Микробиология и основы биотехнологии

9.5. Факторы, влияющие на деструкцию органических веществ

Скорость биохимического окисления и одинаковая степень очистки в первую очередь зависят от количества (концентрации активного ила) и видового состава микроорганизмов в аэротенке и условий их обитания. Видовой состав микрофлоры активного ила почти не отличается при очистке различных производственных и сточных вод. Количество микроорганизмов, содержащееся в активном иле, обратно пропорционально продолжительности очистки [23]. Доза активного ила в аэрационных сооружениях может быть увеличена в 10 раз и более вместо принятой в настоящее время в практике эксплуатации биохимических сооружений (2–3 г/дм3). Проблема заключается в таком конструктивном оформлении процесса, который позволил бы удержать высокую дозу активного ила во вторичных отстойниках. На концентрацию активного ила может оказать влияние иловый индекс, чем меньше его величина, тем большую дозу активного ила можно поддерживать в аэротенках. Для производственных сточных вод рекомендуются следующие оптимальные дозы ила в зависимости от илового индекса (при концентрации ила 1 г/дм3) [23]:

Однако при высоких концентрациях биомассы не сохраняется прямая пропорция между дозой ила и скоростью потребления органических веществ микрофлорой. С повышением начальной дозы активного ила интенсивность потребления уменьшается. Потребление веществ микрофлорой в процессе очистки происходит очень быстро, в то время как приток новых порций вещества осуществляется медленнее. В результате этого вокруг отдельных бактериальных клеток возникают микрозоны с неблагоприятными условиями обитания.

Для устранения микрозон необходимо обеспечить интенсивную турбулентность потока в аэротенке. Турбулентность потока вызывает распад хлопьев активного ила на мелкие колонии микробов, что приводит к быстрому обновлению поверхности раздела между микрофлорой и окружающей средой. В результате этого происходит увеличение скорости поступления питательных веществ и кислорода к микроорганизмам, а также отток метаболитов, что в конечном итоге повышает ско-

171

рость очистки. По данным У. Бойла и Дж. Ролиха, в результате тщательного перемешивания сточных вод с активным илом можно повысить эффективность снижения БПК с 88 до 96 % или, не ухудшая качества очистки, сократить период аэрации с 8,2–10,6 до 4,6 ч [23].

Повышение интенсивности перемешивания и увеличение турбулентности потока приводит к исчезновению в активном иле свободно плавающих простейших и создает благоприятные условия для массового развития цилиндрических бактерий и мелких зооглейных форм. Активный ил при этом имеет самую высокую биохимическую активность. При относительно слабом перемешивании в активном иле появляются нитча- тые бактерии и Sarcina. Активный ил с преобладанием этих видов бактерий слабо окисляет органические вещества.

Одним из основных факторов, влияющих на жизнедеятельность активного ила, является снабжение его кислородом, скорость растворения которого должна быть равна скорости его потребления микроорганизмами. Недостаточное содержание кислорода в сооружении приводит к нарушению обмена веществ в бактериальной клетке, снижению скорости биодеструкции загрязнений и сказывается на степени их переработки. Скорость потребления кислорода активным илом практически не зависит от концентрации растворенного кислорода до тех пор, пока последняя остается выше некоторой критической величины. Критическая концентрация кислорода колеблется в зависимости от размера хлопьев активного ила и не превышает обычно 1–2 мг/дм3. Недостаток кислорода

âпроцессе биохимической очистки сточных вод сказывается на нехватке

âних биогенных элементов, отсутствие или недостаток которых приводит к ухудшению физических и биохимических свойств активного ила и приводит к торможению процесса биохимического окисления углеродсодержащих веществ. Чем выше доза активного ила, тем дольше система может выдержать отсутствие биогенных элементов.

Искусственная добавка биогенных элементов будет стимулировать процесс роста бактерий и окисление углеродсодержащих веществ. Чем выше доза активного ила, тем дольше система может выдержать отсутствие биогенных элементов. Недостаток азота вызывает торможение биохимического процесса и приводит к образованию труднооседающего активного ила. При недостатке в сточных водах фосфора в активном иле преобладают нитчатые формы бактерий, в результате активный ил плохо оседает, замедляется его рост, снижается интенсивность окисления органических веществ. Для ориентировочных расчетов необходимого коли-

172

чества биогенных элементов (азота и фосфора) используют следующее соотношение БПК:N:P = 100:5:1. Наиболее дешевый источник биогенных элементов — бытовые сточные воды [24].

Температура среды является важным фактором, от которого в зна- чительной степени зависит жизнедеятельность микроорганизмов активного ила. При температуре 37–40 °С повышается ферментативная активность бактериальных клеток активного ила и увеличивается на 60 % окислительная мощность, по сравнению с достигаемой при температуре 20 °С [36].

Для большинства видов микроорганизмов активного ила оптимальная температура составляет 20–30 °С. Адаптацию микроорганизмов активного ила к более высоким температурам необходимо проводить постепенно, увеличивая ее на 2 °С через 2–3 недели. При быстром увеличе- нии температуры происходит сокращение видового состава, изменение структуры и формы зооглей. Низкие температуры понижают скорость очистки, затормаживают процесс акклиматизации микрофлоры активного ила к новым условиям, что способствует увеличению содержания беззольного вещества активного ила, ухудшению процесса флокуляции, повышению илового индекса и выносу взвешенных веществ из вторичных отстойников.

На процесс очистки оказывает влияние реакция среды рН. Эффективное действие активного ила на процесс биохимической очистки сточных вод происходит в интервале значений рН = 6,5–8,0. Изменение реакции среды от перечисленных оптимальных значений отрицательно влияет на ферментативные процессы, протекающие в бактериальной клетке.

Активный ил способен к авторегулированию величины рН. Эта способность активного ила снижается при значениях рН ниже 4–5 и выше 9.

Действие тяжелых металлов, хлоридов и токсичных органических веществ оказывает ингибирующее влияние на активность ферментов. Ионы тяжелых металлов аккумулируются активным илом и образуют комплексы с его белком. В результате происходит снижение скорости биохимической очистки, вспухание активного ила в результате интенсивного развития нитчатых форм бактерий. По степени токсичности тяжелые металлы располагаются в следующем порядке:

Sb Ag Cu Hg Co Ni Pb Cr3+ V Cd Zn Fe.

173

Степень влияния различных ингибиторов зависит от величины рН, температуры, вида сопутствующих загрязнений, скорости адаптации активного ила и др.

В процессе биохимической очистки происходит снижение содержания тяжелых металлов в результате их сорбции активным илом и последующего удаления с его избытком.

Некоторые органические вещества могут оказаться токсичными для микрофлоры активного ила. Их токсическое действие проявляется при значительно более высоких концентрациях, чем солей тяжелых металлов. В зависимости от природы вещества и его концентрации в процессе адаптации к ним активного ила выделяют следующие фазы:

1.Первая — скрытая фаза продолжительностью от 1 до 2 суток, когда эффективность очистки и состав микрофлоры, несмотря на поступление токсических веществ, не изменяются.

2.Вторая — фаза резкого снижения эффекта очистки и существенного изменения состава простейших организмов активного ила.

3.Третья — фаза возрастания эффективности очистки в результате адаптации микроорганизмов к новым веществам.

4.Четвертая — фаза окончательной стабилизации эффекта очистки

èсостава микрофлоры активного ила.

Повышенная минерализация сточных вод оказывает отрицательное воздействие на процесс очистки сточных вод. Содержание солей, поступающих в аэротенк, не должно превышать 10 г/дм3. При поступлении в аэротенк хлоридов концентрация солей может достигать 20 г/дм3, за исключением хлористого магния, как более токсичного для активного ила вещества, концентрация которого не должна превышать в смеси 10 г/дм3. При концентрации хлоридов до 30 г/дм3 качество очистки резко снижается. Резкие колебания степени минерализации отрицательно влияют на качество очистки сточных вод, а повышенная минерализация приводит к выделению органических веществ из клеток активного ила, что ведет к нарушению окислительных процессов.

При очистке высокоминерализованных сточных вод значительную роль играет процесс адаптации микрофлоры активного ила к повышенным концентрациям солей. Даже при плавном повышении минерализации происходит ухудшение процесса флокуляции активного ила, повышается концентрация взвешенных веществ в очищенной воде и увеличи- вается БПК.

174

9.6.Механизм деструкции органических веществ

èосновные фазы развития активного ила

Механизм деструкции органических веществ из сточных вод микроорганизмами сложен и недостаточно изучен. Весь процесс может быть условно разделен на три стадии:

1. Массопередача органического вещества из жидкости к поверхности клетки.

2. Диффузия вещества через полупроницаемые мембраны.

3. Метаболизм диффундированных продуктов с выделением энергии и синтезом нового клеточного вещества [23].

Скорость протекания первой стадии определяется законами диффузии и гидродинамическими условиями в аэротенке.

Процесс переноса вещества в зависимости от его природы от поверхности клетки внутрь происходит двумя путями:

–путем последовательного растворения вещества в веществе стенки и цитоплазматической мембраны, благодаря чему диффундирует внутрь клетки;

–путем присоединения вещества к специфическому белку-пере- носчику, находящемуся в мембране, за счет чего комплекс — вещест- во-переносчик — переходит в растворимое состояние и диффундирует через мембрану в клетку, в которой распадается, а белок-переносчик способен к совершению нового цикла.

Первому и второму способам может предшествовать гидролиз вещества под воздействием экзоферментов.

Основную роль в очистке сточных вод играют процессы превращения органического вещества, происходящие внутри клеток микроорганизмов активного ила. В процессе этих превращений происходит окисление вещества с выделением энергии и синтез нового белка, осуществляющийся с затратой энергии. Процесс синтеза белка идет через образование промежуточных продуктов типа углеводов, поли- -гидро- ксимасляной кислоты и др.

Основные фазы развития микроорганизмов активного ила в очистке сточных вод. Особенностью микрофлоры активного ила в очистке сточ- ных вод является способность их к быстрому размножению и большая скорость потребления веществ из сточных вод. Интенсивность размножения, динамика роста культуры, ее физиологическое состояние опреде-

175

ляются наличием питательных веществ и зависят от постоянного их поступления.

Âначале процесса очистки микроорганизмы размножаются в условиях избытка питательных веществ, при постепенной деструкции органических веществ содержание питательных веществ в сточных водах постепенно снижается и в среде происходит накопление метаболитов. Выросшие в первый период очистки микроорганизмы физиологически отличаются от выросших на более поздних стадиях, что приводит к образованию гетерогенной культуры микроорганизмов, динамично развивающейся во времени.

Динамика роста культуры во времени выражается кривой роста, на которой выделены фазы, определяющие изменения численности микроорганизмов в культуре [23]. Кинетическая кривая роста популяции микроорганизмов представлена на рис. 9.11 [37].

После инокуляции микробной культуры в питательную среду наступает фаза приспособления или ëàã-ôàçà, продолжительность которой зависит от адаптации микрофлоры к органическим веществам, содержащимся в сточных водах. В этот индукционный период не происходит заметного увеличения численности клеток, перестраивается метаболизм клетки, синтезируются ферменты, активизируется биосинтез белка.

Скорость роста в этой фазе постепенно увеличивается и достигает максимальной величины к началу экспоненциальной фазы развития.

Âэтот период скорость роста пропорциональна количеству биомассы в степени (экспоненте), являющейся функцией времени. Эта фаза роста — период самого быстрого развития микроорганизмов, в котором питательные вещества присутствуют в избытке.

Âзамкнутой системе питательные вещества постепенно исчерпываются, что приводит, с одной стороны, к их недостатку и лимитирует рост клеток, с другой стороны — к накоплению метаболитов и торможению роста клеток. Рост культуры в замкнутой системе не может развиваться неограниченно и переходит в следующую фазу линейного роста, характеризующуюся равномерным во времени линейным ростом культуры.

Âэтой фазе наблюдается линеализация кинетических кривых роста и отклонение точек на графике в сторону меньших значений количества клеток или продуктов.

Фаза линейного роста может смениться непродолжительным периодом, в течение которого скорость роста культуры снижается до нуля. Это

фаза замедленного роста.

176

Рис. 9.11. Кинетическая кривая роста популяции микроорганизмов: I — индукционный период (лагфаза); II — фаза экспоненциального роста; III — фаза линейного роста; IV — фаза замедления роста; V — стационарная фаза; VI — фаза отмирания культуры

Âнекоторых случаях рост культуры может переходить в достаточно устойчивую и продолжительную стационарную фазу, в которой культура развивается в режиме постоянства общего числа клеток. При этом скорость прироста биомассы полностью компенсируется скоростью гибели и лизиса клеток.

Âслучае полного использования субстрата или в результате накопления в среде ингибиторов скорость прироста биомассы становится равной нулю, что приводит к существенным физиологическим изменениям клеток и наблюдается фаза отмирания культуры, сопровождающаяся полным лизисом клеток.

Фаза интенсивного отмирания клеток наступает медленно, затем происходит более быстрый распад клеток.

Кривая роста, основанная на изменении биомассы выросших микроорганизмов во времени, не полностью отражает все изменения, происходящие в культуре.

При изменении состава среды происходит изменение физиологиче- ского состава клеток и является более важным показателем, чем факти- ческая скорость роста биомассы.

Регулируя условия среды, можно управлять развитием микробиологической культуры. Стационарная подача субстрата при интенсивном

177

его перемешивании обеспечивает постоянные условия при культивировании микроорганизмов в непрерывно обновляющейся среде.

Принципиальной особенностью кинетики микробных популяций является зависимость скорости роста культуры от концентрации одного или нескольких наиболее важных компонентов среды, обеспечивающих биосинтетическую основу метаболизма и получивших название лимитирующих субстратов, которые в определенной степени регулируют скорость роста популяции.

В результате экспериментальных исследований были обнаружены две особенности зависимости скорости роста культур микроорганизмов:

1. Скорость изменения числа микроорганизмов в режиме его роста (в экспоненциальной фазе) линейно связана с концентрацией клеток в системе:

ãäå N — число клеток;

— коэффициент пропорциональности или удельная скорость роста.

где имеет размерность обратного времени и предполагается, что не зависит от времени в исследуемом интервале.

Это уравнение в интегральной форме представляет собой уравнение экспоненциального роста. Его интегрирование при начальном условии t = 0, N = N0 приводит к функции

2. В большинстве случаев значение удельной скорости роста зависит от концентрации лимитирующего субстрата S, и эта зависимость может быть представлена в форме

ãäå m — предельная максимальная удельная скорость роста;

Ks — параметр, получивший название константы сродства субстрата к микроорганизму.

178

Зависимость скорости роста культуры от концентрации субстрата (1.4) получила название уравнения Моно, который впервые обратил внимание на эту зависимость. По своей форме это уравнение соответствует зависимости скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата (уравнение Михаэлиса — Ментен).

Контроль работы сооружения биохимической очистки по состоянию активного ила

Общие свойства активного ила оценивают визуально при просмотре в стеклянном цилиндре. Учитываются следующие показатели: скорость оседания хлопка (быстро, медленно); öâåò (бурый, рыжий, черный, белесый и т. д.); характер воды над осевшим илом (прозрачная, мутная, окрашенная, опалесцирующая); запах (гнилостный, сероводородный, характерный для определенных химических веществ); состояние ила (например, его вспухание при отстаивании); следы нефти, ïåíà от синтетических моющих средств и др.

Дальнейший анализ активного ила осуществляется посредством его микроскопирования. При просмотре нативного препарата в бинокулярный микроскоп отмечают характер хлопка: крупный, мелкий, плотный, рыхлый, размытый и видовой состав микроорганизмов. Видовую принадлежность определяют по рисункам и таблицам, приведенным в руководствах, определителях и атласах, а также по литературным источникам.

При анализе физиологического состояния гидробионтов активного ила учитываются следующие показатели:

–преобладающие группы и виды организмов биоценоза;

–степень упитанности (хорошая, удовлетворительная, слабая), где критерием упитанности служит интенсивность фагоцитоза, оцениваемая по количеству пищеварительных вакуолей и степени прозрачности протоплазмы;

–состояние сократительных вакуолей (степень их наполнения, скорость пульсации);

–форма тела (расширенная, почти округлая, вмятины, складки, асимметрия);

–состояние ресничного диска у прикрепленных круглоресничных инфузорий (открыт, закрыт);

–интенсивность работы ресничного аппарата (интенсивная, слабая, полная неподвижность);

179

–размеры организмов (нормальные, укрупненные, мелкие);

–наличие цист и инцистирования;

–наличие погибших организмов.

Определение численности организмов активного ила проводится по условной пятибалльной шкале. Учитываются: простейшие, свободные бактерии, нитчатые бактерии, гифы грибов, скопления бактерий вида Zooglea ramigera.

Условные баллы встречаемости организмов: 1 — единичное нахождение; 2 — ìàëî; 3 — порядочно; 4 — много; 5 — в массе.

Для подсчета крупных организмов (черви, водные клещи, личинки насекомых, тихоходки) применяют стереоскопический микроскоп МБС-1 с увеличением в 12 раз. Объем жидкости для анализа увеличивают до 5–10 мл. Подсчет проводят в чашке Петри и в камере Богорова. Уч- тенные организмы в данном объеме пересчитывают на 1 мл [38].

9.7. Анаэробные процессы очистки сточных вод

Анаэробное сбраживание используется как предварительная ступень обработки концентрированных сточных вод перед последующей их доочисткой в аэробных условиях, а также обработки осадка сточной жидкости.

Аноксигенное окисление (анаэробное дыхание) органических субстратов включает процессы денитрификации и сульфатредукции, протекающие при наличии ионов NО3–, NÎ2–, SÎ42– и при отсутствии кислорода. Основной процесс, который наблюдается в анаэробных условиях — метаногенез. Аноксигенному окислению и анаэробному сбраживанию подвергаются органические субстраты и ксенобиотики: природные полимеры (целлюлоза и белки), углеводы, жиры, органические спирты, кислоты и основания, углеводороды, хлорированные соединения и др. [39].

Биохимические процессы при анаэробном брожении протекают в две фазы — с образованием продуктов кислой и щелочной природы.

Ïðè кислом брожении загрязняющие вещества разлагаются до жирных кислот, которые, в свою очередь, расщепляются до водорода, углекислого газа, аммиака и др.

Ïðè щелочном брожении процессы деструкции органических веществ происходят значительно интенсивнее, чем при кислом. Образовавшиеся жирные кислоты при их деструкции образуют газы (углекис-

180