3169

Работами Скирдова И.В., Щвецова В.H., Морозовой К.M. и др. достаточно досговсрно показана возможность использования фундаментальных закономерностей ферментативном кинетики для описания процессов биологической очистки.

Одним из параметров существенно влияющим на кинетику ферментативной реакции является температура.

С увеличением температуры скорость ферментативных реакций возрастает. Однако это увеличение скорости происходит в определенном интервале температур. При достижении некоторой, температуры скорость реакции достигает максимального значения. Дальнейшее увеличение температуры приводит к снижению скорости процесса. Причиной снижения скорости ферментативной реакции является тепловая денатурация белковой молекулы фермента, сопровождающаяся утратой последней каталитической активности.

Таким образом, зависимость скорости ферментативной реакции от температуры графически выражается кривой с максимумом при оптимальной температуре.

Toпт

T

Рис. 1. Влияние температуры на скорость ферментативной реакции.

В литературе показано, что в пределах температур, когда тепловая денатурация еще не оказывает существенного влияния, зависимость константы скорости ферментативнойреакцииоттемпературыописываетсяуравнениемАррениуса:

K=AeEаRT

2(a)

или и логарифмической форме:

где: Ea- энергия активации реакции; R - газовая постоянная; А — предэкспоненциальныйi множитель, Т - абсолютная температура.

Используя уравнение 2(б) графическим методом можно определить константы входящих в уравнение Аррениуса, после чего рассчитать скорость окисления загрязнений находящихся в речной воде в диапазоне температур от О до 30 0C по уравнению:

Kmax	=	βTe-E/RT	3
		1+eΔS/Re-ΔH/RT

где: β- эмпирический коэффициент, S,H- энтальпия и энропия инактивации соответственно.

Такимобразомтеоретическийанализмеханизма биосорбционного процесса продемонстрировал возможность и перспективность его применения для очистки природных вод характеризующихся низкими концентрациями органических загрязнений, являющихся в основном трудноокисляемыми, и не удаляемых по традиционным схемам подготовки воды, а также возможность обработки воды при низких температурах.

Втретьейглаведиссертациисформулированызадачиприведенаметодика проведенных исследований.

Первая часть исследований выполнена на лабораторных биосорбционных установках па модельных стоках, один из которых содержалтрудноокисляемыевещества обусловливающие цветностьтапнины, а другой -гуминовые кислоты, также в очищаемую воду добавлялись биогенные элементы, такие как соли азота и фосфора. Цель данных исследований заключалась в оценке возможности применения биосорбционного метода для очистки высокоцветных природных вод, получении кинетических констант и основных закономерностей.

Лабораторная установка включала биосорбер, выполненный в виде колонны из оргстекла диаметром 50 мм и высотой 400 мм. аэрационную камеру и дозирующее устройство. В качестве загрузки использовался уголь марки AГ-5. Производитель-

13

ность установки 8,0 л/сут. Принципиальная схема лабораторной установки представлена на рис.2.

Исходная

вода

Очищенная

вода

Воздух

Рис.2, Принципиальная схема лабораторного биосорбера. Цветность исходной воды содержащей танины, подаваемой на первый биосор-

бер, изменялась от 80° ПКШ до 250° ПКШ. На второй биосорбер подавалась вода с цветностью, обусловленной присутствием в ней гуминовых кислот и изменяющейся в диапазоне 50170°ПКШ.

Наряду с цветностью в ходе эксперимента также отслеживалось изменение ХПК и соединений азота.

Вторая часть исследований заключалась в проверке и уточнении полученных на лабораторных установках технологических параметров биосорбционного метода очистки природных вод, на полупромышленной биосорбционной установке, а также получении в реальных условиях, конкретных данных необходимых для расчета сооружения. Цель этих исследований:

-в реальных условиях определить кинетические зависимости удаления из природных водорганическихзагрязненийи аммонийного азота; получить зависимости влияния температуры исходнойводы на интенсивностьпроцесса биосорбционногоокисления,атакжеэкспериментально

проверить работу биосорбера в условиях низких температур в пределах 0,5-3 оС.

Опытно-промышленная установка производительностью до 1000 м3/сут, была

построена на станции водоподготовки ПО ВОДОКАНАЛ г. Рязань(рис.З).

воздух

7.45

Исх.

вода

6,82

3.95.

2:03

Циркуляционный

насос

Рис.3. Схема полупромышленнойбиосорбционнойустановки. Конструктивно биосорбер был выполнен в виде трех последовательных ко-

лонн, диаметром 1,2 м, суммарная высота которых составляла 12,2 м.

В качестве загрузочного материала биосорбера использовался активированный уголь марки АГ-5 в количестве 4,65 т. Установка была снабжена циркуляционным насосом производительностью 40 м3/час и напором 8-10 м., позволяющим поддерживать постоянный гидродинамический режим работы сооружения при изменении расхода обрабатываемой воды.

Третья часть исследований посвящена изучению гидродинамического режима работы биосорбера. Учитывая, что основным элементом биосорбера является зона реакции с псевдоожиженым слоем, целью этого этапа исследований было:

-определение гидродинамического режима работы биосорбера, обеспечивающего оптимальные технологические параметры;

-изучение гидравлических характеристик активированных углей различных марок;

-отработка технологических параметров работы биосорбера на пилотной установке с новой распределительной системой.

Изучение гидравлических характеристик АУ проведено на лабораторном модельном стенде, который представлял собой колонну из оргстекла диаметром 80 мм и высотой 1500 мм. Установка была оборудована пьезометром и расходомером. В ходе эксперимента были исследованы активированные угли марки АГ-5, АГМ, УСК-3. Определение технологически оптимального гидродинамического режима работы биосорбера проведено на полупромышленной установке в реальных условиях.

Исследования, направленные на определение технологических параметров, проведены на пилотной установке, которая представляла собой колонну, выполненную из оргстекла диаметром 80 мм и высотой 2000 мм.ВзвешиваниеактивированноIG угли осуществлялось потоком жидкости, создаваемым циркуляционным насосом. Исследования проводились в реальных условиях на воде р. Ока.

В четвертой главе диссертации приведены результаты экспериментальных исследований, проведенных на лабораторных и полупромышленной установках.

Данные, полученные в результате работы лабораторных биосорбционных установок на модельных стоках, содержащих танины(высокомолекулярные вещества с большим числом фенольных гидроксильных групп) и гуминовые кислоты, обуславливающие цветность природных вод, показали высокую эффективность их работы. Усредненные данные работы биосорберов и полученные константы приведены в таблице 1.

					Таблица 1.
Параметры	Цветность, 0ПКШ		Эффектив-	Vмах,	Км,
	Вход	Выход	ность, %	0ПКШ/г/сут	0ПКШ
Биосорбер-1 (танины)
1-режим,	100	46	54	9,0	45
2-режим.	190	116	61
Бисорбер-2 (гуминовые			87
кислоты	103	13		14,5	10,4

Втоже время, на протяжении всего времени работы в биосорбере наблюдался процесс нитрификации. Аммонийный азот в основном расходовался на процессы ассимиляции, а избыток - окислялся до нитратов. При концентрации аммонийного азота в исходной воде 6 мг/л, подаваемой на первый биосорбер в очищенной воде содержание аммонийного азота не превышало 1 мг/л.

Врезультате исследований, проведенных на полупромышленной биосорбционной установке производительностью до 1000 м3/сут, в реальных условиях показана эффективность работы установки по снижению окисляемости и аммонийного азота. Проведение эксперимента в течение 2-х лет позволило изучить влияние температуры на эффективность работы биосорбера в широком диапазоне температур от 0,5 0C до

25 0C. Эффективность снижения окисляемости представлена на рис.4. В период ис-

Р и с . 4 . Динамика	изменения	окисляемости, температуры
и эффективности во времени.
Речная вода	Очищ.вода	Эффект.	Температура

1	3	5	7	9	1 1 1 3 1 5 1 7 1 9 2 1 2 3 2 5 2 7
					Недели.

следований эффективность удаления органических загрязнений оцениваемых по окисляемости, изменялась в диапазоне 8-35%, при среднем значении 19%. С увеличением температуры до 20-25 0C эффективность возрастает до 25-35%.

В ходе эксперимента также выявлено влияние низкой температуры исходной воды (порядка 0,5-30C) на эффективность работы биосорбера. Это обусловлено суровыми климатическими условиями в ряде регионов РФ, в которых температура воды

поверхностных водоисточников на протяжении длительного зимнею периода не превышает 30C.

В зимний период работы установки эффективность удаления по аммонийному

азоту и окисляемости достигали 80% и 34%, соответственно. При лом средняя ICMпература воды в р.Оке не превышала 2 0C, а в отдельные периоды снижалась до 0,5-1

0C, что существенно не отражалось на эффективности работы биосорбера. Усреднен-

ные результаты работы биосорбера в зимний период представлены в таблицах 2 и 3.

Таблица 2.

						неделя
		1	2	3	4	5	6	7	8	9	1O	11
Температура,"С		1,2	1.7	1,9	1,3	1,6	1,1	1,1	1,5	1,1	1,0	2,03
Аммонийныйазот,мгN/л:		1,2
исходная вода			1,2	1,13	1,2	1,4	1,4	1,3	1,2	1,1	0,9	0,87
очищенная вода		0,8	0,7	0,6	0,4	0.2	0.3	0,2	0,2	0,3	0.2	0.2
Эффективность	очист- 38		39	47	70	82	83	76	82	71	82	77
ки, %
											ТаблицаЗ.
Параметры		. .	" 2	3	4	5	б	' 1	8	9	10	|11
Температура,0С		1,3	1,2	1,1	1,0	1,0	1,6	2,7	3,4	| 5,9	8.2 | 8,4
Окисляемостьмг/л:
исходная вода		5,2	5,4	4,9	4,7	6,2	5,8	6,0	6,7	7,8	5,3	4,4
очищенная вода		4,7	4,9	4,6	4,3	5,6	4,7	4,9	5,3	5,3	3,5	3,7
Эффективность	очист-	9	9	ft	8	11	19	19	?()	32	34	IO
ки,%

Получены основные кинетические зависимости удельной скорости окисления органических загрязнений и нитрификации от температуры. Статистическая обработка данных показала, что эта зависимость описывается уравнением Аррениуса. Графическим методом определены основные кинетические константы Vmax, и КM, для температуры 120C, которая является среднегодовой на территории РФ, а также все константы и коэффициенты, входящие в уравнение Аррениуса, приведенные в таблице 4.

Таблица 4.

	Параметры	ккал/моль,	ΔH,	ΔS,	β
			ккал/моль.	ккал/моль/гр,
	Уд.ск.окисления органиче-	8,3	82,3	0,263	1,9*103
	ских загрязнений.
	Уд. cк. пирификации.	7.5	138.4	0,44	0.057* I О3

18

Экспериментальная и теоретическая (рассчитанная по уравнению 3.) зависимости удельной скорости снижения органических загрязнений оцениваемых по окисляемости от температуры приведены на рис.5.

Рис. 5 Зависимость удельной скорости снижения

окисляемости от температуры.

О

5

IO

15

20

25

30

35

40

45

50

55

Температура, гр . с .

Результаты работы лабораторных биосорбционных установок на модельных стоках, содержащих танины и гуминовые кислоты, показали высокую эффективность применения биосорберов для очистки высокоцветных вод. Полученные кинетические константы позволяют рассчитать биосорбер на требуемую степень очистки, зная характер загрязнений, обуславливающих цветность воды. Данные, полученные в ходе эксплуатации полупромышленного биосорбера в течение длительного времени, включающего и зимний период, показали высокую эффективность удаления, как органических загрязнений, оцениваемых поокисляемости,так и аммонийного азота. Тем самым доказано, что процессы биохимического окисления в микропористой структуре активированного угля достаточно интенсивно протекают при низких температypax воды вплоть до 0.5 0С. Полученные константы и коэффициенты, входящие в уравнение Аррениуса, позволяют рассчитать удельную скорость окисления загрязнений в широком диапазоне температуры исходной воды.

Пятая глава диссертации посвящена теоретическим представлениям гидродинамикипроцессапсевдоожижения,атакжеопределениютехнологическии экономи-

чески оптимального гидродинамического режима работы биосорбера, и изучению гидродинамических характеристик активированных углей различных марок

Основным элементом биосорбера является зона реакции с псевдоожиженным слоем. Оптимальным условием для протекания биосорбционных процессов является хороший массообмен, который обеспечивается созданием однородного, устойчивого псевдоожиженного слоя загрузки. Основной качественной характеристикой псевдоожиженного слоя при работе сооружения является его степень расширения.

Существующие методы расчета адсорбционных аппаратов с псевдоожиженным слоем загрузки разработаны применительно к адсорберам, работающим с чистым сорбентом, имеющим определенные и постоянные характеристики (форму и размеры частиц, их плотность, структуру поверхности и др.).

Активированные угли, применяемые в биосорберах, отличаются размерами и плотностью гранул, что сказывается на их гидравлических характеристиках. В связи с этим теоретические зависимости для ряда реальных крупномасштабных аппаратов должны корректироваться на основе экспериментальных исследований с каждым загрузочным материалом. Гидравлические характеристики активированных углей существенно влияют на параметры псевдоожиженного слоя. Для оценки интенсивности массообмена и определения высоты аппарата необходимо знать объем или высот) слоя в рабочем, т.е. в расширенном состоянии.

Расширение слоя при псевдоожижении описывается уравнением:

V/Vβ = εZo (3)

где: ε - порозность слоя;V— рабочая скорость;Vв - скорость витания частицы; Z0, - функция критерия Рейнольдса.

Как показал опыт эксплуатации полупромышленного биосорбера при степени

расширения до 30% наблюдалось накопление загрязнений в слое загрузки. Это приводило к образованию вторичных загрязнений и существенно сказывалось на качестве очистки. Эффективность нитрификации при этом не превышала 5-10%. Увеличение степени расширения до 40-42%, позволило выйти па требуемую степень очистки. В этот период эффективность снижения азота аммонийного возросла до 70-80 %, а эффективность снижения окисляемое™ составила в среднем 15-20 %.

Исследования, целью которых было определение гидравлических характеристик АУ марок: АГ-5, АГМ, УСК-3, имеющих разный насыпной вес: 0,65, 0,59 и 0,54 т/м3 соответственно, проводились на лабораторном стенде. Полученные данные позволили получить реальную кривую псевдоожижения для этих углей и зависимость степени расширения загрузки (в %) от скорости восходящего потока рис.6.

Рис. 6. 3ависимость степени расширения, и удельных

потерь

напора

ОТ

скорости

восходящего

потока

для

различных углей.

О

10

20

30

40

50

60

70

80

Скорость,м/ч

По данным графика устойчивый кипящий слой, при котором происходит равномерное по всему объему псевдоожижение угля и расширение при этом составляет 40-42%, достигается при «рабочей скорости» 33 м/ч - для угля АГМ , 46 м/ч -- для угля АГ-5, и 51 м/ч- для УСК-3. При этом удельное значение перепада давления для этих активированных углей составляет 0,17, 0,3, 0,22 м.вод.ст./м, соответственно. В ходе эксплуатации полупромышленной установки был выявлен ряд недостатков применяемой колпачковой системы большого сопротивления для распределения воды в биосорберах. Она характеризуется высокими пусковыми и рабочими потерями напора. К тому же, данный тип конструкции водораспределителя приводит к истиранию частиц угля, т.к. в рабочем режиме скорость выхода струи из отверстий водораспределителя составляет 2-2,5 м/с, попадание активированного угля в эту зону приводит к механическому истиранию частиц угля друг о друга и об днище сооружения.