Биологическая очистка. Общие сведения

Оглавление

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение.

 

Основоположниками биохимической (биологической) очистки сточных вод в аэротенках были англичане, так как к концу XIX в. промышленное развитие этой страны достигло своего расцвета, а почвенные методы, применяемые в то время, не могли обеспечить очистку такого большого объема образующихся сточных вод.

В 1833-1834 гг. Сорби и Дюпре показали, что процессы самоочищения в реке связаны с жизнедеятельностью микроорганизмов. Это открытие в биологии позволило химику Дибдингу, работавшему в Лондоне вместе с Сорби и Дюпре, предсказать принципы и механизм обеспечения биологической очистки в первичных отстойниках и аэротенках. Дибдин записал в 1887 г.: «По всей вероятности, правильное направление в очистке сточной жидкости (при отсутствии подходящей почвы), состояло бы в том, что сначала выделить осадок, а затем к осветленной жидкости прибавить разводку специфических всевозможных организмов, специально культивируемых для этой цели, потом выдержать жидкость в течение достаточного времени, энергично ее аэрируя, и, наконец, спустить в реку в состоянии действительно очищенном».

Гениальное предвидение Дибдина полностью воплотилась в отношении первичных отстойников и аэротенков. Однако практическая реализация сформулированной идеи задержалась, так как научная мысль была прикована к методам почвенной очистки. Долгое время исследователи считали, что микроорганизмы-минерализаторы загрязнений должны иметь твердую опору (загрузку), поэтому применение биофильтров началось примерно на 20 лет раньше.

В 1912-1913 гг. Фоулер (C.J. Fowler) теоретически обосновал очистку сточных вод в свободном объеме с использованием аэрации. В лаборатории Фоулера работали два молодых аспиранта химика Ардерн и Локетт (E. Ardern and W.T. Lockett), которые в 1914 г провели эксперименты на открытом воздухе в деревянных бочках, на дне которых укладывались пористые керамические пластины и через них подавался воздух. Бочки-аэротенки работали в периодическом режиме, в них добавлялись микроорганизмы из реки. В условиях опыта достигалось снижение окисляемости, аммонийного и белкового азота на 90-94% с одновременной нитрификацией сточных вод. Но на это требовалось продолжительное время пребывания сточных вод в бочках, не менее пяти недель.

Каково же было удивление химиков, регулярно измеряющих качество воды в бочках, когда при повторном ее заполнении (с оставшейся на дне «грязью» из микроорганизмов) процесс очистки резко ускорился, и его продолжительность составила несколько часов! Таким образом, Ардерн и Локетт экспериментально показали, что в результате использования возвратного ила можно получить ускорение эффекта очистки с пяти недель до нескольких часов. Огромной заслугой Ардерна и Локетта следует считать то, что именно они предложили использовать не периодическое заполнение сооружений, а проточную систему очистки сточных вод и обосновали возможность компенсирования при этом потерь микроорганизмов активного ила путем его отстаивания и возврата в систему очистки [1 стр. 122].

На сегодняшний день, технологические решения, предложенные 100 лет назад Фоулером, Ардерном и Локеттом в той или иной мере реализованы на всех сооружениях биологической очистки сточных вод по всему миру.

2. Биологическая очистка. Общие сведения.

 

В населенных пунктах образуются загрязнения, связанные с повседневной деятельностью человека. К загрязнениям относятся физиологические отбросы, получающиеся в результате обменных процессов в организме человека и животных, а также загрязненные воды от бань, прачечных, душей, мытья продуктов питания и пр.

Загрязнения по своему происхождению могут быть органические и минеральные. Органические загрязнения способны разрушаться до конечного продукта распада, превращаясь в минеральные соли. Органические вещества – хорошая питательная среда для различных бактерий, в том числе болезнетворных (патогенных), вызывающих инфекционные заболевания, поэтому нельзя допускать, чтобы отбросы органического происхождения накапливались на поверхности или в глубине почвы и в водоемах. Необходимо своевременно удалять сточные воды с территории населенного пункта и перед спуском в водоем очищать и обезвреживать.

Наиболее эффективным методом очистки хозяйственно-бытовых сточных вод является биологический метод, что обусловлено технологическими и экономическими преимуществами этого метода по сравнению с известными физико-химическими.

В основе процессов биологической очистки сточных вод лежит биохимическое окисление органических загрязнений микроорганизмами активного ила в аэробных или анаэробных условиях. Участвуя в конструктивном энергетическом обмене живой клетки, органические вещества сточных вод претерпевают сложные химические и биологические превращения. В результате катаболических процессов происходит распад этих веществ с образованием более простых органических низкомолекулярных соединений, часть из которых подвергается дальнейшему окислению до и с выделением энергии или превращается в продукты метаболизма, а другая часть используется для биосинтеза в процессах анаболизма [2].

Процессы биологической очистки принято разделять на фазы – окислительную и восстановительную  - в зависимости от наличия или отсутствия растворенного кислорода. Фазы подразделяют по существу происходящих явлений и биохимических реакций. Фаза окисления включает в себя процессы окисления углерода и азота. Разрушение и окисление органических загрязнений веществ осуществляет сообщество гетеротрофных микроорганизмов (ГМ), большей частью Pseudomonas по формальной схеме:

Состав сточных вод отображен в виде символа в соответствии с содержанием углерода, водорода, кислорода, азота и фосфора. На прирост микроорганизмов расходуется часть органических загрязнений, по приближенной оценке в пределах 40-60% от общей массы.

Окисление аммонийных соединений азота до нитритов и нитратов осуществляют хемоавтотрофные микробы (АМ) Nitrosomonas и Nitrobacter по формальной схеме нитрификации:

Восстановительные процессы, включающие денитрификацию и дефосфотирование, протекают при отсутствии в воде растворенного кислорода, т.е. в аноксидных и анаэробных условиях. Микроорганизмы активного ила способны использовать окислы азота в качестве источника дыхания при отсутствии молекулярного кислорода  или низкой его концентрации. Азотное дыхание ила:

Из всех кислородосодержащих соединений нитриты и нитраты используются для дыхания микроорганизмами как наиболее доступные. Для восстановления азота необходимо наличие энергетических субстратов в виде легкоокисляемых органических веществ (метанол, этанол, низшие кислоты жирного ряда). В ходе реакций восстановления азота происходит прирост массы активного ила и увеличение количества бикарбонатов , повышение карбонатной щелочности положительно отражается на ходе нитрификации, когда в технологической схеме денитрификатор размещен перед нитрификаторами [3].

3. Биохимические основы  методов биологической очистки  сточных вод.

 

Биологические методы очистки сточных вод основываются на естественных процессах жизнедеятельности гетеротрофных микроорганизмов. Микроорганизмы, как известно, обладают целым рядом особых свойств, из которых следует выделить три основных, широко используемых для целей очистки:

1. Способность потреблять в качестве источников питания самые разнообразные органические (и некоторые неорганические) соединения для получения энергии и обеспечения своего функционирования.

2. Во-вторых, это свойство быстро размножаться. В среднем число бактериальных клеток удваивается через каждые 30 мин. По утверждению проф. Н.П.  Елинова, если бы микроорганизмы могли беспрепятственно размножаться, то при наличии достаточного питания и соответствующих условий за 5 - 7 дней масса только одного вида микроорганизмов заполнила бы бассейны всех морей и океанов. Этого, однако, не происходит как из-за ограниченности источников питания, так и благодаря сложившемуся природному экологическому равновесию.

3. Способность образовывать колонии и скопления, которые сравнительно легко можно отделить от очищенной воды после завершения процессов изъятия содержавшихся в ней загрязнений.

В живой микробиальной клетке непрерывно и одновременно протекают два процесса - распад молекул (катаболизм) и их синтез (анаболизм), составляющие в целом процесс обмена веществ - метаболизм. Иными словами, процессы деструкции потребляемых микроорганизмами органических соединений неразрывно связаны с процессами биосинтеза новых микробиальных клеток, различных промежуточных или конечных продуктов, на проведение которых расходуется энергия, получаемая микробиальной клеткой в результате потребления питательных веществ. Источником питания для гетеротрофных микроорганизмов являются углеводы, жиры, белки, спирты и т.д., которые могут расщепляться ими либо в аэробных,  или в анаэробных условиях. Значительная часть продуктов микробной трансформации может выделяться клеткой в окружающую среду или накапливаться в ней. Некоторые промежуточные продукты служат питательным резервом, который клетка использует после истощения основного питания.

Весь цикл взаимоотношений клетки с окружающей средой в процессе изъятия из нее и трансформации питательных веществ определяется и регулируется соответствующими ферментами. Ферменты локализуются в цитоплазме и в различных субструктурах, встроенных в мембрану клетки, выделяются на поверхность клетки или в окружающую среду. Общее содержание ферментов в клетке достигает 40-60% от общего содержания в ней белка, а содержание каждого из ферментов может составлять от 0,1 до 5% от содержания белка. При этом в клетках может находиться свыше 1000 видов ферментов, а каждую биохимическую реакцию, осуществляемую клеткой, могут катализировать 50-100 молекул соответствующего фермента. Часть ферментов представляют собой сложные белки (протеиды), содержащие кроме белковой части (апофермента) небелковую часть (кофермент). Во многих случаях коферментами являются витамины, иногда комплексы, содержащие ионы металлов.

Ферменты делятся на шесть классов по характеру реакций, катализирующих: окислительные и восстановительные процессы; перенос различных химических групп от одного субстрата к другому; гидролитическое расщепление химических связей субстратов; отщепление от субстрата химической группы или присоединение таковой; изменение в пределах субстрата; соединение молекул субстрата с использованием высокоэнергетических соединений.

Поскольку микробиальная клетка потребляет только растворенные в воде органические вещества, то проникновение в клетку нерастворимых в воде веществ, таких, например, как крахмал, белки, целлюлоза и др. возможно лишь после их соответствующей подготовки, для чего клетка выпускает в окружающую жидкость необходимые ферменты для гидролитического их расщепления на более простые субъединицы.

Коферменты определяют природу катализируемой реакции и по выполняемым функциям подразделяются на три группы:

1. Переносящие ионы водорода или электроны. Связаны с окислительно-восстановительными ферментами - оксидоредуктазами.

2. Участвующие в переносе групп атомов (АТФ - аденозинтрифосфорная кислота, фосфаты углеводов, СоА - коферменат А и др.)

3. Катализирующие реакции синтеза, распада и изомеризации углеродных связей.

Механизм изъятия из раствора и последующей диссимиляции субстрата носит весьма сложный и многоступенчатый характер взаимосвязанных и последовательных биохимических реакций, определяемых типом питания и дыхания бактерий. Достаточно сказать, что многие аспекты этого механизма не совсем ясны до сих пор, несмотря на его практическое использование, как в области биотехнологии, так и в области биохимической очистки воды от органических примесей в широком спектре схем его технологического оформления.

Наиболее ранняя модель процесса биохимического изъятия и окисления загрязнений основывалась на трех главных положениях: сорбционное изъятие и накопление изымаемого вещества на поверхности клетки; диффузионное перемещение через клеточную оболочку либо самого вещества, либо продуктов его гидролиза, либо гидрофобного комплекса образуемого гидрофильным проникающим веществом и белком-посредником; метаболическая трансформация поступивших внутрь клетки питательных веществ, обеспечивающая диффузионное проникновение вещества в клетку.

В соответствии с этой моделью считалось, что процесс изъятия питательных веществ из воды начинается с их сорбции и накопления на поверхности клетки, для чего требуется постоянное перемешивание биомассы с субстратом, обеспечивающее благоприятные условия для "столкновения» клеток с молекулами субстрата.

Механизм переноса вещества от поверхности клетки внутрь нее - объясняли либо присоединением проникающего вещества к специфическому белку-переносчику, являющемуся компонентом мембраны клетки, который после введения вещества внутрь клетки высвобождается и возвращается на ее поверхность для совершения нового "захвата" вещества и нового цикла переноса, либо непосредственным растворением этого вещества в веществе стенки и цитоплазматической мембране, благодаря чему оно и диффундирует внутрь клетки. Процесс стабильного потребления вещества начинался лишь после некоторого "периода равновесия" вещества между раствором и клетками, объяснявшегося протеканием гидролиза и диффузионным перемещением вещества через клеточную оболочку цитоплазматической мембраны, где сосредоточены различные ферменты. С началом  метаболических превращений сорбционное равновесие нарушается, и концентрационный градиент обеспечивает непрерывность дальнейшего поступления субстрата в клетку.

На третьем же этапе происходят все метаболические превращения субстрата частично в такие конечные продукты, как диоксид углерода, вода, сульфаты, нитраты (процесс окисления органических веществ), частично в новые микробиальные клетки (процесс синтеза биомассы), если процесс трансформации органических соединений происходит в аэробных условиях. Если же биохимическое окисление протекает в анаэробных условиях то в его процессе могут образовываться различные промежуточные продукты (возможно целевого назначения), СН4, NH3, H2S и пр. и новые клетки.

Эта модель, однако, не смогла объяснить некоторые кинетические особенности транспортных процессов переноса субстрата и, в частности, накопления субстрата в клетке против концентрационного градиента, являющегося наиболее частым результатом этих процессов и получившего название "активного" транспорта, в отличие от диффузионного переноса. Особенностью активных транспортных процессов является их стереоспецифичность, когда близкие по химической структуре вещества конкурируют за общий переносчик, а не просто диффундируют в клетку под воздействием концентрационного градиента.