Нашли неточность, аошибку в тексте?

Выделите текст и нажмите
Ctrl + Enter и напишите вашу версию текста.
Спасибо.

Мы бесплатно разместим статьи, тексты, книги, публикации на Эко портале обращайтесь portaleco.ru@gmail.com

 Многокомпонентные модели качества воды.
(1 голос, среднее 1.00 из 5)
Статьи - Экология города

Многокомпонентные модели качества воды.

Используют для прогноза содержания в водоемах и водотоках веществ, связанных между собой процессами взаимной трансформации. Особенно важно учитывать взаимную трансформацию веществ в водной среде в случаях, когда в процессе трансформации в водной среде образуются новые нормируемые вещества, то есть происходит вторичное загрязнение водного объекта. Явление взаимной трансформации веществ достаточно характерно для процессов самоочищения водных объектов. В частности, в основе кругооборота азота, фосфора, углерода лежат процессы взаимной трансформации веществ, и с этим явлением тесно связан процесс эвтрофирования водных объектов.

Прогноз содержания азотсодержащих веществ. Одним из основных циклов взаимной трансформации веществ в водном объекте является кругооборот азота — одного из главных биогенных элементов. В основе трансформации соединений азота в водной среде лежит процесс нитрификации. Нитрификация представляет собой процесс окисления минеральных форм азота и осуществляется в две стадии. На первой стадии в результате жизнедеятельности нитрифицирующих бактерий рода Nitrosomonas происходит окисление аммонийных форм азота до нитритных:

Iienaiea: C:\WINDOWS\TEMP\FineReader10\media\image78.jpeg

На второй стадии нитрифицирующие бактерии рода Nitrobacter окисляют нитритные формы азота до нитратных:

Iienaiea: C:\WINDOWS\TEMP\FineReader10\media\image79.jpeg

Краткосрочный прогноз (до 4 суток) содержания в водном объекте минеральных форм азота с учетом процесса нитрификации в условиях турбулентного потока производится на основе математической модели Харлемана. Эта модель имеет вид:

математической модели Харлемана

 

Iienaiea: C:\WINDOWS\TEMP\FineReader10\media\image81.jpeg

где D — коэффициент продольной дисперсии, м2/с; v — скорость потока, м/с; Nv Nv N} — концентрации азота аммонийного, нитритного и нитратного соответственно, г/м3; кг к2 — коэффициенты трансформации аммонийной и нитритной форм азота, 1 /с; Nl0, N20, N30 — начальное содержание минеральных форм азота в водной среде, г/м3.

Предложенная система уравнений имеет аналитическое решение:

Iienaiea: C:\WINDOWS\TEMP\FineReader10\media\image82.jpeg

Анализ приведенных зависимостей при показывает, что по завершении процесса нитрификации весь азот переходит в нитратную форму.

При этом содержание азота аммонийного в воде постоянно уменьшается, а азота нитратного увеличивается. Другая картина наблюдается для нитритной формы азота. Это промежуточная, относительно неустойчивая форма минерального азота. Коэффициент неконсервативности азота нитритного составляет 10,4 1/сут., что свидетельствует о большой скорости процесса биохимической трансформации. В процессе нитрификации содержание азота нитритного сначала увеличивается, а затем снижается до нуля. Максимум содержания нитритного азота может существенно превышать его предельно допустимую концентрацию, даже в случае отсутствия его в водном объекте до начала процесса нитрификации. Это означает, что нитрификация минеральных форм азота может приводить к временному вторичному загрязнению водного объекта.

Такие расчетные зависимости можно использовать только для краткосрочных прогнозных расчетов. Если срок прогноза превышает 4 суток, эти зависимости дают большое отклонение от натурных данных. Поэтому для проведения среднесрочных и долгосрочных прогнозов используют более сложные модели, в основе которых лежит кинетика Михаэлиса-Ментен-Моно. Использование кинетики Михаэлиса-Ментен-Моно, отражающей основные принципы теории ферментативной кинетики, позволяет учесть роль нитрифицирующих бактерий в процессе нитрификации и описать динамику изменения биомассы бактерий и потребления ими субстратов (минеральных форм азота).

Основными характеристиками развития биомассы и потребления субстрата (питательного вещества) являются:

  1. плотность бактерий X — количество сухой массы бактерий в единице объема; удельная скорость роста бактерий ц — величина, численно равная увеличению единицы сухой массы бактерий за единицу времени;
  2. коэффициент урожайности у — величина, численно равная увеличению биомассы бактерий за счет потребления единицы субстрата.

Величина коэффициента урожайности показывает, какая доля потребленного субстрата идет на увеличение биомассы, следовательно всегда у < 1; константа полунасыщения ks — концентрация субстрата, при которой скорость роста биомассы равна половине максимальной; коэффициент смертности бактерий kd — величина, характеризующая скорость отмирания бактерий.

В общем виде уравнения Михаэлиса-Ментен-Моно записывают как:

Iienaiea: C:\WINDOWS\TEMP\FineReader10\media\image83.jpeg

где S — концентрация субстрата, г/м3; X — плотность биомассы, г/м3.

В процессе нитрификации минеральные формы азота выполняют роль субстратов для нитрифицирующих бактерий. Применительно к этому процессу уравнения Михаэлиса-Ментен-Моно записываются в виде:

уравнения Михаэлиса-Ментен-Моно

где Xv Х2 — плотность биомассы Nitrosomonas и Nitrobacter соответственно, г/м3; ЦтаХ|, |1тах2 — максимальные удельные скорости роста этих бактерий, 1/с; у,, у2 — коэффициенты урожайности, ksl, ks2 — константы полунасыщения, г/м3; kdV kd2 — коэффициенты смертности для Nitrosomonas и Nitrobacter соответственно, 1/с.

Эта система дифференциальных уравнений не имеет аналитического решения и решается численными методами.

 Наиболее распространенным методом решения в этом случае является метод Рунге-Кутта. Приведенная модель используется для прогнозных расчетов на период не более 10 суток. При необходимости проведения прогноза на больший срок используются более сложные модели на основе кинетики Михаэлиса-Ментен-Моно, учитывающие процессы минерализации органических форм азота, роль фито- и зоопланктона в круговороте азота в водной экосистеме.


Похожие статьи:

Добавить статью в закладки

 
Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Полное или частичное копирование материалов сайта разрешается только при указании активной ссылки на экологический портал!
Материалы размещены и подготовлены для образовательных и некоммерческих целей.
ООО "Новая Экология" © 2010 - 2017