Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ основных технологических решений в области биохимической очистки и обеззараживания сточных вод как основа для повышения их эффективности
1.1. Обзор исследований по физико-химическим свойствам белковых систем 15
1.2. Влияние физических полей на белковые системы 17
1.3. Обзор существующих методов удаления из сточных вод соединений неорганического азота 20
1.4. Обзор существующих методов удаления из сточных вод неорганических соединений фосфора 25
1.5. Критерии обеззараживания воды и их взаимосвязь с возможностями разработок перспективных технологий в этой области 36
1.6. Постановка задачи создания математической модели внеклеточного расщепления органических веществ в аэробных условиях с позиций фундаментальных законов 54
Выводы к первой главе 60
ГЛАВА 2. Теоретические основы биохимического окисления органических веществ в аэробных условиях и методика определения БПКПОлн. в день отбора пробы
2.1. Внеклеточное расщепление органических веществ в водных системах 62
2.1.1. Динамика преобразований симбиоза активного ила в процессе
гравитационного отстаивания 69
2.2. Исследование и разработка нового метода определения значения величины БПКполн. вдень отбора пробы 78
2.2.1.Оценка существующего стандартного метода Определения БПКполн... 82
Выводы ко второй главе 86
ГЛАВА 3. Исследования технологических основ по влиянию электрического и магнитного воздействия на микроорганизмы
3.1. Влияние электромагнитных активаторов на работу системы «аэротенк-отстойник» 87
3.2. Влияние электромагнитной обработки иловой смеси на процесс очистки сточных вод , 96
3.2.1. Определение оптимальных параметров электрической обработки иловых смесей 103
3.2.2. Промышленное апробирование технологии воздействия электрических и магнитных полей на степень очистки сточных вод. 111
3.3. Новая технология обеззараживания воды перпендикулярным магнитным полем 121
3.3.1. Механизм процесса обеззараживания воды в перпендикулярном магнитном поле 125
3.3.2. Апробирование эффекта обеззараживания воды магнитным полем на пилотной установке 135
3.3.3. Промышленные испытания технологии обеззараживания перпендикулярным магнитным полем 139
3.3.4. Промышленные испытания технологии обеззараживания перпендикулярным магнитным полем на станциях
питьевого водоснабжения 142
Выводы к третьей главе 152
ГЛАВА 4. Расчет и моделирование процессов удаления биогенных элементов
4.1. Новая технология биоудаления фосфатов на сооружениях биологической очистки 153
4.1.1. Особенности физико-химической очистки возвратных вод от соединений фосфора и аммонийного азота 153
4.1.2. Удаление фосфора в системах биологической очистки 170
4.1.3. Анализ работы промышленных сооружений, работающих по технологии биоаккумулирования 179
4.2. Особенности удаления аммонийного азота в нитрификаторах 194
4.2.1. Изучение окислительно-восстановительных процессов в нитрификаторах 194
4.2.2. Изучение влияния электрической обработки нитрифицирующей
биомассы на химические показатели очищенных сточных вод 203
Выводы к четвертой главе 207
ГЛАВА 5. Экспериментальная проверка возможности электрохимического окисления сточных вод, содержащих токсичные органические вещества
5.1. Изучение возможности электрохимического окисления сточных вод, содержащих токсичные органические вещества 213
5.1.1. Технико-экономическая оценка энергопотребления на электролизных установках с нерастворимыми электродами 213
5.1.2. Технико-экономический расчет энергопотребления на установках с нерастворимыми электродами 217
5.2. Изучение особенностей работы электролизной установки с нерастворимыми электродами 219
5.2.1. Технико-экономические расчеты процесса электрохимической очистки сточных вод, содержащих токсичные вещества, при одновременном проведении процесса обеззараживания 237
5.3. Изучение влияния электромагнитных полей на процессы доочистки сточных вод 241
5.3.1. Доочистка сточных вод предприятий пищевой промышленности 241
5.4. Исследование влияния тяжелых металлов на процессы биохимического окисления органических веществ 265
5.4.1. Изучение работы биокоагулятора 298
5.4.2. Изучение возможности электрохимического окисления сточных вод, содержащих соединения марганца и трудноокисляемые органические соединения 306
5.5. Экспериментальные исследования по влиянию соединений серы на биохимические процессы очистки сточных вод предприятий нефтеоргсинтеза 311
5.5.1. Изучение процесса биосорбции соединений серы в технологической схеме биологической очистки 313
5.5.2. Исследование возможности электромагнитной активации сульфатредуцирующего биоценоза 320
5.6. Оценка токсичности сточных вод, прошедших электромагнитную доочистку 325
Выводы к пятой главе 337
ГЛАВА 6. Промышленное апробирование технологии воздействия электромагнитных полей на активный ил 339
6.1. Перспективы применения электромагнитных активаторов на очистных сооружениях биологической очистки сточньк вод, содержащих высокие концентрации формальдегида 339
6.2. Перспективы использования избыточного активного ила нефтеперерабатывающих заводов в качестве сельскохозяйственного удобрения 348
6.2.1. Исследование химического состава осадков с иловых площадок и внесение их в почву 350
6.2.2. Наблюдения за растениями, развивавшихся на почвах, в которые были внесены осадки с иловых карт....і 358
6.2.3. Изучение влияния осадка с иловых карт на геохимический состав фунтовых вод 367
6.3. Перспективы применения электромагнитной активации и электрохимического окисления при очистке сточных вод предприятий пищевой промышленности 372
6.3.1. Варианты технологических схем очистки сточных вод хлебозаводов 372
6.4. Выводы к шестой главе .'. 388
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 393
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 394
ЛИТЕРАТУРА 396
ПРИЛОЖЕНИЯ 407
- Обзор исследований по физико-химическим свойствам белковых систем
- Внеклеточное расщепление органических веществ в водных системах
- Влияние электромагнитных активаторов на работу системы «аэротенк-отстойник»
Введение к работе
В настоящее время на предприятиях различных отраслей промышленности эксплуатационные службы очистных сооружений сталкиваются с проблемой увеличения нагрузки по органическим веществам на активный ил аэротенков.
Главным образом это происходит по причине внедрения в производство новых видов продукции и использование сырья нетрадиционных месторождений. Как правило, новые виды продукции являются более сложными по химической структуре и пространственной конфигурации органических молекул. Оптическая изомерия высокомолекулярных соединений часто замедляет процессы биохимического окисления в аэротенках.
Поэтому значения величин ВПК, ХПК, заложенные в технические задания на проектирование в предыдущие десятилетия, не соответствуют реальным показаниям в стоках, поступающих в настоящее время на очистные сооружения. Увеличение концентраций органических загрязнений приводит к вспуханию активного ила и, как следствие, увеличению БПК очищенных сточных вод и выносу взвешенных веществ из вторичных отстойников.
В связи с резкими экономическими изменениями в промышленности
возникла острая проблема усовершенствования технологии очистки воды, позволяющая сократить трудоемкие процессы приготовления и дозирования реагентов, затраты на эксплуатацию очистных сооружений, увеличить окислительную мощность сооружений в объемах существующих очистных станций, уменьшить себестоимость очищенной воды. Известные способы интенсификации физико-химических процессов, рациональные, технологически обоснованные схемы, разработанные новые конструкции и модернизированные существующие в настоящее время не всегда возможно реализовать по техническим и экономическим причинам.
Основным направлением научных разработок по интенсификации очистки сточных вод на данном этапе являются методы воздействия на водную систему внешних полей, что обусловлено универсальностью и эффективностью методов при малых капитальных вложениях. Благодаря простоте реализации устройств
для электрической и магнитной обработок водно-дисперсных систем в производственных условиях, это направление все чаще используется на предприятиях, несмотря на незавершенность технических и особенно научных разработок.
В настоящее время практически небольшое количество предприятий может осуществить строительство новых станций биологической очистки.
На станциях аэрации, построенных в 60-80 годы, как правило уже исчерпаны лимиты по нагрузке в связи с ростом населения и количеством введенных в 70-80 годы новых промышленных объектов, сбрасывающих сточные воды в городской коллектор.
Поэтому возникла необходимостью в увеличении окислительной мощности имеющихся очистных сооружений, где основная нагрузка по очистке стоков от органических загрязнений падает на аэротенки.
В связи с этим исследователи уделяют значительное внимание интенсификации процессов очистки сточных вод, совершенствованию технологических схем, разработке новых эффективных методов, позволяющих повысить качество сбрасываемых в открытые водоемы сточных вод, уменьшить себестоимость очищенной воды, сократить трудоемкие процессы приготовления и дозирования реагентов.
Для решения этих задач все возрастающее значение приобретают физические методы, основанные на воздействии на водную систему внешних полей (магнитных, электрических, ультразвуковых и др.). Это обусловлено малыми капитальными затратами при универсальности и эффективности таких методов.
Используются следующие способы физической активации водных систем
[1]:
магнитная обработка в чистом виде,
в комбинации с электрическим током, при предварительном возбуждении воды электрическим током или ультразвуком,
электрокоагуляция,
электрофлотация.
Наиболее широко для интенсификации процессов очистки воды применяется метод наложения магнитного поля на водно-дисперсные системы
для предотвращения накипеобразования [2]. Магнитное поле используется для интенсификации процессов очистки воды от коллоидных и других примесей, улучшения процессов ионного обмена [3, 4].
Благодаря простоте реализации устройств для магнитной обработки воднодисперсных систем, в производственных условиях магнитная водоподготовка все чаще используется на предприятиях: в теплоэнергетике, коммунальном хозяйстве, несмотря на незавершенность научных разработок.
Имеются самые разнообразные данные о действии магнитных полей на
структуру и свойства водно-дисперсных систем :
изменяется плотность, вязкость, поверхностное натяжение,
электропроводность, водородный показатель рН и др. Ряд авторов указывают на увеличение вязкости водных растворов до 3-10%. Изменение поверхностного натяжения носит сложный характер и максимальных значений достигает при напряженности 6,6-84 кА/м [5]. Через 5 ч после электромагнитной обработки воды свойства водных систем принимают первоначальные значения.
Магнитные свойства водной системы определяются в первую очередь свойствами дисперсной среды и ее фазово-дисперсным состоянием, а также интерференционными явлениями, связанными с изменением структуры воды вследствие присутствия примесей, и явлениями взаимодействия примесей посредством дисперсной среды [6].
Таким образом, анализ опубликованных работ позволяет сделать вывод, что воздействие физических полей позволяет получать повышение эффекта очистки воды от механических и коллоидных примесей. Однако в литературе практически отсутствуют публикации о влиянии слабых электромагнитных полей на физиологическое состояние микроорганизмов. Симбиоз аэротенков очень сложен, что значительно усложняет процесс и скорость научного поиска. Тем более, что проведение научных исследований над биологическими системами типа активного ила очень трудоемки. Возможно, это является причиной, сдерживающей изучение влияния физических полей на биологические микрообьекты. Сужение сектора поиска влияния каждого физического параметра показало, что возможно значительное увеличение скорости окисления органических веществ, снижение величины илового индекса, в условиях
образования разных симбиозов микроорганизмов. Для предприятий решение этих вопросов является весьма актуальной проблемой. Работы выполнялись
по прямым договорам с Новогорьковским НПЗ, с АО «Минудобрения» г.
Мелеуза Башкортостана, с ЗАО «Этанол» г. Новокуйбышевска, с Мэрией г.
Обухово, с ЗАО «Тульский пекарь», с ЗАО «Альтер Вест», с ООО
«Технобридж-Сервис», с 000 «Техномост Сервис», с 000 «Биокомпакт» и др.
Цель и задачи работы. Цель исследований состояла в разработке теоретических и прикладных основ технологий и способов интенсификации работы сооружений биологической очистки с использованием электромагнитных полей, позволяющих повысить их технико-экономическую эффективность и экологическую безопасность очищенных сточных вод для открытых водоемов.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
изучить кинетику процессов, связанных с механизмом внеклеточной деструкции органических соединений и создать модель биохимического расщепления сложных органических субстратов;
выявить закономерности влияния электромагнитной активации иловой смеси на окислительную способность биоценоза и величину илового индекса;
разработать новую безреагентную технологию обеззараживания воды, испьлать и изучить условия ее технического внедрения;
разработать и исследовать технологию глубокого удаления полифосфатов, изучить влияние электромагнитной активации на эффективность процесса;
разработать и исследовать технологии очистки сточных вод, содержащих токсичные органические соединения и тяжелые металлы.
Научная новизна. В работе обосновано новое научное направление, обеспечивающее квалифицированный выбор технологии очистки и
обеззараживания сточных вод, содержащих токсичные органические вещества в присутствии тяжелых металлов. С этой целью:
1) предложены и обоснованы методологические, научные и
технологические основы создания комплексов по очистке сточных вод,
содержащих токсичные органические и неорганические соединения,
отличающихся одновременным учетом: законов химической
термодинамики, основных экологических принципов (системности,
комплексности, рациональной организации, экологической
безопасности), экономических и организационных возможностей
промышленных предприятий на современном этапе;
разработана модель второй стадии внеклеточного биохимического расщепления многокомпонентных систем и определена роль растворенного в воде кислорода, как основного фактора в формировании биоценоза, позволяющего управлять окислительной мощностью сооружений биологической очистки;
изучена динамика изменения видового и количественного состава симбиоза активного ила в зависимости от концентрации растворенного кислорода в аэрационных сооружениях;
разработан и математически обоснован новый метод определения концентрации растворенных органических соединений в день отбора пробы, позволивший провести сравнительную оценку результатов трудноокисляемых субстратов стандартным методом - БПКПОПн.;
разработана новая технология обеззараживания водных систем с использованием перпендикулярных потоку воды магнитных полей и доказан механизм процесса, связанный с поляризацией молекул воды, вызывающих изменение проницаемости клеток;
установлены основные закономерности и особенности влияния электромагнитной активации на биоценоз биологического комплекса. Разработаны научные и практические основы технологии использования
электромагнитных полей, позволяющие повысить эффективность очистки сточных вод;
разработана биоадсорбционная технология безреагентного удаления фосфатов, на станциях биологической очистки и на основе экспериментального материала получена эмпирическая формула расчета количества концентрируемого фосфора в дефосфататорах;
изучено влияние соединений железа и марганца на биоценоз сооружений биологической очистки и установлены основные закономерности процессов очистки сточных вод, содержащих токсичные органические соединения в присутствии тяжелых металлов;
установлены закономерности электрохимического окисления токсичных органических соединений, биогенных элементов в электролизерах с нерастворимыми электродами и изучено влияние очищенных вод на планктон открытых водоемов;
проведен эколого-технологический анализ работы сооружений предприятий, сточные воды которых содержат токсичные соединения, мониторинг их систем водопотребления и водоотведения, что обеспечило создание информационной базы для разработки ресурсосберегающих технологий.
Научно-практическая новизна результатов исследований и принятых на этой основе технических решений подтверждены патентами РФ: №2126772, №2002134422 (0366483) и свидетельством на "Полезную модель" № 2001115272/20(016344).
Практическая значимость полученных результатов. В промышленных условиях апробированы и подтверждены результаты, полученные в результате научных исследований на лабораторных и пилотных установках, что позволило внедрить:
1) разработанные технологические схемы с использованием электромагнитных активаторов, позволяющих: увеличить окислительную мощность аэрационных сооружений до 40%; сократить объемы очистных сооружений до 25%; сократить затраты на доочистку очищенных сточных вод до 20%;
ликвидировать затраты на химические реагенты при вспухании активного ила; ликвидировать реагентное хозяйство при решении вопроса снижения концентрации соединений фосфора; проводить магнитное обеззараживание очищенных сточных вод до нормативных показателей при получении нетоксичных вод для планктона открытых водоемов;
2) разработанные технологические процессы:
биологического удаления полифосфатов из основного потока с последующим концентрированием в малых объемах и электромагнитной активацией циркулирующего биоценоза;
биологической очистки сточных вод предприятий нефтеоргсинтеза, содержащих высокие концентрации соединений серы, ингибирующих биоценоз аэрационных сооружений;
биологического удаления трудноокисляемых и токсичных органических соединений в присутствии тяжелых металлов;
электрохимической доочистки токсичных сточных вод в двух- и трех секционных электролизерах с нерастворимыми электродами;
технология и конструкция электрохимического обеззараживания сточных вод, не оказывающих токсичного влияния на планктон открытых водоемов;
развит и усовершенствован биохимический метод контроля определения концентрации растворенных органических веществ, позволяющий быстро и с высокой степенью точности оценивать экологическую и санитарную обстановку в водном регионе.
Предложены методики расчета сооружений:
электрохимической очистки сточных вод, содержащих токсичные вещества;
биологического удаления полифосфатов;
биологической очистки сточных вод, содержащих трудноокисляемые органические соединения в присутствии тяжелых металлов.
Разработаны рекомендации для проектирования новых и реконструкции действующих очистных сооружений предприятий и городов: г. Обухово (Московской области), объединенных городских и производственных очистных
сооружений г. Новокуибышевска, г. Каголыма (Тюменской области), ЗАО "Минудобрение" г. Мелеуза (Башкортостана), г. Балабаново (Московской области), поселка Татарское (Тюменской области), г. Новосибирска, г. Омска.
Налажено производство установок второго поколения полной заводской готовности контейнерного типа «БиОКС» в ООО «Техномост Сервис».
Оказывается научно-методическая помощь предприятиям, производящим установки контейнерного типа и строительным организациям на площадках, отведенным под очистные сооружения в Московской области.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
результаты математического обоснования механизма внеклеточного расщепления органических веществ в сооружениях биологической очистки;
результаты математического обоснования метода определения концентрации растворенных органических веществ в день отбора пробы;
обоснование механизма процесса обеззараживания воды в перпендикулярном магнитном поле определенной напряженности;
результаты технологических исследований по влиянию электромагнитной активации на окислительную способность биоценоза и величину илового индекса;
разработанная технология глубокого удаления полифосфатов и воздействия электромагнитной активации на эффективность процесса;
результаты технологических исследований по электрохимическому окислению токсичных органических веществ и особенности конструктивных решений;
оценка эколого-экономической значимости использования осадков с иловых карт в качестве удобрения под зерновые культуры, травы и их влияние на экологическую безопасность грунтовых вод.
Личный вклад диссертанта. Все направления, рассматриваемые в диссертации, определены автором, многие из которых выполнялись впервые. Все исследования на лабораторных, пилотных установках проведены с участием
автора. Математические расчеты и проектные решения выполнялись при непосредственном участии автора.
Апробация работы. Основные положения, изложенные в диссертационной работе, рассмотрены и обсуждены на следующих симпозиумах, конференциях и семинарах:
2-ая Международная научно-техническая конференция " Экологическая оценка загрязнения среды и наземных экосистем " (г. Иваново, 1998 г.);
Межрегиональная конференция "Энергосберегающие технологии в коммунальном комплексе" (г. Тула, 2000г.);
Международная научно-техническая конференция «Физические процессы и экологические технологии», (г. Иваново, 2001 г.),
4-ая международная научно-техническая конференция "Пища. Экология. Человек" (г. Москва, 2001 г.).
Международные конгрессы: Moldova EcoChem Conference (Chisinau, 2002), "HELECO'03, (Греция, Афины, 2003 г.).
Структура и объем работы. Диссертация общим объемом 406 страниц состоит из введения, шести глав, общих выводов, заключения, списка литературы и приложения. Содержит 144 рисунка, 166 таблиц, списка использованной литературы из 143 наименований и приложений.
Автор выражает глубокую признательность:
к.т.н. Гаврикову Вячеславу Федоровичу и д.т.н. Щеглову Владимиру Афанасьевичу за ценные консультации при оформлении 2 и 3 глав;
Александру Шмулевичу Недуве и Леониду Марксовичу Белопольскому за финансовую поддержку в приобретении необходимого оборудования.
Автор выражает глубокую благодарность директору "НИИ ВОДГЕО" академику РАН Сергею Васильевичу Яковлеву за предоставленную возможность проводить исследования в "Лаборатории очистных сооружений".
Автор выражает глубокую благодарность преподавателям кафедры "Экологический менеджмент пищевых производств" МГУПП за постоянную моральную поддержку.
Обзор исследований по физико-химическим свойствам белковых систем
Исследования поверхностных явлений при фазовых превращениях биополимеров приобретают особую значимость в связи с тем, что эти явления широко проявляются в биотехнологии, в частности, биодефосфатации. Для описания микрогетерогенных иловых смесей можно использовать представления о дисперсных системах.
К поверхностным явлениям, определяющим все свойства дисперсных систем, относятся:
1. снижение поверхностного и межфазного натяжения ;
2. процессы адсорбции;
3. процессы смачивания, образование поверхностных и межфазных пленок определенного состава и структуры ;
А. образование тонких двусторонних пленок.
Устойчивость дисперсных систем является отображением поверхностных явлений, поэтому они экспериментально изучаются как непосредственно в дисперсных системах, так и на моделях: монослоях, адсорбционных и двусторонних пленках. На модельных системах удается выделить элементарные стадии потери устойчивости дисперсных систем.
Термодинамика поверхности раздела фаз разработана в классических работах Гиббса [7]. В процессах формирования тонких двусторонних пленок происходит перекрытие полей дальнодействующих сил и возникает суперпозиция - компонент расклинивающего давления различной природы [8, 9].
На развитие исследований поверхностных явлений в белковых системах оказали влияние важнейшие результаты в физической и коллоидной химии поверхностей [10, 11, 12], данные изучения структуры и свойства белков [13,14], достижения в области физической и коллоидной химии полимеров [15,16,17].
В поверхностных явлениях особую роль играют поверхностно-активные вещества ( ПАВ ), к которым принадлежат и белки. По классификации ПАВ, в основу которой был положен механизм их действия, П. А. Ребиндер [18] относит белки к группе структурообразующих ПАВ с эффективным стабилизирующим действием по отношению к дисперсных системам. В связи с этим, понятие "белковая система" объединяет большое число коллоидно-химических задач [19]. Под понятием "белковая система" следует понимать совокупность систем, в которых белки рассматриваются как объекты коллоидной химии. Важная роль белков как биологических объектов общеизвестна. Это ферменты (энзимы) -биокатализаторы всех химических реакций, протекающих в живой природе :
регуляторы метаболизма,
гармоны и антитела.
Белки являются активными компонентами биологических мембран, а также обеспечивают адгезию клеток. Для функциональных свойств биологических систем огромное значение имеет поверхностная активность белков, определяющая вклад поверхностных явлений в биохимических процессах очистки сточных вод.
Роль поверхностных явлений в белковых системах очень велика в технологических процессах. В сточных водах внеклеточные ферменты и белки влияют на физико-химические свойства поверхности частиц активного ила.
Все важнейшие свойства белков, в том числе и поверхностная активность, определяются их пространственной структурой. Энзимные белки имеют энергетически сбалансированную пространственную структуру. Возможность оптимального использования водородных связей, дисперсионных сил и гидрофобных взаимодействий для стабилизации пространственной структуры белков обусловлена аминокислотной последовательностью полипептидных цепей [20].
В отличие от гибсоцепных полимеров поверхностная активность энзимов не обязательно сопровождается поверхностной денатурацией. Конформационная устойчивость компактных глобул и особенность топографии поверхности с характерным асимметричным расположением гидрофильных и гидрофобных областей поверхности частиц ила обеспечивают термодинамически выгодную ориентацию вблизи поверхностей раздела малоизмененных молекул энзимов.
Внеклеточное расщепление органических веществ в водных системах
Природные и сточные воды являются сложными системами, как по составу, так и по биологическим, химическим и физическим механизмам превращений, происходящих в них. Качество воды во многом определяется органическими и неорганическими примесями и их состоянием.
Очистка и поддержание экологического баланса водных систем тесно связаны с окислительно-восстановительными процессами, происходящими в них. Окислительные процессы в водных системах связаны с расходованием питательных ресурсов (органических веществ) для роста и деления бактериальных клеток - прирост клеточной массы, утилизации необходимой энергии, внутриклеточного дыхания или эндогенной респирации, приводящего к окислению материала.
Органические соединения (питательная среда) в сточных водах находятся в растворенном, нерастворенном и коллоидном состояниях. Микроорганизмы могут использовать эти соединения только в виде молекул-мономеров. Скорости сорбционных процессов органических веществ поверхностью активного ила значительно выше, чем скорости биохимического окисления. Вторая фаза внеклеточного расщепления адсорбированных органических загрязнений бактериями до более простых молекул, которые проникают через оболочку клетки в ее протопласт, протекает при участии ферментов или экзоферментов, выделяемых бактериями. На третьем этапе реализуется внутриклеточная переработка (ассимиляция) органических веществ в необходимую энергию за счет внутриклеточных ферментов (эндоферментов), в результате чего образуется вода, диоксид углерода и окисленные формы азота.
Синтез ферментов происходит внутри бактериальной клетки. Различают шесть основных классов ферментов: оксидоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы и лигазы. Сущность действия ферментов заключается в том, что они снижают энергию активации или свободную энергию, необходимую для разрыва углеродной связи органического соединения. Это обстоятельство связано с тем, что катализатор-фермент способствует образованию промежуточных продуктов, требующих меньшей энергии активации.
Данная работа посвящена исследованию кинетики процессов, связанных с внеклеточной переработкой органических соединений (второй этап очистки).
Общие замечания
Микроорганизмы после сорбционного изъятия активным илом или биопленкой загрязнений из сточных вод могут использовать для своего роста (синтеза бактериальных клеток) питательные вещества лишь в виде молекул-мономеров. Обычно же органические загрязнения, являясь питательной средой для бактерий, представляют собой крупные частицы веществ со сложной химической структурой. Эти частицы не могут проникнуть в клетку через ее оболочку. Важным промежуточным этапом очистки воды является внеклеточная переработка сложных органических соединений, в частности, за счет их гидролитического расщепления до более простых (небольших по размеру мономерных структур), способных проникнуть в протопласт клетки. Процесс гидролитического расщепления осуществляется по стадиям с помощью ферментов, которые выделяются бактериями в окружающую водную среду.
Ферменты - это специфические катализаторы белковой природы, синтезируемые в клетках. Практически все биохимические реакции, происходящие в живой природе и определяющие метаболизм, катализируются соответствующими ферментами. Как и все катализаторы (небелковой природы), ферменты снижают энергию активации, необходимую для данной химической реакции (в нашем случае - для разрыва углеродной связи органических соединений). В соответствии с современной концепцией роли ферментов считается, что белок фермента связывается с молекулой субстрата (органическим веществом) в одной или нескольких ее точках и растягивает субстрат таким образом, что внутримолекулярные связи ослабевают.
На сегодня полный состав белков-ферментов, необходимых для очистки сточных вод, строго говоря, не известен, а, тем более, пока не ясна индивидуальная (специфическая) роль представителей каждого класса. Но здесь можно отметить важный (чисто эмпирический) факт, а именно: для процессов
Внеклеточное расщепление органических веществ в водных системах
В летний период на станциях БОС часто происходит вспухание активного ила. Вместо традиционного подщелачивания сточной воды гашеной известью или использования средства Bioklar [102] можно осуществлять электромагнитную обработку активного ила. Этот метод можно использовать и на станциях, производительность которых превышает по нагрузке (по БПК) проектные показатели, что позволяет поддерживать величину илового индекса в пределах Je[400-600]CM3/r.
Так на Кондопожском ЦБК, где БПК выше проектных показателей, удавалось снизить величину илового индекса с 800- 900 см3 /г до 480- 570 см3 /г. При такой величине илового индекса вынос взвешенных веществ из вторичных отстойников снижался с 200-250 мг/л до 70-90 мг/л при одном и том же времени пребывания в отстойнике. Исследования показали, что электромагнитное воздействие оказывает влияние на седиментационные свойства активного ила, снижая величину илового индекса соответственно: в системе с электрической обработкой активного ила до 34%; в системе с электромагнитной обработкой активного ила до 45 %, за счет изменения пространственной конформации.
Экспериментальная установка и методика проведения исследований Целью исследований являлось установление оптимальных параметров работы электромагнитных активаторов, позволяющих достигать максимальное снижение величины илового индекса и максимально увеличивать окислительную мощность аэротеншв.
Исследования проводились в проточных условиях на лабораторной установке, схема которой представлена на рис. 3.1.
Схема установки включала бак исходной воды, систему биологической очистки с блоком электромагнитной активации иловой смеси на линии возвратного ила. Для сравнения на параллельно работающей второй системе аэротенк-отстойник монтировался блок с электрической обработкой иловой смеси. Модельная сточная вода готовилась на основе водопроводной воды. В качестве источника углерода использовался глицерин.
В схеме с электрической обработкой активного ила расстояние между электродами составляло 6,1...7,0 мм. Анод - угольный стержень, катод -нержавеющая сталь. Рабочее напряжение менялось через трансформатор.
В тех же гидравлических режимах параллельно работала пилотная установка на городских сточных водах на Курьяновской станции аэрации. Расстояние между электродами поддерживалось - 5,5...7,0 мм.
Параллельное магнитное поле создавалось соленоидом.
Возраст активного ила в аэрационной системе поддерживался 8 суток.
Значения электро кинетического потенциала поверхности частиц активного ила определялись электроосмотическим методом.
Влияние рабочего напряжения в схеме электромагнитных активаторов на величину илового индекса активного ила
Иловая смесь аэротенков, работающих на полную биологическую очистку, имеет отрицательные значения электрокинетического потенциала поверхности частиц активного ила [103]. Увеличение нагрузки по органическим веществам вызывает увеличение илового индекса (рис.3.2) и снижение величины электрокинетического потенциала. В таких аэротенках, как правило, иловая смесь имеет только положительные значения электрокинетического потенциала.
Были рассмотрены интервалы значений величины рабочего напряжения на электродах от 6 до 220 В. Индикатором служила величина электрокинетического потенциала поверхности частиц активного ила. Установлено, что максимальное напряжение, которое можно подавать на иловую смесь, составляет 160 В. При
