Wtorek 24.03.2015

Ćw.2 Usuwanie azotu z ścieków - Kinetyka procesu nitryfikacji.

GŁOWA Michał

STULA Sergiusz

SZNURA Rafał

Cel ćwiczenia :

Wyznaczenie parametrów równania Michaelisa-Menten jako kinetycznego opisu procesu nitryfikacji.

Metody Badań:

Przed przystąpieniem do doświadczenia należało obliczyć objętość chlorku amonu (NH₄Cl) jaką trzeba dodać aby uzyskać pożądane stężenie (10g/l). Obliczenia wykonano przy użyciu wzoru C1*V1=C2*V2 oraz proporcji, a następnie dodano obliczona objętość NH₄Cl do reaktora.

Przygotowanie próbki do badania w spektrofotometrze

a) Szkło i odczynniki - probówki 10 ml - H₂NSO₃H - mieszanina kwasów siarkowego i fosforowego DMP

b) Wykonanie oznaczenia

Do probówki odmierzono 500 µl próbki, następnie dodano kolejno 50 µl H₂NSO₃H, 3,5 ml mieszaniny kwasów, 500 µl DMP i wymieszano. Po 10 minutach zmierzono absorbancję przy długości fali 360 nm.

Monitorowanie zmian stężenia N-NO₃ po zasileniu układu chlorkiem amonu, przy użyciu spektrofotometru.

Metoda ta polega na umieszczeniu próbki w spektrofotometrze i porównaniu jej z próbą ślepą a następnie obliczeniu z uzyskanego wyniku (absorbancji próbki) przy pomocy wzoru krzywej stężenia N-NO₃ w badanej próbce.

Wzór krzywej:

Y=(22,886x+0,4151)*rozc

Opis i dyskusja wyników :

Obliczenie objętości chlorku amonu potrzebnej do doświadczenia.

Reaktor D

Obliczenia dotyczące NH₄Cl :

Proporcja:

14 g N – 53,5 g NH₄Cl

X g - 10 g NH₄Cl

x=2,62 g = 2620 mg

C1*V1=C2*V2

2620 mg/l * V1 = 75 mg/l * 1000 ml

V1 = 28,63 ml NH₄Cl

Reaktory A, B, C analogicznie.

A- 3,82 ml NH₄Cl

B-9,54 ml NH₄Cl

C-19,1 ml NH₄Cl

Nie są to duże objętości biorąc pod uwagę że dodaje się te objętości na litr osadu czynnego, jednak stężenie N-NH₄ w mieszaninie także ma być niskie, dlatego wystarczy dodać stosunkowo niewielkie objętości NH₄Cl.

Monitorowanie zmian stężenia N-NO₃ po zasileniu układu chlorkiem amonu.

Oznaczenie	Długość fali wykorzystana do detekcji	Zakres krzywej	Wzór krzywej
N-NO3	360 nm	Do 30mg/l	Y=(22,886x+0,4151)*rozc

Czas [min]	Reaktor A	Reaktor B	Reaktor C	Reaktor D
	A	C	A	C
0	1,213	28,176	1,273	29,55
5	0,765	35,84	0,701	32,92
10	0,723	33,92	0,764	35,80
20	0,706	33,15	0,95	44,31
30	0,530	50,18	0,96	44,77
40	0,562	53,11	0,99	46,14
50	0,584	55,12	0,76	35,62
60	0,482	57,23	0,88	41,11

A-absorbancja, C-stężenie [mg N-NO₃ /l]

Obliczenia stężeń:

C₀=(1,440*22,886+0,4151)*1= 33,37 mg N-NO₃ /l

C₅=(0,882*22,886+0,4151)*2= 41,20 mg N-NO₃ /l

C₁₀=(0,900*22,886+0,4151)*2= 42,025 mgN-NO₃ /l

C₂₀=(0,907*22,886+0,4151)*2= 42,35 mg N-NO₃ /l

C₃₀=(0,948*22,886+0,4151)*2= 44,22 mg N-NO₃ /l

C₄₀=(1,01*22,886+0,4151)*2= 47,06 mg N-NO₃ /l

C₅₀=(1,083*22,886+0,4151)*2= 50,40 mg N-NO₃ /l

C₆₀=(1,093*22,886+0,4151)*2= 50,86 mg N-NO₃ /l

Jak widać zmiany stężenia N-NO₃ są przez większość czasu niewielkie i stosunkowo regularne, duże skoki widać na samym początku tj. po 5 minutach - skok od 33,37 do 41,2 czyli o 7,83 mg/l, oraz pomiędzy 30 i 50 minutą gdzie w odstępach 10 minut skok stężenia wynosi ok. 3 mg/l ( pomiędzy 30 i 40 minutą 2,84 mg/l, a pomiędzy 40 i 50 minutą 3,34 mg/l ), przez resztę czasu wzrost stężenia jest niewielki i dość podobny w poszczególnych odstępach czasu. Konkretne wartości zmian stężenia podane na przykładzie reaktora D, ale ogólne trendy, czyli skokowe zwiększenie stężenia w ciągu pierwszych 5 minut, oraz późniejsze gwałtowne zwiększenie stężenia w przeciągu 10-20 minut około połowy czasu trwania doświadczenia, są podobne w wszystkich reaktorach. Wyjątki od ogólnej tendencji takie jak w reaktorze B w 50 minucie prawdopodobnie wynikają z niedokładności aparatury (spektrofotometru) lub co bardziej prawdopodobne niedokładności przygotowania próbek. Bardzo duży skok w reaktorze A pomiędzy 20 a 30 minutą może mieć związek z zmiana rozcieńczenia i możliwością pomyłki przy przygotowywaniu próbki, tzn. przygotowaniem rozcieńczenia 1:3 a przyjęciem w obliczeniach rozcieńczenia 1:4, w takim przypadku przy prawidłowym obliczeniu stężenie wyniosło by 37,74 mg N-NO₃ /l co było by bardzo prawdopodobną wartością biorąc pod uwagę wyniki z pozostałych reaktorów. Ten prawdopodobny błąd jest kontynuowany w obliczeniach dla reaktora A do końca doświadczenia.

S= stężenie[mg N-NO3/l]	V	$$\frac{\mathbf{1}}{\mathbf{S}}$$	$$\frac{\mathbf{1}}{\mathbf{V}}$$
10	0,5028	0,1	1,9889
25	0,1518	0,04	6,5876
50	0,7069	0,02	1,4146
75	0,2413	0,0133	4,1442

postać ogólna równania:

$$\frac{1}{r} = \frac{K_{S}}{r_{\max}}*\frac{1}{S_{\text{NH}4}} + \frac{1}{r_{\max}}$$

• r_max

$$\frac{1}{r_{\max}} = b$$

$$\frac{1}{r_{\max}} = 3,3783$$

r_max=0,296 [mg/l*h]

• K_S

$$\frac{K_{S}}{r_{\max}} = a$$

$$\frac{K_{S}}{0,296} = 3,5882$$

K_S=1,062 [mg/l]

Wnioski:

- Im wyższe początkowe stężenie N-NH₄ tym wyższe końcowe stężenie N-NO₃ po 60 minutach doświadczenia, jednak zasada ta działa tylko w pewnych granicach, powyżej pewnego stężenia ( przy 75mgN-NH₄/l ) następuje zahamowanie tej zasady a nawet jej odwrócenie, dzieje się tak w skutek tzw. inhibicji substratowej czyli zjawiska polegającego na wzajemnym blokowaniu sie substratów podczas dołączania sie do miejsca aktywnego enzymu, w skutek czego nie wszystkie cząsteczki enzymu mogę katalizować reakcje, w wyniku czego reakcja przebiega wolniej, co z kolei powoduje mniejsze stężenie produktu reakcji po określonym czasie. Wynika z tego, że zwiększanie stężenia substratu działa dodatnio na szybkość reakcji jedynie do momentu w którym wszystkie cząsteczki enzymu mogą w tym samym czasie brać udział w reakcji, ale substratu jest na tyle mało że nie blokuje on sie wzajemnie podczas tworzenia kompleksu enzym-substrat.

-Skokowe zmiany stężenia produktu reakcji wynikają z tego, że cząsteczek enzymów jest tylko określona ilość i potrzebują one określony czas na przeprowadzenie reakcji, tak więc w pierwszej próbce stężenie produktu w stosunku do próbki z t0 wzrosło znacznie, gdyż na początku wszystkie cząsteczki enzymu były "wolne" wiec od razu po dodaniu NH₄Cl mogły zacząć reakcje, i po czasie jaki upłynął od dodania NH₄Cl do zbadania próbki w spektrofotometrze upłynąć akurat taki czas po którym enzymy skończyły przetwarzać pierwszą część substratu z którym sie związały, co oczywiście spowodowało wzrost stężenia produktu, w kolejnych próbkach stężenie nie rosło w gwałtowny sposób, gdyż enzymy związały kolejną partie substratu tworząc kompleks ES i były w trakcie prowadzenia reakcji wiec stężenie produktu utrzymywało sie na względnie równym poziomie, natomiast po upływie czasu koniecznego do przeprowadzenia reakcji nastąpiło kolejne skokowe zwiększenie stężenia produktu, gdyż kompleksy ES rozpadły sie na enzym i produkt.

-Przypadki spadku stężenia produktu mogą mieć 4 przyczyny: błąd przy przygotowywaniu próbki, niedokładność spektrofotometru, przebieg reakcji odwrotnej do wyżej opisanej ( zamiana N-NO₃ w N-NH₄ ), lub obecność jakichś mikroorganizmów zużywających N-NO₃. Najbardziej prawdopodobne są jednak niedokładności pomiarowe spektrofotometru oraz niedokładności/błędy w przygotowaniu próbek, pozostałe 2 przyczyny są raczej mało prawdopodobne. Możliwa jest reakcja enzymatyczna odwrotna do wyżej opisanej czyli zamiana E+P w kompleks E+S i z powrotem w E+S (N-NH₄) jednak szybkość takiej reakcji jest tak mała że pomija sie ją w obliczeniach, wiec jej efekty nie powinny być widoczne na wykresach.