CC BY
17
Лiтература
1. Б1лей П.В. Теоретичнi основи теплового оброблення i сушiння деревини: Моногра-фiя. - Коломия: BiK, 2005. - 364 с.
2. Лабай В.Й. Тепломасообмш: Пiдручник. - Львiв: Трiада Плюс, 1998. - 260 с.
3. Лыков А.В. Теория сушки. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1950. - 416 с.
4. Шубин Г.С. Сушка и тепловая обработка древесины. - М.: Лесн. пром-сть, 1990. -
336 с.
УДК66.684 Проф. В.Л. Старчевський, д-р. техн. наук;
acnip. Н.Л. Максим1в - НУ "Льв1вська пол1техшка"
ЗМ1НА ВЕЛИЧИНИ Х1М1ЧНОГО СПОЖИВАННЯ КИСНЮ В ПРОЦЕС1 ОЧИЩЕННЯ ВОДИ В1Д БАКТЕР1АЛЬНОГО
ЗАБРУДНЕННЯ
Дослiджено процес шактивацп дрiжджiв з допомогою ультразвуку. Вим!рю-вання величини хiмiчного споживання кисню (ХСК) використовувалось як шдика-тор концентрацп оргашчного матерiалу. Результати показали, що тд час озвучення в атмосферi кисню ХСК бактерiальноï дисперсп зменшуеться на 50-61 % за 60 хв. Зменшення величини ХСК бактерiальноï суспензп описуеться рiвнянням 2-го порядку. Ефектившсть зменшення показника хiмiчного споживання кисню зростае зi збшь-шенням концентрацп дрiжджiв. Застосування пероксиду водню не було ефективним, оскiльки швидюсть руйнування органiчного матерiалу була низькою без ультразвуку.
Ключов1 слова: ультразвук, шактиващя, хiмiчне споживання кисню, лiзис
Prof. V.L. Starchevsky; post-graduate N.L. Maksymiv -
NU "L'vivs'kaPolitekhnika"
The influence of chemical oxygen demand in the process of water purification from bacterial impurities
The inactivation of yeast cells during ultrasonic irradiation has been investigated. Chemical oxygen demand (COD) tests were used as the indicators of organic matter concentrations. Results indicated that sonication in the atmosphere of oxygen reduce 50-61 %o of COD in 60 minutes. The COD decrease of bacterial suspension describes second-order behavior. The efficiency of decreases of the chemical oxygen demand increases according to the increase of concentration of yeast. The use of hydrogen peroxide was not effective because the rate of degradation of organic matter was low without ultrasound.
Keywords: ultrasound, inactivation, chemical oxygen demand, lysus.
Актуальшсть i постановка задач1. З кожним роком вимоги до якост води зростають. Традицшш технологи водошдготовки не завжди ефективш. Одним is шлях1в виршення ще1* проблеми е впровадження в практику водошдготовки нових метод1в очищення, знезараження та кондищювання води. [1] Очищення води з допомогою ультразвуку (УЗ) характеризуеться простотою системи очищення, вщсутшстю токсичних поб1чних продукпв [2]. Бактерицидна д1я УЗ не залежить вщ каламутност (в межах до 50 мг/дм ) i ко-л1рност1 води. Вш поширюеться як на вегетативш, так i на споров! форми мь крооргашзм1в i залежить лише вщ штенсивност коливань та вщ морфолопч-них i ф1зюлопчних особливостей бактер1ального забруднення [3]. Стушнь
забруднення води визначають за показниками бiологiчного споживання кис-ню (БСК) i хiмiчного споживання кисню (ХСК) [4]. 1снуе ряд публiкацiй що-до зменшення БСК забруднено! води з допомогою ультразвуку [2, 3, 5, 6]. Ос-кiльки очищена вода повинна вщповщати вимогам ДЕСТУ за показниками як хiмiчного, так i бюлопчного забруднення, доцiльним е дослiдження змши ве-личини хiмiчного забруднення у ходi очищення вiд бiологiчного забруднення.
Метою роботи було дослщження впливу УЗ на змшу величини ХСК бактерiальних суспензiй.
Об'ектами до^джень були штучно створет модельнi сумiшi №1, №2, №3 на основi дисперсш сушених хлiбопекарських дрiжджiв БассИа-гошусеБ сегеу1в1ае рiзних концентрацiй.
Для дослщження впливу ультразвуку на хiмiчнi перетворення дрiж-джових суспензiй в робот був використаний скляний реактор, в якому були вмонтоваш штуцери для вщбору проб, подачi i виходу газiв. Реактор з досль джуваним розчином безперервно охолоджувався проточною водою. УЗ коли-вання частотою 22 кГц вщ генератора УЗДН-2Т передавали за допомогою магштострикцшного випромiнювача, зануреного в об'ем дослщжувано! рiди-ни (100 см ) з вщомим значенням хiмiчного споживання кисню. Дослщи проводили при Т= 298 К i р= 1 • 105 Па, пiдбираючи однаковi умови експерименту для проведення процесу як в УЗ пол^ так i без нього. Вимiрювали рН i ХСК одержаних дисперсiй. Значення рН проб вимiрювали до i шсля озвучування з точнiстю ±0,5 на рН метрi рН-673. Значення ХСК вимiрювали методом зво-ротного титрування проб.
Аналiзуючи отриманi результати експерименлв, спостерiгаемо, що в УЗ полi значне зменшення хiмiчного споживання кисню настае вже за 1 год. озвучення для вшх концентрацш (рис. 1, 2, 3, 4), тодi як у робот [7] результати дослщжень ди ультразвуку на бактерiальну суспензiю показали, що УЗ мав дуже малий вплив на величину ХСК навт пiсля 3 год. озвучування.
190
185
180
О §
УЗ
> 175
УЗ+О2
§
& 170
и
* 165
Рис. 1. Залежшсть ХСК сум. №1 в1д часу при Т = 298 К Ь р = 1-105 Па за рьзних
умов проведення експерименту
УЗ+О2 Н2О2
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
час, сек
Рис. 2. Залежшсть ХСК сум. №2 eid часу при Т = 298 К i р = 110 Па за рьзних
умов проведення експерименту
600
S 500
1 400 Si
U 300 X
200 100
Н2О2
500
1000
1500 2000 2500 3000
* УЗ+О2 УЗ+Н2О2
3500 4000 час, сек rj5
Рис. 3. Залежньсть ХСК сум. №3 eid часу при Т = 298 К i р = 1-10 Па за рьзних
умов проведення експерименту
1600 1400
I 1200
Ts
g 1000 si
M 800 600 400
Н2О2
УЗ+О2
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
час, сек
Рис. 4. Залежшсть ХСК сум. №4 вiд часу при Т = 298 К i р = 1-Ю5 Па за рьзних
умов проведення експерименту
Озвучення дрiжджових суспензш в присутност кисню чи Н2О2 значно тдвищуе ефектившсть зменшення ХСК для Bcix сумшей (табл. 1) nopiBM^ i3 впливом одного УЗ чи Н2О2. 1нактиващя бактерш та бактерiальних агломе-ратв тд час озвучення пов'язана Ï3 фiзичними, мехашчними та хiмiчними ефектами, що виникають при акустичнш каштаци. При колапс кавiтацшноï бульбашки утворюеться енергiя, достатня для послаблення чи руйнування бактерiальних кштин; хiмiчним ефектом кавiтацiï е формування радикашв Н i •ОН. Ц радикали атакують хiмiчну структуру стшок бактерiальних клiтин i послаблюють ïï, викликаючи деструкцiю [2].
Ефектившсть очищення води (Е, %) обчислювалась за формулою: E% = [(ХСК0 - ХСК)/ХСК0] -100 %, де: ХСК0 - хiмiчне споживання кисню необробленого зразка, мг/л; ХСК - xi-мiчне споживання кисню обробленого зразка, мг/л.
0
0
0
Табл. 1. Ефектившсть зменшення ХСКмодельних сумШей _за рiзних умов проведення експерименту_
Концентроват др1ждж1, г/л УЗ+О2 УЗ УЗ+Н2О2 Н2О2
Е, % Е, % Е, % Е, %
0,8 7 4 6 2
8 14 7 12 5
20 39 21 33 13
40 61 31 50 21
Вища константа швидкост процесу озвучування в присутност кисню пов'язана з тим, що шд час озвучування в атмосферi кисню радикали Н практично миттево трансформуються в радикали НО^2 (табл. 2), тодi як при озву-чуваннi з Н2О2 зменшення ХСК вщбуваеться повiльнiше, оскiльки окислю-вальна здатнiсть •ОН радикалiв е нижчою, нiж НО^2, а пероксид водню не окислюе домiшки з достатньою швидкiстю.
Пiд час руйнування мiкроорганiзмiв з допомогою УЗ вiдбуваеться руйнуванням iз зменшенням розмiру бактерiальних агломера^в, зовнiшнi клiтиннi матерiали з поверхш флокулiв потрапляють у розчин (кштинш поль мернi сполуки, якi мютять полiсахариди та проте1ни); наступним етапом е руйнування та лiзис кштин, стiнки клiтин фрагментуються, потрапляють в розчин полiмери та ензими, як входили в склад клiтинних стшок, вони прис-корюють руйнування оргашчного матерiалу; вiдбуваеться вивiльнення водо-розчинних оргашчних сполук [8]; оскiльки бшьшють органiчного матерiалу е макромолекулярними сполуками, на останньому еташ макромолекули роз-кладаються до низькомолекулярних сполук, утворюються водорозчинш кис-лоти, зокрема нуклеlновi [8]. З цим пов'язана змша значення рН: початкове значення рН - 5,3, шсля озвучення - 4,6. Ц водорозчиннi кислоти можуть ут-ворюватись 2 шляхами [9]:
• при вившьнент зовтшнього кттиииого матер1алу тд час руйнування м1к-рооргатзм1в, який дал1 розкладаеться до низькомолекулярних сполук, кон-центращя кислот лшшио пов'язана 1з тривалштю озвучення;
• при руйнуваит кл1тии та вившьиеит оргатчиих сполук, що знаходяться в середит кл1тии, бшьшшть з иих е макромолекулами 1 для 1хиього руйиу-ваиия необхвдний деякий час, коицеитращя кислот залишаеться постшною.
Табл. 2. Зведена таблиця констант швидкостей окиснення оргашчних забруд-нень води модельних сумшей при Т=298К, (Н202)=10-2моль/л, р=1105Па, УЗ-
22кГц та рiзних умовах експериментiв
Об'екти досль джеиь к, 1/(моль-с)
УЗ+О2 УЗ УЗ+Н2О2 Н2О2
мод. сум. №1 1Д28-10-7 6,590-10-8 1,036-10-/ 4,017-10-8
мод. сум. №2 1,445-10-' 6,761-10-8 1,408-10-/ 5,355-10-8
мод. сум. №3 3Д85-10-' 1,366-10-/ 2,784-10-/ 9,180-10-8
мод. сум. №4 2,552-10-/ 8,362-10-8 1,919-10-/ 5,635-10-8
При руйнуванш макромолекулярних сполук концентращя водороз-чинних кислот знову зростае. Нами встановлено, що зi збшьшенням концен-траци забруднень зростае константа швидкост перетворення водорозчинних оргашчних сполук (табл. 2).
Процес шактиваци мiкроорганiзмiв вщбуваеться за реакщею 1-го порядку; руйнування оргашчних забруднень з допомогою ультразвуку також шдпорядковуеться реакци 1-го порядку. Проведет дослщження показують, що пiд час руйнування бактерiального забруднення з допомогою ультразвуку перетворення оргашчних сполук вщбуваеться за реакщею другого порядку (рис. 5).
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
час, сек
Рис. 5. Напiвлогарифмiчна анаморфозна залежшсть константи швидкостi окиснення eid часу для сумiшi №2 зарiзнихумов проведення експерименту
Отже, шд впливом УЗ зменшуеться значення ХСК дрiжджових дис-персш. Найефектившшим виявилось озвучення в присутност кисню. При зменшенш БСК дрiжджовоl суспензи на 1 год. на 90 % максимальне змен-шення значення ХСК за цей промiжок часу становить 50-61 %. Ефектившсть процесу зростае iз збiльшенням концентраци бактерiального забруднення. Сам пероксид водню як окисник не е дуже ефективним для очищення, оскшь-ки процес вщбуваеться дуже повiльно без ультразвуку. Хiмiчнi перетворення пiд час бюлопчного очищення вiдбуваються за реакщею 2-го порядку.
Лггература
1. Кульский Л.А., Строкач П.П. Технология очистки природных вод. - К.: Высш. шк. - 1986. - 48 с.
2. Mason T.J. and al. Uses of ultrasound in the biological decontamination of water. WCU 2003, Paris, September 7-10, 2003. - рр. 423-426.
3. Кльопа Т.П. Дослщження впливу ультразвуку на стан бюлопчних обростань систем оборотного водопостачання тдприемств азотно! промисловосп// Вопросы химии и химической технологи. - 2006, № 5. - С. 237-239.
4. Nasseri S. and al. Determination of the ultrasonic effectiveness in advanced wastewater treatment// Environ. Health Sci. Eng. - 2006. Vol. 3, № 2, pP. 109-116.
5. Шевчук Л.1., Старчевський В.Л. Вплив ультразвуку на хiмiчний та мшробюлопч-ний стан води// Вопросы химии и химической технологи. - 2005. - С. 213-216, № 3.
6. Tsukamoto I. and al. Inactivation of Saccharomyces cerevisiae by ultrasonic irradiation// Ultrasonics Sonochemistry. 11. - 2004. - рр. 61-65.
7. Preeti C. Sangave, Aniruddha B. Pandit. Ultrasound and enzyme assisted biodegradation of distillery wastewater.// J. of Environmental Management. Vol. 80, Issue 1. - 2006. - pP. 36-46.
8. Chisti Y. Sonobioreactors: using ultrasound for enhanced microbial productivity.// Trends in Biotechnology. Vol. 21, № 2. - 2003. рр. 89-93.
9. Cao X.Q. and al. Experimental Study on Sludge Reduction by Ultrasound.// Wat. Sci. Tech. - 2006-) 54 (9), рр. 87-93. _
