Введение

Биологическая очистка сточных вод в узле аэрационных сооружений, включающем аэротенк и вторичный отстойник определяется интенсивностью аэрации, температурой при оптимальном режиме – времени процесса.

В настоящее время аэротенки-нитрификаторы используются повсеместно при очистке как хозяйственно-бытовых так и производственных сточных вод, содержащих повышенное БПК (биохимическая потребность кислорода) в результате наличия в стоках различных классов органических веществ. Немало важную роль выполняют вторичные отстойники в которых осуществляется разделение активного ила от очищенных по БПК стоков. Время процесса аэробного окисления (нитрификации), интенсивность аэрации, современные системы аэрационного оборудования и время осветления во вторичных отстойниках не только определяют эффективность очистки по БПК, но и существенно влияют образование в аноксидных зонах ряда газообразных веществ часть из которых переходит в очищенные стоки, ухудшая показатели очищенной воды. С поверхности аэротенков-нитрификаторов и вторичных отстойников выделяются метан, аммиак, сероводород, этилмеркаптан, фенол, формальдегид, углеводороды С₆ – С₁₀ и С₁₂ – С₁₉, азота диоксид, азота оксид. Причем по ряду веществ выбросы из вторичных отстойников превосходят выбросы из аэротенков, что определяется повышенным временем пребывания ила в аноксидной зоне.

Интенсивная аэрация приводит к значительному выбросу аэрозолей из аэротенка, которые характерны и для относительно спокойной поверхности вторичного отстойника. Аэрозоли по своему составу аналогичны сточной воде и содержат очень большое количество бактерий и вирусов. Характеристики микробного загрязнения аэрозольных выбросов в настоящее время практически не изучены. Практически отсутствуют сведения о загрязнении окружающей среды и рабочей зоны микробными выбросами.

Эффективная очистка сточных вод в узле биохимической очистки при оптимизации времени процесса, минимальном выбросе микробных клеток и газообразных веществ и при установлении оптимальной зоны загрязнения аэротенка и вторичного отстойника возможна при разработке математической модели работы этих сооружений.

1 Обзор литературы

1.1 Биохимические процессы очистки хозяйственно-бытовых сточных вод в аэробных условия

Известно, что процесс биологической очистки основан на способности микроорганизмов использовать растворенные органические вещества сточных вод для питания в процессе жизнедеятельности. В результате окисления органических веществ образуется вода, диоксид углерода, нитрит, нитрат и сульфат- ионы, часть идет на образование биомассы [1].

Установлено, что процесс разрушения сложных органических соединений бактериями происходит в определенной последовательности и в присутствии катализаторов этих реакций – ферментов, которые выделяются клетками бактерий. Ферменты – сложные белковые соединения (молекулярная масса достигает сотен тысяч и миллионов), ускоряющие биохимические реакции. Ферменты бывают одно- и двухкомпонентные. Двухкомпонентные ферменты состоят из белковой (апофермент) и небелковой (кофермент) части. Каталитической активностью обладает кофермент, а белковый носитель увеличивает его активность [2].

Различают ферменты:

• эндоферменты – локализуются в цитоплазме клеток;

• экзоферменты – выделяются в окружающую среду.

Особенность ферментов состоит в том, что каждый из них катализирует только одно из многих превращений. Существуют шесть основных ферментных классов: оксиредуктазы, трансферазы, гидралазы, лиазы, изомеразыилигазы. Для разрушений сложной смеси органических веществ необходимо 80-100 различных ферментов, каждый из них имеет свою оптимальную температуру, выше которой скорость реакции падает [3]. Бактерии обладают специфичным набором ферментов и поэтому для окисления органических веществ широкого класса требуется широкий спектр бактерий.

Процесс биологического окисления состоит из множества ступеней и начинается с расщепления органического вещества с выделением активного водорода. В этом процессе особую роль играют ферменты класса оксиредуктазы: дегидрогеназы (отнимающие водород от субстрата), каталазы (расщепляющие перекись водорода) и пероксидазы (использующие активированную перекись для окисления других органических соединений)[15].

Существуют вещества, которые повышают активность ферментов – активаторы (катионы Ca2+, Mg2+, Mn2+), и ингибиторы, оказывающие противоположное действие (например, соли тяжелых металлов, антибиотики)[16].

Ферменты, которые постоянно присутствуют в клетках, независимо от субстрата, называются конститутивными. Ферменты, которые синтезируются клетками в ответ на изменение внешней среды, называются адаптивными. Срок адаптации составляет от нескольких часов до сотен дней [4].

Суммарные реакции биохимического окисления в аэробных условиях можно схематично представить в следующем виде [5].:

,	(1.1)
	(1.2)
	(1.3)

где – все органические вещества сточных вод; – условная формула клеточного вещества бактерий; ΔH – энергия [5].

Своими словами Реакции (1.1) и (1.2) показывают процесс биологической очистки от исходных загрязнений состава . Реакция 1.1 – окисление вещества на энергетические потребности клетки, реакция 1.2 –синтез биомассы . Затраты кислорода на эти две реакции соответствуют БПК_полн сточной воды.

Реакции (1.1) и (1.2) осуществляют организмы, которые используют для питания органические вещества. Когда вода очищена и внешний источник органического углерода исчерпан, наступают благоприятные условия для развития культур организмы, которые способны самостоятельно синтезировать органические вещества. В реакции 1.3 происходит окисление аммонийного азота сначала до нитритного, а затем и до нитратного. При наличии в воде достаточной концентрации растворенного кислорода в среде развиваются автотрофы –нитрификаторы [5].

Легко окисляются бензойная кислота, этиловый и амиловый спирты, гликоли, глицерин, анилин, сложные эфиры. Плохо окисляются нитросоединения, «жесткие» ПАВ, трехатомные спирты. Наличие функциональных групп увеличивает способность к биологическому разрушению соединений в такой последовательности:

—CH₃; —OOCCH₃; —CHO; —CH₂OH; —CHOH; —COOH; —CN;

—NH₂; —OHCOOH; — SO₃H.

Окисление углеводов описывается сложной схемой :

C₆H₁₂O₆ C₃H₄O₃ CH₃–CO–S–КоА→ ЦТК→ CO₂ + H₂O,

где CH₃–CO–S–КоА– ацетил-КоА;

ЦТК – цикл трикарбоновых кислот, состоящий из последовательности реакций, катализируемых 10 ферментами.

Процесс окисления углеводородов происходит следующим образом:

CH₃(CH₂)_nCH₃ CH₃(CH₂)_nCH₂OH → CH₃(CH₂)_nCHO→

→ CH₃(CH₂)_nCOOH→ β–Окисление → Ацетил–КоА → ЦТК.

В процессе окисления углеводородов бактерии получают углеродное питание и развивают биомассу клетки. Сточная вода, представляющая многокомпонентный субстрат органических веществ, аэробно очищается от всех компонентов многовидовым составом бактериальных культур. Установлено, что специфика аэробных процессов заключается в развитии гетерогенных популяций бактерий и микроорганизмов, потребляющих много компонентный субстрат органических веществ.

Нитрифицирующие бактерии окисляют азот аммонийных соединений сначала до нитритов, а потом до нитратов. Нитрификация и является конечной стадией минерализации азотсодержащих органических веществ (реакция 1.3). Присутствие нитрат-ионов в очищенной воде является одним из показателей полноты очистки сточных вод.