Биохимические методы переработки техногенных отходов Часть 1. Биологи

Глава 1 СУЩНОСТЬ МЕТОДА БИОХИМИЧЕСКОЙ ДЕСТРУКЦИИ

ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

Для очистки промышленных сточных вод, содержащих различные виды загрязняющих веществ, наиболее эффективным

инадежным в санитарном отношении является биохимический метод их очистки. Биохимический метод основан на способности аэробных микроорганизмов, входящих в биологический консорциум, использовать в процессе своей жизнедеятельности разнообразные по химическому составу органические (спирты, фенолы, углеводороды, альдегиды, кетоны, органические кислоты и др.)

инеокисленные неорганические (например, сероводород, аммиак, нитриты) соединения, содержащиеся в сточных водах.

1.1. Механизм биохимической деструкции

Механизм деструкции микроорганизмами органических веществ, содержащихся в сточных водах, сложен и состоит из массопередачи органического вещества из жидкой среды к поверхности клетки, диффузии через полупроницаемые мембраны, метаболизма диффундированных веществ с выделением энергии

ииспользованием ее на энергетические процессы и синтез нового клеточного вещества. При расщеплении сложных органических веществ идет процесс гидролиза, с образованием продуктов, способных диффундировать через мембраны клеток.

Процесс переноса вещества в зависимости от его природы

ипоступления в клетку считается возможным в случае:

последовательного растворения органического вещества и проникновения его через клеточную стенку и цитоплазматическую мембрану, благодаря чему оно диффундирует внутрь клетки;присоединения проникшего вещества к специфическому

белку-переносчику (ферменту), находящемуся в мембране;

11

превращения комплекса вещество-переносчик в растворимое состояние и диффузии его через мембрану в клетку, где комплекс распадается и белок-переносчик высвобождается для совершения нового цикла.

Первому и второму способу переноса вещества может предшествовать его гидролиз под воздействием экзоферментов.

Прежде чем начнется процесс переноса вещества или его гидролиз, вещество должно попасть на поверхность клетки в результате сорбции. Изъятие органического вещества из жидкости микроорганизмами осуществляется в процессе сорбции поверхностью клетки с последующим превращением его в процессе метаболизма под действием внутриклеточных ферментов. За исключением начального момента оба эти процесса идут одновременно.

В биохимической очистке сточных вод активным илом процесс сорбции является необходимым этапом в потреблении органических веществ микроорганизмами.

Основную роль в биохимической очистке играют процессы превращения органического вещества, происходящие внутри клеток микроорганизмов. В результате этих превращений происходит окисление органических веществ с выделением энергии и синтез новых белковых веществ с потреблением энергии. Процесс синтеза белка идет через образование промежуточных продуктов типа углеводов, поли-ß-гидроксимасляной кислоты и др.

На всех сооружениях биохимической очистки, работающих как в аэробных, так и анаэробных условиях, механизм очистки сточных вод сводится в основном к двум процессам:

1)адсорбции загрязняющих веществ активным илом, биопленкой, септическим илом;

2)минерализации этих веществ микроорганизмами.

Первый процесс может протекать быстро (за 10–15 мин), второй – за длительное время (часы). Продолжительность десорбции зависит от условий работы сооружения, температуры, интенсивности перемешивания, подачи кислорода и других факторов [1].

12

Ведущая роль в очистке сточных вод принадлежит процессам превращения органических веществ, происходящих внутри клеток микроорганизмов. В процессе метаболизма происходит минерализация вещества с выделением энергии и синтез новых белковых веществ, происходящий с затратами энергии [1].

Процесс биохимической деструкции органических веществ активнымиломподразделяется натриосновныестадии (табл. 1.1) [1].

На первой стадии после смешения сточных вод с активным илом на его поверхности происходит быстрая адсорбция загрязняющих веществ и их коагуляция. Адсорбция обеспечивается как хемосорбцией, так и биосорбцией с помощью биополимерного геля активного ила и большой поверхности бактериальных клеток и хлопьев ила. Загрязняющие вещества на первой стадии очистки сточных вод удаляются посредством механического изъятия их активным илом из воды и биоокисления легкоразлагаемых органических веществ внутриклеточно эндоферментами микроорганизмов активного ила.

Изъятие активным илом легкоокисляемых органических веществ из сточной воды происходит с большей скоростью путем пассивного транспорта или обычного осмоса и диффузии этих веществ через полупроницаемые мембраны клетки микроорганизмов. От наличия и доли легкоокисляемой органики в очищаемых сточных водах зависит процесс продуцирования клетками активного ила полисахаридного геля и, следовательно, его седиментационные свойства.

Органические полимеры с большой молекулярной массой: полисахариды, липиды, протеины деструктируют до мономеров только с помощью ферментов гидролаз.

Разложение и усвоение сложных органических полимеров происходят в результате двух процессов: катаболизма – реакций распада, обеспечивающих энергетический обмен в клетках, и анаболизма – синтеза новой биомассы, в очистке сточных вод это прирост активного ила. Процесс катаболизма подразделяется на три фазы: образование мономеров; транспортировка мономеров в клетки; продуцирование энергии.

13

На второй стадии полной биохимической очистки продолжается биосорбция органических веществ и активное их окисление бактериями активного ила путем внеклеточной гидролитической ферментации экзоферментами. Ферменты вступают во взаимодействие только с определенным субстратом, образуя фермент-суб- стратный комплекс. После образования этого комплекса и гидролиза полимеров до мономеров последние трансформируются к поверхности клетки бактерий, а затем внутрь ее. В конце процесса фермент освобождается и способен вступать во взаимодействие с новой порцией субстрата. Эффективность очистки сточных вод обеспечивается наличием многокомпонентных ферментативных систем.

Биоценоз активного ила формируется из наиболее устойчивых к сточным водам бактериальных штаммов с соответствующими пищевыми потребностями. В активном иле присутствуют различные бактериальные популяции, способные одновременно окислять разнообразные органические вещества, содержащиеся в сточных водах.

На второй стадии биохимической очистки в результате снизившейся концентрации загрязняющих веществ начинается восстановление активного ила, которое было подавлено к концу первой стадии. Скорость потребления кислорода на этой стадии меньше, по сравнению с началом процесса, и в воде накапливается растворенный кислород.

На третьей стадии очистки происходит окисление трудноокисляемых соединений, превращение азота аммонийных солей в нитриты и нитраты, регенерация активного ила. В зависимости от содержания в очищаемых водах органических веществ на этой стадии очистки скорость потребления кислорода может снизиться или стабилизироваться. Наступает фаза эндогенного дыхания, т.е. минимальной потребности в кислороде, которая значительно сокращается при голодании активного ила.

Эффективность биохимической очистки зависит от характеристик поступающих сточных вод, условий ведения технологического процесса, обеспечивающего последовательность прохождения трех стадий биохимической очистки.

15

1.2. Естественное самоочищение водного объекта

Биохимическая очистка сточных вод основана на естествен-

ном, или биологическом самоочищении (восстановление свойств водного объекта после спуска в него загрязняющих веществ), протекающем в природных водоемах. Механизм этого процесса в настоящее время до конца не изучен. Процесс самоочищения следует рассматривать как часть общих процессов круговорота веществ и превращения энергии, без которых жизнь в биосфере была бы невозможна. Процесс самоочищения следует рассматривать как часть общего природного процесса трансформации вещества и энергии, при котором происходит деструкция органического вещества до конечных соединений и включение их в круговорот вещества и передача энергии в биосфере.

Процесс биологического самоочищения является сложным комплексным процессом, в котором главная роль принадлежит живым организмам, а также физическим и химическим факторам. К физическим факторам в естественных водоемах относится осаждение на его дно взвешенных веществ, где протекают начальные стадии деструкции органических веществ. Перемешивание, или турбулентность, воды в естественных водоемах способствует разбавлению попавших в него неочищенных или недоочи-

обусловливающим темпы жизнедеятельности организмов, является температура, значение которой не должно превышать 30 °С, более высокая температура может вызвать снижение скорости обмена веществ и процесса самоочищения. Температура влияет на вязкость воды, что сказывается на скорости осаждения взвешенных веществ и растворения газов, особенно кислорода. В естественных водоемах свет является главным фактором, определяющим процесс фотосинтеза в зеленых растениях водоема. Кислород, выделяющийся в световой стадии фотосинтеза, способствует развитию всех аэробных организмов на промежуточных и заключительной фазах процесса самоочищения.

16

Из химических факторов главная роль принадлежит кислороду, который не только обусловливает развитие аэробных организмов, но и непосредственно участвует в процессе окисления веществ.

В процессах деструкции органических веществ и дыхании живых организмов образующийся диоксид углерода необходим для зеленых растений, использующих его в процессе фотосинтеза. В больших количествах диоксид углерода токсичен для живых организмов водного объекта. Токсическое действие оказывают на биоту газообразные продукты распада – сероводород, метан и вещества, накапливающиеся в больших количествах в течение первой, анаэробной фазы. В естественных водоемах вследствие этого возникает так называемая мертвая зона. Однако вышеперечисленные токсичные соединения могут использоваться различными видами бактерий.

Суть процесса самоочищения сводится к постепенной минерализации поступающих в водный объект органических веществ до стабильных элементарных соединений.

Под естественным, или автохтонным, загрязнением подразумевается поступление в водоем органических веществ – продуктов жизнедеятельности населяющих его организмов и постепенного их распада. Биогенные элементы, образующиеся в процессе минерализации органических веществ, вступают в круговорот веществ данного водоема и служат для построения тела новых живых организмов.

1.3. Искусственное загрязнение водоемов

Искусственное, или аллохтонное, загрязнение происходит в результате сброса в водный объект органических веществ, содержащихся в хозяйственно-бытовых и промышленных сточных водах.

Хозяйственно-бытовые сточные воды – загрязнения, близкие по своему составу к продуктам естественного самоочищения и легко подвергающиеся деструкции как в водоеме, так и на ис-

17

кусственных биологических очистных сооружениях. В этом процессе различают три последовательные фазы:

первая – преобладают редукционные (восстановительные) процессы в строго анаэробных условиях, ведущую роль в которых играют анаэробные микроорганизмы;

вторая – промежуточная или окислительно-восстановитель- ная: редукционные процессы постепенно заменяются окислительными за счет поступающего кислорода. В этой фазе развиваются аэробные бактерии, разлагающие органические вещества нередко до двуокиси углерода воды, а белки – до аммонийных соединений. Кроме бактерий в этой фазе присутствует много гидробионтов;

третья – окислительная, аэробная, содержание кислорода близко к насыщению и даже выше его. В этой фазе происходит полная деструкция органических соединений до минеральных веществ. Азотистые органические соединения минерализуются до нитритов и нитратов, что свидетельствуют об интенсивно идущем процессе нитрификации, который служит показателем степени очистки сточных вод. В процессе самоочищения участвуют в той или иной степени все виды организмов, населяющих водоемы или биологические очистные сооружения.

В процессе искусственного самоочищения большую роль играют не только биологические, но и физические и химические факторы. В очистных сооружениях перемешивание сточных вод создает равномерное их распределение и ускоряет процесс очистки. Турбулентность потока в аэротенке вызывает распад хлопьев активного ила на меньшие, что приводит к быстрому обновлению поверхности раздела между микроорганизмами и окружающей средой; обеспечивает увеличение скорости поступления питательных веществ и кислорода; способствует оттоку продуктов метаболизма и ускорению процесса очистки.

На жизнеспособность микроорганизмов активного ила существенное влияние оказывает снабжение его кислородом. Величина растворенного кислорода зависит от размеров хлопьев активного ила и поддерживается в пределах 1–2 мг/дм3. Низкие концентра-

18

ции растворенного кислорода снижают скорость деструкции органических соединений микрофлорой активного ила.

Для большинства микроорганизмов активного ила оптимальная температура составляет 20–30 °С.

На эффективное действие активного ила влияет реакция среды в интервале значений рН от 6,5 до 8,0. При изменении пределов реакции среды ферментативные процессы, протекающие в бактериальной клетке, резко снижаются. Кроме реакции среды активность ферментов зависит от содержания солей тяжелых металлов и токсичных органических веществ. Они не только оказывают негативное влияние на процесс самоочищения в биореакторе, но и вызывают полную гибель микрофлоры активного ила. Концентрация тяжелых металлов в результате биохимической очистки может снизиться на 75 %, что является следствием сорбции их активным илом.

На процесс очистки сточных вод в аэротенках оказывает влияние повышенная минерализация. Верхним пределом содержания солей в сточных водах является их концентрация 10 г/дм3. В случае минерализации сточных вод, вызванной поступлением в них хлоридов, их содержание может достигать 20 г/дм3. Качество очистки сточных вод резко снижается при концентрации хлоридов 30 г/дм3. Исключение составляет хлористый магний, содержание которого, как наиболее токсичного, не должно превышать в смеси 10 г/дм3. Высокие концентрации солей в сточных водах приводят к выделению органического вещества из клеток микроорганизмов активного ила, ухудшению его флокуляции и нарушению окислительных процессов. В очищенной воде повышается содержание взвешенных веществ.

При очистке высокоминерализованных сточных вод необходимо использовать предварительно адаптированный к повышенным концентрациям солей активный ил.

Токсическое действие на активный ил оказывают и некоторые органические вещества в концентрациях, превышающих ПДК. При их содержании ниже предельных величин они исполь-

19

зуются бактериями в качестве источников углерода и энергии. Процесс биохимической очистки может тормозиться целым рядом органических веществ – ингибиторов, некоторые из которых могут обладать эффектом суммации. Эти вещества оказывают влияние на скорость ферментативных биохимических процессов, протекающих в бактериальной клетке. В случае совместного воздействия ингибиторов на различные биохимические реакции определяющим является ингибитор, который будет тормозить самую медленную реакцию в цепи биохимических процессов, протекающих в клетке.

В зависимости от вида и концентрации вещества процесс адаптации к нему микрофлоры активного ила может иметь различную продолжительность. В процессе адаптации выделяют следующие фазы:

1)скрытую фазу продолжительностью 1–2 суток, в которой состав микроорганизмов активного ила и эффективность очистки, несмотря на поступление токсических веществ, не изменяются;

2)фазу резкого снижения эффекта очистки, в которой про-

исходят изменения состава биоценоза активного ила;

3)фазу возрастания эффективности очистки, в которой происходит адаптация микрофлоры активного ила к новым веществам;

4)окончательную стабилизацию эффекта очистки и состава микрофлоры активного ила.

1.4. Зоны сапробности

На каждой ступени биологического самоочищения развивается свой биоценоз микроорганизмов, существующий при определенных физико-химических условиях, от которых зависит степень очистки воды. По состоянию биоценоза микрофлоры дается оценка степени биологической очистки вод и осуществляется контроль работы очистного сооружения.

Биологический метод оценки степени самоочищения природных и сточных вод был предложен немецкими исследовате-

20