52.Аэротенк представляет собой сооружение с постоянно протекающей внутри сточной водой, во всей толщине которой развиваются аэробные микроорганизмы, потребляющие субстрат, т. е. "загрязнение" сточной воды. Сточные воды поступают в аэротенк, как правило, после стадии механической очистки. Для обеспечения нормального процесса БХО в аэротенках необходимо непрерывно подавать воздух, что достигается с помощью пневматической, механической или пневмомеханической аэрации.

По структуре движения потоков очищаемой сточной воды и возраста ила активного различают: аэротенки- вытеснители; аэротенки - смесители; аэротенки с рассредоточенным впуском воды; типа АНР (по К. Бойте) (см. рис 2.):

Рис. 2. Схемы аэротенков

а - вытеснители; б - смесители; в- с рассредоточенным впуском воды; г - типа АНР; д- с регенераторами; е - ячеечного типа; I - сточная вода; II - активный ил; III - иловая смесь; 1- аэротенк; 2 - вторичный отстойник; 3 - регенератор.

В аэротенках - вытеснителях сточная вода и возвратный ил подаются сосредоточенно с одной из торцовых сторон сооружения, а выпускаются также сосредоточенно с другой торцовой стороны.

Подача и выпуск сточной воды и ила в аэротенках - смесителях осуществляется равномерно вдоль длинных сторон коридора аэротенка.

В аэротенках с рассредоточенной подачей сточной воды сточная вода подводится рассредоточено в нескольких точках по длине аэротенка , а отводится сосредоточенно из его торцовой части. Возвратный ил подается сосредоточенно в начале аэротенка.

Аэротенки-вытеснители целесообразно применят при концентрации загрязнений БПКполн поступающей воды до 300 мг/л, а аэротенки-смесители до 1000 мг/л по БПКполн.

Расчет аэротенков включает в себя определение вместимости и габаритов сооружения, объема, требуемого воздуха и избыточного ила. Вместимость аэротенков определяется по среднечасовому поступлению сточных вод за период операции в часы максимального притока сточной воды. Продолжительность аэрации в аэротенке-смесителе t (час) определяется по формуле:

T=(La-Lt)/(a(1-S)p)

(1)

где La - БПКполн очищенной сточной воды, мг/л;

a - доза ила, г/л;

S - зольность ила.

Доза ила в аэротенках-смесителях без регенерации 3 г/л, а с регенерацией от 2 до 4.5 г/л. Для стоков, близких к бытовым S=0.3.

p - удельная скорость окисления БПКполн/1г. беззольного вещества активного ила в час.

P=Pмах*(Lt*C)/(9Lt+Kl*C+K0*Lt)*(1/(1+fi*a) ,

(2)

где Pмах - максимальная скорость окисления , мг/(г час);

С - концентрация растворенного кислорода, мг/;

Kl - константа, характеризующая свойства органических загрязнений, мг/л;

К0 - константа, характеризующая влияние растворенного кислорода, мг/л;

fi - коэффициент ингибирования продукта или распада активного ила , л/г.

Для городских и близких к ним производственных сточных вод p=85 мг/г час, Kl- 33мг/л, К0=0.625мг/л, fi=0.07 л/г.

Для других различных видов сточных вод эти данные приведены в табл. 40 действующего СниП.

Режим вытеснения в эротенке обеспечивается соотношением длины и ширины коридора более чем 30:1.Если это отношение меньше, то необходимо осуществить секционирование коридоров. Степень рециркуляции ила Rрассчитывается по формуле:

R=a/(1000/J-a),

(3)

где J-индекс ила, см/г.

Нагрузка на 1г беззольного вещества в сутки

qи=24(La-Lt)/(a(1-S)t)

(4)

При расчете аэротенков - вытеснителей продолжительность аэрации определяется по формуле:

T=1+/(pмах(1+a)Ca)((C-K0)(L0-Lt)-Kl*C*ln(L0/Lc))*Kr

(5)

где Kr - коэффициент, учитывающий влияние продольного перемешивания. При полной БХО до Lt=15 мг/л,Kr=1.5, при Lt>30 мг/л Kr=1.25; Са - концентраия кислорода.

При проектировании аэротенков с регенераторами необходимо рассчитать продолжительность окисления загрязнений:

(6)

где а_р - доза ила в регенераторе, (г/л).

(7)

где а - доза ила в аэротенке,

R - коэффициент рециркуляции ила.

При подсчете t_о аэротенков-вытеснителей БПК_полн поступающей сточной воды определяется с учетом разбавления рециркулирующим илом:

(8)

Продолжительность пребывания сточной воды в аэротенке:

(9)

Период регенерации:

(10)

Объем аэротенка V_a и объем регенератора V_p:

(11)

(12)

где Q_расч - расчетный расход сточных вод, (м³/ч).

Прирост активного ила в аэротенке определяется по формуле:

(13)

где В_в - концентрация взвешенных веществ, поступающих в аэротенк; К_П - коэффициент прироста активного ила (0,3 - 0,5).

Удельный расход воздуха D, (м³/м³) определяется отношением расхода кислорода, требуемого для обработки 1 м³ сточной воды к расходу используемого О₂ с 1 м³ подаваемого воздуха:

(14)

где z - удельный расход воздуха, (мг/мг снятой БПК_полн); К₁ - коэффициент, учитывающий тип аэратора; К₂ - коэффициент, зависящий от глубины погружения аэратора; n₁ - коэффициент, учитывающий температуру сточной воды.

(15)

где t_cp - среднемесячная температура сточных вод; n₂ - коэффициент качества сточных вод; С_р - растворимость кислорода в воде.

(16)

где С_Т - растворимость кислорода в воде в зависимости от температуры и давления;

С - средняя концентрация кислорода в аэротенке.

Площадь аэрируемой зоны принимается по площади, занимаемой пневматическими аэраторами, включая просветы между ними до 30 см. По найденным D и t определяется интенсивность аэрации:

(17)

где Н - рабочая глубина аэротенка, 3 - 6 м.

Отношение ширины к рабочей глубине принимается от 1:1 до 2:1. При проектировании аэротенков и регенераторов число секций должно быть не менее двух. Для станций производительностью до 50000 м³/сут - 4 - 6 секций, а производительностью более 50000 м³/сут - 6 - 8 секций.

Все секции должны быть рабочими, каждая из которых состоит из 2 - 4 коридоров. В практике проектирования используют типовые проекты, разработанные "Союзводоканалпроектом". Систему аэрации в аэротенках применяют, как правило, пневматическую и механическую. В зависимости от вида аэратора различают мелко-, средне- и крупно-пузырьчатую аэрацию с крупностью пузырьков соответственно 1 - 4 мм, 5 - 10 мм, более 10 мм.

При устройстве пневматической системы аэрации производят расчет воздуховодов и воздуходувов. Воздуходувки подбираются по каталогам, исходя из общей потери напора и расчетного расхода воздуха. Число воздуходувок при производительности более 5000 м³/ч применяется не менее двух. Если число рабочих не превышает трех, то принимается одна резервная воздуходувка, если больше, то две резервные

53. Аэротенк — чаще всего резервуар прямоугольного сечения, по которому протекает сточная вода смешанная с активным илом, где происходит биохимическая очистка сточной воды. Воздух, вводимый с помощью пневматических или механическихаэраторов — аэрационной системы, перемешивает обрабатываемую сточную воду с активным илом и насыщает еёкислородом, необходимым для жизнедеятельности бактерий. Большая насыщенность сточной воды активным илом (высокая доза) и непрерывное поступление кислорода обеспечивают интенсивное биохимическое окисление органических веществ, поэтому аэротенки являются одним из наиболее совершенных сооружений для биохимической очистки. В зависимости от требуемой степени снижения органического загрязнения сточных вод аэротенки проектируются на полную биологическую очистку и неполную очистку.

Факторы, определяющие удовлетворительную работу аэротенков

Наиболее важными факторами, влияющими на развитие и жизнеспособность активного ила, а также качество биологической очистки, являются температура, наличие питательных веществ, содержание растворенного кислорода в иловой смеси, значение рН, присутствие токсинов. Удовлетворительная работа аэротенков в значительной степени определяется также технологическим режимом эксплуатации, где основное значение имеют:

• оптимальное соотношение между концентрацией загрязнений в поступающей воде и рабочей дозой активного ила (при уменьшении дозы ила возникает эффект повышения нагрузки и снижения качества очистки, при увеличении — затрудняется эффективность разделения ила и очищенной воды во вторичных отстойниках);

• необходимое время контакта загрязнений с активным илом;

• достаточное количество кислорода в системе.

Кислородный режим в аэротенках

Для нормальной жизнедеятельности организмам активного ила требуются малые количества растворенного кислорода. Критической концентрацией считается 0,2 мг/дм³, вполне удовлетворительной — 0,5 мг/дм³ растворенного кислорода. Однако активный ил не терпит залежей и при малейшем застое начинает гибнуть от собственных метаболитов (загнивание). Поэтому нормы на содержание растворенного кислорода (не менее 1,0—2,0 мг/дм³ в любой точке аэротенка) предполагают обеспечение интенсивного перемешивания иловой смеси с целью ликвидации её залежей. При концентрации растворенного кислорода, превышающей максимально необходимую, критическую величину, степень активности микроорганизмов не увеличивается и очистка не улучшается. Поэтому для каждого очистного сооружения устанавливается своя «критическая концентрация» кислорода, причем степень его поглощения определяется, главным образом, характером и концентрацией загрязнений. Подача воздуха обеспечивает несколько процессов, происходящих с активным илом:

• дыхание организмов,

• перемешивание иловой смеси,

• удаление метаболитов,

• хемоокисление загрязняющих веществ.

Плохие аэрационные условия для активного ила могут быть обусловлены следующими причинами:

• сокращением подаваемого воздуха, разрушением и засорением фильтрующих воздух элементов (фильтросных пластин, дырчатых труб, мелкопузырчатых диспергаторов и т. д.);

• залежами и микрозалежами плохо перемешиваемого ила в различных участках аэрируемой зоны и всех звеньев очистки;

• повышением удельных нагрузок на активный ил за счет возрастания содержания растворенных органических веществ в поступающей на очистку воде;

• увеличением содержания токсичных веществ в сточной воде, поступающей на очистку (токсиканты блокируют дыхательные ферменты у организмов активного ила);

• возрастанием кислородопоглощаемости активного ила из-за нарушения режима выгрузки осадка из вторичных отстойников;

• превышением оптимальной концентрации возвратного ила (недостаток кислорода при увеличении биомассы активного ила).

Улучшение аэрационных условий можно достичь налаживанием технологического режима эксплуатации (возможности ограничены) и увеличением процента использования кислорода активным илом за счет смены аэрирующих элементов.

При крупнопузырчатой аэрации размер пузыря воздуха достигает 5—6 мм и использование кислорода активным илом при этом составляет 6—7 %, что не создает идеального массоперёноса растворенного кислорода из жидкости в клетку. При уменьшении размера пузыря воздуха до 2—2,5 мм увеличивается использование кислорода до 8—12 %, а при применении мелкопузырчатых диффузоров (200—500 мкм — размер отверстий) — до 15 %. Применение мелкопузырчатой аэрации позволяет аэрофилам заместить микроаэрофилов в активном иле, что приводит к значительному улучшению качества очистки, улучшению седиментационных характеристик активного ила, его влагоотдающих свойств, повышению уровня метаболизма, сокращению прироста, а также возрастанию устойчивости организмов ила к воздействию токсичных веществ

54. Технологические схемы очистки сточных вод в аэротенках. Однако, как указывалось выше, в процессе биологической очистки сточных вод в аэротенках растворенные органические вещества, а также неосаждающиеся тонкодиепергированные и коллоидные вещества переходят в активный ил, обуславливая прирост исходной биомассы. Чтобы не допустить повышения дозы ила против оптимальных значений (что привело бы, напомним, к повышенному выносу взвешенных веществ из вторичных отстойников), в аэротенк возвращается лишь то количество ила, которое поддерживает его расчетную рабочую дозу в нем. Остальной ил в виде избыточного, т.е. не требующегося для целей биологической очистки, удаляется из системы аэротенк илоотделитель на обработку и ликвидацию. При пуске в работу вновь построенных аэротенков необходимая рабочая доза активного ила в них создается путем наращивания биомассы за счет аэрации сточной воды, в которой всегда находятся различные виды микроорганизмов. При этом расход сточной воды через аэротенк постепенно увеличивается по мере наращивания дозы ила. На вывод аэротенка в расчетный режим работы может потребоваться 2-4 недели, а иногда и более, в зависимости от температурных (и ряда других) условий. Для ускорения пуска в работу небольших по производительности аэротенков практикуется завоз некоторого количества активного ила из расположенных поблизости, уже действующих очистных сооружений. В расчетном режиме работы аэротенков их функционирование обеспечивается тем, что после отделения от очищенной воды в сооружениях илоотделения, активный ил возвращается в аэротенки. Это означает, что активный ил в проточных условиях постоянно циркулирует между аэротенками и сооружениями илоотделения (например, вторичными отстойниками или флотаторами). Эта схема включает аэрационные и отстойные сооружения, оборудование и коммуникации для подачи и распределения сточных вод по аэро-тенкам, сбора и подачи иловой смеси на илоотделение, отведения очищенной воды, обеспечения возврата в аэротенки циркуляционного активного ила и удаления избыточного ила, подачи и распределения воздуха в аэротенках ( 11.7). По этой схеме активный ил подается сосредоточенно на вход в аэротенк, туда же подается и подлежащая биологической очистке сточная вода после первичного отстаивания. В результате смешения воды и активного ила образуется иловая смесь. В процессе ее движения к выходу из аэротенка обеспечивается необходимая для протекания биохимических реакций длительность контакта активного ила с загрязнениями. Наиболее часто аэротенк устраивается в виде прямоугольного резервуара, разделенного продольными перегородками на отдельные коридоры шириной 4-9 м, по которым иловая смесь протекает от входа в аэротенк к выходу из него при постоянном перемешивании и обеспечении кислородом воздуха. Пребывание иловой смеси в отстойных сооружениях приводит к ее разделению под действием гравитационных сил на биологически очищенную воду и активный ил, оседающий и уплотняющийся в нижней иловой части отстойного сооружения. Концентрация ила в ней за время разделения иловой смеси может достигать 6-10 г/л по сухому веществу в зависимости от концентрации ила в поступающей иловой смеси, условий отстаивания и конструктивных особенностей отстойного сооружения. Схема реализации биологического процесса очистки сточной воды в проточном режиме в аэротенках с возвратом ила из вторичных отстойников и выведением избыточного ила на обработку получила название классической аэрации. Поскольку концентрация ила из отстойных сооружений в 2-4 раза выше дозы ила, поддерживаемой в аэротенке (напомним, из условия эффективного последующего разделения иловой смеси), то циркуляционный Расход может составлять 30-60% расхода поступающей на очистку сточной воды. Достичь дальнейшего повышения концентрации ила в этой зоне практически не удается, так как чрезмерное увеличение длительности пребывания активного ила в обескислороженной воде в отстойнике приводит, с одной стороны, к ухудшению седиментационной способности ила и повышению выноса иловой взвеси с очищенной водой, а с другой -к ухудшению метаболических свойств ила и снижению окислительной мощности аэротенка. От концентрации ила, выводимого из отстойных сооружений, зависят расход циркуляционного ила, возвращаемого в аэротенк, и объем избыточного активного ила, а следовательно, и энергетические затраты на их перекачку, и строительные объемы сооружений, их принимающих. 1) по гидравлическому режиму движения иловой смеси вдоль сооружения аэротенк напоминает вытеснитель, где более ранняя порция иловой смеси вытесняется вновь поступившей, благодаря чему такие аэротенки получили название аэротенков-вытеснителей ( 11.7 и 11.8); Если проанализировать условия, в которых находится активный ил в этой схеме на всем пути его прохождения от входа в аэротенк до выхода из него, можно констатировать следующее: 11. Классическая схема биологической очистки сточных вод: 1 сточная вода после первичных отстойников; 2 аэротенк; 3 иловая смесь из аэротенков; 4 вторичный отстойник; 5 очищенная вода; б иловая камера; 7,8- циркуляционный и избыточный активный ил соответственно; 9 воздух из воздуходувок; 10 аэрационная система для подачи и распределения воздуха в аэротенке 2) нагрузка загрязнений на активный ил с максимальной у входа в аэротенк постепенно снижается до практически нулевого ее значения на выходе из аэротенка по мере снижения БПК сточной жидкости до минимально возможных ее значений при полной биологической очистке и некоторого роста дозы ила; 11. Аэротенк-вытеснитель (см. позиции на 11.7) 4) из-за колебаний расхода сточной жидкости, поступающей на очистку, сравнительно медленной скорости продольного движения иловой смеси и достаточно высокой интенсивности аэрации иловой смеси в аэро-тенке происходит продольное перемешивание ранее поступивших порций жидкости с более поздними, в результате чего нарушается сходство с режимом идеального вытеснения. Это нарушение будет тем существеннее, чем ниже скорость продольного движения жидкости в аэротенке, т.е. чем шире аэротенк и, следовательно, чем он короче; 3) в соответствии с нагрузкой на ил снижается и потребность активного ила в кислороде, значение которой у входа в аэротенк существенно выше, чем на выходе из него. Потребность в кислороде по длине аэротенка падает также в связи с возрастанием удельного веса трудноокисляемых органических веществ либо в сточной жидкости за счет более быстрого устранения легкоокисляемых веществ в начале аэротенка, либо в самом активном иле в процессе изъятия и накопления в нем определенного запаса питательных веществ; 6) в случае присутствия в сточной воде токсичных или других ин-гибирующих биологические процессы веществ активный ил циклически подвергается их шоковому воздействию при очередном возврате его в аэротенк; 5) изымаемые из сточной жидкости загрязнения проходят полный цикл метаболических превращений в одном и том же сооружении с момента изъятия их активным илом до момента введения ила в очередной контакт с загрязнениями после возврата его в аэротенк из вторичного отстойника; Отмеченные особенности классической схемы очистки сточных вод в аэротенках выявлялись и изучались в процессе развития техники биологической очистки сточных вод, теоретических и экспериментальных исследований, в практике использования этой схемы в реальных условиях работы очистных сооружений. Систематизация результатов исследований и анализ опыта эксплуатации сооружений биологической очистки привели к созданию ряда модификаций классической схемы очистки сточных вод в аэротенках, совершенствующих их функционирование в тех или иных конкретных условиях. 7) потребность в перемешивании иловой смеси для поддержания ила во взвешенном состоянии остается практически постоянной по всей длине аэротенка, что не позволяет полностью использовать окислительную способность подаваемого в аэротенк воздуха и отрицательно сказывается на энергетических показателях работы аэротенка. Другой модификацией классической схемы является применение продольного секционирования аэротенков поперечными перегородками, не доходящими либо до дна (или чередующимися: не доходящими то до дна, то до уровня воды), либо до противоположной стены ( 11.9). Секционирование позволяет практически исключить продольное перемешивание иловой смеси в аэротенке и обеспечить более полное приближение технологического режима работы аэротенка к режиму идеального вытеснителя и более строго поддерживать заданный режим аэрации в пределах каждой секции, а, следовательно, обеспечить стабильное качество очистки на выходе из аэротенка. Следует, однако, отметить, что необходимое число таких секций принимается по рекомендациям чисто практического характера (см. расчет аэротенков-вытеснителей). Одной из наиболее ранних модификаций является применение переменной интенсивности аэрации по длине аэротенка, целью которой является приближение режима подачи воздуха (кислорода) в аэротенк к скорости его потребления активным илом, характеризующейся кривой снижения ВПК. При равномерной интенсивности подачи воздуха в аэротенки приходится решать сложную задачу выбора концентрации растворенного кислорода, которая должна поддерживаться в аэротенке. Если задаться минимальной его концентрацией в конце аэротенка, то будет наблюдаться существенный недостаток кислорода в головных секциях аэротенка, где потребность в нем значительно выше. Если ориентироваться на потребность в кислороде в головных секциях, то будет наблюдаться избыток его у выхода из аэротенка. Выбор любого из этих решений, как и ряда промежуточных, не обеспечивает наилучшее использование подаваемого в аэротенк воздуха. Вместе с тем в реальных условиях невозможно обеспечить полное соответствие подачи кислорода скорости его потребления. Поэтому в отличие от классической схемы в этой модификации осуществляется ступенчатое регулирование подачи воздуха по длине аэротенка, более или менее приближающееся к потребностям процесса очистки в кислороде, что позволяет существенно повысить экономическую эффективность работы системы аэрации. В некоторых случаях до половины необходимого количества воздуха подается в первой 1 /4 длины аэротенка. Такая ступенчатость позволяет поддерживать концентрацию растворенного кислорода на минимально возможном с точки зрения протекания биологических процессов уровне, избегая как недостатка кислорода, так и его избытка по всей длине аэротенка. Эта схема обеспечивает благоприятный кислородный режим, по ней работают широко применяемые в настоящее время аэротенки-вытеснители с пневматической системой аэрации. Как уже отмечалось, изъятие из очищаемой жидкости растворенных или взвешенных загрязнений активным илом происходит значительно быстрее, чем последующее их окисление. Деление на такие стадии процесса очистки носит условный характер, поскольку практически невозможно разграничить эти фазы, тем более, что и сам процесс изъятия носит ферментативный характер, особенно в отношении растворенных органических веществ. Поэтому представляется целесообразной организация раздельного протекания этих стадий процесса в условиях, оптимальных для каждой из них, что обеспечит повышение эффективности работы аэротенков в целом. Наиболее существенные отличия от классической схемы биологической очистки в аэротенках имеют модификации, ставящие задачу либо приспособления аэротенков к стадийности биологического процесса очистки (т.е. в начале изъятие загрязнений активным илом, а затем их окисление), либо создания в них одинаковых по объему или по длине аэротенка условий с точки зрения нагрузки на активный ил или кислородного режима. Рассмотрим эти модификации. 11.9 Продольное секционирование аэротенков поперечными перегородками (см. позиции на 11.7): Технологическая суть такой модификации заключается в том, что после извлечения загрязнений из сточной воды в собственно аэротенках активный ил с накопленными в нем загрязнениями отделяется от очищенной воды и подается не в аэротенк, а в специальное аэрационное сооружение, называемое регенератором, в котором активный ил аэрируется в течение определенного времени без сточной жидкости. В регенераторе ил освобождается от накопленных им в аэротенке загрязнений и восстанавливает свою метаболическую активность. Регенерированный ил направляется затем из регенератора в собственно аэротенк для нового контакта с очищаемой жидкостью и повторения цикла изъятия из нее загрязнений. В конструктивном отношении регенераторы ничем не отличаются от собственно аэротенков и могут устраиваться в виде как отдельно стоящих сооружений, так и емкостей, выделяемых в объеме аэротенков ( 11.10 и 11.11). В собственно аэротенке обеспечивается контакт активного ила с загрязнениями такой длительности, которой достаточно только для изъятия загрязнений из очищенной воды (отсюда и термин «контактная стабилизация» в западноевропейской и североамериканской технической литературе), составляющей примерно 1,5-2,5 ч аэрации в зависимости от характера загрязнений сточных вод и условий реализации процесса. Режим аэрации здесь должен быть направлен на создание условий, наиболее благоприятных для доступа активного ила к загрязнениям, т.е. постоянного и эффективное перемешивания и аэрации иловой смеси. Концентрация растворенного в жидкости кислорода поддерживается в пределах 0,5-2,0 мг/л. Скорость же потребления кислорода здесь значительно более высокая, чем в регенераторе, поскольку в собственно аэротенке протекают более быстрые процессы первичной трансформации загрязнений при их изъятии из очищенной воды. Поэтому интенсивность аэрации здесь должна быть также существенно выше, чем в регенераторах. а не доходящими до противоположной стены; б поочередно не доходящими до дна и до уровня воды в аэротенке Длительность пребывания ила в регенераторе значительно больше длительности аэрации в собственно аэротенке, хотя суммарная длительность изъятия и окисления загрязнений остается той же, что и при реализации процесса по классической схеме. Однако концентрация ила в регенераторе в 2-2,5 раза выше, чем в собственно аэротенке, поскольку ил в него направляется прямо из отстойных сооружений и без подачи сюда сточной жидкости. Это позволяет на 15-20% уменьшить суммарный объем аэраци-онных сооружений по сравнению с объемом при осуществлении процесса очистки только в аэротенке. 7 регенерированный активный ил; 9 регенератор ила 11.1 Аэротенк с регенерацией активного ила (см. позиции на 11.7): Для обеспечения 50% регенерации можно принять под регенератор либо 2 коридора 4 коридорных аэротенков, либо 1 коридор 2 коридорных аэротенков. Поскольку типовые аэротенки разработаны в виде 2,3, 4-коридорных, то в них можно обеспечить 25, 33, 50, 66, 75% регенерации, выделяя от 1 до 3 коридоров аэротенка под регенерацию. В принципе, можно обеспечить любой процент регенерации, выделяя под регенераторы соответствующий объем аэротенков, но при этом придется разрабатывать конкретную схему подвода активного ила в регенератор и очищаемой воды в собственно аэротенк в каждом отдельном случае, т.е. разрабатывать индивидуальные проекты аэротенков для конкретного применения. Длительность пребывания ила в регенераторе должна быть достаточной для достижения требуемой глубины окисления загрязнений, она определяется специальным расчетом, основывающимся на учете удельной скорости окисления загрязнений. Требующийся объем регенераторов, выраженный в% от суммарного объема собственно аэротенков и регенераторов, получил название процента регенерации . Если, например, требуемый объем регенераторов составляет 30% суммарного объема, то обеспечить его можно выделив 1 коридор 3-коридорных аэротенков под регенератор (строго говоря, это составит 33% регенерации). 11.1 Аэротенк-вытеснитель без регенерации (а) и с регенерацией (33%) (б): Следует отметить, что некоторые специалисты не разделяют столь положительной оценки роли регенерации активного ила. Считая, что после пребывания ила в регенераторе, где нет его контакта с очищаемой водой, потребуется определенная реадаптация ила в аэротенке к поступающим загрязнениям, экономия в объемах за счет высокой дозы ила в регенераторе будет сведена на нет при полной биологической очистке сточной воды. Естественно, что однозначный ответ на эти возражения может быть получен только в результате дальнейших глубоких исследований и всесторонней оценки работы аэротенков по такой схеме. Г канал сточной воды на биологическую очистку; 3 канал иловой смеси; 7 канал циркуляционного активного ила (см. позиции на 11.7) Другой, и наиболее значительной, альтернативной аэротенку-вытеснителю модификацией являются аэротенки-смесители, обеспечивающие относительное постоянство условий, в которых находится активный ил. В основу этой модификации положена идея о том, что порция сточной жидкости, подлежащей очистке, должна быть быстро распределена в как можно большем объеме аэротенка. Это приведет к тому, что все зоны аэро-тенка будут содержать одинаковую смесь загрязнений, подвергшихся различной степени воздействия активного ила. Выходящая из аэротенка жидкость может содержать в таком случае и мельчайшие частицы практически неокисленных загрязнений. Однако, при правильно рассчитанном объеме сооружения и достаточной степени перемешивания возможность проскока существенных порций неочищенной жидкости сводится к минимуму, и качество очистки в таком сооружении не уступает качеству очистки в аэро-тенке-вытеснителе. Главное преимущество этих сооружений заключается в возможности сглаживания залповых или шоковых нагрузок на активный ил, которые могут быть при работе аэротенка в режиме вытеснителя, в случае высоких концентраций загрязнений или наличия токсичных веществ в поступающей на очистку сточной воде. Возможность исключения проскока достигается равномерным распределением поступающих в аэротенк жидкости и ила, а также интенсивным перемешиванием всего содержимого аэротенка и равномерным отводом иловой смеси из него. При длинных аэротенках на крупных очистных сооружениях это обеспечивается не торцевым подводом воды и ила, а впуском их вдоль продольной стены аэротенка и сбором иловой смеси вдоль противоположной стены ( 11.12, а).  а с рассредоточенным подводом воды и ила вдоль сооружения; б с центральным подводом воды и ила в аэрационную зону 11.1 Аэротенк-смеситель (см. позиции на 11.7): Модификацией, занимающей промежуточное положение между аэротенками-вытеснителями и аэротенками-смесителями, являются аэротенки с рассредоточенной подачей воды ( 11.13). В этих сооружениях в определенной степени сочетаются преимущества аэротенка-вытеснителя, обеспечивающего высокое качество очистки, с достоинствами аэротенка-смесителя, позволяющего усреднить нагрузку на активный ил вдоль сооружения. Хорошие условия для эффективного смешения на сравнительно небольших очистных сооружениях создаются в квадратных или круглых в плане аэрационных зонах с подводом сточной воды и ила в центр зоны и периферийным сбором и отводом иловой смеси ( 11.12, б). Тем не менее не следует упускать из вида вероятность проскока с очищенной водой неокисленных или неполностью окисленных загрязнений, что несколько снижает надежность и стабильность качества очистки воды в этих сооружениях. Это особенно важно при необходимости снять залповые перегрузки активного ила, либо из-за случайных повышений концентрации загрязнений, либо при непредвиденном поступлении токсичных или других вредных для биологических процессов веществ. В аэротенках, работающих по схеме рассредоточенной подачи воды, активный ил подается сосредоточенно в торец головной части аэротенка, а сточная вода вводится в нескольких точках аэротенка вдоль продольной стены. Выпуск иловой смеси осуществляется в конце аэротенка. Последняя точка ввода сточной воды должна находиться на расстоянии от выхода из аэротенка, обеспечивающем достаточное для изъятия и окисления загрязнений пребывание сточной воды и исключающее возможность проскока неокисленных загрязнений. Следует отметить,

11.1 Аэротенк с рассредоточенным впуском воды на очистку (см. позиции на 11.7) На основе рассмотренных выше модификаций процесса биохимической очистки сточных вод в аэротенках можно сделать вывод о том, что главным критерием, обусловливающим характеристики аэротенка, является гидравлическая схема его функционирования. В соответствии с нею можно классифицировать аэротенки на: аэротенки-вытеснители сооружения с сосредоточенным впуском воды и активного ила в них со снижающейся нагрузкой на активный ил вдоль сооружения; аэротенки с рассредоточенным вдоль сооружения впуском очищаемой воды и сосредоточенным впуском активного ила в них при циклически изменяющейся вдоль сооружения нагрузке на активный ил; аэротенки-смесители сооружения с одинаковой нагрузкой на ил по всему объему сооружения. Схема впуска воды и ила в него (сосредоточенная или рассредоточенная) определяется конструктивными особенностями сооружения, обеспечивающими оптимальные условия для полного и возможно более быстрого смешения очищаемой воды и активного ила. что в этой модификации могут с успехом применяться и переменная по длине аэротенка аэрация, и продольное секционирование аэротенка, а при необходимости и введение регенерации активного ила в головной части аэротенка за счет удаления от входа в аэротенк первой точки впуска сточной жидкости. При этом аэротенк функционирует по схеме вытеснителя. В ряде случаев, особенно при наличии высоких концентраций загрязняющих веществ или веществ с резко разнящимися скоростями их биохимического окисления, прибегают к устройству двух, а иногда и трех ступеней биологической очистки, и очищаемая вода проходит последовательно через каждую из них. Каждая ступень имеет свою замкнутую систему циркуляционного активного ила; избыточный же ил может удаляться как из каждой ступени, так и только из последней ступени аэротенков ( 11.13). Практически всегда в качестве аэротенков второй и третьей ступени (т.е. последней ступени биологической очистки) применяются аэротенки вытеснители (хотя могут применяться и аэротенки с рассредоточенным впуском воды в них) для обеспечения постоянства качества очистки. Аэротенки-смесители более эффективны на первой ступени для снятия основной массы загрязнений при более низкой степени очистки (т.е. для частичной очистки сточной воды). Опыт показывает, что при БПКП0Лн поступающей сточной воды до 300 мг/л целесообразно применение аэротенков- . вытеснителей. Введение в них отделений регенерации активного ила предусматривается при концентрациях БПКП0ЛН выше 150 мг/л. Считается, что лишь в этом случае она дает оправданные технологические и технико-экономические преимущества перед схемами без регенерации. В этом же диапазоне концентраций загрязнений могут применяться и аэротенки с рассредоточенным впуском воды. Различают также аэротенки проточного и контактного режимов Действия; с пневматической или механической (или смешанной) системой аэрации и др. 55Совокупность процессов превращения материи в живом организме, сопровождающихся постоянным ее обновлением, называется обменном веществ или метаболизмом.

Важнейшими свойствами живых организмов являются способность, к самовоспроизведению и теснейшая взаимосвязь их с окружающей средой. Любой организм может существовать только при условии постоянного притока питательных веществ из внешней среды и выделения в нее продуктов жизнедеятельности.

Питательные вещества, поглощаемые клеткой, в результате сложных биохимических реакций превращаются в специфические клеточные компоненты. Совокупность биохимических процессов поглощения, усвоения питательных веществ и создания за их счет структурных элементов клетки называется конструктивным обменом или анаболизмом. Конструктивные процессы идут с поглощением энергии. Энергию, необходимую для процессов биосинтеза других клеточных функций, таких, как движение, осморегуляция и т. д., клетка получает за счет потока окислительных реакций, совокупность которых представляет собой энергетический обмен, или катаболизм (рис. 1).

1. Общие понятия об обмене веществ и энергии

Все живые организмы могут использовать только химически связанную энергию. Каждое вещество обладает определенным запасом потенциальной энергии. Главные материальные носители ее химические связи, разрыв или преобразование которых приводит к освобождению энергии.

Энергетический уровень химических связей неодинаков. Для одних он имеет величину порядка 8--10 кДж. Такие связи называют нормальными. В других связях заключена значительно большая энергия - 25--40 кДж. Это так называемые макроэргические связи. Почти все известные соединения, обладающие такими связями, включают атомы фосфора и серы, участвующие в образовании этих связей.

Важнейшую роль в жизнедеятельности клетки играет аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). В состав ее молекулы входят аденин, рибоза и три остатка фосфорной кислоты: (Приложения Рис 2)

АТФ занимает центральное место в энергетическом обмене клетки. Макроэргические связи в молекуле АТФ очень непрочны. Гидролиз этих связей приводит к освобождению значительного количества свободной энергии:

АТФ + Н20>АДФ + Н3Р04- 30,56 кДж

Гидролиз протекает с участием специфических ферментов, обеспечивая энергией биохимические процессы, идущие с поглощением энергии. В этом случае АТФ играет роль поставщика энергии. Имея малый размер, молекула АТФ и диффундирует в различные участки клетки. Запас АТФ в клетках непрерывно возобновляется за счет реакций присоединения остатка фосфорной кислоты к молекуле аденозиндифосфорной кислоты (АДФ):

АДФ + Н3Р04 > АТФ + Н20

Синтез АТФ, как и гидролиз, идет при участии ферментов но сопровождается поглощением энергии, способы получения которой у микроорганизмов хотя и разнообразны, но могут быть сведены к двум типам:

1) использование энергии света;

2) использование энергии химических реакций.

При этом тот и другой виды энергии трансформируются в энергию химических связей АТФ. Таким образом, АТФ выполняет в клетке роль трансформатора.

Анаболизм и катаболизм неразрывно связаны, составляя единое целое, поскольку продукты энергетического обмена (АТФ и некоторые низкомолекулярные соединения) непосредственно используются в конструктивном обмене клетки (рис. 6.1).

В клетках микроорганизмов соотношение между энергетическими и конструктивными процессами зависит от ряда конкретных условий, в частности от характера питательных веществ. Тем не менее по объему катаболические реакции обычно превосходят биосинтетические процессы. Взаимосвязь и сопряженность этих двух видов метаболизма проявляется прежде всего в том, что суммарный объем конструктивных процессов полностью зависит от количества доступной энергии, получаемой в ходе энергетического обмена.

2. Конструктивный метаболизм

Конструктивный метаболизм направлен на синтез четырех основных типов биополимеров: белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов и липидов.

Ниже показана обобщенная условная схема биосинтеза сложных органических соединений, где выделены следующие основные этапы: образование из простейших неорганических веществ органических предшественников (I), из которых на следующем этапе синтезируются «строительные блоки» (II). В дальнейшем строительные блоки, связываясь друг с другом ковалентными связями, образуют биополимеры (III): Приложения (рис. № 3)

Представленная схема биосинтетических процессов не отражает всей сложности превращения низкомолекулярных предшественников в строительные блоки с большой молекулярной массой. На самом деле синтез протекает как серия последовательных реакций с образованием разнообразных промежуточных продуктов метаболизма. Кроме того, уровни развития биосинтетических способностей микроорганизмов очень различны. У одних микробов конструктивный метаболизм включает все показанные на схеме этапы, у других ограничен вторым и третьим или только третьим этапом. Именно поэтому микроорганизмы резко отличаются друг от друга по своим пищевым потребностям. Однако элементный состав пищи одинаков для всех живых организмов и должен включать все компоненты, входящие в клеточное вещество: углерод, азот, водород, кислород и др.

В зависимости от используемых в конструктивном обмене источников углерода микроорганизмы делятся на две группы: автотрофы и гетеротрофы.

Автотрофы (от греч. «autos» -- сам, «trophe» -- пища) в качестве единственного источника углерода используют диоксид углерода и из этого простого неорганического соединения-предшественника синтезируют все необходимые биополимеры. Способность к биосинтезу у автотрофов самая высокая.

Гетеротрофы (от греч. «heteros» -- другой) нуждаются в органических источниках углерода. Их пищевые потребности чрезвычайно разнообразны. Одни из них питаются продуктами жизнедеятельности других организмов или используют отмершие растительные и животные ткани. Такие микроорганизмы называются сапрофитами (от греч. «sapros» -- гнилой и «phyton» -- растение). Число органических соединений, используемых ими в качестве источников углерода, чрезвычайно велико -- это углеводы, спирты, органические кислоты, аминокислоты и т. д. Практически любое природное соединение может быть использовано тем или иным видом микроорганизмов в качестве источника питания или энергии.

Вторую группу гетеротрофных организмов составляют паразиты, развивающиеся в живых клетках. Паразиты, нарушая равновесие биохимических процессов в организме вызывают его заболевание. Некоторые микроорганизмы в зависимости от условий могут существовать либо как паразиты, либо как сапрофиты. Их называют условными или факультативными паразитами. К их числу относятся возбудители многих кишечных инфекций. Другие могут развиваться только в живых клетках -- это строгие, или облигатные, паразиты. Способность к биосинтезу у них самая низкая.

Для синтеза клеточных белков микроорганизмам необходим азот. По отношению к источникам азотного питания среди микроорганизмов можно выделить автоаминотрофов и гетероаминотрофов. Первые способны использовать азот неорганический (аммонийный, нитратный, молекулярный) или простейшие формы органического (мочевина) и из этих соединений строить разнообразные белки своего тела. При этом все формы азота сначала переводятся в аммонийную форму. Эта наиболее восстановленная форма азота легко трансформируется в аминогруппу. Гетероаминотрофы нуждаются в органических формах азота - белках и аминокислотах. Некоторым из них требуется полный набор аминокислот, другие создают необходимые белковые соединения из одной - двух аминокислот путем их преобразования.

Многие гетеротрофные по отношению к углероду микроорганизмы являются автоаминотрофами. К ним относятся я бактерии, участвующие в очистке сточных вод.

Потребность в кислороде и водороде для конструктивного обмена микроорганизмы удовлетворяют за счет воды и органических питательных веществ. Источниками зольных элементов (P, S, K, Mg, Fe) служат соответствующие минеральные соли. Потребность в этих элементах невелика, но присутствие в среде обязательно. Помимо того, для нормальной жизнедеятельности микробов необходимы микроэлементы - Zn, Co, Cu, Ni и др. Часть их входит в состав естественного питания микробов, часть усваивается ими из минеральных солей.

Способы получения пищи, т. е. способы питания микроорганизмов, отличаются большим разнообразием. Различают три основных способа питания: голофитное, сапрозойное, голозойное.

Голофитное питание (от греч. «голо» - целиком, «фит» - растение) совершается по типу фотосинтеза растений. Такое питание присуще только автотрофам. Среди микроорганизмов этот способ свойствен водорослям, окрашенным формам жгутиковых и некоторым бактериям.

Гетеротрофные микроорганизмы питаются либо твердыми пищевыми частицами, либо поглощают растворенные органические вещества.

Голозойное питания предопределяет развитие у микроорганизмов специальных органоидов для переваривания пищи, а у некоторых - и для ее захвата. Например, неокрашенные жгутиковые и ресничные инфузории имеют ротовое отверстие, к которому пища подгоняется соответственно жгутиками или ресничками. Наиболее высокоорганизованные инфузории образуют околоротовыми ресничками ток воды в виде воронки, направленной узким концом в рот. Пищевые частицы осаждаются на дне воронки и заглатываются инфузорией. Такие инфузории называют седиментаторами. Амебы питаются путем фагоцитоза.

Микроорганизмы с голозойным способом питания для конструктивного метаболизма используют главным образом цитоплазму других организмов - бактерий, водорослей и т. д. и имеют специальные органоиды для пищеварения. Пищеварительный процесс у простейших осуществляется в пищеварительных вакуолях.

Переваривание заключается в гидролитическом расщеплении сложных органических веществ до более простых соединений. При этом углеводы гидролизуются до простых сахаров, белки - до аминокислот, а при гидролизе липидов образуются глицерин и высшие жирные кислоты. Продукты пищеварения всасываются в цитоплазму и подвергаются дальнейшему преобразованию.

Бактерии, микроскопические грибы, дрожжи не имеют специальных органоидов для захвата пищи, и она поступает в клетку через всю поверхность. Такой способ питания называется сапрозойным.

Чтобы проникнуть в клетку, питательные вещества должны находится в растворенном состоянии и иметь соответствующий размер молекул. Для многих высокомолекулярных соединений цитоплазматическая мембрана непроницаема, а некоторые из них не могут проникнуть даже через клеточную оболочку. Однако это не означает, что высокомолекулярные соединения не используются микроорганизмами как питательные вещества. Микроорганизмы синтезируют внеклеточные пищеварительные ферменты, гидролизующие сложные соединения. Таким образом, процесс пищеварения, протекающий у простейших в вакуолях, у бактерий осуществляется вне клетки (Приложения рис. 4).

Размер молекул - не единственный фактор, обусловливающий проникновение питательных веществ в клетку.

Цитоплазматическая мембрана способна пропускать одни соединения и задерживать другие.

Известно несколько механизмов переноса веществ через мембрану клетки: простая диффузия, облегченная диффузия и Активный перенос (Приложения рис. 5).

Простая диффузия - это проникновение молекул вещества в клетку без помощи каких-либо переносчиков.

В насыщении клетки питательными веществами простая диффузия большого значения не имеет. Однако именно таким путем в клетку поступают молекулы воды. Немаловажную роль в этом процессе играет осмос - диффузия молекул растворителя через полупроницаемую перепонку в направлении более концентрированного раствора.

Роль полупроницаемой перепонки в клетке выполняет цитоплазматическая мембрана. В клеточном соке растворено огромное количество молекул разнообразных веществ, поэтому клетки микроорганизмов обладают довольно высоким осмотическим давлением. Величина его у многих микробов достигает 0,5--0,8 МПа. В окружающей среде осмотическое давление обычно ниже. Это вызывает приток воды внутрь клетки и создает в ней определенное напряжение называемое тургором.

При облегченной диффузии растворенные вещества поступают в клетку с участием специальных ферментов-переносчиков, носящих название пермеаз. Они как бы захватывают молекулы растворенных веществ и переносят их к внутренней поверхности мембраны.

Простая и облегченная диффузия представляет собой варианты пассивного транспорта веществ. Движущей силой переноса веществ в клетку в этом случае служит градиент концентраций по обе стороны мембраны. Однако большинство веществ поступает в клетку против градиента концентрации. В этом случае на такой перенос затрачивается энергия и перенос называется активным. Активный перенос протекает с участием специфических белков, сопряжен с энергетическим обменом клетки и позволяет накапливать в клетке пительные вещества в концентрации во много раз больше, чем концентрация их во внешней среде. Активный перенос - основной механизм поступления питательных веществ в клетки с сапрозойным питанием.

3. Потребность прокариот в питательных веществах

Мономеры, необходимые для построения основных клеточных компонентов, могут быть синтезированы клеткой или поступать в готовом виде из среды. Чем больше готовых соединений должен получать организм извне, тем ниже уровень его биосинтетических способностей, так как химическая организация всех свободноживущих форм одинакова.

3.1 Источники углерода

В конструктивном метаболизме основная роль принадлежит углероду, поскольку все соединения, из которых построены живые организмы, -- это соединения углерода. Их известно около миллиона. Прокариоты способны воздействовать на любое известное углеродное соединение, т. е. использовать его в своем метаболизме. В зависимости от источника углерода для конструктивного метаболизма все прокариоты делятся на две группы: автотрофы, к которым принадлежат организмы, способные синтезировать все компоненты клетки из углекислоты, и гетеротрофы, источником углерода для конструктивного метаболизма которых служат органические соединения. Понятия "авто-" и "гетеротрофия" характеризуют, таким образом, тип конструктивного метаболизма. Если автотрофия -- довольно четкое и узкое понятие, то гетеротрофия -- понятие весьма широкое и объединяет организмы, резко различающиеся своими потребностями в питательных веществах.

Наибольшая степень гетеротрофности присуща прокариотам, относящимся к облигатным внутриклеточным паразитам, т. е. организмам, которые могут жить только внутри других живых клеток. Паразитический образ жизни привел к редукции некоторых метаболических путей у этих прокариот, что и обусловило полную их зависимость от метаболизма клетки хозяина.

Другие паразитические прокариотные организмы удается выращивать на искусственных средах, но состав таких сред необычайно сложен. Они содержат, как правило, белки или продукты их неглубокого гидролиза (пептиды), полный набор витаминов, фрагменты нуклеиновых кислот и т. д. Для приготовления питательных сред такого состава используют мясные гидролизаты, цельную кровь или ее сыворотку. Формы, способные расти при создании подходящих условий вне клетки хозяина, называют факультативными паразитами.

Следующую крупную группу прокариот составляют так называемые сапрофиты -- гетеротрофные организмы, которые непосредственно от других организмов не зависят, но нуждаются в готовых органических соединениях. Они используют продукты жизнедеятельности других организмов или разлагающиеся растительные и животные ткани. К сапрофитам относится большая часть бактерий. Степень требовательности к субстрату у сапрофитов весьма различна. В эту группу входят организмы, которые могут расти только на достаточно сложных субстратах (молоко, трупы животных, гниющие растительные остатки), т. е. им нужны в качестве обязательных элементов питания углеводы, органические формы азота в виде набора аминокислот, пептидов, белков, все или часть витаминов, нуклеотиды или готовые компоненты, необходимые для синтеза последних (азотистые основания, пятиуглеродные сахара). Чтобы удовлетворить потребность этих гетеротрофов в элементах питания, их обычно культивируют на средах, содержащих мясные гидролизаты, автолизаты дрожжей, растительные экстракты, молочную сыворотку.

Есть прокариоты, требующие для роста весьма ограниченное число готовых органических соединений в основном из числа витаминов и аминокислот, которые они не в состоянии синтезировать сами, и наконец, гетеротрофы, нуждающиеся только в одном органическом источнике углерода. Им может быть какой-либо сахар, спирт, кислота или другое углеродсодержащее соединение. Описаны бактерии из рода Pseudomonas, способные использовать в качестве единственного источника углерода и энергии любое из 200 различных органических соединений, и бактерии, для которых источником углерода и энергии может служить узкий круг довольно экзотических органических веществ. Например, Bacillus fastidiosus может использовать только мочевую кислоту и продукты ее деградации, а некоторые представители рода Clostridium растут только в среде, содержащей пурины. Использовать другие органические субстраты для роста они не могут. Биосинтетические способности этих организмов развиты в такой степени, что они сами могут синтезировать все необходимые им углеродные соединения.

Особую группу гетеротрофных прокариот, обитающих в водоемах, составляют олиготрофные бактерии, способные расти при низких концентрациях в среде органических веществ. Организмы, предпочитающие высокие концентрации питательных веществ, относят к копиотрофам. Если у типичных копиотрофов оптимальные условия для роста создаются при содержании в среде питательных веществ в количестве примерно 10 г/л, то для олиготрофных организмов -- в пределах 1--15мг углерода/л. В средах с более высоким содержанием органических веществ такие бактерии, как правило, расти не могут и погибают.