скорости окисления. Дальнейшее увеличение содержания растворенного кислорода практически не отражалось на скорости окисления. Возрастание концентрации растворенного кислорода свыше 25 мг/л приводило к угнетению микрофлоры аэротенка. В работе сделан вывод о том, что оптимальная концентрация растворенного кислорода при очистке в аэротенках фенольной воды должна составлять 1,5—2 мг/л. [c.149] Здесь скорость самоочищения уже зависит от двух факторов — БПК воды и массы микроорганизмов. [c.150] Увеличение массы микроорганизмов связано с ассимиляцией ими содержащегося в воде органического субстрата. Наиболее выпукло взаимосвязь изменение массы микроорганизмов с концентрацией субстрата можно проследить в аэротенках, где удельная биомасса и концентрация органического субстрата значительно выще, чем в воде водоема. Конечно, экологические условия в них различны, но при выборе математической модели, достаточно адекватной описываемому явлению, эти различия могут быть удовлетворительным образом учтены. [c.150] Следовательно, в данно случае прирост биомассы не лимитируется концентрацией субстрата, поскольку, как отмечалось выше, он имеется в изобилии. Такое изобилие наблюдается, скажем, при получении определенного продукта в технической микробиологии. Здесь допускается полное обеспечение микроорганизмов всеми питательными веществами, не считаясь с затратами, поскольку они полностью покрываются реализованной продукцией. [c.151] Участок кривой изменения биомассы, соответствующий I фазе (см. рис. 4.1,6), представляет собой прямую линию, поскольку при принятых предпосылках он соответствует постоянной логарифмической скорости роста к. При этом на оси ординат при i=0 отсекается отрезок, равный 1еп Sq. [c.152] В настоящее время, к сожалению, в некоторых литературных источниках прирост биомассы связывается с БПК. Конечно, его можно функционально связать с БПК, поскольку, как говорилось ранее, БПК характеризует некоторую долю органического субстрата, используемую микроорганизмами для покрытия своих энергетических потребностей, расходуемых также и на образование новых клеток. В этом отношении можно установить корреляционную связь между двумя любыми величинами, изменяющимися в едином процессе по каким-то закономерностям. В рассматриваецом случае одну величину — прирост биомассы — можно связать с любой из таких величин, как БПК, ХПК, органический углерод и т. п., лишь бы они были доступны для измерения. Но такие корреляционные связи будут формальными и индивидуальными для различных органических субстратов, эти связи не могут быть обобщены в единую закономерность, справедливую для любых органических веществ. Что же касается связи прироста биомассы со снятой разностью ХПК БПК, то, как показали Н. А. Базякина и ее последователи, к которым себя причисляет и автор, она является универсальной, справедливой для любых субстратов, подвергающихся биохимическому окислению. [c.153] Значение а зависит от ряда факторов — характера субстрата, глубины очистки, длительности аэрации и т. п. Для трудноокисляемых веществ а может быть принята равной 10—16% [12]. [c.155] Выражение (4.13) позволяет определить снятую БПК по значениям ХПК неочищенной и очищенной жидкости и полному приросту биомассы. Если эффект очистки настолько велик, что БПК очищенной жидкости будет весьма малой величиной по сравнению с БПКн и ею можно пренебречь, то это выражение определяет полную БПК неочищенной жидкости. При этом ХПК должна определяться в начале и в конце опыта в нефильтрованной воде вместе с биомассой. В этом случае не требуется определять прирост биомассы. Однако надо иметь в виду, что при значительной потере биомассы на автолиз, которая не будет фиксироваться конечной ХПК, определенная таким методом БПКн окажется несколько завышенной и в нее следует внести поправку — вычесть величину, равную аг. [c.155] Выражение (4.15) полностью адекватно изменению биомассы в воде водоема. Оно показывает, что, если данный субстрат имеет существенную пластическую ценность, но беден в энергетическом отношении, прирост биомассы будет близким к нулю. То же самое будет, если субстрат обладает энергетическими достоинствами, но не имеет пластической ценности. В аэротенке при большой дозе активного ила скорость изменения биомассы во времени может ингибироваться токсикантами, продуцируемыми самой биомассой. Для этого случая в правую часть уравнения (4.15) должен быть включен третий член, учитывающий ингибирующее влияние токсикантов. В водоеме же масса микроорганизмов мала, и ингибирующее действие метаболитов может быть исключено из рассмотрения. В этом смысле и подчеркнута достаточность уравнения (4.15) для воды водоема. [c.156] Уравнение (4.15) содержит три неизвестные величины 5(, Яг, Ь(, поэтому оно должно быть дополнено двумя уравнениями, характеризующими изменение во времени i и Ьи Эти величины, представляющие собой разность ХПК—БПК и БПК, являются долями концентрации органического субстрата, содержащегося в воде водоема. Между тем представляется неправомерным связывать прирост биомассы прямым образом с концентрацией субстрата в воде, поскольку такое представление не соответствует механизму изъятия из нее растворенных органических веществ и их ассимиляции бактериальными клетками. Поэтому необходимо, хотя бы чисто феноменологически, рассмотреть этот механизм. [c.156] Будем подразумевать под общей концентрацией органического вещества в воде с ее ХПК в момент времени t, как обычно и делается на практике, особенно когда само вещество неизвестно или представляет собой сумму некоторых также неизвестных веществ. [c.157] Выражение (4.19) представляет собой изотерму адсорбции Лэнгмюра, графическое изображение которой представлено на рис. 4.2. Это выражение и рис. 4.2 позволяют объяснить роль в кинетике биохимического окисления органического вещества такого важного фактора, как его концентрация. Так, из рис. 4.2 видно, что при уменьшении ХПК воды от значения 2 до величины Р величина Убм остается постоянной, так как участок изотермы практически параллелен оси абсциис. Наклон участка МР столь незначителен, что им можно пренебречь. Следовательно, при уменьшении ХПК от 02 и ОМ величина Убм будет постоянной, т. е. в этом диапазоне изменения концентраций органических веществ в воде транспортирование субстрата внутрь клетки будет постоянным. На у частке ОММ величина Убм будет снижаться с уменьшением ХПК воды, причем на участке ОМ прямо пропорционально величине Ув. Из этого следует, что при ХПК воды меньше ОМ транспортирование субстрата с поверхности клеток внутрь их будет уменьшаться с уменьшением ХПК воды. [c.158] Из полученных выражений вытекают весьма важные следствия. Одно из них состоит в том, что транспортирование субстрата внутрь клеток в общем случае зависит от содержания его на их поверхности, а не в жидкости. При этом в области больших концентраций транспортирование субстрата внутрь клеток не зависит от его содержания в жидкости и является постоянной величиной. Это и обусловливает нулевой порядок реакции при биохимической очистке высококонцентрированных сточных вод. В области малых концентраций транспортирование субстрата оказывается пропорциональным его содержанию в жидкости. Это и обусловливает первый порядок реакций при биохимической очистке слабоконцентрированных сточных вод. [c.159] Таким образом, зная 3 и 5о и экспериментально измерив Уо и 1 в величинами ХПК, по формуле (4.41) рассчитывают содержание субстрата Убм в единице биомассы 5о. [c.162] Вернуться к основной статье