2.4.1. Биосорбция

Процесс скоростного изъятия загрязнений как первый этап очистки осуществляется по двум направлениям. Во-первых, адгезионно-сорбционное изъятие на прикрепленный к субстрату биоценоз, и, во-вторых, сорбция биопленкой, движущейся с потоком очищаемой жидкости. Сорбционные процессы подчиняются основным законам массообмена и могут быть описаны уравнением [Тваркиладзе, 1989)

где C - концентрация вещества в воде, мг/л; Кр – коэффициент диффузии, м/с; 1- время, с; Z- координата вглубь биомассы, м; S- удельная поверхность сорбирующего материала, м23.

Скорость сорбции увеличивается с увеличением сорбирующей поверхности Ѕи скорости внутренней диффузии вещества дС/aZ, соответственно.

Особой оценки заслуживает величина сорбирующей поверхности S, поскольку именно с изменением этого параметра загрузки биофильтра (субстрата) связан эффект работы сооружения в целом.

Концентрация вещества в воде (С) также имеет большое значение. При турбулентном обтекании пленки Жидкостью концентрация вещества в зоне касания значительно выше, чем при ламинарном течении жидкости. Обтекание биопленки на прикрепленном субстрате происходит при турбулентном течении жидкости, что определяет интенсивный массоперенос загрязнений к поверхности. При этом отношение dClot стремится к нулю. Что касается мигрирующего биоценоза (активного ила), то условия обтекания хлопьев носят скорее ламинарный характер. При ламинарном движении жидкости концентрация загрязнений в жидкости на границе раздела Жидкость — биопленка снижается. Скорость снижения концентрации загрязнений дС/д имеет конечное значение, отличное от нуля. Косвенным подтверждением этого служит продолжительность обработки воды с одинаковыми входными концентрациями, которая составляет для биофильтров 10-30 мин, для аэротенков - более часа.

Процесс регенерации пленки в биофильтре заключается в отторжении пленки (десорбция) и выносе ее из сооружения. При этом освобождается поверхность для повторения процесса. Вынос биопленки является неотъемлемой частью очистки и условием успешной эксплуатации биофильтра.

Таким образом, высокая эффективность работы фильтра на этапе изъятия загрязнения обусловлена двумя основными факторами: гидродинамическим и биологическим, Под гидродинамическим фактором понимается характер движения жидкости по поверхности биоценоза, создающий ламинарный или турбулентный режим течения. Этот фактор определяет также режим отделения пленки от субстрата, что создает дополнительные возможности для изъятия загрязнений и выноса их вместе с биопленкой в зону накопления осадка,

Режим движения жидкости закладывается при проектировании конструкции фильтра, выборе субстрата и способа накопления и удаления избыточного ила.

Под биологическим фактором понимается способность сукцессии микроорганизмов к осуществлению аммонификации и нитрификации загрязнений.

При работе биофильтра происходят непрерывный прирост и отторжение биологи ческой пленки. Нарушение этого процесса приводит к снижению окислительной мощ ности реактора. ?арактерным является отторжение пленки по ее толщине на каждом отдельно взятом участке субстрата. Отторжение локальных участков пленки происходит с наступлением так называемого критического состояния, когда молекулярное сцепление между слоями нарушается в силу гравитационного или Гидродинамического воздействия. По своей толщине биопленку можно разделить на три слоя, начиная от поверхности субстрата: анаэробный, диффузионный и аэробный. После отрыва верхних слоев на субстрате остается тончайший слой пленки, который в результате контакта с жидкостью покрывается слоем растворимых и нерастворимых загрязнений. В результате отрыва активно аэрируемая поверхность биопленки увеличивается, а на местах отрыва продолжается рост биоценоза.

Таким образом, биофильтр осуществляет сорбционное изъятие растворимых и не растворимых загрязнений и обеспечивает ускоренную очистку вод за счет процессов накопления-отторжения биопленки. Отторгнутая биопленка продолжает участвовать в процессе изъятия загрязнений, перемещаясь внутри биофильтра вплоть до выноса ее из аппарата. Сорбированные, но не успевшие окислиться загрязнения осаждаются в отстойниках. Накопленный в отстойниках материал может служить сырьем для получения топлива (метана), удобрений, добавок к корму, то есть является ценным вторичным сырьем.

Длительность процесса сорбции значительно ниже длительности биохимических процессов, происходящих в биопленке. Основная часть загрязнений изымается из воды в первые минуты контакта с биопленкой, глубокая очистка происходит за более длительный срок.

Представление одлительности процессов, происходящих в биопленке, можно получить по наблюдениям за измене нием рН суспензии, извлеченной из отстойников рыбоводной установки (рис. 3). Данные получены в Институте экспериментальной ботаники АН Беларуси.

Количественные оценки Выноса продуктов метаболизма вместе с биопленкой в отстойники замкнутых рыбоводных систем отсутствуют.

Динамика изменения рН суспензии в условиях хранения при комнатной температуре

Рис. 3. Динамика изменения рН суспензии в условиях хранения при комнатной температуре