Непрерывное культивирование микроорганизмов. моделирование аэротенков-смесителей
1. Цель работы. Ознакомиться с техникой непрерывного культивирования в хемостате. Научиться определять параметры роста непрерывной культуры и условия стабильной работы аэротенка-смесителя.
2. Основные положения.Хемостатом называют проточный биореактор идеального смешения. Питательная среда непрерывным потоком поступает в биореактор, а культуральная жидкость (содержащая микробные клетки) отводится из него с такой же скоростью при постоянном рабочем объеме биореактора.
При запуске хемостата в реактор вводится микробная культура. Затем хемостат может непрерывно работать без ввода биомассы в реактор за счет размножения микроорганизмов, если выполняется условие:
, (7.1)
где 
– скорость разбавления, ч-1; 
– критическая скорость разбавления, равная максимальной удельной скорости роста ( 
),ч-1; 
– расход питательной среды, м3/ч; 
– рабочий объем биореактора, м3.
После запуска хемостата все параметры роста постепенно стабилизируются и хемостат переходит в стационарный режим работы, для которого выполняется:
,
т.е. удельная скорость роста оказывается равной скорости разбавления.
Для хемостата с возвратом биомассы в стационарном режиме справедливы соотношения:
, (7.2)
,
где 
- концентрация биомассы в потоке на входе реактора, г/л; 
- концентрация биомассы в реакторе (на выходе реактора), г/л; 
- прирост биомассы в реакторе, г/ л; 
- экономический коэффициент, г/гХПК; 
, 
- концентрация субстрата на входе и выходе реактора, гХПК/л; 
- время пребывания (среднее) жидкости в реакторе ( 
), ч.
Условие стабильной работы (не вымывания) биомассы из реактора для хемостата с возвратом биомассы приобретает вид [3]:
.
Таким образом, диапазон допустимых скоростей разбавления для хемостата с возвратом биомассы расширяется в 
раз в сравнении с классическим хемостатом.
По принципу хемостата с возвратом биомассы работают аэротенки-смесители, применяемые для биологической очистки сточных вод. Прирост активного ила выводится из таких сооружений двумя потоками (см. рис. 7.1): с очищенной водой и с избыточным илом.
|
|
Рис. 7.1. Принципиальная схема биологической очистки в аэротенке-смесителе
Введем следующие обозначения: 
– расход сточной воды, м3/ч; 
– расход иловой смеси, поступающей в отстойник, м3/ч; - концентрация ила в потоке (такая же концентрация ила в аэротенке-смесителе), г/л; 
– расход очищенной воды, м3/ч; 
- концентрация активного ила в очищенной воде (вынос ила из системы биологической очистки), г/л; 
– расход избыточного ила, м3/ч; 
- - концентрация избыточного ила, г/л; 
– расход возвратного ила, м3/ч.
Для схемы (7.1) в стационарном режиме прирост активного ила равен:
.
Так как 
, 
, то выполняется: 
. Откуда следует:
. (7.3)
В соответствии с соотношением (7.2) для стационарного режима получим:
. (7.4)
Если соотношение (7.4) не выполняется, то процесс культивирования (процесс биологической очистки) осуществляется не в стационарном, а в переходном режиме. При этом возможны два варианта:
а) 
;
(7.5)
б) 
.
В варианте а) будет происходить увеличение концентрации активного ила в аэротенке, так как прирост ила превосходит его вывод из системы биологической очистки. В конечном итоге это вызовет увеличение выноса ила , и система перейдет в стационарное состояние (т.е. будут выполняться соотношения (7.3) и (7.4).
В варианте б) переходной режим закончится полным вымыванием активного ила из системы биологической очистки (биоочистка прекратится). Такой нежелательный исход может наступить даже при =0 (избыточный ил не выводится), если справедливо неравенство:
< . (7.6)
Выполнение неравенства (7.6) неизбежно приводит к нарушению биологической очистки вследствие вымывания активного ила из системы.
Задание
1. Запустить установку непрерывного культивирования, работающую по принципу хемостата с возвратом биомассы.
2. Определить скорость разбавления, концентрацию активного ила в реакторе и его вынос из системы непрерывного культивирования.
3. Определить удельную скорость роста активного ила и его прирост.
4. Сделать вывод о том, в каком режиме (стационарном, переходном) протекает процесс. Если процесс переходный, то оценить его последствия и выдать рекомендации по переводу системы в стационарный режим работы.
Ход работы.
1. Запуск установки, работающей по принципу хемостата с возвратом биомассы.
Приготовить 5 л модельной сточной воды (см. лаб. раб. № 4) и собрать схему, приведенную на рис. 7.2.
 |
Рис. 7.2. Схема установи непрерывного культивирования активного ила (хемостат с возвратом биомассы):
1 – бутыль для приема выходного потока; 2 – биореактор; 3 – зона отстаивания; 4 – зона аэрации; 5 – аэратор; 6 – микрокомпрессор; 7 – перистальтический насос; 8 – бутыль с модельной сточной водой
Биореактор заполнить иловой смесью из донорной лабораторной установки, одновременно измерив его объем 
.
После осаждения активного ила в зоне 3 включить микрокомпрессор 6, обеспечив подачу воздуха через аэратор 5 в зону аэрации 4 биореактора. Убедиться, что в зоне отстаивания 3 перемешивание отсутствует (активный ил из зоны 4 не выносится турбулентными потоками в зону 3).
Установить на перистальтическом насосе 7 расход около 15 л/сут, включить насос с подачей модельной сточной воды в зону аэрации биореактора. Убедиться, что активный ил из зоны отстаивания «вываливается» в зону аэрации и взмучивания ила в зоне отстаивания не происходит.
2. Определение скорости разбавления, концентрации ила и его выноса из биореактора.
Измерить геометрические размеры и рассчитать объем зоны отстаивания. Найти рабочий объем зоны аэрации 
, л:
.
Определить время 
(час), за которое из реактора вытечет 500 мл воды, и рассчитать расход , л/ч:
.
По формуле (7.1) найти скорость разбавления 
.
Из бутыли 1 отобрать 500 мл воды и определить концентрацию активного ила (вынос активного ила из биореактора).
Стандартный анализ концентрации активного ила требует около 6 часов и включает следующие операции: фильтрование пробы через фильтр с синей лентой, перенос фильтра с осадком в бюкс и высушивание в сушильном шкафу в течение 5 часов при температуре 105°С; охлаждение бюкса с фильтром в эксикаторе (около 0,5 часа), взвешивание на аналитических весах и расчет веса сухого активного ила (из веса бюкса с фильтром и высушенным илом вычитается вес бюкса с фильтром), расчет концентрации ила (вес ила делится на объем пробы). Указанная процедура не укладывается в период времени, отводимый для выполнения лабораторной работы.
Поэтому концентрацию активного ила находим путем экспресс-определения ХПК ила. С этой целью предварительно концентрируем активный ил не менее чем в 10 раз, либо центрифугированием (при 5 тыс. об/мин в течение 5-10 минут), либо отстаиванием (в случае хорошего осаждения ила). В результате из 500 мл пробы получаем 10-50 мл иловой смеси. От 3 до 6 мл иловой смеси используем для экспресс-анализа ХПК (длительность анализа около 10 мин.). Остальную иловую смесь фильтруем и тем же методом определяем ХПК фильтрата. Описание установки и методик экспресс-анализа ХПК приведены в отдельной инструкции.
Концентрацию активного ила (вынос ила из биореактора) рассчитываем по формуле (мг/л):
,
где 
– отношение объема иловой смеси 
, полученной после концентрирования ила, к исходному объему пробы 
( =500 мл); 
- кислородный эквивалент (удельное ХПК) активного ила, =1,33 гХПК/г; 
, 
– найденные экспресс-методом значения ХПК для иловой смеси и фильтрата, мг/л.
Для определения концентрации ила в зоне аэрации биореактора отбираем пробу объемом 12-15 мл. Половину пробы используем для определения ХПК иловой смеси. Остальную часть пробы фильтруем и находим ХПК фильтрата. Концентрацию ила рассчитываем по формуле:
.
3. Определение удельной скорости роста активного ила и его прироста в биореакторе.
Из зоны аэрации биореактора отбираем пробу иловой смеси в сосуд с мешалкой и на оксиметрической установке находим скорость потребления кислорода ( 
) - см. лаб. раб. №4.
Параллельно отбираем такой же объем иловой смеси в мерный цилиндр, отстаиваем в течение 15-30 минут, сливаем сифоном надосадочную воду и добавляем дистиллированную воду до исходного объема. Затем полученную иловую смесь аэрируем в течение 3-5 минут, переносим в сосуд с мешалкой и на оксиметрической установке определяем скорость потребления кислорода (скорость эндогенного дыхания ила 
).
Расчет удельной скорости роста активного ила 
и прироста ила производим по формулам:
;
;
,
где 
=0,45; 
=0,4; размерность параметров: 
- час-1; – мг/л; 
, - мг/(л×час); - час; – мг/л.
4. Анализ результатов и заключение о характере режима процесса непрерывного культивирования.
Проверяем, выполняется ли уравнение (7.4). Если с точностью до 10¸20 % условие (7.4) соблюдается, то хемостат работает в стационарном режиме. В противном случае имеет место переходной режим.
Для переходного режима проверяем, какое из неравенств (7.5) выполняется (принимаем =0). Анализируем последствия переходного режима.
Для варианта (7.5а) находим по формуле (7.3) расход избыточного ила , необходимый для перевода хемостата в стационарный режим работы, принимая = (т.е. полагая, что избыточный ил выводится из зоны аэрации биореактора).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
| 1. | Николаев А.Н., Нилова И.В. Основы микробиологии и биотехнологии: Учебное пособие/СПбГТУРП. СПб., 2002. – 111 с. |
| 2. | Хенце М. Очистка сточных вод. Биологические и химические процессы/ Пер. с англ. - М.: Мир, 2004. – 480 с. |
| 3. | Чернобережский Ю.М., Николаев А.Н., Вольф И.В. Основы микробиологии и химии воды: Учебное пособие/ЛТА. Л., 1988. – 83 с. |
С О Д Е Р Ж А Н И Е
| Лабораторная работа № 1 | ||
| ОСВОЕНИЕ ТЕХНИКИ МИКРОСКОПИРОВАНИЯ | ||
| МОРФОЛОГИЯ БАКТЕРИЙ И ДРОЖЖЕЙ……………………...……...............……3 | ||
| Лабораторная работа № 2 | ||
| МИКРОФАУНА И СТРУКТУРА ХЛОПЬЕВ АКТИВНОГО ИЛА…………………..9 | ||
| Лабораторная работа № 3 | ||
| БИОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ АКТИВНОГО ИЛА…………………………………18 | ||
| Лабораторная работа № 4 | ||
| ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРЕННОГО | ||
| КИСЛОРОДА НА СКОРОСТЬ РОСТА МИКРООРГАНИЗМОВ…………………..27 | ||
| Лабораторная работа № 5 | ||
| ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НА СКОРОСТЬ | ||
| РОСТА МИКРООРГАНИЗМОВ…………………………………………………..…..36 | ||
| Лабораторная работа № 6 | ||
| ПЕРИОДИЧЕСКОЕ КУЛЬТИВИРОВАНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ. | ||
| МОДЕЛИРОВАНИЕ АЭРОТЕНКОВ-ВЫТЕСНИТЕЛЕЙ…………………………..43 | ||
| Лабораторная работа № 7 | ||
| НЕПРЕРЫВНОЕ КУЛЬТИВИРОВАНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ. | ||
| МОДЕЛИРОВАНИЕ АЭРОТЕНКОВ-СМЕСИТЕЛЕЙ………………….…………..51 | ||
| БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК…………………………………………………58 | ||
| Николаев Алексей Николаевич | ||
| Большаков Николай Юрьевич | ||
| ОСНОВЫ МИКРОБИОЛОГИИ И БИОТЕХНОЛОГИИ | ||
| Лабораторный практикум | ||
| Редактор и корректор Т.А. Смирнова | ||
| Техн. редактор Л.Я. Титова | ||
| Подп. к печати 22.09.08. Формат 60´84/16. Бумага тип №1. Печать офсетная. | ||
| Объем 4,75 печ. л.; 4,75 уч.-изд. л. Тираж 300 экз. Изд. №104. Цена «С»104. Заказ | ||
