Принципиальная схема бхо в аэробных условиях

С В

Возвратный активный ил Избыточный активный ил

Исходная сточная вода подается в аэротенк, куда также непрерывно поступает активный ил (возвратный) и воздух. В аэротенке происходит процесс окисления примесей сточных вод микроорганизмами. Смесь очищенной воды с активным илом из аэротенка направляется во вторичный отстойник, где вода осветляется и подается в случае необходимости на доочистку. Из вторичного отстойника часть активного ила направляется в аэротенк, другая часть (избыточный) – на переработку.

В случае проведения процесса в биофильтрах, воду пропускают через слой загрузки биофильтра. Микроорганизмы, заселяющие биопленку загрузки, окисляют органические примеси сточных вод.

Разрушение органических веществ происходит и в естественных условиях – в водоемах, биологических прудах, на полях орошения.

2 Состав активного ила и биопленки

Биохимическое окисление примесей сточных вод в аэротенках происходит в активном иле.

Активный ил по внешнему виду представляет собой мелкие хлопья, от светло- до темно-коричневого цвета. Активный ил состоит из живых организмов и твердого субстрата. Живые организмы представлены скоплениями бактерий, простейшими организмами, одиночными бактериями, червями, плесневыми грибами, дрожжами, актиномицетами* и редко водорослями, личинками насекомых, рачков и др. Биоценоз активного ила в основном представлен 12-ю видами микроорганизмов и простейших.

Скопления бактерий в активном иле окружены слизистым слоем (капсулами).Также скопления называются зооглеями. Зооглеи способствуют улучшению структуры ила, его осаждаемости и уплотнению. Слизистые вещества содержат антибиотики, способные подавлять нитчатые бактерии. Бактерии, лишенные слизистого слоя, с меньшей скоростью окисляют загрязнения.

Бактерии – самая многочисленная группа микроорганизмов в активном иле. Число их колеблется от 10⁸ до 10¹² на 1 г. сухого ила. Микробиологический состав бактерий активного ила в значительной степени зависит от вида и концентраций веществ, загрязняющих сточные воды, а также условий процесса очистки. Из активного ила выделено более 10 штаммов бактерий. Каждая группа бактерий «специализируется» на окислении определенного вида органических соединений: метана, фенолов, жирных кислот, алканов, ароматических соединений. В активном иле также содержатся нитрифицирующие, денитрифицирующие бактерии, серобактерии и др.

Простейшие, присутствующие в активном иле, не принимают непосредственное участие в разрушении органических примесей. Они поглощают большое число бактерий, поддерживая их оптимальное содержание в воде. Простейшие представлены саркодовыми, жгутиковыми инфузориями, реснитчатыми инфузориями. За время своего существования инфузория пропускает через свой организм до (2040) тысяч бактерий. Простейшие способствуют осаждению активного ила и осветлению сточных вод.

При образовании активного ила сначала появляются бактерии, затем – простейшие. Бактерии выделяют вещества, стимулирующие размножение простейших. Эти вещества обладают клейкими свойствами, поэтому активный ил представляет собой комочки и хлопья размером (3150) мкм. Хлопья обладают поверхностью около 1200 м² на 1 м³ ила.

Активный ил представляет собой амфотерный коллоид, имеющий при рН=49 отрицательный заряд. Несмотря на существенные различия сточных вод, элементный химический состав активного ила установок очистки различных типов сточных вод достаточно близок. Например, состав активного ила установок биохимической очистки сточных вод коксо-химических заводов можно передать следующей формулой – С₉₇Н₁₉₉О₅₃N₂₈S₂, очистки сточных вод заводов азотные удобрения – C₉₀H₁₆₇O₅₂S₈N₂₄, городских сточных вод – C₅₄H₂₁₂O₈₂N₈S₇.

Сухое вещество активного ила содержи (7090)% органических веществ и (3010)% неорганических веществ. Субстрат, которого в активном иле может быть до 40%, представляет собой твердую отмершую часть остатков водорослей и различных водных организмов. Он служит для прикрепления организмов активного ила.

Биопленка, культивируемая в биофильтре, представляет собой слизистые обрастания

*Бактерии, вызывающие некоторые заболевания и вырабатывающие антибиотики

толщиной (13) мм и более на наполнителе биофильтра. Наполнитель – это щебень, гравий, керамические или пластмассовые кольца, шарики и т. п., металлические сетки., т.е. материалы, инертные для воды и нетоксичные для микроорганизмов. Биоценоз биопленки представлен бактериями, грибами, дрожжами и др. организмами. В нем встречаются более разнообразные представители простейших, червей. Личинки комаров и мух, черви и клещи поедают активную массу, вызывая ее рыхление. Это способствует процессу очистки. Число микроорганизмов в биопленке на 2 порядка меньше, чем в активном иле: 10¹² бактерий на 1 м³ пленки; в иле – 210¹⁴ бактерий на 1 м³ ила.

2. Закономерности распада органических веществ при БХО. Ферменты

Для того, чтобы происходил процесс биологического окисления органических примесей сточных вод, они должны попасть внутрь клеток микроорганизмов.

Процесс биологического разложения органических веществ микроорганизмами состоит из 3-х стадий:

I – диффузия органического вещества и кислорода к поверхности клетки;

II – диффузия вещества через полупроницаемую цитоплазматическую мембрану внутрь клеток вследствие разности концентраций веществ в клетке и вне ее;

III – процессы превращения диффундированных веществ внутри клеток микроорганизмов.

Основную роль в очистке сточных вод играют процессы превращения вещества, протекающие внутри клеток микроорганизмов. Эти процессы заканчиваются окислением вещества с выделением энергии и новых веществ с затратой энергии.

Внутри клеток происходит непрерывный и сложный комплекс химических превращений, протекающих в строго определенной последовательности. Скорость реакций и их последовательность зависят от вида и содержания ферментов (белков, выполняющих роль катализаторов). Ферменты (или энзимы) представляют собой сложные белковые соединения, с массой достигающей сотен и тысяч миллионов атомных единиц массы.

Ферменты ускоряют только те реакции, которые протекают самопроизвольно, но с малой скоростью, причем действуют избирательно – определенный фермент катализирует определенную реакцию. Каталитические реакции протекают на активных центрах молекул ферментов, а продукт каждой реакции служит субстратом для последующей. По сравнению с химическими катализаторами ферменты способны действовать в более мягких условиях, т. е. при невысоких температурах, нормальном давлении и в среде, близкой к нейтральной. Причем при изменении состава и концентрации органических веществ меняется и состав ферментов, т. к. окисление протекать будет по другому.

Для переработки сложной смеси химических веществ, присутствующих в сточных водах, необходимо 80-100 различных ферментов. В иловых смесях обнаружены различные ферменты, например, гидролитические (гидролазы, протеазы, липазы, амилазы), окислительно-восстановительные (дегидрогеназы, оксидазы, пероксидазы). Существуют также и внеклеточные ферменты, в результате действия которых гидролизуется значительное количество высокомолекулярных соединений вне клетки.

Скорость биохимических реакций зависит от активности ферментов. Активность ферментов зависит в свою очередь от температуры, рН и присутствия в сточных водах различных веществ. С повышением температуры скорость ферментативных процессов повышается, но до определенного предела. Для каждого фермента существует оптимальная температура, выше которой скорость реакции падает.

Повышают активность ферментов и некоторые вещества, называемые активаторами. Это многие витамины, катионы кальция, магния, марганца. С другой стороны, соли тяжелых металлов, синильная кислота, антибиотики являются ингибиторами ферментативных процессов. Они блокируют активные центра фермента и резко снижают его активность.

Клетки каждого вида бактерий имеют определенный набор ферментов. Некоторые из них, постоянно присутствуют в клетках микроорганизмов и называются конститутивными. Другие ферменты синтезируются в клетках микроорганизмов под действием каких-либо изменений в окружающей среде, состава и концентрации примесей сточных вод. Эти ферменты появляются в процессе приспособления микроорганизмов к изменению среды, поэтому называются адаптивными. Сроки адаптации различны, колеблются от нескольких часов до десятков и сотен дней.

Во время адаптации процесс окисления примесей сточных вод протекает очень медленно, т. е. эффективность очистки сточных вод очень низка. По окончанию процесса адаптации микроорганизмы начинают хорошо окислять примеси сточных вод. Поэтому для уменьшения времени, необходимого для адаптации микроорганизмов к новым веществам, рекомендуется при пуске очистных сооружений произвести засев в сточные воды уже адаптированных микроорганизмов, полученных или на полупромышленных установках. или с других очистных сооружений.

Внутри клетки химические соединения подвергаются анаболическим и катаболическим превращениям.

Анаболические превращения приводят к синтезу новых клеточных компонентов, катаболические превращения являются источниками необходимой для клеток энергии.

Суммарные реакции биохимического окисления органических веществ в аэробных условиях можно представить в следующем виде.

а) Катаболические превращения:

C_xH_yO_zN + (x + )O₂  xCO₂ + ( ) H₂O + NH₃ + H; ( 1)

б) анаболическое превращение

C_xH_yO_zN + NH₃ + О₂  C₅H₇NO₂ + CO₂ + H. ( 2)

где C_xH_yO_zN – условное обозначение органического вещество сточных вод,

C₅H₇NO₂ - среднее соотношение основных элементов в клеточном веществе.

Затраты кислорода на эти реакции составляет БПК_П сточной воды.

Приведенные химические превращения являются источником необходимой для микроорганизмов энергии. Живые организмы способны использовать только связанную энергию.