CC BY
43
ДИНАМИКА ФОРМИРОВАНИЯ ИММОБИЛИЗОВАННОЙ БИОПЛЕНКИ В ГЕТЕРОГЕННЫХ РЕАКТОРАХ
А.Л. ДЕНИСОВ, доктор биологических наук
ВНИТИБП
И.И. ПАВЛИНОВА, кандидат технических наук
Московский институт коммунального хозяйства и строительства
И.В. ЗАРЯ, аспиринт
Сегодня все более пристальное внимание специалистов в нашей стране и за рубежом привлекают вопросы использования микрофлоры в практике очистки сточных вод. Гетерогенные реакторы с иммобилизованной биопленкой обеспечивают высокую эффективность удаления углеродсодержащей органики и нитрификацию в аэробных условиях. Применение твердых частиц — носителей — с прикрепленной к ним микрофлорой в значительной сте-пени совершенствует технологию биологической очистки, позволяет управлять процессом и при необходимости интенсифицировать его. Потенциальное преимущество иммобилизованных биологических слоев состоит в том, что размеры биомассы, прикрепленной к отдельной частице носителя (толщина биопленки), могут поддерживаться постоянными с помощью создания определенных гидродинамических условий, то есть появляется возможность регулировать процессы в системах биологической очистки сточных вод.
Адсорбирование растворенных поверхностноактивных субстратов на границе раздела «твердое тело — жидкость» выражается уравнением, определяющим величину поверхностного обогащения бактериальной микрофлорой:
Г______с да
ЛТдС’
где, Г — поверхностное обогащение (моль/единица поверхности); С — концентрация субстрата в растворе; ст—поверхностная активность субстрата; К — абсолютная газовая постоянная; Т — температура по шкале Кельвина.
При этом, необходимо иметь в виду, что для поверхностно-активных субстратов увеличение их концентрации приводит к снижению активности растворяющего вещества:
д(т/дС< О
В процессе непрерывного формирования биопленки она селективно удерживает питательные вещества. При этом имеет место не только концентрирование субстрата в результате адсорбции на твердой поверхности, но и одновременно каталитический эффект, позволяющий обеспечить преобразование крупных молекул (например, протеина) в малые, которые легче ассимилируются бактериями.
Изучение механизма формирования биопленки микроорганизмов показало, что оно сопровождается выделением бактериями внеклеточных метаболитов или ферментов. Это ослабляет «броуновское» движение микроорганизмов и противодействует гидравлической подаче жидкой фазы, а вместе с ней и бактерий, к твердой поверхности, что тормозит образование биопленки на носителе.
С другой стороны, действие электростатического притяжения между твердой поверхностью и микроорганизмами направлено в противоположную сторону и стремится сблизить их. Это подтверждается влиянием pH раствора на интенсивность фиксации бактерий на носителе.
Как установлено, на развитие указанных противоположных процессов, основное влияние оказывает концентрация субстрата в жидкой среде. Чем она выше, тем более эффективно аккумулируются бактерии на носителе под действием электростатических сил притяжения. В противном случае усиливается влияние гидравлического противотока внеклеточных биополимеров.
Бактериальная биопленка достаточно гидрофильна, она удерживает слой жидкости более или менее значительных размеров в зависимости от условий питания биологического комплекса «носитель — биопленка — пленка жидкости».
Процесс массообмена между биопленкой, жидкостью и газами достаточно наглядно можно проиллюстрировать графическим путем (рис. 1).
Подача кислорода к бактериям для осуществление ими биохимического окисления субстрата обеспечивается благодаря диффузии воздуха через поверхность
Достижения науки и техники АПК, №2-2006
43
раздела «воздух-жидкость». Далее растворенный кислород, также как и субстрат, диффундирует в биопленку по направлению к поверхности носителя. Продукты метаболизма (в частности С02) двигаются в обратную сторону — из жидкости в газовую среду.
В отличие от субстрата растворенный кислород быстро истощается при переходе через наружные слои биопленки и поэтому бактерии расположенные ближе к поверхности носителя, функционируют в анаэробных условиях. Это положение экспериментально доказано путем респирометрических измерений с использованием кислородных микрозондов.
В этом случае обмен метаболитов (спиртов, кислот, С02, СН4, Н28 и др.) происходит путем диффузии между аэробной и анаэробной зонами.
Если жидкость транспортирует загрязнения в виде дисперсных частиц, они могут посредством биосорбции на биологической пленки создавать внеклеточные запасы в желатиноподобном матриксе.
При проведении экспериментов определено влияние толщины бактериальной пленки на скорость очистки сточных вод по общему органическому углероду (рис. 2). Полученные результаты показывают, что после нарастания биопленки до определенной толщины (около 200 мкм) скорость очистки (усвоения субстрата) прекращает расти и стабилизируется на уровне 140 мг/ч, а ее объемная масса достигает своего максимального значения (порядка 100 мг/ см3) при 150 мкм (рис. 3).
Установлено также, что оптимальная толщина бактериальной пленки пропорциональна концентрации субстрата в жидкой фазе: при 100 мг/л — около 70 мкм, при 500 мг/л — 145 мкм.
Таким образом, по результатам проведенных эк-
(ООУ) в зависимости от толщины биологическои пленки
спериментов определены динамика формирования биопленки на твердой поверхности и ее оптимальная толщина, выше которой рост скорости очистки
Рис. 3. Объемная биомасса биологической пленки Ре в зависимости от ее толщины
прекращается.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС МАШИН ДЛЯ ПОТОЧНОЙ УБОРКИ И ТРАНСПОРТИРОВКИ ПЛОДОВ ФУНДУКА
ДА. МАМЕДОВ, кандидат технических наук Азербайджанская СХА
Как известно, Азербайджан в бывшем СССР был основным производителем и поставщиком ценных плодов фундука. Однако и сегодня их уборка зачастую проводится вручную. Следовательно, уровень развития отрасли в первую очередь связан с механизацией этого процесса и разработкой технологий и комплексов машин для его проведения, а также транспортировки урожая на пункты первичной и основной товарной обработки.
Разработка технических средств для механизации уборки фундука началось в Советском Союзе с 70-х гг. прошлого столетия.
Конечно же первые образцы машин, такие как ВОС-4, ВСО-25, МПУ-1А, имели ряд недостатков.
44 ----------------------------------------------
У
Поэтому с 1976 г. ученые АзНИИМЭСХ и ВИС-ХОМ развернули широкие научно-исследовательские работы по созданию ряда конструкций предназначенных для механизации уборки фундука. По совместной программе были разработаны на уровне изобретений уборочные машины, изготовленные на опытном заводе АзНИИМЭСХ. По результатам эксплуатации макетных образцов удалось установить наиболее приемлемые конструктивные схемы встряхивателей и улавливателей, обосновать динамические, кинематические и режимные параметры различных их вариантов [1,4].
В частности хозяйственные испытания машины для уборки фундука МУФ-1 показали, что ее годовая экономическая эффективность составляет около 13 млн 700 тыс. манат.
Эта машина состоит из стрелы, захвата, инерционного вибратора, делителей, гребешков, поворот-
— Достижения науки и техники АПК, №2-2006
