2.5. Накопление продуктов метаболизма

Для наглядности процесс накопления продуктов метаболизма в замкнутых установках можно представить в виде структурной схемы (рис.4). Каждый из блоков учитывает тот или иной шаг передачи или преобразования загрязнений в процессе функционирования замкнутой установки.

Схема построена на основании выводов независимых авторов ТУитон, 1985; Тваркиладзе, 1989; Яковлев, Краюхина, 1980].

Блок 1. Бассейн, являющийся источником первичной продукции загрязнения. Уравнения связи

 

Блок 2. Первичный фильтр, задерживающий, накапливающий и позволяющий периодически выводить из системы часть загрязнений, оцениваемых ХПК. Работа первично го фильтра оценивается коэффициентом К, определяющим в относительных единицах задерживаемую часть продукции ХПК. (1-К) — часть продукции, проходящая через первичный фильтр без задержки.

Блок 3. Определяет часть продукции ХПК, окисляющуюся вв биофильтре с образованием аммония (вторичное загрязнение). Коэффициент передачи для блока 3

 

 

 Структурная схема накопления продуктов метаболизма

Рис. 4. Структурная схема накопления продуктов метаболизма.

 

Блок 4. Уравнение связи для этого блока представляет собой эмпирическую зависимость преобразования окислившейся продукции ХПК в аммоний:

Блок 5. Определяет коэффициент передачи продукции ХПК на вход в бассейн без преобразования: .

К = K, хок = 1 – 0,59 - апк - 1,143(7-20).

Блок 6. Определяет часть суммарной (первичной и вторичной) продукции аммония, усваивающейся в биофильтре:

K, = 1 K, K, Jн, = 0,59а мн,+: 1,143(7-20).

Блок 7. Определяет часть суммарной продукции аммония, поступающего через биофильтр на вход бассейна:

Блок 8. Учитывает разделение всего поглощенного биофильтром аммония по двум направлениям: преобразование аммония биопленкой в нитрит и нитрат и удаление адсорбированного аммония вместе с избыточным илом из установки без образования продукции нитрита и нитрата. Введение в схему этого звена основано на выводах работы Тваркиладзе [1989]. Процесс поглощения аммония биофильтром начинается с того, что частицы подвергаются влиянию молекулярных сил притяжения со стороны биологичес Кой пленки, прикрепленной на субстрате либо находящейся во взвешенном состоянии. В результате образуется сорбционный слой. Сорбированные вещества диффундируют во Внутренние слои биопленки под действием градиента концентрации. Рост биопленки определяется количеством сорбированных загрязнений с корректировкой на окислительные процессы. Основная часть загрязнений способна изыматься в первые минуты контакта с биопленкой за счет процессов сорбции. Окислительные процессы требуют более длительного времени. Отторжение биопленки и частичное ее накопление в специальном накопителе с последующим выводом ила за пределы системы способствует удалению части

ванных загрязнений и их выводу из системы до завершения окисли тельного процесса с образованием нитрата. Это отражено в блоке 8 в виде двух выводов. Вывод на накопитель ила с коэффициентом передачи Ка-= (0-0,5) и вывод на блок 9 с Коэффициентом передачи Ка-2=(1-0,5). При Kg = 0 вывод адсорбированного аммония в накопитель ила отсутствует, при Ка-1 = 0,5 пятьдесят процентов адсорбированного аммо ния выводится без преобразования в нитрат.

Блок 9. Описывает процессы нитрификации-ассимиляции для нитрифицирующих бактерий. Химические формулы этих процессов по работе Уитона (1985]:

В соответствии с этими реакциями 98% азота окисляется до нитрата, а 2% ассимилируется с образованием клеток бактерий, что и отражено в блоке 9 в виде двух выходов с двумя коэффициентами передачи.

Расчет концентраций производится для установившегося режима установки, когда блоки 8 и 9 работают в условиях сформировавшейся биопленки. Концентрации вычисляются с использованием уравнения

Коэффициент К; определяется по заданному расходу воды в контуре циркуляции Qв м/сут и по величине суточной подпитки свежей водой, выражаемой в относительных единицах (а) от суммарного объема воды во всех элементах установки (Vс):

 

 

Концентрация нитрата.

Нитрат является конечным продуктом биологического фильтра. Блок денитрификации в систему не включен. Вынос нитрата из системы производится за счет смены воды за счет подпитки. Концентрация продукции нитрата определяется уравнением, характерным для разомкнутой системы с проточностью, равной величине подпитки свежей водой.

Так как информации о количественном выносе аммиака с оседающей в накопителе ила биопленкой нет, то величину CNo,-у можно считать оценочной. При Ка-2= 1 (вынос отсутствует) концентрация нитрата максимальная, при Kg-2 = 0,5 – минимальная.

Продукция нитрата П No- - Учитывается на выходе 1 блока 9:

Концентрация нитритов.

Нитриты (ионы No 2) являются промежуточной формой в процессе нитрификации аммония до нитратов. При установившейся работе биофильтра, когда нагрузка в виде аммония стабильна, два вида бактерий Nitrosomonas и Nitrobacter сформированы, и их действие сбалансировано, концентрация нитрита в воде определяется эффектом “проскока в биофильтре. Анализ доступных материалов на эту тему позволяет сделать два вывода: перВый - концентрация нитрита и аммиака связаны между собой; второй — отношение концентрации нитрита к концентрации аммиака колеблется в пределах от 0,01 до 0,08.

Сбалансированность процесса нарушается в переходные периоды. При первичном запуске биофильтра накопление бактерий вида Nitrobacter идет с задержкой, так как : сначала должен развиться вид Nitrosomonas и создать питательную среду для появления бактерий вида Nitrobacter. Появлению бактерий вида Nitrobacter предшествует всплеск концентрации нитритов. Аналогичная ситуация, но в меньших масштабах может наблюдаться в процессе работы установки при уже сформированных двух видах бактерий. Это происходит потому, что процесс выращивания рыбы можно только условно назвать стационарным, так как в процессе выращивания масса рыбы, а следовательно, и количество израсходованного корма возрастают. Главное нарастание нагрузки на систему определенным образом Компенсируется нарастанием бактериальной пленки. В случае всплеска загрязнения, возникающего по какой-либо причине, компенсирующего действия биофильтра не наблюдается, растет концентрация в первую очередь нитритов.