2. Влияние различных факторов на скорость

БИОХИМИЧЕСКОГО ОКИСЛЕНИЯ

Скорость окисления зависит от концентрации органических веществ, равномерности их поступления и от других примесей в среде. Кроме того, на скорость биохимических реакций влияет режим перемешивания среды, содержание кислорода и биогенных элементов в воде, температура и рН среды, а также содержание тяжелых металлов и минеральных солей.

Перемешивание (турбулизация) среды способствует распаду хлопьев примесей на более мелкие и увеличивает скорость поступле-ния питательных веществ и кислорода к микроорганизмам. Интенсив-ность перемешивания зависит от количества подаваемого воздуха.

С повышением температуры среды скорость биохимических реакций возрастает. На практике ее поддерживают в интервале 20–30 С. При повышении температуры выше этих пределов уменьша-ется растворимость кислорода, возрастает гибель микроорганизмов; при снижении температуры замедляется скорость процессов биоокис-ления, адаптационных свойств микроорганизмов к изменившимся усло-виям, ухудшаются показатели процессов нитрификации, флокуляции и осаждения.

Наличие солей тяжелых металлов приводит к снижению полезной биохимической активности в среде и развитию вредных форм бактерий. По степени токсичности тяжелые металлы можно расположить в следующем порядке:

Sb > Ag > Cu > Hg > Co  Ni  Pb > Cr³⁺  V  Cd > Zn > Fe.

Отрицательное влияние на скорость биохимического окисления оказывает повышенное содержание минеральных веществ (выше допустимых концентраций).

Абсорбция и потребление кислорода (аэробное окисление). Кислород является наиболее важным элементом для биохимического окисления органических веществ. Микроорганизмы используют кислород только в растворенном в воде виде. Процессы аэрации, перемешивания и турбулизации среды воздухом являются наиболее эффективными источниками насыщения воды кислородом. Процесс переноса кислорода из газовой среды к клеткам микроорганизмов происходит в два этапа:

1. перенос O₂ из газовых пузырьков в основную массу жидкости;

2. перенос абсорбированного жидкостью кислорода к клеткам микроорганизмов.

Схематично процесс переноса кислорода к микроорганизмам показан на рис. 15.

Кислород плохо растворим в воде, поэтому скорость абсорбции кислорода будет лимитироваться в основном сопротивлением жидкой фазы. Толщина диффузионного пограничного слоя  при обтекании какого-либо тела размером l зависит от коэффициента диффузии D, вязкости _в, плотности _в и скорости движения среды υ_в:

, (195)

Рис. 15. Схема переноса кислорода от пузырьков газа

к микроорганизмам:

А – пузырек газа; Б – скопление микроорганизмов; 1 – пограничный диффузионный слой со стороны газа (1/β_г); 2 – поверхность раздела; 3 – пограничный диффузионный слой со стороны жидкости (1/β_ж); 4 – перенос кислорода от пузырька к микроорганизмам; 5 – пограничный диффузионный слой со стороны жидкости у микроорганизмов (1/β_ж); 6 – переход кислорода внутрь клеток; 7 – зона реакции между молекулами кислорода с ферментами

Так как микроорганизмы имеют малый размер и движутся со скоростью движения среды, то толщина жидкого диффузионного пограничного слоя у стенок клеток значительно меньше, чем вокруг пузырьков газа, и поэтому он не оказывает заметного сопротивления переносу кислорода. Для плохо растворимых газов коэффициент массопередачи принимают равным коэффициенту массоотдачи (К_ж = _ж). Поскольку поверхность контакта фаз между воздухом (пузырьки) и водой трудно определить, то на практике используют объемный коэффициент массоотдачи, т.е. _ж = _к.

Количество абсорбированного водой кислорода можно вычислить по уравнению массоотдачи:

(196)

где М – количество абсорбируемого кислорода, кг/с; _v – объемный коэффициент массоотдачи с^–1; V – объем воды, м³; С_р, С – равновесная концентрация и концентрация кислорода в основной массе жидкости, кг/м³.

Повышение концентрации кислорода в воде возможно путем повышения _v. Этот коэффициент представляет собой произведение действительного коэффициента массоотдачи _ж на удельную поверхность контакта фаз . Увеличивая дробление газового потока при аэрации среды, т. е. уменьшая размеры газовых пузырей d_п и увеличивая газосодержание в воде _г, можно значительно увеличить поверхность контакта фаз и, следовательно, увеличить поступление кислорода в воду. Удельная объемная поверхность контакта фаз равна

. (197)

Концентрация кислорода в воде зависит от соотношения скоростей абсорбции и потребления его в среде. Поэтому скорость роста концентрации кислорода в воде равна

, (198)

, (199)

где С_i – концентрация кислорода в клетке, Q_k – расход кислорода.

В реальных условиях вводе устанавливается какая-то стационарная концентрация кислорода С_с, т. е. скорость абсорбции равна скорости потребления:

, (200)

Признаком достаточности аэрации является положительное значение разности (С_с – С_кр). Здесь С_кр представляет собой критическую концентрацию кислорода в воде, при которой скорость его потребления становится постоянной и не зависит от дальнейшего ее повышения. Эту разность следует поддерживать минимальной, так как, чем ниже С_с, тем больше движущая сила абсорбции ∆С = С_р – С_с.

Для успешного протекания реакций биохимического окисления необходимо присутствие в водной среде биогенных элементов и микроэлементов: N, S, P, K, Mg, Ca, Na, Cl, Fe, Mn, Mo, Ni, Co, Zn, Cu и др. Основными их них являются N, P и K. Содержание их должно быть в необходимых количествах, остальных элементов в воде обычно достаточно.

Недостаток азота в среде тормозит окисление органических примесей и приводит к образованию слабооседающих взвесей. Недос-таток фосфора приводит к образованию труднооседающих взвесей (из-за развития нитчатых бактерий), большему загрязнению среды и, как следствие, снижению интенсивности окисления. Биогенные элементы лучше всего усваиваются в форме, в которой они находятся в микробных клетках: азот – в форме аммонийной группы NH₄⁺; фосфор и калий в виде солей фосфорных кислот или калийных удобрений.