451

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

_______________________________

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет

архитектуры и строительства» (ПГУАС)

БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННЫХ СТОЧНЫХ ВОД

Методические указания по выполнению самостоятельной работы

Под общей редакцией доктора технических наук, профессора Ю.П. Скачкова

Пенза 2014

САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КИНЕТИКЕ ПРОЦЕССОВ БИОХИМИЧЕСКОГО ОКИСЛЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ В АЭРОТЕНКЕ

Цель работы: на основе понятий классической ферментативной кинетики сформировать у студентов представления о закономерностях протекания биохимических процессов очистки сточных вод активным илом аэротенков.

Закономерности протекания биохимических процессов очистки сточных вод активным илом принято описывать на основе классических представлений ферментативной кинетики. Впервые гипотеза о существовании фермент-субстартного комплекса была выдвинута Мехаэлисом и Ментен еще в 1913 г.[2].

Все процессы превращения веществ в клетках микроорганизмов протекают с участием ферментов – органических катализаторов, позволяющих осуществлять химические реакции в условиях нормальных давления и температуры.

Способность бактериальных клеток вырабатывать многообразие ферментов объясняет их высокую адаптируемость к различным видам и концентрациям загрязнений, присутствующих в сточных водах.

Ферменты отличаются специфичностью действия, причем специфичность может быть абсолютной, групповой и стереохимической [1].

Впервом случае фермент действует только на один субстрат, во втором случае – участвует в реакциях с разными веществами, имеющими общие признаки в структуре, а в третьем – действует на определенные стереоизомеры.

Ферменты делятся на простые и сложные. Простые ферменты – белки. Сложные ферменты представляют собой комплекс небелкового кофермента и белкового носителя – апофермента.

Вроли кофермента могут выступать витамины.

Всоответствии с современной классификацией все ферменты делятся на шесть классов по признаку химизма катализируемой реакции. Классы в свою очередь делятся на подклассы, а подклассы на подподклассы. В настоящее время идентифицировано около 800 ферментов. Классы ферментов включают оксидоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы и лигазы.

Оксидоредуктазы ответственны за протекание окислительно-вос- становительных реакций.

3

Трансферазы катализируют процесс переноса атомных группировок (остатка фосфорной кислоты, аминогрупп и т.п.).

Гидролазы осуществляют гидролитическое расщепление внутримолекулярных связей, участвуя, таким образом, в деструкции и синтезе углеводов, жиров и белков.

Лиазы катализируют реакции присоединения или отщепления по месту двойной связи.

Изомеразы осуществляют внутримолекулярную перестройку веществ. Лигазы катализируют синтез сложных соединений из простых веществ.

Кинетика ферментативных реакций основана на предположении существования фермент-субстратного комплекса и зависимости скорости реакции от скорости его распада. При этом предполагается, что комплекс образуется мгновенно, его концентрация остается постоянной и определяется термодинамическим равновесием между ферментом, субстратом и этим комплексом. Уравнение реакции было составлено из условий стационарной кинетики и имело вид:

К 1

где [L];[Е];[ЕL];[Р] – соответственно концентрации субстрата, фермента, фермент-субстратного комплекса; продукта реакции, мг/л;

К1; К-1; К2 – константы скорости протекания прямых и обраных реакций.

Скорость катализируемой ферментом реакции увеличивается не пропорционально увеличению концентрации субстрата, а с постепенным замедлением.

В результате математического анализа реакции (1) было получено известное уравнение [4]:

где Rэф – скорость реакции, мг/(л·ч) при концентрации субстрата L, мг/л; Rmax – максимальная скорость реакции, достигаемая при насыщении

фермента субстратом, мг/(л·ч); КL – коэффициент Михаэлиса, мг/л.

4

В практике очистки сточных вод в качестве показателя скорости реакции используется величина удельной скорости окисления органических загрязнений беззольным веществом активного ила , мг/(г·ч), [3].

График зависимости величины удельной скорости окисления загрязнений беззольным веществом активного ила от концентрации органических веществ по уравнению Михаэлиса – Ментен представлен на рис. 1.

Рис.1. График зависимости величины удельной скорости окисления загрязнений беззольным веществом активного ила

от концентрации органических веществ по уравнению Михаэлиса – Ментен

При малых концентрациях органических загрязнений L удельная скорость окисления в первом приближении линейно увеличивается при увеличении концентрации субстрата.

При КL >>L, можно считать, что КL+L≈KL, тогда изменение удельной скорости окисления, мг/(г·ч), описывается уравнением реакции первого

5

При некотором значении концентрации органических загрязнений наблюдается торможение прироста скорости окисления , вызванное дефицитом фермента. Зависимость f (L) перестает быть линейной.

При достижении величины удельной скорости окисления органических загрязнений максимального значения max const весь фермент

включается в реакцию и дальнейшее увеличение скорости реакции при повышении концентрации субстрата не происходит. По отношению к концентрации субстрата скорость реакции в этой стадии выражается уравнением реакции нулевого порядка. Таким образом, порядок уравнения

К Ln , описывающего скорость процесса биохимического окисления

органических загрязнений активным илом при увеличении концентрации субстрата, изменяется от 1 до 0.

При концентрации органических загрязнений L=KL удельная скорость окисления 12 max . Таким образом, коэффициент Михаэлиса численно

равен концентрации субстрата, при которой величина удельной скорости окисления равна половине величины максимальной удельной скорости окисления. Коэффициент Михаэлиса так же называют коэффициентом полунасыщения.

Величина средней удельной скорости окисления органических загрязнений СР при изменении концентрации субстрата от LН до LК (рис. 1)

может быть определена следующим образом.

В соответствии с теоремой о среднем значении функции f(L), интегрируемой в некотором промежутке изменения переменной L от Lн до Lк, величина ее среднего значения определяется как:

Lн

Фигуры Lн, Н, К, Lк и Lн 1,2, Lк имеют равные площади. Отношение площади фигуры Lн, Н, К, Lк к длине ее основания LнLк является средним значением функции f(L) на интервале значений L от Lн до Lк.

В качестве функции, описывающей зависимость величины удельной

скорости окисления от концентрации органических загрязнений в иловой смеси L, принимается уравнение Михаэлиса – Ментен (2), тогда:

6

Таким образом, среднее значение удельной скорости окисления органических загрязнений беззольным веществом активного ила СР , мг/(г·ч), в

интервале концентраций от LН до LК может быть определено по формуле

Ход процесса биохимической очистки сточных вод можно проиллюстрировать следующим образом. Порция активного ила перемешивается со сточными водами и аэрируется с такой интенсивностью, что в иловой смеси поддерживается концентрация растворенного кислорода СО на

уровне 2-3 мг/л.

Изменение основных показателей в иловой смеси в процессе биологической очистки сточных вод неадаптированным активным илом показано в виде графиков изображенных на рис. 2.

Рис. 2. Изменение показателей иловой смеси в зависимости от продолжительности Т процесса биологической очистки сточных вод

неадаптированным активным илом:

1 – снижение концентрации органических загрязнений Lсм (БПКполн); 2 – изменение дозы активного ила ai, г/л

7

Участок А характеризует мгновенное (в течение нескольких минут) снижение концентрации органических загрязнений LСМ в следствии их

сорбции активным илом. Участок Б характеризует стадию адаптации активного ила к органическим загрязнениям. Этот участок носит название лаг-фазы. После адаптации начинается бурный рост микроорганизмов, ход которой подчиняется логарифмической зависимости, и поэтому участок В имеет название лог-фазы. В этот момент происходит интенсивное окисление органических загрязнений, а скорость окисления органических загрязнений имеет наибольшее значение. На этом участке кривой обычно работают аэрационные сооружения частичной биологической очистки сточных вод, предназначенные для окисления 50-70% от общей концентрации органических веществ. Прирост активного ила в этот момент имеет наибольшее значение. На участке Г скорость роста микроорганизмов снижается вследствие недостатка питания, поскольку основная часть органических загрязнений к этому моменту уже переработана. Этот участок называется фазой замедленного роста микроорганизмов. На участке Д, называемой стационарной (относительно прироста ила) фазой, величина дозы ила стабилизируется, так как недостаточное количество питательных веществ тормозит рост микроорганизмов. Участок Е характеризуется низкой концентрацией органических загрязнений, вследствие чего происходят процессы самоокисления активного ила и снижения его дозы. Этот участок носит название фазы эндогенного дыхания ила. Момент времени t3 соответствует полной биологической очистке с сни-

жением концентрации органических загрязнений (БПКполн) до 15-20 мг/л. Неполная биологическая очистка (точки t1 и t2 ) характеризуется

несколько большей величиной прироста активного ила по сравнению с полной и отсутствием процесса нитрификации. Участок Ж – фаза конечного замирания культуры микроорганизмов – длится неопределенно долго и характеризуется постепенным снижением дозы активного ила и периодическими колебаниями концентрации органических загрязнений в очищенных сточных водах, что связано с изменениями биоценозов активного ила во времени.

Описанная кинетика процесса окисления характерна для случая неадаптированного к конкретным органическим загрязнениям активного ила. На сооружениях биологической очистки сточных вод происходит адаптация микроорганизмов активного ила к окисляемым органическим загрязнениям вследствие чего лаг-фаза и лог-фаза выражены очень слабо или вовсе отсутствуют.

8

Графическое изображение хода биохимической очистки сточных вод культурой адаптированного активного ила показана на рис. 3.

Рис. 3. Изменение показателей иловой смеси в зависимости от продолжительности Т процесса биологической очистки сточных вод

адаптированным активным илом:

1 – снижение концентрации органических загрязнений LСМ (БПКполн); 2 – изменение дозы активного ила аi ; 3 – изменение концентрации аммонийного азота CNH4 ; 4 – изменение суммарных концентраций

нитритов CNO2 и нитратов CNO3

Кривые 1 и 2 на рис.3 напоминают отрезки соответствующих кривых на рис. 2, начиная с участка Г и кончая участком Е.

Точки ( t1 –t4 ) отображают характерные моменты процесса биологической очистки. К моменту времени t1 , соответствующему частичной

очистке сточных вод в результате интенсивного окисления активным илом, БПКполн снижается на 50-70% (кривая 1). Наблюдается наибольший прирост активного ила a (кривая 2) и некоторое уменьшение концентрации аммонийного азота (кривая 3). В момент времени t2 , соот-

ветствующей неполной очистке сточных вод, достигается эффект очистки порядка 80-90%, заметно снижается прирост активного ила a вследствие недостатка «питания» для микроорганизмов. Самоокисление активного ила обуславливает увеличение концентрации аммонийного азота. Недостаточная полнота процесса очистки на этом этапе проявляется отсут-

9

ствием нитрификации, являющейся признаком не полной биологической очистки. Полная биологическая очистка наблюдается в момент времени t3 ,

характеризующейся высоким эффектом очистки (более 90%),низким приростом ила, появлением нитритов и нитратов в очищенных сточных водах. Если продолжить процесс аэрации, то концентрация загрязнений в очищаемой воде почти не изменяется, прирост активного ила стремится к нулю и концентрация аммонийного азота понижается по мере увеличения количества нитритов и нитратов. Этот этап очистки называется продленной (продолженной) аэрацией.

Вопросы для самоконтроля

1.Чем объясняется способность бактериальных клеток к высокой адаптируемости в условиях нестационарности состава сточных вод?

2.Как классифицируются ферменты бактериальных клеток активного

ила?

3.Как изменяется скорость катализируемой ферментом реакции биохимического окисления при увеличении концентрации субстрата?

4.Каким образом определяется численное значение коэффициента Михаэлиса?

5.Как изменяются показатели иловой смеси в процессе биологической очистки сточных вод неадаптированным активным илом?

10