44. Периодическое культивирование микроорганизмов.

Периодическое культивирование микроорганизмов – метод культивирование микроорганизмов, характеризующийся однократным засевом среды в начале и одноразовым получением биомассы в конце процесса, обычно после полного использования субстрата.

Периодическое культивирование микроорганизмов может быть представлено статическими, динамическими и продленными способами культивирования. Статические процессы осуществляются в стационарных условиях без перемешивания. При этом аэробные микроорганизмы обычно развиваются на поверхности жидкой или твердой среды (поверхностное культивирование), например, поверхностный способ жидкофазного культивирования Aspergillus niger для получения лимонной кислоты.

Периодические динамические процессы осуществляются с помощью перемешивания и аэрации: в жидких средах на качалках, в биореакторах при помощи мешалки и барботера.

Твердофазное культивирование (ТФК) – это выращивание микроорганизмов в массе измельченного влажного твердого субстрата. Технологическими вариантами ТФК являются компостная куча, поверхностное культивирование, перемешиваемый слой, культивирование во вращающихся ферментерах, ТФК с перемешиванием и аэрацией и т.д.

К продленным способам культивирования относятся:

1. отъемно-доливной способ, когда порциями в аппарат подается среда и производится отъем культуральной жидкости;

2. периодическое культивирование с подпиткой, когда в культуральную жидкость добавляется по специальной программе отдельные компоненты питательной среды и периодически отбирается часть культуральной жидкости;

3. диализное культивирование в гильзе, не проницаемой для клеток, но пропускающие растворенные вещества;

4. батарейный способ, когда микроорганизмы развиваются в ряду последовательно соединенных ферментеров.

51 Физ-хим методы очистки осточных вод.

Коагуляция – слипание частиц системы при их столкновении в процессе теплового движения. При перемешивании образуются агрегаты вторичных частиц, состоящих из первичных (более мелких). Коллоиднные частицы адсорбируют на своей поверхности ионы одного знака и образуют поверхностно-ядерный или адсорбционный слой. Ядро с этим слоем образует гранулу, вокруг неё образуется слой противоионов диффузионный слой и образуется мицелла. Наличие частиц одного знака вызывает их отталкивание, одновременно между частицами действуют силы молекулярного притяжения, которые проявляются на малых расстояниях. При понижении электрического заряда частиц становится возможным их слипание. Это делают путём введения электролитов, заряд которых противоположен заряду коллоидных частиц. Хлопья образуются сначала за счёт части взвешенных частиц и коагулянтов или только коагулянтов, а за тем на них сорбируются вещества сточных вод. Применяются минеральные коагулянты: соли алюминия, магния, известь. Флокуляция – мелкие частицы под влиянием флокулянтов образуют интенсивно-оседающие рыхлые скопления. Сорбция – процесс поглощения вещества твёрдым телом или жидкостью. Поглощающее тело – сорбент; поглощаемое – сорбат. Если тело поглощает вещества всем своим объёмом, то оно называется абсорбентом (сам процесс – абсорбция); если поверхностью – адсорбентом (адсорбция). Если образуются химические связи, то процесс называется хемосорбцией. В качестве сорбентов используют различные пористые вещества (искусственные и природные)- уголь, торф, силикагель. Этот процесс обратим; при прочих равных условиях процесс сорбции и десорбции (его скорость) пропорциональна количеству вещества в растворе и на поверхности сорбента. Флотация – процесс молекулярного прилипания флот-го материлала к поверхности раздела 2 фаз (газа и жидкости), обусловленный избытком свободной энергии поверхностных пограничных слоёв. Процесс очистки промышленных сточных вод от ПАВ, нефти, масла, волокнистых материалов заключается в образовании компонентов частица-пузырёк их всплытия вверх и удаления с поверхности, образующегося пенного слоя. Прилипание частицы наблюдается, если только частица не смачивается или плохо смачивается жидкостью. Основную роль в процессе флотации играют поверхностные силы: Вадерваальсовы, электр. и силы гидратации. Изменение смачиваемости частицы достигается адсорбцией ПАВ на её поверхности (при добавлении ПАВ флотируемость увеличивается. По действию на процесс флотации ПАВ делят на коллекторы (изменяют смачиваемость) и пенообразователи (стабилизируют пену). Способы флотации: 1) с выделением воздуха из раствора 2) с подачей воздуха через пористые материалы (через мелкопористые трубы) 3) элекрофлотация (загрязнения оседают на поверхности резервуара). Экстракция – основана на распределении загрязняющего вещества в смеси 2-х взаимнонерастворимых жидкостях в соответствии в его растворимостью в них. Пример- орг. растворители-экстрагенты.

Отношение взаимно уравновешивающихся концентраций в двух растворителях по достижению равновесия называется коэффициентом распределения. Отделяют загрязнитель от экстрагента и утилизируют. экстрагент используют повторно.

экстрагент

СВ ↓ ↓ ↓

→ →  оч. СВ

  

отраб.

эсстрагент

Непрерывнопротивоточная схема.

Перекрестноточная схема.

Ступенчатосточная схема.

1.св>э; 2.э>св

Ионный обмен – это обмен между ионами, находящихся в растворе и ионами присутствующими на поверхности твёрдой фазы – ионита

1 2 Метод позволяет извлекать ценные примеси, ПАВ и радиоактивные вещества. Иониты: катиониты и аниониты, бывают природного и искусственного происхождения (алюмосиликаты, соли многовалентных ионов получают при химической обработке целлюлозы, лигнина, угля), ионообменные смолы.

Восстанавливают с помощью:↓

[К]Н⁺+Ме⁺↔[К]Ме⁺+Н⁺ ← Н₂SO₄

[К]Na⁺+Ме⁺↔[К]Ме⁺+Na⁺ ←НСl

[А] ОН^-+Н₂SO₄↔[A]₂SO₄+H₂O

Аппараты бывают периодического и непрерывного действия.

52 Аэробная очистка сточных вод – когда используются аэробные м/о, нормально функционирующие сооружения биологической очистки сточных вод, имеющие все признаки биологической системы: ограниченный объём с достаточно однородными условиями существования, сложившийся биоценоз и установившийся процесс превращения энергии. В биоценозе очистных сооружений всегда присутствуют бактерии и простейшие, кроме этого водоросли, грибы, черви и различные членистоногие. Не все сточные воды имеет смысл подвергать биологической очистке. Если в сточных водах отсутствуют органические в-ва или их слишком мало, то биологической очистки не требуется. Тип аэротенка, технологический режим работы, химический состав поступающих СВ оказывают большое влияние на формирование биоценоза аэротенка. На территории г. Саранска работает около 80 предприятий, которые потребляют значительное количество воды. СВ г. Саранска можно разделить на: 1) хоз-фекальные, 2) хоз-бытовые. Эти стоки относительно легко очищаются, и именно для таких стоков и предназначены очистные сооружения г. Саранска. Но ещё поступают и промышленные СВ. Они содержат высокотоксичные ингридиенты, растворители. Эти в-ва вызывают подавление жизнедеятельности м/о активного ила и в результате качество очистки снижается и плохо очищенная вода поступает в р. Инсар. Это ведёт к гибели м/о. Чтобы сохранить клетки активного ила на городских сооружениях г. Саранска на каждый аэротенк устанавливают по 2 регенератора. Наиболее активными загрязнителями являются: Приборостроительный завод, Биохимик, СИС, ЭВС (Лисма), электроламповый завод, экскаваторный завод, Электровыпрямитель, механический завод.

Механизм биологического окисления: первые реакции описывают окисление исходных органических в-в и образование новой биомассы при этом. В очищенной СВ остаются не окисленными в-ва, которые находятся преимущественно в растворимом состоянии, т.к. коллоидные и нерастворимые в-ва удаляются из сточных вод за счёт сорбции. Далее эндогенное окисление клеточного в-ва, которое происходит после использования внешних источников питательных в-в. В качестве примера могут быть процессы нитрификации, осуществляемые бактериями рода Nitrosomonas, Nitrobacter. Эффект аэробной биологической очистки зависит от многих факторов: 1) оптимальная температура для аэробных процессов 20 – 30˚С, при этой температуре биоценоз наиболее разнообразен (много разных видов живых существ) и хорошо развиваются микроорганизмы. 2) Биологическая очистка наиболее эффективна при рН = 5,9, границы оптимальных значений рН лежат в пределах 5,5 – 7,5 (но следует помнить, что отклонение от рН = 5,9 ведёт к снижению скорости окисления). 3) Очень часто не хватает N, P, их постоянно добавляют искусственно в виде фосфата, мочевины, ортофосфорной кислоты. 4) Должно быть присутствие кислорода более 2 мг/л, но может быть и 1 мг/л. 5) Токсические в-ва – это органические и неорганические в-ва; воздействие может быть микробостатическое (когда задерживается рост и развитие организмов) и убивающее. Содержание тяжёлых металлов отрицательно влияет на процесс очистки.

Технологическая схема процесса: решётка (удаление крупных загрязнений), затем песколовка (для удаления осаждением твёрдых частиц, мусора, почвы), затем преаэратор (сточная жидкость перемешивается, насыщается кислородом, в результате активный ил начинает перерабатывать загрязнения), затем первичный отстойник (осаждение крупных частиц, которые потоком воды вынеслись из песколовки). Затем аэротенк (насыщение воздухом активного ила), затем вторичный отстойник (где ил вторично отстаивается). Затем хлоратор (для дезинфекции), затем водоём. Из вторичного отстойника ил возвращают в аэротенк, это необходимо для поддержания концентрации ила.

53 Анаэробная очистка сточных вод.

Этот способ не треб > энергозатрат, обр-ся энергоноситель- СН₄. При анаэроб проц обр всего 0,1- 0,2кг ила на кажд удаленный кг ХПК. Метаногенез или СН₄-брожение- проц превращ орг. в-в в биогаз (смесь СН₄ и СО₂). Проц открыт в 18 веке Вольтой. М/о исп-ют углерод (С) орг в-в, при этом обр сильно-вос-стан-щее С-соед – метан. В кач-ве донора е^- м/о в этом проц исп С орг в-в, окисл его до СО₂. СН₄-брож исп для обраб орг отх (септик-тенк для перераб коммун отходов). Это многостад проц, в к-м С-С- связи постеп расщепл под действ м/о. Вкл 4 стадии:

1. гидролиз (расщепл слож биопо-лимеров – белки, угл, жиры – на более простые мономеры. Осущ экзогенными фер-ми экстрактир-ся в межкл ср разл гидролитич м/о. Обр-ся простые прод, к-е утил-ют сами гидролитики и др бакт на послед стадиях. М/о: Clast. Bacte-roides, Lactobacilus. Основ прод гидролиза: ж/к, Н₂, СО_2.).

2. Кислотогенная (или ферментация, расщ мономеров до еще более прот в-в, низших к-т, спиртов, обр-ся Н₂СО₃, Н₂ М/о – слож смесь многих видов бакт – Clast, bifidobact, Bacteroides, киш пал,Str. Время генерации неск часов. Идет резкое сниж С в ср, сниж рН, увелич легких ж/к: мурав, укс.)

3. Ацетогенная (обр-ся непосредст предшеств СН₄ – ацетат, Н₂, Н₂СО₃. Разложение восстан-х орг соед, прод кисл-ной стад. Осущ облигатные Н⁺ -восстан-щие и обли-гатно-синтрофные бакт).

4. Метаногенная (ведет к конеч прод расщепл слож орг в-в к СН₄. М/о–метаногены–облигатные анаэробы. Треб-ся анаэробиоз и нейтр или слабощел ср. 8 субстратов: СО₂+Н₂; формиат; ацетат; СН₄; моно-, ди-, триметиламин; закись углерода. 5-10% исп на конструк-ый обмен, 80% - на энергетич).

Факторы анаэробной очистки: 1. Реакц-ная способность; 2.Фазовый и хим состав;3. Размер частиц загруж-го субстрата;4.Время удержания жид-ти в реакторе;5. Конц м/о в реакт; 6. Эф-ть массообм реакц ср. 7. Скорость загрузки реактора; 8. t-ый режим (3 режима: психрофильный – 20⁰С, мезоф – 20-45, термоф); 9. Рh (optim 7-8. Идет саморегулиров-ие. При рН=5 – работоспособность системымы резко нарушается); 10. Наличие пит и токс в-в. Образование метана по субстрату:

1. Н₂+ СО₂=СН₄+ Н₂О;

2) НСООН=СН₄+Н₂О+СО₂;

3) ацетат СН₃СОО^- + Н⁺ = СН₄ + СO₂ + Н₂О;

4) СН₃NH₃ + H2O = CH₄ + CO₂ + NH₄;

5) (СH₃)2 NH3 + H2O = CH₄ + CO₂ + NH₄⁺

6) (CH₃)₃NH₃ + H₂O = CH₂ + CO₂ + NH₄⁺

7) CO + H₂O = CO₂ + CH₄

В завис от усл поступ-щего водоотведения, анаэр очистка м.б. исп-на либо в кач-ве локальной внутриплощадочной с послед сбросом СВ на коммун очистные сооруж, либо как 1-ая ступень очистки в сост отдельно распол-ого комплекса очист сооруж. Эти варианты отличаются друг от друга по требовательности, предъявл к сооруж анаэр очистки. Специф треб-я для сооружений локальной очистки включают в себя: 1)Соответствие кач-ва очищ воды нормам приёма СВ в канализац сеть насел пункта 1)Компакт-ность; 3)Минимализация кол-ва обр-ся осадков, требующих обработки и удаления с тер-рии предпр; 4)Соблюдение норм сан-гигиен безопасности, предотвращ распростр-я запахов. Эти треб-я менее значимы для отдельно располож комплексов очист сооруж. Но для них возраст знач надёжности работы анаэр ступеней очистки и, к относит стабильности кач-ва обработ СВ. Напр, в случае снижения эф-ти анаэр очистки на 20% (85 до 75%) нагрузка на послед сооруж аэроб доочистки возраст вдвое, что может привести к общему ухудшению кач-ва очищ воды и к серьёзным нару-шениям в работе аэроб ступени. Сущ и др существ-ные технол-ие различия, опр-мые усл-ми применяемых анаэр биореакторов. В усл локальной внутриплощадочной очистки во многих случаях м.б. успешно использован метод разделения CВ предп с избирательным применением анаэр очистки для наиб концентр(по БПК), наименее токсич и наиболее тёплых потоков СВ. Для отдельно располож комплекса биолог очистки экологический эф-т от применения этого метода снижается. На сооружения локальной очистки за счёт использования существующей инфраструктуры предпр (наличие мощной котельной, реагентное хозяйство) часто облегчаются усл конди-ционирования стока до optim знач t, рН, и усл утилизации образ-ся биогаза.