Биохимические методы переработки техногенных отходов Часть 1. Биологи

На процесс флокулообразования влияет состав очищаемых вод, баланс присутствующих в них основных питательных веществ, соотношение органических веществ и биогенных элементов в сточных водах, необходимое количество и оптимальное соотношение которых – обязательное условие удовлетворительного функционирования и хорошей осаждаемости активного ила.

Идеальным субстратом для роста и развития гетеротрофных бактерий являются хозяйственно-бытовые сточные воды, содержание основных питательных веществ в которых характеризуется отношением БПК5 : N : Р = 100 : 17 : 5 [1].

Согласно СНиП 2.04.03–85, для смешанного состава хозяйст- венно-бытовых и промышленных сточных вод содержание органических и основных биогенных элементов должно составлять

БПК5 : N : Р = 100 : 5 : 1.

Для построения белка бактериальными клетками активного ила дополнительно требуются серо-, железосодержащие соединения и микроэлементы.

Биотические факторы, оказывающие влияние на развитие активного ила, определяются прежде всего особенностями традиционной технологической схемы биохимической очистки сточных вод. В аэротенк поступают со сточными водами различные виды почвенных, кишечных, водных и патогенных бактерий, разнообразные простейшие, многоклеточные организмы, их яйца, цисты, служащие постоянным смешанным материалом для формирования хлопьев активного ила. Не все организмы, поступающие со сточными водами, приспосабливаются к условиям аэротенка. Большинство аллохтонных организмов погибает, часть организмов инцистируется и сохраняется в иле до появления благоприятных экологических условий, способствующих их развитию.

На формирование сложного биоценоза активного ила оказы-

в аэротенк с рециркулирующим активным илом. Организмы, которые сумели приспособиться к экологическим условиям аэро-

121

тенка при удовлетворительном режиме эксплуатации, сохраняются в биоценозе. Постоянная рециркуляция активного ила увеличивает время пребывания его в системе и способствует микроорганизмам адаптироваться к сложному составу поступающих сточных вод.

Перемешивание сточных вод в результате непрерывной подачи воздуха в иловую смесь обеспечивает равномерное распределение смешанной популяции организмов в занимаемом пространстве и повышает ее жизнедеятельность с высокой плотностью. Искусственные условия существования микрофлоры активного ила в аэротенке определяют процесс биохимической очистки и формируют определенное качество очищаемых сточных вод.

Наиболее важными характеристиками активного ила, которые обеспечивают качество биохимической очистки сточных вод и свойств осадка, являются способность его к хлопьеобразованию, осаждаемости, снижению влажности осадка. При нормальном процессе очистки сточных вод хлопья активного ила имеют среднюю плотность 1,1–1,37 г/см3 и размер от 53 до 212 мкм. Рост бактерий в хлопьях значительно превышает рост диспергированных бактерий, так как питательные вещества адсорбируются хлопьями, и в них создаются благоприятные трофические условия. Крупные и компактные хлопья активного ила хорошо осаждаются во вторичных отстойниках, увлекая за собой мелкие дисперсные хлопья, недоокисленные загрязняющие вещества, что способствует улучшению органолептических свойств очищенных сточных вод. Процесс флокуляции (слипание хлопьев) активного ила определяет качество очищенных сточных вод.

Сформировавшиеся флокулированные хлопья активного ила способны идентифицировать следующие процессы:

сорбцию загрязняющих веществ на поверхности хлопьев за счет увеличения их массы;

биохимическую деструкцию загрязняющих веществ в результате повышения биомассы флокулообразующих, наиболее

122

биохимически активных микроорганизмов и снижения биомассы аллохтонных и патогенных бактерий;

нитрификацию за счет снижения потерь нитрификаторов

врезультате сокращения выноса ила из вторичных отстойников;

сохранение активного ила в системе;

снижение мутности в результате развития простейших, связанных с хлопьями.

Процесс образования хлопьев и их последующей агрегации (укрупнение, от греч. agregatus – комок) зависит от нескольких наиболее важных причин:

1) удовлетворительного продуцирования флокулообразующими бактериями биополимерного геля;

2) поддержания достаточного возраста активного ила (старше ил – крупнее хлопья);

3) удовлетворительного перемешивания ила и снабжения его растворенным кислородом;

4) допустимого количества токсикантов и их сочетания

всточных водах;

5)незначительного количества в активном иле нитчатых или пенообразующих микроорганизмов.

При контакте с загрязняющими веществами клетки гетеротрофных бактерий способны образовывать слизисто-тягучий биополимерный гель (вязкий коллоидный раствор, от греч. kolla – клей). Биополимерный гель активного ила имеет высокую молекулярную массу (более 10 000 атомных единиц массы), по химическому составу он представлен аминокислотами и полисахаридами, включающими глюкозу, галактозу, аминосахара. В состав биополимерного геля кроме гликопротеидов (сложных комплексов сахаров и белков) входят экзоферменты клеток активного ила, полипептида, клетчатка и др. К полисахаридопродуцирующим бактериям активного ила относятся роды Zoogloea, Pseudomonas,

Aeromonas, Acinetobacter, Micrococcus, Paracoccus.

Секреция биополимерного геля в окружающую среду осуществляется после предварительного внутреннего синтеза полимеров.

123

Гель защищает хлопья активного ила от неблагоприятного воздействия сточных вод, способствует флокуляции хлопьев между собой, играет доминирующую роль в обеспечении сорбции загрязняющих веществ и их трансформации внутрь микробных клеток.

Биофлокуляция у бактерий связана с внутриклеточным накоплением поли-ß-гидроксимасляной кислоты (РНВ), которое стимулируется наличием в среде углеводов и пептидов.

На практике для характеристики содержания таких веществ в сточных водах можно использовать значения растворенных органических веществ по показателю ХПК в фильтрованной пробе. Чем выше полученные значения ХПК, тем благоприятнее сточные воды для процесса хлопьеобразования. Значение ХПК обычно составляет не менее чем одну четвертую часть от ХПК в натуральной пробе.

По полученным значениям ХПК в фильтрованной пробе с определенной долей вероятности можно предположить эффективность хлопьеобразования у активного ила в аэротенке. Осветленные сточные воды с содержанием легкодеструктируемых органических веществ, ХПК которых ниже чем 50 мг/дм3, являются неблагоприятными для процесса хлопьеобразования. Вероятность этого процесса возрастает с увеличением ХПК в сточных водах до 70–200 мг/дм3. Если в фильтрованных сточных водах присутствуют незначительное количество трудноокисляемых, инертных к биохимической деструкции веществ (например, бензапирен), то их количественное содержание показателем ХПК практически не регистрируется.

При значительном содержании этих веществ в сточных водах их можно определить по значительной разнице между показателями БПК и ХПК (по низким значениям БПК и высокому содержанию ХПК в фильтрованной пробе) в сточных водах после полной биохимической очистки.

В результате накопления внутри клетки РНВ и гелеобразования активный ил приобретает новые свойства:

124

1)защищает организмы от неблагоприятного воздействия загрязняющих веществ – выедания бактерий консументами последующего трофического звена;

2)сохраняет массу активного ила в системе, способствуя его

отделению от очищенной воды во вторичных отстойниках; 3) интенсифицирует процесс сорбции загрязняющих веществ

активным илом на первых стадиях очистки.

Все показатели удовлетворительного состояния активного ила и эффективность биохимической деструкции веществ в сточных водах зависят от процессов хлопьеобразования и седиментации. Биополимерный гель играет роль, схожую с ролью иммунной системы у позвоночных животных [1].

Благоприятный процесс гелеобразования зависит от продолжительности биохимической очистки и процесса эндогенного дыхания, который завершает процесс полной биохимической очистки, протекающей в несколько стадий. В результате продолжительности стадии эндогенного дыхания активный ил испытывает голодание, происходит истощение внутриклеточной РНВ и активный ил начинает использовать органические вещества из биополимерного геля, что приводит к снижению процесса гелеобразования и измельчению его хлопьев. Этот процесс происходит на сооружениях, имеющих низкую нагрузку, в которых имеются трудноокисляемые и инертные к биодеструкции загрязняющих веществ в очищаемых сточных водах, а стадия регенерации избыточного ила продолжительна, в результате этого инертные вещества не окисляются и активный ил испытывает голодание.

Процесс хлопьеобразования активного ила зависит от достаточного количества кислорода, что должно обеспечиваться постоянным его перемешиванием. Чем старше ил и крупнее его хлопья, тем больше накапливается в них метаболитов и тем интенсивнее должно осуществляться перемешивание. При недостаточном снабжении активного ила кислородом хлопья его могут разрушаться накопленными внутри газами. Недостаток кислорода способствует увеличению прироста ила, его омолаживанию и измельчению хлопьев, что приводит к необходимости его частой отгрузки.

125

Нарушения процессов хлопьеобразования и седиментации в экосистеме активного ила связаны с абиотическими факторами и подразделяются на шесть наиболее распространенных форм [2] (табл. 5.4).

Таблица 5.4

Нарушения процессов хлопьеобразования и седиментации в экосистеме активного ила

5.5. Сущность процесса биохимической деструкции органических веществ в аэротенках

Процесс биохимического окисления органических веществ, присутствующих в сточных водах, поступающих в аэротенк, рассматривается как многостадийный, последовательный и мультибактериальный.

Механизм взаимодействия органических веществ, содержащихся в сточных водах, с микрофлорой активного ила основывается на процессах: адсорбции взвешенных и коллоидных веществ на поверхности хлопьев; осмоса растворенных деструктируемых

127

соединений организмами активного ила; аккумуляции низкомолекулярных органических веществ и биодеструктируемых соединений и ассимиляции их активным илом; сорбции высокомолекулярных растворимых органических веществ и последующей их деструкции в процессе гидролиза и сорбции веществ, инертных к биодеградации (металлы, пестициды, органические полютанты), и накопления их в активном иле.

Процесс биохимической деструкции загрязняющих веществ имеет три основные стадии.

Первая стадия начинается сразу после смешения сточных вод

сактивным илом, на поверхности которого происходит быстрая адсорбция загрязняющих веществ и их коагуляция. Процесс адсорбции обеспечивается как хемосорбцией, так и биосорбцией

спомощью биополимерного геля активного ила. На первой стадии очистки идет процесс механического изъятия легкоразлагающихся органических веществ эндоферментами активным илом (внутриклеточно). Этот процесс происходит с большой скоростью путем пассивной транспортировки легкоокисляемых веществ или в результате осмоса и диффузии через полупроницаемые мембраны клеток микроорганизмов. Присутствие легкоокисляемых веществ в очищаемых сточных водах определяет продуцирование микрофлорой активного ила полисахаридного геля, что способствует улучшению его седиментационных свойств.

Значительное содержание загрязняющих веществ на первой стадии их очистки способствует практически полному потреблению кислорода в зонах непосредственного поступления сточных вод в аэротенк. За 0,1–1,0 ч контакта с очищаемыми сточными

водами содержание органических веществ по БПК5 снижается на

50–60 %.

Сложные органические вещества проникают в бактериальную клетку в результате предварительного гидролиза путем активного переноса ионов внутрь клетки против градиента концентрации с использованием энергии дыхания. Молекулы органических полимеров с большой молекулярной массой (полисахариды,

128

липиды, протеины) не способны свободно проникать через клеточные мембраны. Их деструкция до мономеров обеспечивается ферментами гидролазами.

Разложение и усвоение сложных органических полимеров происходит благодаря двум процессам: катаболизму – реакции распада, обеспечивающего энергетический обмен в клетках, и анаболизму – синтезу новой биомассы, который в очистке сточных вод принято обозначать как прирост активного ила. Процесс катаболизма имеет три фазы: образование мономеров; транспортировка мономеров в клетки; фаза продуцирования энергии.

На второй стадии полной биохимической очистки продолжается биосорбция загрязняющих веществ, идет их активное окисление экзоферментами, способными катализировать реакции превращения органических веществ путем внеклеточной гидролитической ферментации.

Ферменты, выделяемые микрофлорой активного ила, вступают во взаимодействие с субстратом, образуя фермент-субстрат- ный комплекс. После образования этого комплекса и гидролиза полимеров до мономеров, последние трансформируются к поверхности клетки бактерий и затем внутрь ее. В конце процесса фермент вступает вновь во взаимодействие с субстратом, что может происходить многократно, если отсутствуют факторы, повреждающие фермент (рН, токсиканты, ингибирующая температура).

Биоценоз активного ила в процессе очистки сточных вод формируется из наиболее устойчивых к данному виду их бактериальных штаммов с соответствующими трофическими потребностями. Эффективность очистки обеспечивается наличием многокомпонентных ферментативных систем и присутствием в активном иле различных бактериальных популяций, способных одновременно окислять разнообразные субстраты.

Врезультате снижения концентрации загрязняющих веществ

впроцессе очистки сточных вод на второй стадии начинает восстанавливаться активность ила, которая была подавлена к концу первой стадии. Скорость потребления кислорода на второй стадии

129

меньше, чем в начале процесса очистки, и в жидкости накапливается кислород. Продолжительность второй стадии составляет от 2 до 4 ч, а эффективность очистки по БПК5 равна 75 %.

На третьей стадии биохимического окисления происходит деструкция сложных соединений, превращение аммонийного азота в нитриты и нитраты, регенерация активного ила.

В зависимости от содержания органических веществ в очищаемой жидкости скорость потребления растворенного кислорода незначительно снижается или стабилизируется. Наступает фаза эндогенного дыхания (минимальной потребности в кислороде), которая еще более сокращается при голодании активного ила.

Фаза эндогенного дыхания определяется окислительной мощностью аэротенков, величиной трофической нагрузки, возрастом активного ила. Продлению фазы эндогенного дыхания и благоприятным условиям ее протекания способствует увеличение возраста активного ила, времени его пребывания в сооружении, снижение удельной нагрузки на него, что улучшает процессы гелеобразования и флокуляции активного ила.

На процесс ферментативного окисления и фазу эндогенного дыхания сильно влияют внезапное увеличение нагрузки на активный ил, присутствие токсических веществ в поступающих на очистку сточных водах.

Общая продолжительность процесса очистки в аэротенках составляет для бытовых вод 6–8 ч, при совместной очистке бытовых и производственных сточных вод она увеличивается до 10–20 ч и более. Продолжительность третьей стадии составляет от 4 до 6 ч при очистке бытовых сточных вод. При очистке промышленных сточных вод сложного состава продолжительность третьей стадии очистки увеличивается до 15 ч и более.

Процесс флокуляции активного ила и, следовательно, эффективность очистки зависит от физико-химических характеристик поступающих на очистку сточных вод, условий ведения технологического процесса, обеспечивающих нормальное протекание трех стадий биохимической очистки.

130