1.1. Многосубстратные и многофакторные уравнения кинетики роста микроорганизмов.

До сих пор мы рассматривали кинетические уравнения, в кото­рых на скорость роста влиял один фактор — субстрат (только один), продукт или биомасса.

Но в реальности часто на процесс влияет не один, а несколько факторов. Многофакторные зависимости существуют, и прежде всего — многосубстратные.

Многосубстратные уравнения. Чаще всего приходится учиты­вать влияние двух субстратов (например, углеродного и азотного, углеродного и кислородного).

Такие уравнения бывают четырех основных типов:

1. Мультипликативные уравнения — функция является произве­дением однофакторных зависимостей:

Здесь каждый фактор автономен и может иметь свою собствен­ную зависимость. Например, один субстрат имеет зависимость по Моно, а второй — с ингибированием по Андрюсу:

Чаще всего, конечно, встречаются мультипликативные зависи­мости типа Моно—Моно:

Возможны и другие сочетания — в зависимости от ситуации можно перебрать любые виды однофакторных зависимостей mu(S) и создать соответствующую комбинацию.

2. Аддитивные уравнения — многофакторная функция является суммой однофакторных. Такие зависимости встречаются довольно редко, чаще для двух субстратов одного назначения (например, два углеродных субстрата: глюкоза и лактоза, глюкоза и крахмал и т.д.):

3. Альтернативные уравнения — многофакторная зависимость подчиняется принципу кинетического минимума:

Это уравнение показывает, что для каждого субстрата суще­ствует зависимость mu(S_i ) когда лимитирующим фактором являет­ся только этот субстрат. Реально же микроорганизм растет со ско­ростью, которая является наименьшей из всех возможных mu(S_i).

Поясним это на рис. 8.17, где представлены три зависимости mu(S₁),mu(S₂) и mu(S₃) для трех факторов. Пусть в данный момент концентрация фактора S₁ равна S*₁, фактора S₂ — S*₂ и фактора S₃ — S*₃. Проведя из точек S*₁, S*₂, S*₃ на оси абсцисс пунктир­ные линии параллельно оси ординат, получаем значения m, дос­тигаемые по однофакторным зависимостям. Они будут соответ­ственно m₁, m₂ и m₃.

Реализуется то из них, которое меньше других, т. е. лимитирует данный фактор. При этом само значе­ние концентрации этого суб­страта может быть и больше дру­гих (в данном случае S*₁ > S*₃ > S*₂).

4. Уравнения с неразделяющимися переменными. Все три рас­смотренных варианта, несмотря |на кажущееся различие, сходны в одном — они формируются из однофакторных зависимостей. Однако возможны и более сложные случаи, когда многофакторную зависимость трудно разбить на однофакторные. Например, существует уравнение конкурент­ного торможения вторым субстратом:

Многофакторные уравнения со смешанными факторами. До сих пор мы рассматривали многофакторные уравнения с факторами одного типа (двухсубстратные). Однако едва ли не чаще встреча­ются неоднородные многофакторные уравнения, в которых уча­ствуют, например, такие пары, как субстрат и продукт, субстрат и биомасса.

Среди них наиболее распространены уравнение типа Моно—Иерусалимского:

или уравнение конкурентного торможения продуктом метаболиз­ма:

Особый интерес представляет уравнение Контуа, учитывающее влияние концентрации биомассы на вид зависимости удельной

скорости роста от концентрации субстрата:

Его графическое выражение представлено на рис. 8.18.

Эта зависимость как бы иска­жается по сравнению с Моно при изменении концентрации биомас­сы. Чем больше биомасса, тем выше кажущееся значение величины K_S.

Интересно, что если в уравнение Моно—Иерусалимского подставить комплекс П. И. Николае­ва (S₀ - S) вместо Р, то получается вместо двухфакторного как бы однофакторное кинетическое уравнение:

В этом уравнении только одна независимая переменная — концентрация субстрата S.

Продуценты в биотехнологии Бактерии

Bacillus	B. subtilis – продуцент амилаз, протеиназ. B. thuringiensis – продуцент токсинов для биозащиты растений.
Micrococcus	биодеградация многих загрязнителей, синтез длинных (C21 – C34) углеводородов для смазок.
Pseudomonas	деструкция ПАУ, толуола, –CN, карбазола, ароматики, CCl4.
Aerobacter	?

Актиномицеты (Гр⁺ бактерии, способные формировать мицелий)

Nocardia	производство антибиотиков, разложение ароматики
Brevibacterium	лизин, фенилаланин
Corinebacterium	аминокислоты, нуклеотиды, конверсия стероидов, биодеградация углеводородов, старение сыра, ферменты, глутамат натрия.
Mycobacterium	окисляют парафины нефти
Streptomyces	многие антибиотики
Actinomyces	гидролиз лигнина, хитина
Micromonospora	антибиотики

Дрожжи (внетаксономическая группа грибов, утративших мицелиальное строение)

Saccharomyces	при изготовлении вина, пива, хлеба.
Candida	C. utilis – продуцент кормового белка
Turulopsis	?
Pichia	P. Pastoris – для синтеза белка в ГИ

Грибы

Aspergillus	A. niger – лимонная кислота
Rhisopus	?
Trichoderma	продуцент многих ферментов, напр. целлюлаз, гемицеллюлаз, ксиланаз, хитиназ.
Penicillum	сыры камамбер, бри, горгонзола, рокфор; пенициллин, микотоксины.

1.2. Продуценты как составляющая биотехнологических производств. Предъявляемые к ним требования. Селекционные методы усовершенствования.

В качестве продуцентов используются бактерии, дрожжи, грибы, актиномицеты, простейшие, водоросли, клетки животных и растений и клеточные органеллы. Наряду с чистыми используются смешанные культуры. Одной из главных задач оптимизации технологии является выбор, подбор, селекция культуры, способной с максимально возможной скоростью синтезировать биомассу или продукт или наиболее глубоко утилизировать субстрат.

Бактерии – Bacillus, Micrococcus, Nocardia, Brevibacterium, Pseudomonas, Micobacterium, Aerobacter, Achromobacter и т.д.; микроскопические грибы – Aspergillus, Rhizopus, Trichoderma, Endomycopsis и т.д.; дрожжи – Candida, Saccharomyces (бродящие, винные дрожжи), Schizosaccharomyces, Hansenula (производство биомассы), Pichia (нефть, углеводороды); актиномицеты родов Streptomyces, Actinomyces, Micromonospora и т.д.

Требования к культуре:

1) Устойчивость к мутационным воздействиям и заражению посторонней микрофлорой и фагами.

2) Отсутствие токсинов.

3) Безвредность для людей и окружающей среды.

4) Низкое образование побочных продуктов.

5) Желательно чтобы клетки были крупные или способны образовывать агломераты;

6) Обладать большой скоростью роста при использовании данного субстрата, обладать высокой продуктивностью.

Перспективно использование: автотрофов (водородоокисляющие бакт.), фотосинтетических организмов (водоросли, бакт.), экстремалы (термотолерант., термофилы).

Для получения промышленных штаммов применяют селекцию; мутагенез, основанный на использовании естественной изменчивости по данному признаку или на воздействии химических или физических мутагенных факторов; гибридизация с последующим отбором; рекомбинация, при которой у микроорганизмов, имеющих половой процесс, перераспределяются гены или их части методами ГИ.

1.3. Пропионовокислое брожение. Химизм. Продуценты. Производство пропионовой кислоты.

Пропионовая кислота (СН₃СН₂СООН) синтезируется грамположительными пропионовокислыми бактериями (Propionibacterium), используется в химико-фармацевтической промышленности, при получении косметических средств, в качестве фунгицида для сохранения зерна.

Химизм образования пропионовой кислоты заключается в следующем: пировиноградная кислота при участии биотина и углекислоты карбоксилируется в щавелевоуксусную, которая через яблочную и фумаровую кислоты восстанавливается до янтарной кислоты. Янтарная кислота при участии АТФ и КоА превращается в сукцинил-КоА, последний под воздействием метилмалонил-КоА-изомеразы и при участии кофермента В12 превращается в метилмалонил-КоА. В результате карбоксилирования метилмалонил-КоА расщепляется с образованием свободного КоА и пропионовой кислоты.

Среди промышленных штаммов-продуцентов – бактерии Pr. Arabinosum, Pr. shermanii, Pr. rubrum и др. В качестве субстрата брожения бактерии используют различные сахара (лактозу, глюкозу, мальтозу, сахарозу, органические кислоты – яблочную и молочную). Получают пропионовую кислоту в глубиной аэробной культуре на средах, содержащих (%): сахара 2, органический азот 0.4 (источник – дрожжевой экстракт), соли молочной кислоты. Процесс реализуется за 12 суток при 30° и рН 6.8–7.2; при этом свыше 70 % сахаров трансформируется в органические кислоты, на образование углекислоты расходуется менее 20 % углеродного субстрата.

1.4. Основные принципы очистки сточных вод в аэротенках. Механизм изъятия микроорганизмами органических примесей. Фазы развития активного ила в условиях аэрации.

Очистка сточных вол в аэротенках происходит с помощью активного ила – биоценоза организмов, развивающихся в аэробных условиях на органических за­грязнениях, содержащихся в сточной воде.

Механизм изъятия органических веществ из сточной воды и их потребление микроорганизмами схематично может быть представлен тремя этапами:

1 этап - массопередача органического вещества из жидкости к поверхности клетки. Скорость протекания этого процесса определяется законами молекуляр­ной и конвективной диффузии веществ и зависит от гидродинамических условий в аэротенке. Оптимальные условия для подведения загрязнении и кислорода соз­даются посредством эффективного и постоянного перемешивания содержимого аэротенка. Первый этап протекает быстрее последующего процесса биохимиче­ского окисления загрязнений.

2 этап - диффузия через полупроницаемые мембраны в клетке или самого вещества или продуктов распада этого вещества. Большая часть вещества попада­ет внутрь клеток при помощи специфического белка-переносчика, который обра­зует комплекс, диффундирующий через мембрану. Затем комплекс распадается и белок-переносчик возвращается в новый цикл переноса.

3 этап - метаболизм органического вещества с выделением энергии и образо­ванием нового клеточного вещества. Превращение органических соединений но­сит ферментативный характер. Конечными продуктами распада являются такие вещества, как нитраты, сульфаты, двуокись углерода, вода.

Определяющими процессами для технологического оформления очистки воды являются скорости изъятия загрязнений и скорость разложения этих загрязнений. Активный ил в контакте с загрязненной жидкостью в условиях аэрации проходит следующие фазы развития (см. рис. 3.1):

Лаг-Фаза I. или фазу адаптации ила к составу сточной воды. Прироста биомассы практически не проис­ходит.

Фаза экспоненци­ального роста (фаза ус­коренного роста) II, в которой избыток пита­тельных веществ и от­сутствие продуктов об­мена способствуют максимальной скорости размножения клеток.

Фаза замедленного роста III в которой скорость роста биомассы начинает сдерживаться недостатком питания и накоплением продуктов метаболизма.

Фаза нулевого роста IV. в которой наблюдается практически стационарное состояние в количестве биомассы.

Фаза эндогенного дыхания (или фаза самоокисления) V, в которой из-за не­достатка питания начинаются отмирание и распад клеток, ведущие к снижению общего количества биомассы.

В фазах II и III идет бурный рост биомассы и культура «омолаживается», в ней преобладают новые клетки, в фазе IV наблюдается равновесие между ростом жи­вых и распадом отмерших клеток, а в фазе V наблюдается преобладание отмира­ния ктеток над их ростом.

Процесс биологической очистки основан на способности микроорганизмов использовать растворенные органические вещества сточных вод для питания в процессе жизнедеятельности. Часть органических веществ превращается в воду, диоксид углерода, нитрит и сульфат-ионы, часть идет на образование биомассы.

При аэробной очистке микроорганизмы культивируются в активном иле и биопленке.

Процесс разрушения сложных органических соединений происходит в определенной последовательности и в присутствии ферментов (дегидрогеназы, каталазы, пероксидазы), которые выделяются клетками бактерий:

Устройство биофильтра показано на рис. 1.

Рис.1. Разрез биофильтра

1 – подача сточных вод;

2 – водораспределительное устройство;

3 – фильтрующая загрузка;

4 – дренажное устройство;

5 – очищенная сточная вода;

6 -воздухораспределительное устройство.

Проходя через загрузку биофильтра, загрязненная вода оставляет в ней нерастворенные примеси, не осевшие в первичных отстойниках, а также коллоидные и органические вещества, сорбируемые биопленкой. Отработанная и омертвевшая биопленка смывается сточной водой и выносится из тела биофильтра, после чего отделяется от очищенной воды во вторичных отстойниках. Необходимый кислород может поступать в толщу загрузки естественной и искусственной вентиляцией.

Классификация аэротенков:

• По гидродинамическому режиму (вытеснители, смесители, с рассредоточенным впуском сточной воды, см. рис. 2);

• По способу регенерации активного ила (с отдельно стоящими регенераторами и совмещенные с регенераторами);

• По нагрузке на активный ил (высоконагружаемые (аэротенки на неполную очистку), обычные (на полную очистку), низконагружаемые (с продленной аэрацией));

• По числу ступеней;

• По режиму ввода сточной жидкости (проточные, полупроточные, контактные).

Рис. 2. Виды аэротенков, различающихся по гидродинамическому режиму

1 – сточная вода; 2 – активный ил;

3 – иловая смесь

Конструкции аэротенков различаются:

• По типу систем аэрации (пневматическая, механическая, комбинированная, струйная)

• По способу блокировки аэротенка и отстойника (аэротенки с отдельными отстойными сооружениями (см. рис. 3) и аэротенки-отстойники (см. рис. 4))

Рис. 3. План типового четырехкоридорного аэротенка: 1 – верхний распределительный канал; 2 – средний канал; 3 – щитовой затвор; 4 – нижний распределительный канал; 5 – канал сбора очищенной воды; 6 – циркуляционный активный ил; І… ІV – коридоры аэротенка

Рис. 4. Пример аэротенка-отстойника «Оксиконтакт»: 1 – впуск сточной воды;

2 – отвод очищенной воды; 3 – отстойная зона;

4 – удаление избыточного активного ила; 5 – подача воздуха

Поля фильтрации и орошения: используются при расходах сточных вод до 5000-10000 м³/сут, необходимо предварительное отстаивание сточных вод.

Биологические пруды – каскад прудов, состоящий из 2-5 последовательных ступеней, через которые с небольшой скоростью протекает осветленная или биологически очищенная вода (см. рис. 5). Различают пруды с естественной и искусственной аэрацией (механическая и пневматическая).

Рис. 5. Биологический пруд из пяти ступеней: 1 – подача сточной воды; 2 – распределительные перегородки из фашины или плетня; 3 – разделительные валики; 4 – перепускные лотки; 5 – запасные выпуски; 6 – отводные каналы.

1.5. Стадии процесса проектирования: предпроектных исследований; технического задания и технического предложения; эскизного проекта; технического и рабочего проектов.

Проектирование (от лат. Рrоjectus, буквально — брошенный вперёд), процесс создания проекта — прототипа, прообраза предполагаемого или возможного объекта, состояния.

Различают этапы и стадии проектирования, характеризующиеся определённой спецификой. Предметная область проектирования постоянно расширяется. Наряду с традиционными видами проектирования начали складываться самостоятельные направления проектирования. Наряду с дифференциацией проектирования идёт процесс его интеграции на основе выявления общих закономерностей и методов проектной деятельности.

Проектирование осуществляется государственными проектными организациями, которые подразделяются на отраслевые и специализированные. Отраслевая проектная организация, разрабатывающая технологическую часть проекта, как правило, является генеральным проектировщиком, привлекающим в случае необходимости специализированные (субподрядные) проектные организации для выполнения отдельных частей проекта. Задание на проектирование, в котором указываются наименование объекта, место строительства, номенклатура продукции, мощность производства в др. данные и условия строительства, составляется заказчиком (министерством, ведомством, предприятием) с участием проектной организации. Для получения данных, необходимых для технически правильного и экономически целесообразного решения основных вопросов проектирования, строительства в эксплуатации объектов, осуществляются инженерные изыскания. Проект на строительство, реконструкцию предприятия, здания, сооружения может выполняться в две стадии — технический проект и рабочие чертежи или в одну стадию — техно-рабочий проект. На стадии технического проекта разрабатываются основные вопросы организации, технологии и экономики производства, принимаются архитектурные и конструктивные решения по зданиям и сооружениям, составляется смета на строительство и определяются технико-экономические показатели. При разработке рабочих чертежей производятся уточнения и детализация предусмотренных технически проектом решений в той степени, в которой это необходимо для производства строительных и монтажных работ. Техно-рабочие проекты выполняются для объектов, строительство которых намечается осуществлять по типовым проектам, а также для технически не сложных объектов; в них решаются те же вопросы, что и при двухстадийном проектировании. Порядок экспертизы и утверждения проектов зависит от сметной стоимости проектируемых объектов.

Стадии конструирования — проектное задание или эскизный проект, технический проект, рабочий проект. Стадийность разработки новых видов и образцов продукции промышленности, а также состав конструкторской документации указываются в техническом задании, составляемом разработчиком (министерством, ведомством, предприятием и пр.) на основе достижений науки в техники, потребностей в этой продукции народного хозяйства, населения, экспорта. Техническое задание утверждается заказчиком (основным потребителем продукции). Чертежи и др. конструкторская документация на продукцию промышленности, включая строительные конструкции, как правило, выполняются проектно-конструкторскими организациями (бюро) предприятий-изготовителей. При разработке новых видов и образцов промышленной продукции производятся предпроектные и опытные работы, связанные с проверкой отдельных технических решений.

При проектировании целесообразно широко использовать средства оргтехники и ЭВМ, что позволяет сократить сроки и улучшить качество проектирования, повысить производительность труда проектировщиков и конструкторов.

1.6. Рассчитать капельный биофильтр. Исходные данные:

• суточный расход сточных вод Q_w = 780 м³/сут;

• БПК_полн поступающей сточной воды L_en = 185 мг/л;

• БПК_полн очищенной сточной воды L_ex = 15 мг/л;

• среднезимняя температура сточной воды T_w = 13 °С;

• количество БПК_полн в сточной воде на одного жителя в сутки

a = 40 г/(челсут).

ОТВЕТ

Так как значение БПК_полн поступающей сточной воды меньше допустимого значения (220 мг/л), принимаем капельные биофильтры без рециркуляции.

По формуле К_bf =L_en / L_ex рассчитываем коэффициент К_bf = 185/15 = 12,3.

По табл. в соответствии со среднезимней температурой T_ср и рассчитанным значением К_bf подбираем высоту загрузки биофильтра Н_{b f}=2м и гидравлическую нагрузку q_bf = 1,5 м³/(м²·сут).

Определяем общую площадь биофильтров

F_bf = Q_w / q_bf F_bf = 780/1,5 = 520м².

Принимаем биофильтры круглой формы в плане диаметром D=12 м с количеством секций n_bf = 5 и площадью одной секции F₁ = 113 м².

Объем загрузки составляет

V_bf = n_bf.·F₁·Н_bf V_bf = 5·113·2 = 1130м³.

Рассчитываем объем избыточной биопленки:

q_mud - удельное количество избыточной биопленки, равное X г/(чел·сут);

P_mud - влажность биоплёнки, %;

а - количество БПК_полн в сточной воде на одного жителя в сутки, г/(чел·сут).

Параметры для расчета капельных биофильтров

П р и м е ч а н и е. Если значение К_bf превышает табличное, то необходимо предусмотреть рециркуляцию.

В практике проектирования применяют биофильтры прямоугольной формы в плане с размерами сторон 3x3; 3.6x4; 9x12; 12x12; 15x15; 12x18 м и др., с высотой слоя загрузки 2,3; 3 и 4 м, а также круглой формы в плане диаметром 6, 12, 18, 24, 30 м с высотой слоя загрузки 2, 3, 4 м.

2.1. Культивирование микроорганизмов объемно-доливным способом. Дифференциальное уравнение накопления биомассы.

Одним из распространенных вариантов осуществления процесса ферментации является отъемно-доливной способ, который можно назвать полунепрерывным. По этому методу после проведения периодического культивирования до достижения некоторой концентрации биомассы [Х]_к часть объема жидкости сливают из аппарата и направляют на переработку, а такой же объем свежей питательной среды вносят в аппарат и продолжают процесс ферментации до накопления вновь той же конечной концентрации клеток. Циклы ферментация - слив - долив повторяют непрерывно, в результате через определенные промежутки времени каждый из серии биореакторов дает определенную порцию продукта, а вся батарея практически непрерывно поставляет биомассу последующим технологическим стадиям.

При расчете биореактора, работающего по отъемно-доливному способу, задаются объемом жидкости в аппарате V (в л или м³), и чаще всего конечной концентрацией биомассы [Х]_к. Если объем сливаемой жидкости обозначить через V_c, а ее долю через р = V_c/V, то после долива свежей среды в аппарате установится концентрация культуры

Обозначая концентрацию лимитирующего субстрата в свежей питательной среде [S]_o, можно найти концентрацию субстрата в начале каждого из циклов ферментации (1)

где [S]_к — концентрация субстрата в конце цикла ферментации.

Поскольку экономический коэффициент Y можно считать постоянным для всех циклов, то для первого цикла справедливо равенство

[Х]_к - [X]₀ = Y([S]₀ - [S]_к). Здесь [Х]₀ — концентрация инокулята, внесенного для инициирования всего процесса. В ходе каждого цикла текущие концентрации клеток [X] и субстрата [S] связаны аналогичным соотношением [X] - [Х]_н = Y([S]_H—[S]), а для цикла в целом [X]_K - [X]_H = Y([S]_H - [S]_K).

Подставляя в это равенство выражения для [Х]_н и (1), получим

[Х]к - (1 - р) [Х]к = Y ([S]_K + p [S]₀ - p [S]_K - [S] _K)

или после упрощения

[X] _K = Y([S]₀-[S] _K). (2)

Используя приведенную выше связь [X] и [S], получаем

или окончательно

(3)

В каждом из циклов роста накопление биомассы выражается дифференциальным уравнением, использованным ранее для описания периодического процесса, которое с учетом выражения (3) приводится к виду

(4)

Его интегрирование в пределах от [Х]н до [Х]_К, т. е. в течение цикла роста продолжительностью τ, дает

(5)

Выражение (5) описывает связь между продолжительностью роста τ в одном цикле и долей сливаемого объема р= - Vc/V при заданной конечной концентрации биомассы и известных параметрах процесса, в том числе константах уравнения Моно для данной культуры.

Реальная продолжительность τ_ц складывается из времени слива продукта, добавления свежей питательной среды и роста. Последняя величина, как правило, намного превосходит остальные, так что можно считать, что продолжительность отдельной операции приближается к времени роста биомассы от [Х]_н до [Х]_к т. е. τ_ц ≈ τ. Производительность отдельного отъемно-доливного ферментатора в этом случае может быть найдена по формуле

(6)

или с учетом выражения (5)

(7)

При заданном значении [X]_K производительность аппарата оказывается функцией р, т. е. доли сливаемого в каждом цикле объема жидкости, поскольку начальная концентрация субстрата обычно определяется технологическими соображениями (растворимость, ингибирующее действие и т. п.). Это позволяет поставить вопрос о подборе оптимального значения р, обеспечивающего максимум производительности, что может быть сделано дифференцированием и приравниванием нулю производной dGx/dp. Если обозначить знаменатель уравнения (7) через В, то

(8)

Из условия dGx/dp для точки оптимума необходимо приравнять нулю числитель производной (8) , что дает

+ (9)

Из уравнения (9) можно найти р = р_опт, обеспечивающее наибольшую производительность ферментатора по биомассе. Отметим, что р_опт зависит только от параметров роста культуры и Ks и определяется заданными значениями концентрации субстрата в свежей загрузке [S]₀ и концентрации биомассы [Х]_к в сливе.

Как и для других способов культивирования, производительность по биомассе может оказаться неосновным фактором, определяющим эффективность отъемно-доливного процесса, однако в каждом конкретном случае может быть сформулирована соответствующая задача оптимизации и найдено ее решение с помощью приведенных в этом разделе основных зависимостей процесса отъемно-доливного (циклического) культивирования.

2.2. Основы асептики процессов микробиологического синтеза. Способы обеспечения асептических условий. Хранение микроорганизмов и подготовка посевного материала.

Создание асептических условий

Т.е. условий, определяющих возможность проведения процесса без посторонней микрофлоры. Это необходимо т.к.:

- Посторонние МО потребляют питательные вещества;

- Они могут выделять метаболиты, тормозящие рост основной культуры;

- Обладают порой большими скоростями роста, чем продуцент и способствуют вытеснению последнего;

- Они затрудняют процесс выделения готового продукта;

- Изменяют режим роста основной культуры.

Создание асептических условий в промышленных масштабах решается двумя путями:

1. Обеспечение технологической гигиены (т.е. комплекса приемов и средств, обеспечивающих снижение бактериальной загрязненности микрофлорой и препятствующих ее распространению в производственном помещении)

2. Комплекс технических решений по использованию специального оборудования (фильтры, стерилизаторы, герметичные ферментеры и др.)

Физические методы:

1. Механические: фильтрование, герметизация оборудования.

2. Ионизация:.

3. Термические: непрерывные или периодические (насыщенным паром, сухим жаром).

Химические методы: г или ж антисептики (в лаборатории – формалин, диоцид).

Их применяют для элементов оборудования, не выдерживающих температуры выше 110-130С. В случае сред такие вещества должны быть потом нейтрализованы. Поэтому химические вещества для стерилизации сред применяются очень редко. Применяется β-пропионлактон в концентрации 0,2% с последующим гидролизом или в концентрации 0,001% без гидролиза. В концентрации 0,1-1% это соединение за десятки минут необратимо инактивирует вегетативные клетки и споры. В воде происходит самопроизвольный гидролиз лактона с образованием гидроктиловой и β-оксипропионовой кислот, не оказывающих угнетающего действия на МО.

Звеном технологической линии, ответственной за воспроизведение полезных свойств продуцента является отделение чистой культуры. Включает лабораторные стадии (осуществляют микробиологи) и промышленные (ведет оператор). Лабораторная стадия: музейная культура, косяки, колбы, бутыли на 10-20 л или ферментеры. Наибольшей активностью и наибольшим накоплением биомассы обладают культуры, отобранные в аппарат, находящиеся в конце логарифмической фазы роста. Масштабы отделения чистой культуры зависят от мощности основного производства и включают ферментеры объемом 0,1; 0,5; 1; 5; 45; 50; 120 м³. Обычно последние в цепи ферментеров работают в непрерывном режиме. На лабораторных стадиях используют синтетические среды, пивное сусло, на промышленных – производственные среды. Типичным коэффициентом перехода от объема одной чистой культуры в другой – 10. Роль микробиологической службы заключается в оценке санитарного состояния производства в целом, разведении чистой культуры, контроль за состоянием продуцента на всех стадиях технологического процесса, адаптация к конкретной среде, выбор наиболее продуктивного штамма и т.д.

2.3. Липиды микроорганизмов. Применение, технология получения.

Содержание липидов и их состав является специфичным для разных групп микроорганизмов. Триглицериды, присутствующие в микроорганизмах, являются субстратом, на котором проявляется активность микробных триглицеридгидролаз - липаз. Накопление нейтральных липидов некоторыми микроорганизмами в неблагоприятных условиях существования или под воздействием повреждающих агентов указывает на их возможную защитную функцию. Фосфолипиды являются компонентами мембранных структур микробных клеток и в связи с этим участвуют во многих метаболических процессах. Строение их сложно и функции многообразны.

Биологические функции липидов

Роль липидов в процессах жизнедеятельности организма велика и разнообразна. К основным функциям липидов относятся структурная, энергетическая, резервная, защитная, регуляторная.

Структурная. В комплексе с белками липиды являются структурными компонентами всех биологических мембран клеток, а следовательно, влияют на их проницаемость, участвуют в передаче нервного импульса, в создании межклеточного взаимодействия и других функциях биомембран.

Энергетическая. Липиды являются наиболее энергоемким «клеточным топливом. При окислении 1 г жира выделяется 39 кДж энергии, что в два раза больше, чем при окислении 1 г углеводов.

Резервная. Липиды являются наиболее компактной формой депонирования энергии в клетке. Они резервируются в адипоцитах — клетках жировой ткани. Содержание жира в организме взрослого человека составляет 6— 10 кг.

Защитная. Обладая выраженными термоизоляционными свойствами, липиды предохраняют организм от термических воздействий; жировая прокладка защищает тело и органы животных от механических и физических повреждений; защитные оболочки в растениях (восковой налет на листьях и плодах) защищают от инфекции и излишней потери или накопления воды.

Регуляторная. Некоторые липиды являются предшественниками витаминов, гормонов, в том числе гормонов местного действия — эйкозаноидов: простагландинов, тромбоксанов и лейкотриенов. Регулярная функция липидов проявляется также в том, что от состава, свойств, состояния мембранных липидов во многом зависит активность мембрано-связанных ферментов.

У бактерий липиды определяют таксономическую индивидуальность, дифференциацию видов, тип патогенеза и многие другие особенности. Нарушение липидного обмена у человека приводит к развитию таких патологических состояний, как атеросклероз, ожирение, метаболический ацидоз, желчнокаменная болезнь и др.

Общее количество микробных липидов колеблется от 0,2 до 40 мас.% сухого вещества клетки, достигая более высоких значений при культивировании на средах, бедных азотом, но богатых углеводами или на средах с углеводородами. К числу микроорганизмов, богатых липидами, т.е. содержащих более 10% липидов от сухой биомассы клетки, принадлежат дрожжи, микобактерии и коринебактерии, содержание липидов в клетках последних может достигать 64%. Кроме того, условия культивирования в значительной степени влияют и на состав синтезируемых липидов. В процессе культивирования микроорганизмов на различных субстратах можно получить все классы липидов:

- простые липиды (нейтральные жиры, воски);

- сложные липиды ( фосфолипиды, гликолипиды);

- производные липидов(жирные кислоты, спирты, углеводороды, витамины К, Е).

Гидрофобность (или липофильность) является отличительным свойством этого класса соединения, хотя по природе — химическому строению и структуре — они весьма разнообразны. В их состав входят спирты, жирные кислоты, азотистые соединения, фосфорная кислота, углеводы и др. Следовательно, учитывая различия в химическом строении, функциях соединений, относящихся к липидам, дать единое определение для представителей этого класса веществ невозможно.

Липиды микроорганизмов после выделения и соответствующей обработки могут быть использованы в шинной, лакокрасочной (как компоненты крема для обуви, сырье для синтеза смол, лаков и красок), химико-фармацевтической, медицинской ( как сырье для получения эргостерина, убихинона и стероидных гормонов), металлургической ( как компоненты составов для охлаждения режущего инструмента, а также защитных и консервационных масел), горнорудной ( в качестве флотирующих агентов), строительной ( как добавка к раствору бетона, улучшающая его физико-механические свойства) и других отраслях промышленности.

Микробные липиды пока не внедрены в промышленное производство, хотя некоторые продуценты являются заманчивыми для этих целей, поскольку могут накапливать липиды до 40% и более в расчете на сухие вещества клеток. К тому же в составе этих липидов содержатся биологически ценные ненасыщенные жирные кислоты. К таким продуцентам могут быть отнесены: Сryptococcus terricolus, Lipomyces lipoferus, Rhodootorula gracilis, Sporobolomyces roseus и др. На первых порах перспективно использование «липидных дрожжей» в качестве кормовых добавок, особенно — тех их них, которые синтезируют также заметные количества и витаминов (например, каротина).

Нейтральные липиды синтезируются в дрожжах, мицелиальных грибах; в бактериях – сложные липиды. Производные липидов – жирные кислоты, спирты, углеводороды, витамины D,E,K. Среди жирных кислот – пальмитиновая, стеариновая, олеиновая, линолевая. Монокарбоновые кислоты – С₁₄- С₁₈ используются в мыловарении, химической промышленности. Спирты в липидах с прямой связью характерны для восков, с - ионовым кольцом – для стеринов.

В основном для производства липидов используются дрожжи, при этом образование липидов идёт в две стадии:

1) быстрое накопление белка в условиях снабжения «N» сопровождается медленным накоплением липидов

2) прекращение роста, усиление накопления липидов

Микроскопические грибы широко не распространены. Водоросли – тоже липидообразователи, им не надо органического источника «С» для биосинтеза, но малая скорость роста и накопление токсичных веществ не дают возможности широкого использования.

При промышленном производстве в среде используются легкоассимилируемые источники «N» - для направленного синтеза липидов. Если много «N», то уменьшается липидообразование. Если «N» мало, то уменьшается выход белковых веществ, увеличивается процент содержания жира. N/C=1/30 – при использовании в качестве субстрата углеводородов, N/C=1/40 - при использовании в качестве субстрата углеводов. В среде обязательно присутствие «P». Интенсивная аэрация. При увеличении аэрации возрастает степень ненасыщенности липидов, увеличивается количество ненасыщенных жирных кислот. рН изменяет фракционное содержание, на общем количестве липидов сказывается незначительно.

Схема промышленного получения липидов:

В промышленности микробные липиды выделяют из клеточной стенки дрожжей, полученных при их культивировании на гидролизатах растительного сырья или углеводородах нефти, методом экстракции.

Экстракционное отделение включает оборудование как для проведения самого процесса экстракции, так и для стадии регенерации растворителя. В процессе экстракции параллельно получают два ценных продукта - обезжиренную микробную биомассу (биошрот) и липиды (биожир).

В экстракторах различных конструкций при повышенной температуре происходит выделение липидов из клеток дрожжей с помощью селективных растворителей. Биошрот из экстрактора поступает в десольвентор, где под действием острого пара и высокой температуры - до 90°С – происходит удаление остатков растворителя из обезжиренной биомассы. Биошрот, выходящий из десольвентора, является готовым продуктом и направляется на стадии фасовки и упаковки. Концентрированный раствор биожира в растворителе (мисцелла) подается на дистилляцию для отделения биожира от растворителя. После дистилляции, включающей 2-3 колонны, готовый биожир поступает на склад или на дальнейшую переработку с целью разделения на составные компоненты. Отделенный в десольвенторе и дистилляторах растворитель после регенерации возвращается в экстрактор.

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ОТДЕЛЬНЫХ ЗВЕНЬЕВ ОЧИСТКИ.

1.1. Сооружения механической очистки

1.1.1. Песколовки

1.1.2. Отстойники

1.2. Аэротенки

1.2.1. Факторы, определяющие удовлетворительную работу аэротенков

1.2.2. Кислородный режим в аэротенках

1.2.2. Регенерация активного ила

1.2.3. Возраст активного ила

1.2.4. Нагрузки

1.3. Вторичные отстойники

1.3.1. Нарушение процесса отделения активного ила от очищенной воды во вторичных отстойниках

1.3.2. Основные факторы, вызывающие избыточный вынос взвешенных веществ из вторичных отстойников

Причины неэффективной очистки сточных вод на биологических очистных сооружениях разнообразны и можно выделить только основные из них. Это:

- устаревшие конструкции и технологии очистки;

- плохо выполненные проекты очистных сооружений (несоответствие спроектированных сооружений качеству и объему очищаемых сточных вод; ошибки, допущенные в технологических расчетах и т.п.);

- некачественное строительство очистных сооружений;

- недогруженные или перегруженные по объему очищаемых сточных вод сооружения;

- недогруженные или перегруженные по содержанию загрязняющих веществ в поступающей на очистку сточной воде сооружения;

- разрушение сооружений и технологического оборудования;

- значительное превышение объема промышленного загрязнения по отношению к объему бытовых сточных вод;

- неудовлетворительная эксплуатация очистных сооружений.

Возможно сочетание перечисленных причин неэффективной работы очистных сооружений, что делает их диагностику довольно сложной задачей, как бы ни казалась она проста на первый взгляд,

При строительстве очистных сооружений их технологические параметры рассчитываются в соответствии с требованиями СНиП 2.04.03-85 "Канализация. Наружные сети и сооружения".

Обычная практическая эксплуатация биологических сооружений требует не столько точных расчетов и выполнения многочисленных гидрохимических анализов, сколько объединенных усилий технологов, гидробиологов и гидрохимиков для получения оперативной и достаточной информации, позволяющей своевременно принимать меры для обеспечения стабильного и удовлетворительного качества очистки в условиях непрерывно изменяющегося состава поступающих сточных вод. При хорошо организованной работе обслуживающего персонала сооружений достаточно несложных расчетов и небольшого количества выполняемых гидробиологических и гидрохимических анализов для обеспечения этих условий.

1.1. Сооружения механической очистки

1.1.1. Песколовки

Сточные воды, освобожденные от крупных плавающих загрязнений на решетках, поступают на песколовки, назначение которых — освободить сточные воды от тяжелых примесей минерального происхождения с размером частиц 0,25—1 мм.

Если объем очищаемой сточной воды более 100 м3/сут, то песколовки устанавливаются обязательно.

Принцип действия песколовки гравитационный, т.е. минеральные частицы, удельный вес которых больше удельного веса воды, главным образом песок, выпадают на дно. Удаление песка из сточных вод, поступающих на биологическую очистку, является обязательным, так как абразивные свойства песка приводят к разрушению механизмов и бетонных сооружений. Кроме того, песок может накапливаться в каналах, аэротенках, метантенках и снижать рабочий объем сооружений.

Установлено, что при горизонтальном движении воды в песколовке, скорость должна быть от 0,3 м/с до 0,15 м/с для обычных песколовок и от 0,08 до 0,12 м/с — для аэрируемых песколовок. При скорости потока более максимально допустимой, песок не успевает осесть в песколовке, при скорости менее минимальной — в песколовке будут осаждаться органические примеси, что приведет к излишнему изъятию питательных веществ из сточной воды и к ухудшению качества удаляемого песка, что имеет значение для его дальнейшего использования или захоронения.

По направлению движения воды песколовки подразделяются на горизонтальные, вертикальные и с винтовым движением воды. Последние бывают тангенциальные и аэрируемые. Песколовка состоит из 2-х частей: рабочей, где движется поток, и осадочной, в которой собирается предназначенный для удаления песок. На очистных станциях песок из песколовки обычно удаляют с помощью гидроэлеваторов и специальных механизмов — скребков, шнеков и др. Выгрузка осадка из песколовки производится от одного раза в 2—4 суток до одного раза в сутки в зависимости от накопления песка (периодичность отгрузки устанавливается опытным путем).

Отгружать осадок следует быстро и в следующем порядке: открывается задвижка на трубопроводе рабочей жидкости гидроэлеватора и производится взмучивание осадка; после взмучивания открывается задвижка на пескопроводе, по которому пульпа подается в песковой бункер. По пробоотборнику определяется момент окончания перекачки пульпы; пульпопровод промывается отстоянной сточной водой в количестве, соответствующем его двукратному объему; после промывки задвижка на пульпопроводе закрывается.

Количество песка, задерживаемого песколовками, составляет в норме 0,02 дм³/(чел.-сут), при влажности 60% и объемном весе 1,5 т/м3. Удовлетворительно работающая песколовка изымает 10—30 дм³ песка из 1000 м³ сточной воды.

1.1.1.1. Анализируемые показатели и оценка эффективности работы песколовок

Осадок из песколовок анализируется на влажность (норма от 50 до 70%), зольность (норма от 70 до 95%), содержание песка (норма от 70 до 90%) и плотность (норма от 1,2 до 1,8 г/см3). Чем меньше содержание песка отличается от зольности осадка, тем лучше; в норме содержание песка должно быть меньше зольности не более чем на 5—7%. Крупность задержанного песка в обычных песколовках 0,2—0,25 мм и более, для аэрируемых песколовок — 0,15—0,2 мм и более. При уменьшении скорости потока сточных вод в песколовках за счет избыточного задержания органических веществ снижается средняя плотность осадка (до 1,1—1,2 г/см3), зольность (до 50—70%) и содержание в нем песка (до 35—60%), но возрастает его влажность. При скорости потока сточных вод выше оптимальной, наблюдается вынос песка и увеличивается зольность сырого осадка из первичного отстойника (до 50%), что может быть связано также с редкой выгрузкой осадка из песколовок. Косвенным показателем работы песколовок считается содержание песка в сыром осадке из первичных отстойников. Работа песколовок принимается как удовлетворительная, если в осадке из первичных отстойников содержание песка не превышает 6% и он мелких фракций (менее 0,25 мм), а зольность сырого осадка не превышает 30%.

1.1.1.2. Нарушение работы песколовок в процессе эксплуатации

К нарушениям работы песколовок в процессе эксплуатации следует отнести:

* Вынос большого количества песка в последующие звенья сооружений. Причины: гидравлическая перегрузка песколовок; неравномерное распределение потоков сточных вод между работающими песколовками; конструктивные недостатки; разрушения распределительных устройств или поступление песка более мелких фракций по сравнению с принятыми в проектных расчетах.

* В осадке из песколовок содержится большое количество органических примесей. Причины: недостаточная скорость потока сточных вод в песколовке.

* Нарушения, связанные с несоблюдением равномерной гидравлической нагрузки на песколовки. Причины: неравномерное распределение потоков сточных вод между работающими песколовками; отсутствие плавно расширяющегося перехода от гасителя до песколовки, обеспечивающего снижение скорости до оптимальной.

* Нарушение гидравлического разделения проточной и отстойной зон в горизонтальных бункерных песколовках. Причины: отсутствует, снята или разрушена колосниковая решетка.

* Накопление, неэффективное сползание к приямку и загнивание уплотненного осадка на стенках бункеров, повышение влажности осадка из песколовок. Причины: конструктивные недостатки (недостаточный уклон стенок бункеров, сопло гидроэлеватора расположено без заглубленного приямка), неудовлетворительная работа операторов.

* Засорение гидроэлеваторов. Причины: плохая работа решеток, скопление и уплотнение осадка на стенках бункера вне радиуса действия сопла гидроэлеватора.

* Замерзание задвижек гидроэлеваторов. Причины: отсутствие теплоизоляционных щитов в зимний период.

1.1.2. Отстойники

Отстаивание является наиболее простым и часто применяемым на практике способом удаления из сточных вод грубодисперсных нерастворенных примесей, которые под действием гравитационной силы оседают на дно отстойника или всплывают на поверхность. В зависимости от назначения отстойников в технологической схеме очистной станции они подразделяются на первичные и вторичные. Первичными называются отстойники, входящие в состав сооружений механической очистки, они задерживают гораздо более мелкие взвеси, чем песколовки; вторичными — отстойники, устраиваемые в составе сооружений биологической очистки для отделения активного ила от биологически очищенной сточной воды.

Обычно на сооружениях устанавливаются одинаковые конструкции первичных и вторичных отстойников, которые различаются, как правило, только объемом, поскольку у вторичных он предусматривается несколько больший, так как осадок, в виде уплотненного активного ила, более чувствителен к гидравлическим перегрузкам, чем сырой осадок.

По направлению движения основного потока воды в отстойниках они делятся на два основных типа: горизонтальные и вертикальные (разновидностью вертикальных являются радиальные отстойники).

Горизонтальный отстойник, представляет собой прямоугольный железобетонный резервуар, состоящий из нескольких отделений. Их рекомендуется применять при производительности комплекса свыше 15 тыс. м3/сут. Сточная жидкость поступает в торцевую часть через ряд отверстий, равномерно распределяется по ширине сооружения, короткая перегородка гасит скорость поступающего потока, направляя его вниз. Вода перемещается вдоль сооружения с очень малой скоростью и через выпускной водослив отводится с противоположной торцевой стенки. В начале горизонтального отстойника, где выпадает большее количество осадка, размещают один или несколько приямков, объем которых зависит от конструкции отстойников и способов удаления ила. Осевшие частицы сгребаются в иловой приямок с помощью скребков, которые прикреплены к цепи, передвигаемой зубчатыми колесами. Осадок периодически откачивается. Диаметр иловых труб по расчету — не менее 200 мм. Наиболее распространенным способом удаления осадка является выдавливание его под гидростатическим напором воды высотой в 1,5 м. В некоторых случаях его удаляют, откачивая плунжерными насосами. Объем иловой части отстойников принимают равным двухсуточному объему выпадающего осадка (при механизированном удалении осадка объем иловой части можно принимать равным восьмичасовому объему выпадающего осадка).

Верхний ряд скребков выступает над поверхностью воды, сгребая всплывшие частицы к специальному желобу, расположенному перед выпускным водосливом. Отношение длины отстойника к его ширине от 3:1 до 5:1, при глубине слоя жидкости от 2,0 до 2,5 м. Днище отстойника слегка наклонено к иловому приямку.

Хорошо работающие горизонтальные отстойники задерживают до 60% взвешенных веществ, однако у них есть ряд недостатков: высокая стоимость монтажа; скребковый механизм имеет несколько опор и много движущихся частей, что приводит к поломке (наиболее уязвимы цепи); малая длина водослива, что создает гидравлические перегрузки в торцовых частях отстойника. Кроме того в углах отстойника, куда не достает скребковый механизм, образуются залежи ила.

Вертикальный отстойник представляет собой цилиндрический железобетонный резервуар (реже квадратный или многоугольный) с конусным или пирамидальным днищем. Сточная вода поступает через центральную вертикальную трубу с раструбом в нижней части. Под вертикальной трубой расположен отражательный щит, который изменяет направление движения воды, с вертикального (нисходящего) на горизонтальное, а затем вновь на вертикальное (восходящее), при котором происходит выпадение в осадок диспергированных частиц в отстойной части. Высота зоны осветления составляет 2,7—3,8 м. Осветленная вода переливается через круговой водослив (на периферии отстойника) в сборный лоток и отводится из него. Выпавшая взвесь, накапливающаяся в отстойной части, периодически выпускается по иловой трубе. Перегородка, расположенная перед отводным лотком (гребни), препятствует попаданию в удаляемый поток, отбросов, всплывающих на поверхность воды.

Эти отбросы собираются с поверхности скребком, а затем удаляются через специальный бункер в колодец, находящийся вне сооружения (скребковое устройство устанавливается только в первичных отстойниках).

Вертикальные отстойники проще по конструкции и в эксплуатации, чем горизонтальные, и находят широкое применение в качестве первичных и вторичных отстойников. Однако эффект осветления воды в них на 25—30% ниже, чем в горизонтальных и на 10—15% ниже, чем в радиальных. При удовлетворительной работе вертикальных отстойников удаляется не более 40% взвешенных веществ, однако, у них более низкая стоимость монтажа и эксплуатации, чем у горизонтальных отстойников. Длина водослива по периметру вертикальных отстойников достаточно велика, что позволяет свести к минимуму скорость движения воды у перелива и уменьшить вынос взвешенных веществ. К их недостаткам относятся: большая глубина (иногда до 7—9 м), что удорожает стоимость строительства в слабых грунтах и при высоком уровне грунтовых вод; плохое сползание осадка к центру отстойника, что приводит к его загниванию и низкой дозе возвратного ила. В процессе эксплуатации часто приходится вручную скребком удалять уплотненный осадок в вертикальном отстойнике.

Кроме того, очень важно в момент монтажа вертикальных отстойников правильно и на нужной высоте установить отражательные щиты, что часто не соблюдается и в период эксплуатации приводит к избыточному выносу взвешенных веществ.

Радиальный отстойник представляет собой цилиндрический железобетонный резервуар большого диаметра (от 16 до 60 м), глубиной 0,1—0,15 диаметра. Сточная вода подается по трубопроводу или лотку в вертикальную центральную трубу (сверху или снизу), из которой выливается в отстойную часть. Осветленная жидкость сливается через круговой водослив, установленный по окружности отстойника, в сборный лоток. Перед водосливом устраивается полупогруженная кольцевая стенка (гребни), удерживающая всплывающие вещества, которые отводятся из отстойника по специальной трубе. Дну отстойника придают уклон к центру, где устраивают иловый приямок для накопления выпадающего осадка, который удаляют под гидростатическим давлением или насосами. Отстойник оборудован вращающейся фермой со скребками для сбора осадка. Радиальные отстойники применяют при производительности очистных сооружений более 20 тыс. м3 в сут. Скребковый механизм с центральным приводом, опирающийся на одну опору в центре, имеет меньше движущихся частей, чем цепные скребковые механизмы горизонтальных отстойников. Радиальные отстойники обеспечивают 50% удаление взвешенных веществ и не имеют перечисленных недостатков горизонтальных и вертикальных отстойников.

1.1.2.1. Анализируемые показатели и оценка эффективности работы отстойников

Первичные отстойники выполняют следующие функции: задержание грубодисперсных примесей, масел, нефтепродуктов и уплотнение осадка.

Эффективность их работы оценивается по содержанию взвешенных и оседающих веществ, нефтепродуктов в поступающей в отстойник и осветленной воде, влажности и зольности осадка. Кроме того, вместе с частицами примесей первичные отстойники изымают органические вещества (в норме БПК и ХПК снижается на 15—30%). Эффективность удаления взвешенных веществ зависит от их первоначальной концентрации и дисперсности, а также от продолжительности отстаивания.

Чем выше концентрация взвешенных веществ в сточной воде, поступающей в первичные отстойники, тем больше их изымается в процессе отстаивания. Эффективность отстаивания зависит от характера сточных вод. Если городские сточные воды содержат большое количество растворенных органических веществ, то снижение БПК составит менее 20%, тогда как отстаивание производственных сточных вод (большое количество осаждаемых примесей) может увеличить снижение БПК до 60%. Поэтому контроль осветления сточных вод осуществляется с учетом соотношения между содержанием растворенных органических веществ и взвешенных органических веществ в поступающей в первичные отстойники воде.

Скорость осаждения взвеси и степень осветления воды зависят от способности отдельных частиц к агломерации. Основная масса грубодисперсных примесей выпадает в осадок в течение 1—1,5 ч, поэтому продолжительность отстаивания назначают в зависимости от последующей обработки сточной воды. Так, из первичных отстойников, размещаемых перед аэротенками и биофильтрами, не должно выноситься взвешенных веществ более 150 мг/дм³ при продолжительности отстаивания 1,5 ч. При увеличении времени отстаивания до 2 ч, эффект осаждения взвешенных веществ увеличивается на 5—10%. Дальнейшее отстаивание (свыше 2 часов) не дает улучшения процесса осветления, что следует учитывать при решении вопроса об увеличении количества первичных отстойников на действующих сооружениях.

Необходимо так отрегулировать работу первичных отстойников, чтобы избежать как перегрузки аэротенков по содержанию загрязняющих веществ, так и их недогрузки, т.е. не допустить "голодания" активного ила. Оптимальный вынос взвешенных веществ из первичных отстойников составляет приблизительно 100— 120 мг/дм³, если он уменьшается, то в аэротенках активный ил будет испытывать недостаток питательных веществ, а если снижается до 60—80 мг/дм³, ил будет "голодать". Для предупреждения этого необходимо часть отстойников отключать или подкармливать ил биодобавками. Задержание взвешенных веществ в первичных отстойниках происходит более эффективно при повышении температуры. Поэтому в зимний период эффективность первичного отстаивания снижается на 20%. При температуре очищаемой сточной воды 4—4,4 °С (в случае отсутствия горячего водоснабжения города или поселка) время первичного отстаивания следует увеличивать на 40%. Отрицательно сказываются на работе первичных отстойников резкие перепады температуры.

На избыточное удаление питательных органических веществ из сточных вод в первичных отстойниках сильно влияет присутствие тяжелых металлов, которые играют роль активных коагулянтов, в то время как наличие большого количества поверхностно-активных веществ, а также некоторых красителей в сточной воде, ухудшает процесс первичного отстаивания. При решении вопроса о "голодании" активного ила необходимо проконтролировать потери при прокаливании взвешенных веществ в осветленной воде. Если содержание взвешенных веществ небольшое, а потери при прокаливании велики (50—70%), то активный ил можно не подкармливать, а если потери при прокаливании небольшие, значит загрязнение, в основном, в минеральной форме и подкормки обязательны.

Недостаточное время первичного отстаивания при гидравлических перегрузках вызывает увеличение прироста активного ила, что повышает объем утилизируемого ила, увеличивает влажность осадка из вторичных отстойников до 99%. Кроме того, необходимыми условиями эффективной работы отстойников являются: оптимальная гидравлическая нагрузка, равномерное распределение сточной воды между отдельными отстойниками, регулярное и своевременное удаление осадка.

При низких гидравлических нагрузках осевшая в первичных отстойниках взвесь избыточно уплотняется, что затрудняет работу илососов или скребковых механизмов.

Сырой осадок удаляется по установленному графику не реже 3—4 раз в летний период и 2—3 раза в зимний. При выпуске осадка задвижка илопровода вначале открывается полностью, чтобы густой осадок, лежащий на дне, сдвинулся и начал выходить. Затем задвижка прикрывается, чтобы замедлить выпуск осадка и не допустить прорыва воды. Задвижка илопровода закрывается в тот момент, когда концентрация твердой фазы осадка минимальна, что устанавливается оператором визуально.

Редкая отгрузка осадка из первичных отстойников приводит к активному разложению микрофлорой органических веществ, выделению метаболитов: осадок темнеет, всплывает, приобретает неприятный запах гниения, увеличивается вынос взвешенных веществ из первичных отстойников и прирост ила в аэротенках, ухудшается процесс отстаивания ила во вторичных отстойниках и повышается влажность утилизируемого осадка. Подобная картина постоянно наблюдается в достаточно распространенном проекте сооружений биологической очистки с использованием избыточного активного ила для уплотнения сырого осадка в первичном отстойнике, где избыточный ил не удаляется на утилизацию как в традиционной системе, а повторно возвращается в поток сточной воды, поступающей в первичные отстойники, в "голову" сооружений.

При пропорциональном соотношении между количеством сырого осадка и избыточного ила, а также при соблюдении графика отгрузки осадка из первичного отстойника (с использованием технологической схемы подачи избыточного ила в первичные отстойники) осадок хорошо уплотняется, улучшаются его влагоотдающие свойства (что имеет существенное значение для его последующей утилизации), улучшается процесс гравитационного отстаивания взвешенных частиц. Однако практика эксплуатации таких сооружений показала, что избыточный ил направляется в первичный отстойник не в необходимом количестве (не более 20—25% от общего образующегося объема), а гораздо больше или же идет весь имеющийся избыточный ил. В результате нарушается процесс осаждения в первичном отстойнике, ферментативная активность направляемого туда избыточного ила приводит к гниению осадка, нарушению гравитационного отстаивания и выносу взвешенных веществ из отстойника.

Но гораздо важнее то, что организмы ила, находясь в первичном отстойнике, изымают из сточных вод легкоокисляемые вещества на стадии отстаивания, дисбалансируют питание гетеротрофных бактерий активного ила аэротенков и тем самым создают условия для развития нитчатых микроорганизмов, как наиболее приспособленных к разложению трудноокисляемой органики и нетребовательных к сбалансированности питательных веществ, присутствующих в сточных водах. Развитие нитчатых организмов в активном иле приводит к избыточному выносу взвешенных веществ из вторичных отстойников, что часто наблюдается на сооружениях при подаче избыточного ила в первичные отстойники.

Влажность сырого осадка в норме составляет 92—95%, зольность — не более 30%, содержание песка — 5—8%. При уменьшении влажности осадка можно делать выводы о необходимости дополнительной отгрузки осадка из первичных отстойников, что всегда следует предусматривать при перегрузках по содержанию загрязняющих веществ, при увеличении объема сточных вод, поступающих от промышленных предприятий, а также при токсичности сточных вод. В этих случаях более частая отгрузка сырого осадка облегчит работу аэротенков.

Обычно в городских сточных водах оседающие вещества составляют 60— 75% от содержания взвешенных веществ. Но для каждой сточной воды это соотношение строго индивидуально и также определяет эффективность первичного отстаивания, поскольку характеризует седиментационные свойства взвешенных частиц. Эффективность изъятия оседающих веществ в первичных отстойниках на 15— 25% выше, чем эффективность удаления взвешенных.

Итак, подводя некоторый итог, отметим, что эффективность первичного отстаивания определяется следующими факторами: исходной концентрацией взвешенных веществ, временем отстаивания, температурой воды, конструктивными особенностями первичных отстойников, нагрузкой осветленной воды на водослив, своевременной отгрузкой сырого осадка.

При внешнем осмотре первичных отстойников для выявления причин их неэффективной работы следует обращать внимание на:

- соблюдение расчетного времени пребывания воды в отстойнике (состояние водослива, гребней), равномерный перелив сточной воды;

- своевременное удаление осадка (наличие выделения газов, всплывание на поверхность сброженного осадка);

- вынос плавающих частиц с осветленными водами, появление жировых и нефтяных пятен.

По общему количеству взвешенных веществ, удаляемых в первичных отстойниках, и увеличенному в 1,25—1,35 раза, рассчитывается объем всех осадков, которые будут получены в процессе очистки (Карюхина, Чурбанова, 1977). Этот повышающий коэффициент учитывает тяжелые фракции взвешенных веществ (движутся по дну потока и не регистрируются в анализах), а также часть биомассы, которая образуется на коллоидных и растворенных примесях.

Технологу сооружений необходимо периодически рассчитывать объем сырого осадка, который следует регулярно удалять. Для этого от количества взвешенных веществ, поступающих со сточной водой в первичные отстойники, отнимают количество взвешенных веществ в осветленной воде и результат умножают на среднесуточный приток сточных вод.

1.1.2.2. Нарушение работы отстойников в процессе эксплуатации

К наиболее распространенным нарушениям работы отстойников следует отнести:

* Обильное выделение газов со дна отстойника и всплывание осадка на поверхность. Причины: несвоевременная отгрузка осадка, образование залежей; разрушение скребковых механизмов; ферментативная активность ила, подаваемого в "голову" сооружений.

* Крупные отбросы на поверхности отстойника. Причины: неудовлетворительная работа решеток.

* Повышенный вынос взвешенных веществ за счет гидравлических перегрузок. Причины: увеличенный (в сравнении с проектным) объем сточных вод, поступающих на очистку; неравномерное распределение потоков сточных вод между работающими отстойниками;

* Отклонение уровня переливных гребней от горизонтальной плоскости или разрушение водопереливов;

* Конструктивные недостатки первичных отстойников.

* Затруднения с выпуском сырого осадка. Причины: засорение илопровода из-за неудовлетворительной работы решеток или песколовок. Устраняются прочисткой через контрольный стояк; размывом струёй воды под напором, создаваемым насосом.

1.2. Аэротенки

Процесс биологической очистки может быть описан как непосредственный контакт загрязнений с оптимальным количеством организмов активного ила в присутствии соответствующего количества растворенного кислорода в течение необходимого периода времени с последующим эффективным отделением активного ила от очищенной воды.

Основные параметры этого процесса должны быть взаимоувязаны, а именно: объем аэротенков, количество и окисляемость загрязнений, время контакта загрязнений с активным илом. Кроме того, седиментационные свойства активного ила, которые определяются всеми перечисленными параметрами, должны соответствовать времени нахождения ила во вторичных отстойниках.

Аэротенки подразделяются по способу подачи сточных вод и их потоку на смесители (рассредоточенная подача и выпуск сточных вод) и вытеснители ("поршневой" характер потока сточных вод), а также по виду аэрации: аэротенки с механической или (наиболее распространенной) пневматической аэрацией.

Аэротенки с пневматической аэрацией состоят из одной или нескольких секций, каждая из которых имеет от 2 до 4 коридоров, отделенных друг от друга продольными направляющими перегородками, не доходящими до одной из торцевых стен. В торцах аэротенка расположены каналы для впуска и отведения сточной воды.

Окисление органических загрязнений в аэротенках происходит за счет жизнедеятельности аэробных микроорганизмов, образующих хлопьевидные скопления — активный ил. Часть органического вещества, непрерывно поступающего со сточными водами, окисляется, а другая обеспечивает прирост бактериальной массы активного ила. Окислительный процесс в аэротенках-вытеснителях происходит неравномерно: в начале аэротенка — быстрее, а по мере приближения к концу и уменьшения количества субстрата — медленнее.

Обычно аэротенк — это резервуар прямоугольного сечения, по которому протекает сточная жидкость, смешанная с активным илом. Воздух, вводимый с помощью пневматических или механических устройств, перемешивает обрабатываемую жидкость с активным илом и насыщает ее кислородом, необходимым для жизнедеятельности бактерий.

Активный ил — это биоценоз организмов минерализаторов, способных сорбировать на своей поверхности и ферментативно окислять в присутствии кислорода органические вещества в сточных водах. Большая насыщенность сточной воды активным илом и непрерывное поступление кислорода обеспечивают интенсивное биохимическое окисление органических веществ, поэтому аэротенки являются одним из наиболее совершенных сооружений для биохимической очистки. В зависимости от требуемой степени снижения органического загрязнения сточных вод аэротенки проектируются на полную биологическую очистку (содержание в очищенной воде БПК₅ — 6—8 мг/дм³, N0₃ — 0,5—1, 0 мг/дм³) и неполную (БПК₅ > 20 мг/дм³) очистку.

1.2.1. Факторы, определяющие удовлетворительную работу аэротенков

Наиболее важными факторами, влияющими на развитие и жизнеспособность активного ила, а также качество биологической очистки, являются температура, наличие питательных веществ, содержание растворенного кислорода в иловой смеси, значение рН, присутствие токсинов. Удовлетворительная работа аэротенков в значительной степени определяется также технологическим режимом эксплуатации, где основное значение имеют:

- оптимальное соотношение между концентрацией загрязнений в поступающей воде и рабочей дозой активного ила (при уменьшении дозы ила возникает эффект повышения нагрузки и снижения качества очистки, при увеличении — затрудняется эффективность разделения ила и очищенной воды во вторичных отстойниках);

- необходимое время контакта загрязнений с активным илом;

- достаточная аэробность системы.

Рассмотрим данные технологические параметры в той же последовательности более подробно.

Процессы, происходящие при биологической очистке сточных вод, в целом можно представить схематически. Часть органических веществ сточных вод окисляется до СО₂ и Н₂О, а часть идет на синтез запасных веществ и образование новых клеток активного ила. В результате синтеза увеличивается биомасса ила и число организмов. Доза ила по весу служит ориентировочным показателем того, сколько в иловой смеси потребителей загрязнений. Для того, чтобы обеспечить удовлетворительное качество очистки, необходимо при возрастании поступления загрязняющих веществ со сточной водой, увеличивать концентрацию их потребителей, т.е. дозу ила по весу, тогда удельная нагрузка на ил останется стабильной. Поэтому нормы дозы ила устанавливаются в зависимости от нагрузки на ил по ВПК и от технических возможностей разделения очищенной воды от ила во вторичных отстойниках.

Доза ила (г/дм³) для аэротенков без регенераторов на полную и неполную очистку городских сточных вод (СНиП 11-32-74) при БПК_{полн поступ.} мг/дм³:

до 100 — должна составлять не менее 1,2;

от 101 до 150 — не менее 1,5;

от 151 до 200 — не менее 1,8,

от 201 и более — не менее 1,8, но не более 3,0.

Для аэротенков с регенераторами устанавливается средняя доза ила при проектировании. Для удовлетворительной работы вторичных отстойников при очистке городских сточных вод доза ила в аэротенках не должна превышать 2—3 г/дм³. Превышение дозы ила приводит к излишнему накоплению в иловой зоне вторичных отстойников активного ила, его загниванию, повышенному выносу, обескислороживанию очищенной воды и, следовательно, ухудшению качества очистки.

В зимний период, когда мощность биологического окисления снижается, аэротенкам необходимо работать с более высокой дозой ила. Так если в летний период доза ила составляла 1,2—1,5 г/дм3, то в зимний ее следует поддерживать в интервале от 1,6 до 2,0 г/дм3.

Если аэротенки работают с регенераторами, то в регенераторах необходимо поддерживать дозу в 2—3 раза большую, чем в аэротенках для обеспечения глубокого доокисления трудноокисляемых соединений.

При нарушении оптимального соотношения между концентрацией загрязнений в поступающей в аэротенки воде и рабочей дозой активного ила, а точнее, при повышении удельной нагрузки на ил, нарушаются его седиментационные свойства, и возрастает иловой индекс, наиболее важный показатель его состояния.

Иловый индекс — это объем, занимаемый одним граммом активного ила за 30 минут отстаивания в литровом цилиндре.

В активном иле с пониженными значениями индекса повышена доля зольных, более тяжелых элементов из-за высокой минерализации клеточного вещества или из-за присутствия тяжелых взвесей. Такой ил может давать недостаточный прирост биомассы, что не позволяет поддерживать оптимальные нагрузки в аэротенках. При ухудшении способности ила к седиментации, иловой индекс возрастает, разделение ила и очищенной воды нарушается и приводит к избыточному выносу взвешенных веществ из вторичных отстойников.

В зависимости от технических возможностей своевременной выгрузки осевшего ила из вторичных отстойников, для каждого конкретного сооружения биологической очистки оптимальными будут свои определенные значения илового индекса. Условно принято считать для очистных сооружений искусственной биологической очистки оптимальными значения илового индекса от 80 до 120 см3/г. Диапазон допустимых значений илового индекса — от 60 до 150 см3/г.

Одно из основных требований к иловому индексу — стабильность его значений, которая указывает на удовлетворительные условия жизнедеятельности ила и удовлетворительный режим эксплуатации сооружений (оптимальное количество ила удаляется из системы и поддерживается нормальная доза возвратного ила).

Время контакта активного ила с загрязнениями определяется таким технологическим параметром, как период аэрации. Продолжительность периода аэрации предусматривается при проектировании и обуславливается сложностью состава очищаемых промышленных сточных вод. Чем сложнее такой состав, тем требуется более продолжительный контакт сточных вод с илом для обеспечения глубокого окисления трудноокисляемых загрязнений.

1.2.2. Кислородный режим в аэротенках

Организмы активного ила являются микроаэрофилами: для нормальной жизнедеятельности им требуются малые количества растворенного кислорода. Критической концентрацией считается 0,2 мг/дм³, вполне удовлетворительной для микроаэрофилов — 0,5 мг/дм³ растворенного кислорода (Хаммер, 1979). Однако активный ил не терпит залежей и при малейшем застое начинает гибнуть от собственных метаболитов. Поэтому предусмотренные нормы на содержание растворенного кислорода (не менее 1,0—2,0 мг/дм³ в любой точке аэротенка) предполагают обеспечение интенсивного перемешивания иловой смеси с целью ликвидации ее залежей.

При концентрации растворенного кислорода, превышающей максимально необходимую, критическую величину, степень активности микроорганизмов не увеличивается и очистка не улучшается. Поэтому для каждого очистного сооружения устанавливается своя "критическая концентрация" кислорода, причем степень его поглощения определяется, главным образом, характером и концентрацией загрязнений. Бытовые стоки — это относительно слабый питательный раствор и в нем скорость поглощения кислорода превосходит скорость поглощения питательных веществ, поэтому кислород редко лимитирован на сооружениях, очищающих такие сточные воды. В концентрированных промышленных стоках скорость поглощения бактериями питательных веществ будет превосходить скорость поглощения кислорода, который в этом случае лимитирован. Таким образом, необходимая степень аэрации должна в первую очередь учитывать нагрузки по загрязняющим веществам, а не гидравлические нагрузки.

Наибольшая потребность в кислороде характерна для начала аэротенка-вытеснителя, куда поступают сточные воды с максимальным содержанием загрязняющих веществ. Далее по длине аэротенка степень аэрации можно снижать, а в зоне регенерации необходимо снова увеличить.

Подача воздуха обеспечивает несколько процессов, происходящих с активным илом: дыхание организмов, перемешивание иловой смеси, удаление метаболитов, хемоокисление загрязняющих веществ.

Плохие аэрационные условия для активного ила могут быть обусловлены следующими причинами:

- сокращением подаваемого воздуха, разрушением и засорением фильтрующих воздух элементов (фильтросных пластин, дырчатых труб, мелкопузырчатых диспергаторов и т.д.);

- залежами и микрозалежами плохо перемешиваемого ила в различных участках аэрируемой зоны и всех звеньев очистки;

- повышением удельных нагрузок на активный ил за счет возрастания содержания растворенных органических веществ в поступающей на очистку воде;

- увеличением содержания токсичных веществ в сточной воде, поступающей на очистку (токсиканты блокируют дыхательные ферменты у организмов активного ила);

- возрастанием кислородопоглощаемости активного ила из-за нарушения режима выгрузки осадка из вторичных отстойников;

- превышением оптимальной концентрации возвратного ила (недостаток кислорода при увеличении биомассы активного ила).

Улучшение аэрационных условий можно достичь налаживанием технологического режима эксплуатации (возможности ограничены) и увеличением процента использования кислорода активным илом за счет смены аэрирующих элементов.

При крупнопузырчатой аэрации размер пузыря воздуха достигает 5—6 мм и использование кислорода активным илом при этом составляет 6—7%, что не создает идеального массопереноса растворенного кислорода из жидкости в клетку. При уменьшении размера пузыря воздуха до 2—2,5 мм увеличивается использование кислорода до 8—12%, а при применении мелкопузырчатых диффузоров (200—500 мкм — размер отверстий) — до 15%.

Применение мелкопузырчатой аэрации позволяет аэрофилам заместить микроаэрофилов в активном иле, что приводит к значительному улучшению качества очистки, улучшению седиментационные характеристик активного ила, его влагоотдающих свойств, повышению уровня метаболизма, сокращению прироста, а также возрастанию устойчивости организмов ила к воздействию токсичных веществ.

1.2.2. Регенерация активного ила

Основная масса активного ила, отстаивающегося во вторичном отстойнике, должна перекачиваться снова в аэротенк. Это циркуляционный активный ил, который попадает в аэротенк через регенератор. Как правило, ила во вторичном отстойнике собирается больше, чем нужно для циркуляции, поэтому его избыток направляется на утилизацию.

Сущность системы регенерации заключается в том, что из общего процесса окисления загрязняющих веществ (см. 3.1.2), на стадии регенерации ила выделяются в самостоятельные стадии:

1. процесс изъятия сложноокисляемой органики, сорбированной на иле, полного удаления нерастворенных примесей из очищаемой воды;

2. процесс активного образования илом полисахаридного геля. Поэтому регенерация требует увеличения времени пребывания ила в системе до 8—18 и более часов по сравнению с процессом окисления загрязнений, который продолжается от 1 до 6 часов.

В соответствии с требованиями СНиП 2.04.03-85 при поступлении сточных вод с БПК_полн. 150 мг/дм³ и более, а также при наличии вредных производственных примесей необходимо обязательно применять регенерацию.

Регенератор может быть отдельно стоящий или занимать один, два, три коридора аэротенка.

В зависимости от того, какой объем аэротенков от общего выделен под регенерацию, устанавливается процент регенерации. Если в трехкоридорном аэротэнке под регенератор выделен один коридор, то система работает в условиях 33% регенерации ила, если половина объема всех коридоров выделяется под регенератор — 50% регенерации ила и т.д. Существуют конструкции двухкоридорных аэротенков-вытеснителей с рассредоточенным впуском сточных вод, где процент регенерации можно изменять от 20 до 75%. Но на таких сооружениях регенерацию нельзя считать полноценной, поскольку ил в регенераторе непосредственно контактирует с поступающей на очистку сточной водой.

На современных сооружениях биологической очистки, при наличии значительного количества трудноокисляемых промышленных примесей, для обеспечения высокого качества очистки и устойчивой работы биологических реакторов необходимо под регенераторы выделять не менее 50% от общего объема аэротенков.

Применение регенераторов приводит к повышению производительности аэротенков, что происходит по следующим причинам:

- доза активного ила в регенераторе в 2—3 раза больше, чем в аэротэнке, поэтому окисление идет интенсивнее;

- увеличивается число активно функционирующих бактерий, которые были подавлены в аэротенках неблагоприятным воздействием на них поступающих сточных вод;

- улучшаются седиментационные характеристики ила за счет снижения удельных нагрузок на ил, улучшения свойств гелеобразующей микрофлоры, флокулообразования и вытеснения нитчатых форм микроорганизмов;

- повышенная подача воздуха улучшает перемешивание ила и снабжение его кислородом;

- в системе с регенератором общая масса ила больше, его возраст больше, а следовательно, возможна нитрификация и повышенная устойчивость ила к аварийным сбросам.

Вместе с тем, в системах с регенераторами уменьшается прирост ила и улучшаются его влагоотдающие свойства, что имеет существенное значение на стадии утилизации избыточного ила.

Чтобы регенерация ила проходила полноценно, необходимо выполнить три основных условия: в регенератор не должны поступать осветленные сточные воды, непосредственно в него должен направляться возвратный ил (что обеспечивает более высокую концентрацию активного ила, в сравнении с аэротенками) и в регенератор должно подаваться в два раза больше воздуха, чем в другие коридоры аэротенков.

Кроме того, полноценность регенерации обеспечивается удовлетворительной эксплуатацией сооружений и, в первую очередь, своевременным удалением избыточного активного ила из вторичного отстойника. Даже в условиях удовлетворительной выгрузки ила из отстойника, он поступает в регенератор с повышенной кислородопоглощаемостью, поскольку находится на дне вторичного отстойника 1,5—2,0 часа (ил не выносит залежей, даже непродолжительных, за счет высокого уровня метаболизма). По причине поступления в регенератор активного ила с высокой кислородопоглощаемостью из вторичных отстойников, даже более интенсивная подача воздуха в регенераторы не дает содержания растворенного кислорода в регенераторах выше, чем в аэротенках. Чем существеннее залежи во вторичных отстойниках (нарушение циркуляции), тем больше разница в аэротенках по сравнению с регенераторами в сторону уменьшения содержания растворенного кислорода в регенераторе.

1.2.2.1. Рециркуляционный ил. Степень рециркуляции

Объем возвратного ила, удаляемого из вторичных отстойников и направляемого в регенератор, составляет от 30 до 70% от очищаемого объема сточных вод. Для каждого очистного сооружения этот показатель индивидуален и определяется расчетом как степень рециркуляции.

Если возрастают удельные нагрузки на ил и ухудшаются его седиментационные свойства, вплоть до вспухания ила, необходимо возвращать в систему максимальное количество ила.

Если на сооружениях поддерживается меньший процент рециркуляции, чем расчетный, то ил во вторичных отстойниках переуплотняется, и будет загнивать, а в аэротенках возрастут удельные нагрузки за счет низкой концентрации ила.

Если поддерживается больший процент рециркуляции — повысится расход энергии на перекачку ила, а ил во вторичных отстойниках будет недоуплотнен. В том и в другом случае повысится вынос взвешенных веществ из вторичных отстойников и ухудшится качество очистки.

1.2.3. Возраст активного ила

Эффективность очистки зависит, как известно, от структуры и биологических свойств активного ила. Структура хлопьев ила — это компактность, плотность, размер и флокулирующие свойства. Биологические свойства ила — это количество и качество жизни в нем, биологическая активность, типы организмов, видовое разнообразие и т.д.

Активные свойства ила зависят от его возраста. Возраст активного ила — среднее время пребывания хлопьев ила в системе "аэротенк — вторичный отстойник". Его величина обратно пропорциональна скорости прироста ила. Чем больше нагрузки на ил, тем больше его прирост и больше объем избыточного ила, поэтому быстрее обменивается весь ил в аэротенках и, следовательно, уменьшается его возраст. При возрастании выноса ила уменьшается его прирост, ослабляются окислительные свойства, и сокращается скорость извлечения субстрата: возраст ила увеличивается.

Если время пребывания жидкости в аэротэнке колеблется от 3 до 30 часов, то время пребывания активного ила намного больше и измеряется сутками. Другими словами, если сточная вода проходит через аэротенк только один раз и довольно быстро, образующаяся биомасса неоднократно возвращается из вторичного отстойника.

К хлопьям активного ила предъявляются следующие требования: они должны извлекать загрязняющие вещества из воды, а сами хорошо отделяться от очищенной воды осаждением. Эти два свойства не обязательно связаны между собой.

Молодые, активно растущие хлопья, способны быстро извлекать загрязняющие вещества, но могут иметь недостаточные свойства осаждения; вместе с тем, хорошо оседающий ил, может иметь пониженные силы окисления. В пусковой период работы очистных сооружений бактерии вначале свободно рассеяны, затем слипаются в хлопья, которые развиваются с возрастом ила. Иногда при очистке сложных промстоков хлопьев вообще не образуется (так как в иле доминируют виды, способные очищать эти загрязнения, но не способные к флокуляции). Так, например, при очистке фенольных вод аэрация приводит к заметному снижению фенолов, но диспергированные бактерии придают мутность и высокое ВПК очищенной воде. Такие воды надо доочищать в биопрудах.

По мере того, как хлопья растут и стареют, они в большей степени состоит из мертвых клеток и аккумулированных инертных частиц (мертвые клетки тоже чистят воду своими энзимами, но хуже и непродолжительно). Хорошее окисление могут производить только активные живые клетки.

Таким образом, происходит снижение главной активности ила по мере его старения, хлопья увеличиваются в размере, лучше сорбируют загрязнения, лучше защищены полисахаридным гелем от токсикантов, лучше отделяются от очищенной воды при отстаивании.

В стареющем иле снижается относительная численность активных живых клеток, соответственно, сила окисления загрязнений, т.е. сокращается скорость извлечения субстрата. При увеличении размера хлопьев ила ухудшается доступ кислорода к отдельным бактериальным клеткам внутри них и отведение метаболитов, т.е. ухудшается режим обмена клеток с окружающей средой.

Оптимальный возраст ила учитывает и активность хлопьев, и способность их к осаждению. Молодые хлопья плохо флоккулируют, старые хлопья менее активны, но хорошо оседают. Оптимум лежит между этими крайними состояниями.

Очистные сооружения должны работать на максимально возможной концентрации ила, при которой обеспечивается как достаточное снабжение хлопьев ила растворенным кислородом, так и удовлетворительная работа вторичных отстойников.

Качество очищенной воды может быть постоянным независимо от концентрации загрязняющих веществ и расхода поступающей воды. Это достигается поддержанием постоянного возраста ила, что обеспечивается чисто гидравлическим путем, а именно — удалением из системы необходимого количества избыточного ила. Колебания концентрации загрязняющих веществ в поступающих сточных водах компенсируются повышением прироста ила, соответственным повышением его концентрации и, тем самым, сохранением постоянной нагрузки на ил.

Высоконагружаемые сооружения работают на неполную очистку с возрастом ила не более 2—3 суток. С низкими нагрузками на ил связана нитрификация и большой возраст ила (6—12 суток).

Возраст ила более 8 суток обеспечивает глубокую минерализацию органических веществ с последующей нитрификацией. Чем сложнее состав сточных вод, тем больший возраст ила требуется на удовлетворительное окисление загрязняющих веществ. Так, для обработки сточных вод при производстве синтетического каучука требуемый возраст ила составляет 20—30 суток, а поливинилового спирта — более 50 суток.

Для вычисления возраста ила предложено несколько формул (он выражается в любом случае в сутках), наиболее употребляемая из которых определяет возраст как частное от общего количества ила и его прироста в сутки.

В эксплуатации прирост ила подсчитывается путем суммирования масс ила, удаляемого из системы, выносимого с очищенной водой и перекачиваемого на илоуплотнители или в другие сооружения по переработке осадка.

1.2.4. Нагрузки

Для целей эксплуатации наиболее часто рассчитываются удельные нагрузки (количество загрязняющих веществ, приходящееся на массу активного ила) и нагрузки по загрязняющим веществам, приходящимся на единицу объема очищаемой воды.

Удельные нагрузки лучше всего отражают метаболическое состояние биологической системы (Хаммер, 1979), так как определяют характер процесса с активным илом, независимо от периода аэрации или количества очищаемой сточной воды, и выражают отношение: пища/микроорганизмы. Количественно указанное соотношение устанавливается величиной нагрузки на ил — массы подаваемых в сутки загрязняющих веществ (учитываемых величиной ВПК) на 1 г сухого беззольного вещества ила. Доля беззольного вещества рассчитывается путем вычитания зольности ила из постоянной величины 100. Тогда мы получаем нагрузки непосредственно на живое вещество клеток ила — минерализаторов загрязняющих веществ. Зольность определяется в возвратном иле, в котором загрязняющие вещества максимально минерализованы. Она зависит от содержания в иле песка и мелких нерастворимых частиц, не удержанных механической очисткой, от глубины минерализации загрязняющих веществ, сорбированных активным илом, и зольности клеток ила, зависящей от его собственной минерализации.

Добиться той или иной требуемой степени очистки воды и минерализации ила можно путем изменения соотношения количеств подаваемых загрязняющих веществ и работающего в системе ила. Величина нагрузки на 1 г активного ила по БПК₅ различна для разных сооружений. Низкие нагрузки — меньше 150 мг на 1 г беззольного сухого вещества ила; средние — 200—350 мг/г, высокие — более 400—900 мг/г.

При нагрузках по БПК₅ 200—250 мг/г аэротенки работают устойчиво, обеспечивая высокое качество очищенных сточных вод, при нагрузках более 400 мг/г — работа сооружений становится нестабильной (повышается иловой индекс, ухудшается качество очищенных сточных вод), при нагрузках 50—150 мг/г происходит полная нитрификация азота аммонийных солей до нитритов. Изменение нагрузки на ил в широких пределах в работающем сооружении невозможно. Количество загрязняющих веществ в сточной воде — величина неуправляемая и изменена быть не может. Можно менять лишь среднюю дозу ила в относительно небольших пределах.

Численные значения допустимых концентраций ила сильно колеблются в зависимости от типа аэрационного сооружения, однако для каждого типа аэротенка оптимум лежит в узких пределах (доза ила устанавливается экспериментально). При очистке производственных сточных вод доза ила обычно составляет 2—3 г/дм³, считая по сухому веществу. При концентрациях активного ила 3 г/дм³ и более возникают затруднения с разделением иловой смеси в обычных отстойниках, поэтому при больших нагрузках переходят на работу с регенерацией активного ила.

Основные модификации очистных сооружений по технологическим параметрам приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1 Модификации очистных сооружений по основным технологическим параметрам

Тип процесса	Нагрузка по органическому веществу на ил, кг/кг-сут	Период аэрации, ч.	Степень рециркуляции, %	Возраст ила, сут	Качество очищенных сточных вод, мг/дм3
1.Продленная аэрация	0,05—0,15 (низкая)	20—30	100	Более 10	Полное окисление с последующей полной нитрификацией.БПК<10, взвешенные вещества <10,аммонийный азот <2,0,NОз—8—9, удалее-ние БПК — 95%.
2. Стандартная (обычная) аэрация	0,2—0,35 (средняя)	6—9	30—70	6—10	От полной нитрификации на нижней границе интервала до ее отсутствия на верхней. Удаление БПК — 85—95%.
3. Высоко нагружаемая аэрация	0,5—9,0 (высокая)	2,5—3	без рециркуляции или до 100	1—3	Высокая скорость уда-ления БПК на единицу массы ила. Очистка только частичная, без нитрификации. Допол-нительная подача воз-духа может значительно улучшить качество очистки. Удаление БПК— 85—90%.

1.3. Вторичные отстойники

Вторичные отстойники устанавливают после биофильтров для задержания нерастворенных (взвешенных) веществ (представляющих собой частицы отмершей биологической пленки) и после аэротенков для отделения активного ила от очищенных сточных вод. В качестве вторичных применяют горизонтальные, вертикальные и радиальные отстойники.

Основная масса активного ила, отстоявшегося во вторичном отстойнике, должна перекачиваться снова в аэротенк. Однако активного ила осаждается больше, чем нужно для повторного использования, поэтому его избыточное количество следует отделять и направлять на утилизацию. Избыточный ил при влажности 99,2% составляет 4 л/сут на одного жителя и имеет большую влажность, чем сырой осадок из первичного отстойника, что увеличивает общий объем осадка. Нормы проектирования канализации (СНиП 2.04.03-85) предусматривают (в зависимости от вида осадка ила или биопленки) различное время пребывания и скорость движения потока в отстойнике. Например, продолжительность отстаивания во вторичных вертикальных отстойниках, устанавливаемых после аэротенков, принимается 2 ч по максимальному расходу воды, а вертикальная скорость подъема жидкости — 0,5 мм/с, для отстойников после капельных биофильтров — 0,75 ч, а скорость подъема воды — 0,5 мм/с.

Основные отличия первичных отстойников от вторичных заключаются в следующем:

- у вторичных отстойников нет устройств для сбора и удаления жировых и других плавающих веществ;

- как правило, применяется разная система откачки осадка (илососы во вторичных отстойниках).

Работу отстойников оценивают по выносу взвешенных веществ, концентрации возвратного ила и влажности осадка. Эти показатели характеризуют его основные функции:

- отделение очищенной воды от активного ила;

- уплотнение ила.

Управление работой вторичного отстойника является очень важной задачей эксплуатирующей службы, поскольку эффективность вторичного отстаивания непосредственно влияет на ход биохимического окисления в аэротенках и в значительной мере определяет содержание взвешенных веществ в очищенной воде, т.е. потери биомассы активного ила и, соответственно, ее прирост.

Если изымать ил из вторичного отстойника больше оптимального количества, то в аэротенк возвращается избыточный объем воды, если меньше, то много осевшего ила собирается в отстойнике и снижается качество очищенной воды. Поэтому задают технологический режим работы вторичного отстойника так, чтобы уровень нахождения ила соответствовал предусмотренному проектом (как правило, это 0,5—0,75 м от дна радиального отстойника). Эффективность работы вторичного отстойника зависит от соответствия реальной гидравлической нагрузки ее проектным значениям и равномерности ее распределения, а также от своевременного непрерывного и равномерного режима удаления осадка. Своевременность удаления осадка можно контролировать по значениям дозы возвратного ила и его уровню с помощью контрольных эрлифтов.

Опыт эксплуатации московских БОС показал, что при дозе возвратного ила 4—6 г/дм³ вынос взвешенных веществ из вторичных отстойников составляет около 15 мг/дм³, при 6 г/дм³ — вынос увеличивался от 15 до 20 мг/дм³. Существенное увеличение выноса взвешенных веществ из вторичных отстойников (до 40 мг/дм³) происходит при достижении концентрации возвратного ила 8 г/дм³, которая, по-видимому, является пороговой для типовых сооружений, очищающих городские сточные воды.

На каждом очистном сооружении следует экспериментально установить оптимальную дозу возвратного ила, при которой максимально возможное количество ила возвращалось бы в систему очистки при обеспечении минимального выноса взвешенных веществ из вторичных отстойников.

Контролировать работу вторичного отстойника необходимо по выносу взвешенных веществ (при хорошей работе он составляет менее 10 мг/дм³), по влажности удаляемого осадка (норма 99,4—99,7%) и по содержанию растворенного кислорода. Для нормальной работы вторичного отстойника концентрация растворенного кислорода в нем должна составлять не менее 2 мг/дм³. При соблюдении этого условия возвратный ил поступит в аэротенк хорошего качества и сразу приступит к активному окислению загрязняющих веществ. Если концентрация растворенного кислорода во вторичном отстойнике меньше 0,5 мг/дм³, происходит гниение и всплывание ила на поверхность отстойника, ухудшается состояние возвратного ила и нарушается работа регенераторов.

Кислород участвует не только в дыхании организмов, он отводит продукты метаболизма и токсины (во вторичном отстойнике эти продукты аккумулируются в хлопьях при неудовлетворительном окислении загрязнений в аэротенках). Потребление кислорода во вторичных отстойниках меньше, чем в аэротенках, так как нагрузка на ил невелика.

В случае промстоков (с большой концентрацией загрязняющих веществ в виде суспензий и коллоидов, которые адсорбируются илом и плохо окисляются в аэротенках) при условии залеживания ила во вторичном отстойнике загрязняющие вещества продолжают окисляться в нем, при этом токсины и продукты анаэробного распада и метаболизма во вторичных отстойниках отводятся плохо, и ил загнивает.

Следовательно, степень рециркуляции ила из вторичного отстойника в случае промышленных токсичных сточных вод должна определяться только скоростью оседания ила во вторичном отстойнике, что обеспечит минимальный период нахождения ила в бескислородных условиях.

Вторичные отстойники принципиально отличаются от первичных по свойствам веществ, в них отстаивающихся. Если в первичных отстойниках осадок может некоторое время лежать без загнивания, то во вторичных даже небольшое залеживание осадка дает гниение и ухудшение режима аэрации по всей системе. Гниющий возвратный ил расстраивает систему очистки и в результате ее эффект существенно снижается.

Поэтому система удаления ила из вторичных отстойников должна предусматривать работу в условиях ежедневных пиковых нагрузок, а не среднесуточных и осуществляться круглосуточно, а не периодически, что иногда допускается в целях экономии электроэнергии.

Контролировать нагрузки по взвешенным веществам на вторичные отстойники необходимо по дозе активного ила в поступающей в них воде. Оптимально, если доза ила в поступающей из аэротенка воде составляет не более 1,5—2,0 г/дм³. Тогда вынос взвешенных веществ из вторичного отстойника составит от 5 до 10 мг/дм³ при прочих благоприятных условиях.

Расчетное время пребывания сточных вод в отстойниках должно соответствовать проектному, которое, как правило, составляет 1,5—2,0 часа.

Время концентрации ила в отстойниках значительно меньше (свойство плотных оседающих частиц), поэтому при удовлетворительном режиме возврата активного ила из вторичных отстойников в аэротенки его время пребывания составляет не более 30—40 мин. При увеличении времени пребывания активного ила во вторичных отстойниках он не выдерживает залежей, начинает загнивать и гибнуть от своих метаболитов.

При нестабильном иловом индексе гидравлическую нагрузку на вторичные отстойники следует правильно рассчитывать с учетом илового индекса, выноса ила, концентрации ила в выходящей из аэротенков воде и типа отстойников.

1.3.1. Нарушение процесса отделения активного ила от очищенной воды во вторичных отстойниках

Наиболее частая причина ухудшения качества очистки сточных вод — избыточный вынос активного ила из вторичных отстойников. Причины этого многообразны, а воздействующие факторы взаимосвязаны так, что трудно выделить из них основные и второстепенные. Избыточный вынос взвешенных веществ из вторичных отстойников не только вызывает ухудшение качества очистки и, как следствие, загрязнение водоема, принимающего эти сточные воды, но и приводит к нарушению самого процесса очистки и ухудшению качества утилизируемого осадка (повышение его влажности). В результате избыточной потери ила уменьшается его необходимый прирост, что приводит к снижению окислительной мощности аэротенков, понижению уровня метаболизма активного ила и его устойчивости к неблагоприятному влиянию промышленных сточных вод.

1.3.2. Основные факторы, вызывающие избыточный вынос взвешенных веществ из вторичных отстойников

Избыточный вынос взвешенных веществ из вторичных отстойников (в виде активного ила) наиболее распространенная причина неэффективно работающих очистных сооружений. К основным факторам, способствующим избыточному выносу относятся следующие:

- Гидравлические перегрузки, которые обусловлены превышенным (в сравнении с проектным) объемом сточных вод, поступающих на очистку;

- конструктивными несовершенствами вторичных отстойников (например, отклонение уровня переливных гребней от горизонтальной плоскости) или неудовлетворительной эксплуатацией вторичных отстойников (неравномерное распределение потоков между всеми работающими отстойниками, разрушение водопереливов, засорение переливных гребней, поломки центральной трубы и отражательного щита).

Возможно и сочетание перечисленных причин.

· Неравномерное поступление сточных вод на очистные сооружения и возникновение гидравлических пиковых перегрузок.

· Превышение удельных нагрузок на активный ил по содержанию растворенных органических загрязняющих веществ, в результате чего неэффективно окисление их в аэротенках и доокисление продолжается во вторичных отстойниках, в условиях отсутствия кислорода, что приводит к загниванию активного ила, диспергированию хлопьев и их выносу из отстойников.

· Воздействие токсичных сбросов, приводящее к дефлокуляции хлопьев ила, блокированию дыхательных ферментов у организмов ила, нарушению процесса биологического окисления загрязняющих веществ, что в совокупности приводит к возрастанию кислородопоглощаемости ила и нарушает процесс отстаивания во вторичных отстойниках.

· Недостаток кислорода в аэротенках и вторичных отстойниках. В аэротенках нехватка растворенного кислорода в иловой смеси приводит к снижению окислительной способности активного ила и повышенной потребности его в кислороде во вторичных отстойниках. Содержание растворенного кислорода здесь должно быть от 2,0 до 4,5 мг/дм³. При его недостатке активный ил будет загнивать, хлопья ила диспергироваться и выноситься из отстойников.

· Перегрузка по массе взвешенных веществ на вторичный отстойник. Рабочую нагрузку по взвешенным веществам необходимо постоянно поддерживать меньшую, чем расчетная, что непосредственно связано с своевременным удалением осевшего ила из вторичного отстойника и постоянным поддержанием оптимальной концентрации возвратного ила

. Образование залежей ила на дне вторичного отстойника, что может быть обусловлено неровностями днища отстойника, плохой работой илососов, несвоевременным удалением ила, а также задержкой ила в системе без его отгрузки на утилизацию в случае отсутствия или экономии площадей иловых площадок.

Нарушение флокуляционных и седиментационных свойств активного ила.

Нарушение седиментации (осаждаемости) активного ила характеризуется иловым индексом, оптимальные значения которого составляют 80—120 см³/г. Диапазон допустимых значений илового индекса — от 60 до 150 см³/г. Нарушения седиментационных характеристик активного ила начинаются при значениях илового индекса свыше 150 см³/г.

Нарушение флокуляции активного ила — это нарушение процесса объединения хлопьев ила при отстаивании. При 30-ти минутном отстаивании иловой смеси в 1000 см³ цилиндре в случае нормальной флокуляции активного ила все его частицы оседают одновременно, плавно, объединяясь (слипаясь) между собой в момент осаждения; надиловая вода остается прозрачной, без мелких диспергированных хлопьев ила. При нарушении флокулообразования каждая отдельная частичка активного ила осаждается со свойственной ей скоростью и независимо от других частиц. Надиловая вода мутная, содержит много отдельных частиц ила.

Нарушение седиментационных и флокуляционных свойств ила может быть вызвано следующими причинами:

А). Вспухание ила, вызванное избыточным развитием нитчатых форм организмов (хламидобактерий, сапрофитных грибов, цианобактерий). Увеличение выноса взвешенных веществ из вторичных отстойников, в результате накопления нитчатых микроорганизмов, в активном иле составляет от 30 до 400% от нормы и зависит от интенсивности вспухания и технических возможностей вторичных отстойников отделить плохо седиментирующую иловую смесь от очищенной воды.

Б). Всплывание ила на поверхность вторичных отстойников по причине денитрификации, вызываемой денитрифицирующими бактериями. Денитрификация во вторичных отстойниках происходит на фоне глубокой нитрификации в аэротенках (особенно в летний период). В результате наблюдается разрыв хлопьев активного ила, лежащих на дне вторичного отстойника, газообразным азотом, их дефлокуляция на мелкие фрагменты и флотирование на поверхность отстойника. Для предупреждения всплывания ила в результате денитрификации следует провести мероприятия по подавлению глубокой нитрификации в аэротенках. Для этого необходимо снизить аэробность системы; увеличить нагрузки на активный ил снижением концентрации ила за счет увеличения объема избыточного ила и сокращением частоты выгрузки осадка из первичных отстойников.

В). Измельчение и вынос хлопьев активного ила из вторичных отстойников по причине поступления сточных вод промышленных предприятий, обладающих свойствами угнетать процесс флокуляции хлопьев активного ила или вызывать только их микрофлокуляцию без дальнейшего укрупнения (фенолсодержащие сточные воды; стоки целлюлозно-бумажной промышленности, производства антибиотиков и т.д.).

Г). Образование пены на поверхности вторичных отстойников. Образующаяся пена обладает большой вязкостью и достигает толщины от 0,5 до 30 см, иногда скверно пахнет. Пенообразование может быть вызвано присутствием белковых веществ в сточных водах пищевой промышленности, спонтанным развитием нитчатых микроорганизмов. Использование пеногасителей на сооружениях биологической очистки не оправдано, так как все они угнетают процесс кислородопереноса к клеткам активного ила. С поверхности отстойников пена удаляется сачками, сшитыми из планктонной сетки, или устройствами для удаления плавающих частиц.

В свою очередь следует отметить, что пенообразование в аэротенках наиболее часто вызывается присутствием анионных соединений синтетических поверхностно-активных веществ (жесткие СПАВ), применяемых в быту и промышленности в качестве моющих средств.

Его вызывают также сточные воды нефтехимии, переработки газа, содержащие каменноугольные смолы, фенолсодержащие дезинфектики, применяемые на животноводческих комплексах, заводов по производству биопрепаратов. Кратковременное пенообразование в аэротенках может возникнуть при чистке котлов паросиловых хозяйств. Вспенивание вызывается наличием в котловой воде щелочей, фосфатов, смазочных масел. Хлориды и сульфаты способствуют уменьшению вспенивания в аэротенках, коагулируя коллоидные соединения фосфатов.

Пенообразование в аэротенках уменьшает коэффициент переноса кислорода к хлопьям ила, что приводит к их измельчению. Борьба с пенообразованием в аэротенках заключается в повышении аэробности системы (для более эффективной биодеградации пенообразующих соединений). Пена с поверхности аэротенков удаляется периодическим орошением небольшим количеством водопроводной воды или водой после вторичных отстойников.

2.5. Аппаратурное оформление и основные принципы процесса сушки.

Сушка - процесс удаления влаги из влажных материалов путем ее испарения и отвода образующихся паров. Это тепломассообменный процесс (довольно дорогой процесс). Влажный материал сначала обезвоживается механическим способом (фильтрование, центрифугирование и т.д.), а затем непосредственно сушится. В качестве теплоносителя чаще всего используетсяся воздух или топочные газы.

По способу подвода тепла к высушиваемому материалу различают следующие способы сушки: 1) конвективная - путем непосредственного соприкосновения высушиваемого материала с газовым сушильным агентом; 2) контактная - путем передачи тепла от теплоносителя к материалу через разделяющую их стенку; 3) радиационная - путем передачи тепла инфракрасными лучами; 4) диэлектрическая - путем нагревания влажного материала токами высокой частоты; 5) сублимационная - сушка в замороженном состоянии при глубоком вакууме. По способу передачи тепла этот вид сушки аналогичен контактной.

Свойства влажного воздуха. Влажность воздуха характеризуется количеством водяного пара в нем. 1) абсолютная влажность - количество водяных паров в 1 м³ влажного воздуха (кг/м³); 2) Влагосодержание - количество водяного пара во влажном воздухе к 1 кг абсолютно сухого воздуха (кг влаги/кг сух.возд.); 3) относительная влажность - отношение абсолютной влажности к максимально возможной при данных Т и Р: =Рп/Рнас, где Рп - парц.Р вод.пара, Рнас- Рнасыщ.вод.пара. При охлаждении  . 4)энтальпия влажного воздуха - это сумма теплосодержаний сухого воздуха и водяного пара: I=Cc.в.t+Хiп, где Cc.в.- теплоемкость сухого воздуха, t- температура воздуха, Х - степень сухости пара, iп- энтальпия водяного пара.

Статика сушки. Рп - парц.Р водяных паров во влажном воздухе; Рм- упругость водяного пара над поверхностью влажного материала. Возможны 2 случая: 1) РмРп - это сушка материала; 2) РмРп - это увлажнение материала. Р=Рм-Рп – движущая сила сушки. Со временем Рм будет  и в итоге Рм=Рп, а Р=0 наступает динамическое равновесие. Влажность материала, соответствующая равенству Рм=Рп, соответствует равновесию, и называется равновесной влажностью материала. Она зависит от: 1)Т; 2)Рп; 3) характера связи влаги с материалом: а) хим.связь (наиболее прочно связанная влага при сушке не удаляется); б)физико-хим.связь (удаляется при сушке с большим трудом, например, адсорбционная, осмотическая влага); в)физико-мех.влага (легко удаляется в сушилке). В процессах сушки влагу классифицируют на: 1) свободная влага - скорость испарения влаги равна скорости испарения воды (Рм=Рнас); 2) связанная - скорость испарения влаги меньше скорости испарения воды (РмРнас).

Температура мокрого термометра. Q₁- количество тепла, передаваемое от газообразного сушильного агента путем конвекции к жидкости: Q₁=F(t-), где t-температура газа, -температура жидкости. Часть жидкости испаряется из материала и переходит в виде пара в газовую фазу, передавая тепло, соответствующее теплоте испарения этой жидкости Q₂=Mr, где M – количество жидкости, r - теплота испарения. Q₂=Mr=rKFР=rKF(P*-P), где Р*-равновесное давление пара над жидкостью при t. Q=Q₁-Q₂ . Q - количество тепла, переданное от газа к жидкости, расходуемое на нагревание жидкости. По мере нагревания жидкости, Q, Р*, а значит  Q₁, а Q₂. Очевидно наступит момент, когда Q₁=Q₂ и Q=0, т.е. все тепло, получаемое жидкостью от газа путем конвекции будет возвращаться газу в виде теплоты испарения жидкости. После этого дальнейшее нагревание жидкости станет невозможным и начнется ее испарение при t=const, P*=const до тех пор пока вся жидкость не испарится. Т.е. температура мокрого термометра - это температура, принимаемая жидкостью после достижения равновесия Q=0.

Материальный баланс сушки. G1- количество влажного материала, кг/ч; G2- количество высушенного материала, кг/ч; 1 и 2- нач. и кон. влажность материала, соответственно (% масс); W- количество испаряемой влаги, кг/ч. Тогда мат.баланс по всему материалу, подвергаемому С.: G1=G2+W  W=G1-G2; мат.баланс по абсолютно сух.веществу: G1(1-1)=G2(1-2), отсюда G2=G1(1-1)/ (1-2) или с учетом W: W= G1(1-2)/ (1-2).

L - количество абс.сухого воздуха, поступающего на сушку, кг/ч; x0* и x2*- влагосодержание воздуха до и после сушки (кг влаги/кг сух.воздуха) W+Lx0*=Lx2*  W=L(x2*-x0*). Удельный расход воздуха (расход воздуха на 1 кг испаренной влаги): j=L/W=1/(x2*-x0*) [кг воздуха/кг влаги]. Он зависит только от разности (x2*-x0*) и будет тем больше, чем больше x0*.  расход воздуха в летнее время больше.

I1, I0- энтальпия воздуха после и до калорифера, соответственно; Qдоб- добавочное количествово тепла, подаваемое в сушилку; Gс- количество сухого материала; См- теплоемкость сухого материла, 1 и 2- температура материала до и после сушки; Qкал - тепло, подводимое в калорифер; W - количество влаги в материале; Св - теплоемкость влаги. Приход тепла: 1) с наружным воздухом: LI0; 2) с сухим материалом: GсСм1; 3) с влагой в материале: WСв1; 4) физическое тепло транспортных устройств: GтСтt’т, где Gт– масса транспортных устройств; Ст- теплоемкость транспортных устройствв; t’т- температура транспортных устройств; 5) тепло, подводимое в калорифер и в сушилку: Q=Qкал+Qдоб. Расход тепла: 1) с отработанным воздухом: LI2; 2) тепло, выносимое материалом: GсСм2; 3) тепло, выносимое транспортными устройствами: GтСтt”т; 4) Qпотерь.

Тепловой баланс:

LI0+GсСм1+WСв1+GтСтt’т+Q=LI2+GсСм2+GтСтt”т+Qпотерь. Q=L(I2-I0)+GсСм(2-1)+GтСт(t”т-t’т)-WСв1+Qпотерь. Отнесем расход тепла на 1 кг испаренной влаги (т.е. поделим обе части уравнения на W): q=qкал+qдоб=j(I2-I0)+qм+qт-Св1+qпотерь. Тогда внутренний тепловой баланс сушилки: =(Св1+qдоб)-(qкал+qм+qпотерь). Отсюда внутренний тепловой баланс сушилки: =(I2-I1)/(x2*-x0*). Здесь возможны 3 случая: 1)0 (т.е. I2I1); 2)0 (т.е. I2I1); 3)=0 (т.е. I2=I1) - это значит, что энтальпия сушильного агента постоянна и сушилка работает без тепловых потерь, здесь приход добавочного тепла равен тепловым потерям. Процесс сушки протекает адиабатически, испаряемая влага вносит в сушильный агент ровно столько тепла, сколько он отдает, охлаждаясь при испарении влаги.

Кинетика сушки.

Скорость сушки определяется с целью расчета продолжительности сушки. Процесс сушки протекает со скоростью, зависящей от формы связи влаги с материалом и механизма перемещения в нем влаги. Кинетика сушки характеризуется изменением во времени средней влажности материала, отнесенной к количеству абсолютно сухого материала w^с. Зависимость между влажностью w^с материала и временем изображается кривой сушки, которую строят по опытным данным.

В общем случае кривая сушки состоит из нескольких участков, соот­ветствующих различным периодам сушки. После очень небольшого промежутка времени, периода прогрева материала, в течение которого влажность снижается незначительно (АВ), наступает период постоянной скорости сушки (I период). При этом влажность материала интенсивно уменьшается по прямолинейному закону (ВС).

Такое уменьшение влажности наблюдается до до­стижения первой критической влажности w^с_кр1, после чего начинается период падающей скорости сушки (II период). В этом периоде уменьшение влажности материала выражается некоторой кривой (кривая СЕ), которая в общем случае состоит из двух участков различной кривизны (отрезки CD и DE). Точка перегиба D соответствует второй критической влажности w^с_кр2. В конце второго периода сушки влажность мате­риала асимптотически приближается к равновесной. Достижение равно­весной влажности w_р означает полное прекращение дальнейшего испаре­ния влаги из материала (точка K).

Скорость сушки определяется уменьшением влажности мате­риала dw^с за некоторый бесконечно малый промежуток времени dτ, т. е. выражается отношением v = d w^с/dτ.Влажность материала w^с обычно выражается в %, хотя по смыслу она должна выражаться в кг/кг (кг влаги на кг сухого материала). Поэтому скорость сушки выражается в сек^-1 или ч^-1 в зависимости от того, в каких единицах измеряется время сушки.

Скорость сушки может быть определена с помощью кривой сушки путем графического дифференцирования. Для материала данной влаж­ности скорость сушки будет выражаться тангенсом угла наклона касатель­ной, проведенной к точке кривой, отвечающей влажности материала. В частности, для I периода скорость сушки будет соответствовать tg a = const

На рис. XV-15 показана кривая скорости сушки, соответствующая кривой сушки на рис. XV-14. Горизонтальный отрезок ВС отвечает периоду постоянной скорости (I период), а отрезок СЕ — периоду падающей ско­рости (II период). В первый период происходит интенсивное поверхностное испарение свободной влаги. В точке С (при первой критической влажно­сти w^с_кр1) влажность на поверхности материала становится равной гигроскопической.

С этого момента начи­нается испарение связанной влаги. Точка D (вторая критическая влаж­ность) соответствует достижению равновесной влажности на поверхности материала (внутри материала влажность превышает рав­новесную). Начиная с этого момента и вплоть до установления равновес­ной влажности по всей толще мате­риала, скорость сушки определяет­ся скоростью внутренней диффузии влаги из глубины материала к его по­верхности. Одновременно вследствие высыхания все меньшая поверхность материала остается доступной для испарения влаги в окружающую среду, и скорость сушки падает непропорционально уменьшению влажно­сти w^с материала.

За кратковременный период прогрева материала его температура быстро повышается и достигает постоянного значения — температуры мокрого термометра t_М. В период постоянной скорости сушки (I период; все тепло, подводимое к материалу, затрачивается на интенсивное поверх­ностное испарение влаги и температура материала остается постоянной, равной температуре испарения жидкости со свободной поверхности (θ = t_М). В период падающей скорости (II период) испарение влаги с поверхности материала замедляется и его температура начинает повышаться (θ > t_М). Когда влажность материала уменьшается до равновесной и скорость испарения влаги падает до нуля, температура материала дости­гает наибольшего значения — становится равной температуре окружа­ющей среды (θ = t_в).

Интенсивность испарения влаги. Скорость сушки определяет один из важнейших технологических параметров — интенсивность испарения влаги из материала т, которая выражается количест­вом влаги, испаряемой с единицы поверхности материала F в еди­ницу времени: m =W/Fτ, где τ— общая продолжительность сушки. Интенсивность испарения влаги связана с механизмом тепло-и массообмена влажного материа­ла с окружающей средой. Этот механизм являет­ся достаточно сложным, так как включает процессы перемещения влаги из глубины материала к его по­верхности и перемещения влаги (в виде пара) с поверхности материала в окружающую среду.

По способу подвода тепла к высушиваемому материалу различают след.способы сушки.:

1) конвективная - путем непосредственного соприкосновения высушиваемого материала с газовым сушильным агентом;

2) контактная - путем передачи тепла от теплоносителя к материалу через разделяющую их стенку;

3) радиационная - путем передачи тепла инфракрасными лучами;

4) диэлектрическая - путем нагревания влажного материала токами высокой частоты;

5) сублимационная.- сушка в замороженном состоянии при глубоком вакууме. По способу передачи тепла этот вид сушки аналогичен контактной.

Контактная сушка – тепло передаётся теплопроводностью через нагретые поверхности. Испаряемая влага переходит непосредственно в воздух (сушильные шкафы, ленточные сушилки, вальцовые сушилки).

Вальцовые сушилки. Температура нагрева вальцов – 150-160⁰С. Время сушки 7-10 сек. Скорость вращения – 5-8 оборотов/мин

“-“ – трудность поддержания определённого зазора между барабанами и соблюдение их стерильности

Этих “-“ лишены сушилки погружного типа.

“-“ –частичное разложение белка, витаминов. Мало пригодны для сушки термолабильных компонентов. Используются для дрожжевой суспензии. Заводы – небольшой мощности.

Конвективная сушка – тепло подводится с помощью газообразного носителя, который служит и для отвода испаряемой влаги. Сушильный агент – воздух или топочные газы (как правило, в смеси с воздухом), или инертный газ.

Наиболее простые – сушилки пневматического типа. Сушка в вертикальной трубе 3, по которой материал и воздух движется прямотоком со скоростью 10-15 м/с. Воздух подогревается в электрокалорофере 1. В циклоне 4 высушенный материал освобождается от воздуха, воздух очищается на фильтре 5 и вентилятором 6 выбрасывается наружу. Материал подается в установку с помощью питателя 2. Эти сушилки используются для сушки некоторых антибиотиков, когда не требуется удаление связанной влаги, а высушиваемый материал мелкодисперсен и однороден по гранулометрическому составу.

Камерная сушилка. Аппараты периодического действия. 1 — сушильная камера; 2 -вагонетки; 3 — козырьки; 4, 6, 7 — калориферы; 5 — вентилятор; 8 — шибер. Используются в производствах небольшого масштаба для материалов, допускающих невысокую температуру сушки. Материал сушится на лопатках, которые установлены на вагонетках, которые внутри сушильной камеры. Свежий воздух, нагретый в наружном калорифере, засасывается вентилятором и подается вниз камеры сушилки. Часть отработанного воздуха с помощью шибера направляется на смешение со свежим воздухом. Недостаток: неподвижный толстый слой, низкая производительность, долгое время сушки. Сушка неравномерна из-за неравномерности температур. Для создания более равномерной циркуляции воздуха в некоторых современных конструкциях камерных сушилок наружный вентилятор заменяют внутренними реверсивными осевыми вентиляторами или применяют эжекторы. обслуживание.

Ленточная сушилка. Непрерывные. Интенсивность перемешивания. Выше подвижность материала. 1— камера сушилки; 2 — бесконечная лента; 3 — ведущие барабаны; 4-ведомые барабаны; 5 - калорифер; 6 - питатель; 7 - опорные ролики. Рассмотрим одноленточные сушилки. Недостаток – неравномерная сушка. Многоленточные - (ленты из металлической сетки). При пересыпании материала с ленты на ленту увеличивается поверхность его соприкосновения с сушильным агентом, что способствует возрастанию скорости и равномерности сушки. Недостатки: громоздки, удельная производительность невелика, а тепловые расходы большие; нельзя сушить пасты.

В распылительной сушилке материал подается в камеру 1 через форсунку 2. Сушильный агент движется параллельным током с материалом. Мелкие твердые частицы высушенного материала (размером до нескольких микрон) осаждаются на дно камеры и отводятся шнеком 3. Отработанный сушильный агент после очистки от пыли в циклоне 4 и рукавном фильтре 5 выбрасывается в атмосферу. Распыление центробежными дисками (без давления) пригодно для диспергирования суспензий и вязких жидкостей, но требует значительно большего расхода энергии, чем механическое распыливание. Распыливание механическими форсунками более экономично, но применяется только для жидкостей, не содержащих твердых взвесей, вследствие чувствительности этих форсунок к засорению. Распыление пневматическими форсунками хотя и пригодно для загрязненных жидкостей, но наиболее дорого из-за большого расхода энергии; кроме того, его недостатком является неоднородность распыления.

Сушилки с псевдоожиженным слоем. Воздух, подогретый в калорифере, с помощью вентилятора, подается в сушильную камеру. Воздух и материал подаются противотоком. Материал поддерживается во взвешенном состоянии («кипящий слой»). Для очистки воздуха используют циклон. Неравномерность сушки, обусловленная тем, что при интенсивном перемешивании в слое время пребывания отдельных частиц существенно отличается от его среднего значения. Поэтому применяют сушилки с расширяющимися кверху Плюсы: интенсивная сушка, возможность сушки при высоких температурах, высокая степень использования тепла сушильного агента, возможность автоматического регулирования. Минусы: невозможность сушки материалов (те которые слипаются, с большими скоростями, крупнокусковые), высокое гидравлическое сопротивление, но меньше ,чем в пневматической; истирание и значительный унос твердых частиц.

Аэрофонтанная сушилка. Материал, как и в сушилке с кипящим слоем, поддерживается во взвешенном состоянии, но подача материала и сушильного агента осуществляется прямотоком. Отделение частиц материала от тока воздуха осуществляется в циклоне.

Могут ещё использоваться сушильные шкафы. Сушка – за счёт соприкосновения горячего воздуха с материалом на противнях.

В сушильной камере 4, называемой сублиматором, находятся пустотелые плиты 3, внутри которых циркулирует горячая вода. На плитах устанавливаются противни с высушиваемым материалом, имеющие снизу небольшие бортики. Поэтому противни не соприкасаются поверхностью днища с плитами 3 и тепло от последних передается материалу, преимущественно радиацией. Паро-воздушная смесь из сублиматора 1 поступает в трубы конденсатора-вымораживателя 5, в межтрубном пространстве которого циркулирует хладоагент, например аммиак. Конденсатор включается в один циркуляционный контур с испарителем аммиачной холодильной установки и соединяется с вакуум-насосом 6, предназначенным для отсасывания неконденсирующихся газов и воздуха. В трубах конденсатора происходят конденсация и замораживание водяных паров, для более удобного удаления льда обычно используют два конденсатора (на рис. условно показан один), которые попеременно работают и размораживаются. В установке 9 осуществляется подогрев при сушке, хладоноситель подается с помощью 7, теплоноситель подаётся с помощью насоса 8. 1 – холодильная установка.

При сублимационной сушке в непрерывных условиях в сублиматор поступает уже замороженный продукт в виде гранул, эти гранулы попадают на вибротранспортёр. Подвод теплоты осуществляется с помощью теплоизлучения инфракрасного спектра. Лёд удаляется транспортёром. Тсушки = 27⁰С, время – 40 мин – 2 часа.

Процесс удаления влаги из материала протекает в три стадии: при снижениии давления в сушильной камере происходит быстрое самозамораживание влаги и сублимация льда за счет тепла, отдаваемого самим материалом (при этом удаляется до 15% всей влаги), удаление основной части влаги сублимацией, что соответствует периоду постоянной скорости сушки, и удаление остаточной влаги тепловой сушкой.

Механизм переноса влаги (в виде пара) от поверхности испарения при сублимационной, или молекулярной, сушке специфичен: он происходит путем эффузии, т. е. свободного движения молекул пара без взаимных столкновений их друг с другом.

Сушка проводится при осторожном и мягком обогреве замороженного материала водой, потому что количество передаваемого тепла не должно превышать его расхода на сублимацию льда без его плавления. Непосредственно на сушку сублимацией расходуется умеренное количество тепла низкого потенциала (при температуре 40-50С), но суммарный расход энергии и эксплуатационные расходы больше, чем при любом другом способе сушки, исключая сушку в поле токов высокой частоты. Применение этого дорогостоящего способа сушки целесообразно лишь в тех случаях, когда к высушенному материалу предъявляются высокие требования в отношении его свойств при длительном хранении. В настоящее время путём сублимации сушат главным образом ценные продукты, не выдерживающие обычно тепловой сушки и требующие продолжительного сохранения их биологических свойств (пенициллин, мед. препараты, плазма крови).

2.6. В Ханты-Мансийском автономном округе на Южно-Сургутском нефтепромысле методами биотехнологии проводили очистку участков почвы от нефтяных загрязнений. После завершения рекультивационных работ проверяли остаточную токсичность почвы для растений путем высева луговых трав и определения всхожести их семян. В таблице представлены такие данные для мятлика Poa sibirica.

Концентрация нефтепродуктов, I, г/кг	Всхожесть семян, %	ln I	n(r0/rI – 1)
0 100 - - 50 100 3,912023 - 100 90 4,60517 -2,19722 150 70 5,010635 -0,8473 200 60 5,298317 -0,40547 250 40 5,521461 0,405465 300 30 5,703782 0,847298 350 20 5,857933 1,386294

а) Определите по представленным данным кинетику ингибирования всхожести семян мятлика остаточными нефтепродуктами.

б) Предложите и приведите примеры возможных схем биоремедиации нефтезагрязненных почв.

а) Решение:

Будем считать, что концентрация остаточных нефтепродуктов в почве в первом приближении пропорциональна исходной концентрации нефтеконтаминантов. Для определения типа ингибирования построим график зависимости всхожести семян от концентрации нефтепродуктов (1 и 2 столбцы табл.) - рис.1.

Рис.1. Зависимость всхожести семян мятлика на почве, подвергнутой биоочистке, от исходной концентрации нефтепродуктов-загрязнителей

Вид кривой ингибирования на рис.1 показывает, что данная зависимость имеет кооперативный (S-образный характер) характер и, по-видимому, описывается модифицированным уравнением Иерусалимского (5.4), в котором r₀ = 100.

Параметры уравнения определяются на основе линейной анаморфозы уравнения Иерусалимского:

• рассчитываются вспомогательные переменные ln I и (таблица 1, 3 и 4 столбцы);

• строится график в этих переменных (рис.2);

• через экспериментальные точки проводится регрессионная прямая;

• пересечение регрессионной прямой с осью абсцисс дает значение ln K_I = 5.38;

• из тангенса угла наклона регрессионной прямой определяется коэффициент нелинейности ингибирования.

Рис.2. Определение параметров уравнения Иерусалимского по данным из таблицы

Таким образом, кинетика ингибирования всхожести семян мятлика остаточными нефтеконтаминантами в почве описывается модифицированным уравнением Иерусалимского со следующими параметрами (в перерасчете на исходные концентрации нефтепродуктов-загрязнителей): K_I = 218 г/кг, n = 2,77.

б) возможные схемы биоремедиации нефтезагрязненных почв