Биотехнологическое производство лекарств и проблемы биобезопасности

3.2. Общие показатели загрязненности сточных вод

Под качеством  воды понимают совокупность ее характеристик и свойств, обусловленных природой и концентрацией содержащихся в ней примесей.

Общие показатели загрязненности - характеризуют общие свойства воды:

1. органолептические,
2. физико-химические,  
   содержание нерастворимых примесей (взвешенных веществ или зольность),
3. концентрацию растворенных веществ (общее содержание органических и неорганических примесей, «органический» углерод),
4. перманганатную и дихроматную окисляемость (химическое потребление кислорода – ХПК),
5. биохимическое потребление кислорода (БПК).

 Совокупность этих  показателей позволяет оценить  общее состояние сточных вод  и предложить наиболее эффективный  способ их очистки. 

Определение органических загрязнений

• Химическое потребление кислорода (ХПК). дихроматный способ Методика основана на окислении веществ, присутствующих в сточных водах, 0,25 % раствором дихромата калия при кипячении пробы в течение 2 ч в 50 % (по объему) растворе серной кислоты. Для полноты окисления органических веществ применяется катализатор – сульфат серебра. Большинство органических соединений окисляются до воды и углекислого газа, (кроме: пиридина, бензола и его гомологов, нафталина).
• Биохимическое потребление кислорода (БПК).

Измеряется количеством  кислорода, которое расходуется  микроорганизмами при аэробном биологическом  разложении веществ, содержащихся в  сточных водах при стандартных  условиях за определенный интервал времени. Определение БПК требует применения специальной аппаратуры.

Манометрический способ основан на измерении уменьшения давления в аппарате за счет потребления кислорода. Определение проводят в аппарате Варбурга или в специальном респираторе: в герметичный ферментер помещают аликвоту исследуемой сточной воды, засевают микроорганизмами, и в процессе культивирования регистрируют изменение количества кислорода (или кислорода воздуха), пошедшего на окисление присутствующих соединений.

Кулонометрический способ более сложен в аппаратурном оформлении, основан на компенсации объема кислорода, потребленного микроорганизмами, за счет электролиза соответствующего количество воды, при этом объем выделившегося кислорода определяется по затратам электричества.

Определение органических загрязнений

• Для стандартизации условий проведения эксперимента:

 в зависимости от  длительности культивирования различают  биохимическое потребление кислорода  за 5, 20 сут и полное окисление  ( БПК5, БПК20, БПКп):

БПК5 - для стоков, содержащих легкоусвояемые загрязнения  – углеводы, низшие спирты.

Для стоков химических производств БПКп.

• Кислые и щелочные стоки перед определением БПК нейтрализуют.
• Высококонцентрированные стоки перед анализом разбавляют, для предотвращения ингибирования
• Для определения БПК оптимально использование микрофлоры из уже работающих биологических систем, адаптированной к данному спектру загрязнений. Количество соответствует ее концентрации в работающих очистных сооружениях.
• Определение одного из показателей качества сточной воды (ХПК или БПК) не достаточно для оценки возможности ее биологической очистки.

 

3.3. Методы очистки сточных вод

• Целью очистки сточных вод является удаление из них взвешенных и растворенных органических и неорганических соединений до концентраций, не превышающих регламентированные (ПДК).
• В зависимости от характера загрязнений и их концентраций применяют различные способы очистки сточных вод:

1. механические (отстаивание, фильтрация);

2. механофизические (коагуляция, нейтрализация с последующим отстаиванием);
3. физико-химические (ионный обмен, сорбция);
4. Термические;
5. биохимические методы

Каждый из перечисленных  способов имеет свои области применения, преимущества и недостатки, поэтому  пользуются несколькими способами  очистки.

Достоинства биохимической  очистки сточных вод

1. Возможность удаления из сточной воды широкого спектра органических соединений;
2. Самоподстраиваемость системы к изменению спектра и концентраций органических загрязнений;
3. Простота аппаратурного оформления;
4. Относительно невысокие эксплуатационными затратами.

Недостатки биохимической  очистки сточных вод

1. Высокие капитальные затраты идущие на сооружение очистных систем;
2. Необходимость строгого соблюдения технологических режимов очистки;
3. Токсичность некоторых органических соединений для штаммов-деструкторов и биоценозов;
4. Необходимость предварительно разбавления высококонцентрированных токсичных стоков, что приводит к увеличению потока сточной воды.

Способы биохимической  очистки сточных вод

А) аэробные:

- Экстенсивные (поля орошения, поля фильтрации, биопруды);

- Интенсивные (активный  ил, биопленка в специальных сооружениях).

Б) анаэробные.

Аэробные процессы биохимической  очистки 

1. экстенсивные основаны на использовании природных биоценозов водоемов и почвы;
2. интенсивные основанные на деятельности активного ила или биопленки, т.е. естественно возникшего биоценоза, формирующегося на каждом конкретном производстве в зависимости от состава сточных вод и выбранного режима очистки. Формирование биоценоза – процесс достаточно длительный и идущий постоянно в ходе очистки сточной воды в промышленных аппаратах – аэротенках или биофильтрах.

Биоценоз активного ила

• Активный ил представляет собой темно-коричневые хлопья, размером до нескольких сотен микрометров; содержит 70 % живых микроорганизмов и 30 % твердые неорганические частицы.
• Живые организмы с твердым носителем образуют зооглей – симбиоз популяций микроорганизмов, покрытый общей слизистой оболочкой.

зооглей формируется  за счет флокуляции или адгезии клеток на поверхности носителя

Соотношение капсульных и  бескапсульных форм клеток в иле  называется коэффициентом зооглейности kz.

• Состав: Actinomyces, Arthrobacter, Bacillus, Bacterium, Corynebacterium, Desulfotomaculum, Miсrоcoccus, Pseudomonаs, Sarcina и др.

Pseudomonаs - окисляют спирты, жирные кислоты, парафины, ароматические углеводороды, углеводы и другие соединения.

Bacterium (выделено более 30 видов) - осуществляют деградацию нефти, парафинов, нафтенов, фенолов, альдегидов и жирных кислот.

Bacillus - алифатические углеводороды.

Состав постоянен практически  на протяжении всех очистных сооружений

• В зависимости от состава очищаемой воды, та или иная группа бактерий может преобладать, а остальные становятся ее спутниками в составе биоценоза.

На взаимоотношения микроорганизмов  ила влияют и продукты биосинтеза различных групп: возможен не только симбиоз или антагонизм микроорганизмов, но также и взаимодействие их по принципу аменсализма, комменсализма, нейтрализма.

• Существенная роль в создании и функционировании биоценоза принадлежит простейшим. Функции простейших:

1. регулируют видовой и возрастной состав микроорганизмов в активном иле (не принимают непосредственного участия в потреблении органических веществ),

2. способствуют выходу значительного количества бактериальных экзоферментов участвующих в деструкции загрязнений (поглощают большое количество бактерий).

В активных илах высокого качества на 1 млн. бактерий должно быть 10-15 простейших, это соотношение называется коэффициентом протозойности kp.

Скорость биохимического окисления растет с увеличением  с увеличением коэффициентов  зооглейности и протозойности.

Простейшие очень чувствительны  к присутствию в сточных водах  небольших концентраций фенола и  формальдегида которые угнетают их развитие.

3.4. Факторы определяющие биоценоз активного ила

        На формирование ценозов активного ила влияют:

1. сезонные колебания температуры (ведущие к преобладанию психрофильных форм микроорганизмов в зимний период);
2. обеспеченность кислородом;
3. присутствие в сточных водах минеральных компонентов.

• Роль всех этих параметров при формировании активного ила обуславливает сложным и практически невоспроизводимым: даже для стоков, имеющих одинаковый состав, но возникающих в разных регионах, невозможно получить одинаковые биоценозы активного ила

Биоценоз активной пленки

• Биоценоз в биофильтре. На поверхности загрузочного материала биофильтра образуется биологическая пленка: микроорганизмы прикрепляются к носителю и заполняют его поверхность.
• на разных уровнях биофильтра создаются количественно и качественно различные биоценозы, поскольку по мере прохождения сточной воды через биофильтр за счет предыдущего ценоза меняется состав воды, попадающей на следующий уровень:

1. сначала потребляются более легкоусвояемые загрязнения, и развивается микрофлора, усваивающая эти соединения с большей скоростью сточная вода обогащается продуктами жизнедеятельности этого ценоза.

2. по мере продвижения воды происходит потребление все более трудно усвояемых веществ и развиваются другие микроорганизмы, способные их усваивать.
3. в нижней части биоценоза в большом количестве скапливаются простейшие, потребляющие биопленку, оторвавшуюся с носителя, такой биоценоз способен практически полностью извлечь из сточной воды все органические примеси.

 

3.5. Основные параметры биологической очистки

1. температура,
2. рН,
3. концентрация растворенного О2,
4. уровень перемешивания,
5. концентрация и возраст циркулирующего в очистных системах активного ила,
6. наличие в воде токсичных примесей.

Температура

Большинство очистных сооружений аэробного типа работают под открытым небом и не предусматривают регулирования  температуры.

Изменение температуры зависит  от времени года и климата в  диапазоне от 2-5 до 25-35 0С.

При понижением температуры до 10-15 0С

• преобладают психрофильные микроорганизмы,
• снижается общее количество представителей микрофлоры и микрофауны
• Уменьшается скорость очистки
• снижается и флокулирующая способность микроорганизмов, что приводит к вымыванию активного ила из систем вторичных отстойников.
• можно уменьшить аэрирование сточных вод
• необходимо повысить концентрацию активного ила в сточных водах, и увеличить время пребывания сточных вод в системе очистки.

 При повышении  температуры от 20 до 37 0С

• возрастает скорость и полнота очистки в 2-3 раза.
• преобладают  мезофильные и термофильные микроорганизмы, возрастает очистки.
• Снижается растворимость кислорода в воде, необходимо усилить аэрацию.

pH

• оптимальный  диапазон рН для систем биологической очистки от 5,5 до 8,5.

рН как правило не регулируется, поскольку:

1. объемы очищаемой воды очень большие;
2. микроорганизмы способны к авторегулированию рН.