Материал: Микробные топливные элементы и активный ил

1.3 Методы оценки и контроля активного ила

К физическим свойствам активного ила, характеризующим его качество, относится способность ила к оседанию. Она выражается показателем, который представляет собой отношение объема активного ила в миллилитрах после 30 минутного отстаивания к 1 г сухого вещества активного ила при разбавлении иловой смеси до 1 г/л. Этот показатель называется иловым индексом. При определении илового индекса <#"880216.files/image004.gif">,

где V - объем активного ила в цилиндре после 30-минутного отстаивания, см3; q - сухое вещество активного ила, г. [7].

Качество активного ила характеризуют также его морфологические свойства. Благоприятные, стабильные условия существования активного ила обусловливают хорошую его осаждаемость, прозрачную надиловую жидкость, пластичную структуру илового осадка. В неблагоприятных условиях обитания (перегрузка, залповые сбросы, голодание) осадок активного ила теряет пластичность, коллоидную структуру; надиловая жидкость приобретает стойкую мутность.

Визуальные постоянные наблюдения за морфологическими свойствами активного ила в аэротенках особенно ценны в практике эксплуатации биохимических очистных сооружений в период подключения и приема производственных сточных вод вводимых в строй новых химических производств.

Показателем качества всей экосистемы активного ила является инерционность экосистемы. Последняя проявляется в способности нивелировать одиночные возмущающие отрицательные воздействия, которые довольно часто встречаются в практике эксплуатации биохимических очистных сооружений. К отрицательным возмущающим воздействиям относятся различного рода нарушения технологического режима, такие как залповые выбросы загрязняющих веществ в токсических концентрациях, резкое изменение рН среды, снижение уровня растворенного кислорода и т.д. Адаптированный активный, ил с оптимальными биохимическими, физическими и морфологическими показателями, эксплуатируемый в условиях стабильного оптимального технологического режима, обладает значительной инерционной емкостью и способен "гасить" краткосрочные резкие нарушения технологического режима очистки. При этом не происходит ухудшение санитарно-химических показателей очищенных сточных вод. При длительных возмущающих воздействиях происходит перегрузка активного ила, инерционная способность экосистемы исчерпывается, что проявляется в резком нарушении окислительной способности активного ила, изменении его физических и морфологических свойств, разрушении зооглейных структур, в результате всего этого санитарно-химические показатели очищенных сточных вод резко ухудшаются. Изменяется и состав активного ила, исчезают простейшие и коловратки, появляется масса свободно плавающих бактерий, зооглеи активного ила приобретают рыхлую структуру. Прекращение влияния отрицательных факторов, воздействовавших на активный ил, приводит к довольно быстрому восстановлению всех его свойств, косвенным показателем процесса реконструкции является качественное и количественное возрождение микронаселения активного ила [6].

Рис. 6. Электроды из углеродной ткани (ОАО "Светлогорскхимволокно", Республика Беларусь)

Углеродная ткань - представляет собой вискозу, покрытую углеродом.

Электроды из карбида кремния - полые цилиндрические пористые стержни. Электрод, используемый как анод, имеет в верхней части заглушку, которая не позволяет воздуху проходить через электрод. Электрод, играющий роль катода, напротив, имеет в верхней части патрубок для ввода воздуха во внутреннюю часть электрода. Так как нижняя часть катода запаяна, то воздух вынужден проходить через многочисленные поры в электроде, образуя в воде воздушную "пыль". Благодаря этому интенсифицируются процессы восстановления. Характеристика используемого в качестве материала для изготовления электрода карбида кремния представлена в таблице 1.

Таблица 1

Основные характеристики карбида кремния

Как видно из таблицы 1 электроды из карбида кремния содержат примеси в виде металлов, которые могут играть роль каталитических центров при восстановлении кислорода, а также быть центрами для передачи электронов от микроорганизмов, подобному так как это происходит в природе, когда микроорганизмы восстанавливают нерастворимые окислы металлов. Для разделения анодной и катодной камер используется протонообменная мембрана, в проведенных экспериментах использовалась мембрана двух типов:

МФ-4СК, технические характеристики представлены в таблице 2;, технические характеристики представлены в таблице 3.

Таблица 2

Лабораторный паспорт на мембрану МФ-4СК (ОАО "Пластполимер", РФ)

Таблица 3

Лабораторный паспорт на мембрану CMI (Membraness International, USA)

2.2 Методы исследования

2.2.1 Стерилизация ячеек МТЭ и электродов

Ячейку промывали проточной водой, затем заливали перекисью водорода (3%), после промывали дистиллированной водой и помещали под ультрафиолет на 15 минут.

.3 Исследование динамики напряжения в МТЭ

В предварительно простерилизованную ячейку в анодную камеру помещали навеску додецилсульфата натрия и пептона, затем заливали активный ил. Пептон использовали в концентрации 0,15 г/л, додецилсульфат натрия - 0,5; 1 и 5 г/л. В катодную приливали стерильную модельную сточную воду. Затем в них помещали электроды. К аэробной камере подключали компрессор. Напряжение в ячейках измеряли при помощи автоматизированной системы Arduino.

3. Результаты и их обсуждение

Изучали возможность генерирования электричества активным илом в микробных топливных элементах. В качестве субстрата использовали пептон в концентрации 0,15 г/л.

В результате было показано, что активный ил пригоден для использования в качестве биоагента в МТЭ. В течение 3 сут инкубирования напряжение возрастало до 350 мВ (рис. 7).

Рис. 7. Динамика напряжения в МТЭ при утилизации пептона (0,15 г/л) активным илом

Рис. 8. Влияние додецилсульфата натрия (0,5; 1 и 5 г/л) на динамику напряжения в МТЭ при утилизации пептона (0,15 г/л) активным илом

Выводы

1. Проведен анализ имеющихся литературных сведений о конструкции и функционировании микробных топливных элементов.

. Изучен состав и свойства активного ила, его использование для биологической очистки сточных вод.

. Показана возможность генерирования электричества активным илом в МТЭ - за 3 сут напряжение возрастало до 350 мВ.

. Показано ингибирующее воздействие додецилсульфата натрия в концентрациях 0,5; 1 и 5 г/л на генерирование электричества в МТЭ при утилизации активным илом пептона.

Список использованной литературы

1.      Дебабов В.Г. Производство электричества микроорганизмами (обзор) / В.Г. Дебабов // Микробиология. - 2008. - Т.77, № 2. - С.149-157.

2.      Жмур Н.С. Технологические и биохимические процессы очистки сточных вод на сооружениях с аэротенками / Н.С. Жмур // М., Акварос, 2003.

.        Жмур Н.С. Управление процессом и контроль результата очистки сточных вод на сооружениях с аэротенками / Н.С. Жмур // М., Луч, 1997.

.        Очистка производственных сточных вод: учебное пособие для вузов / Под ред. Яковлева С.В. - М.: Стройиздат, 1985. - 179 с.

.        Решетилов А.Н. Генерация электрической энергии в биотопливном элементе на основе клеток микроорганизмов (обзор) / А.Н. Решетилов, О.Н. Пономарева, Т.А. Решетилова // Вестник биотехнологии и физико-химической биологии имени Ю.А. Овчинникова. - 2005. - Т.1, №2. - С.54-63.

.        Роев Г.А. Очистные сооружения / Г.А. Роев // Охрана окружающей среды - М.: Недра, 1993. - 145с.

.        Яковлев С.В. Очистка производственных сточных вод / С.В. Яковлев // 1985.337 с.

.        Electrically conductive bacterial nanowires produces by Shewanella oneidensis strain MR-1 and other microorganisms/ Gorby J.A. [и др.] // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 2006. V.103. P.11358-11363.

.        Holzman D.C. Microbe power. Environ / D.C. Holzman // Health Persp., 2005.113: 754-757.

.        Shewanella secretes flavins that mediate extracellular electron transfer/ Marsili, E. [и др.] // Proc. Natl Acad. Sci. USA. - 2008. - V.105, P.3968-3973.

.        http://www.innostar.ru/catalog. aspx? CatalogId=223&d_no=3539