Биохимические процессы

Биохимические процессы протекают при участии ферментов, выделяемых микроорганизмами, и имеют большое практическое значение при биологической очистке сточных вод и почв.

Биологическое окисление широко применяемый на практике метод очистки сточных вод, позволяющий очистить от многих органических соединений. Процесс этот по своей сущности природный и его характер одинаков для процессов протекающих в водоеме, очистном сооружении, склянке для определения БПК и т.д. Биологическое окисление осуществляется сообществом микроорганизмов (биоценозом), включающим множество различных бактерий, простейших и ряд высокоорганизованных организмов, водорослей и грибов, связанных между собой в единый комплекс сложными взаимоотношениями (метабиоза, симбиоза и антагонизма). Главенствующая роль в этом сообществе принадлежит бактериям, число которых варьируется от 10⁶ до 10¹⁴ клеток на 1 г сухой биомассы. Число родов бактерий может достигать 5-10, число видов – несколько десятков и даже сотен.

Среди бактерий в очистных сооружениях сосуществуют гетеротрофы и автотрофы. Гетеротрофы используют в качестве источника углерода готовые органические вещества и перерабатывают их для получения энергии и биосинтеза клетки. Автотрофные организмы потребляют для синтеза клетки неорганический углерод, а энергию получают за счет фотосинтеза, используя энергию света, либо хемосинтеза путем окисления некоторых неорганических соединений (например, аммиака, нитратов, солей двухвалентного железа, сероводорода, элементарной серы).

Механизм биологического окисления в аэробных условиях гетеротрофными микроорганизмами может быть представлен следующей схемой: органические вещества + О₂ + N + Р = микроорганизмы + СО₂ + Н₂О + биологически неокисляемые растворенные вещества.

Примером окисления автотрофами в аэробных условиях может быть процесс нитрификации

55 NH₄⁺ + 5CO₂ + 76 O₂ = C₅H₇NO₂ + 54NO₂^- + 52H₂O + 109H⁺

где C₅H₇NO₂ - символ состава органического вещества образующихся клеток микроорганизмов.

Реакцию осуществляют бактерии рода Nitrosjmonas, при этом они переводят азот аммонийных солей в азот нитратов.

Анаэробный процесс метановой ферментации проходит по следующей схеме:

Органические вещества + Н₂О = СН₄ + СО₂ + C₅H₇NO₂ + NH₄⁺ + НСО₃^-

Анаэробный процесс денитрификации происходит в две стадии:

NO^3– + органические вещества = NO₂^– + 5CO₂ + H₂O

NO₂ ^– + органические вещества = N₂ + CO₂ + H₂O + ОН^–.

Эффективность процессов биологической очистки зависит от ряда факторов, одни из которых поддаются изменению и регулированию в широких диапазонах в пределах биологической системы. Действие основных факторов, определяющих пропускную способность системы и степень очистки сточной воды, рассмотрено ниже.

ТЕМПЕРАТУРА. Оптимальной температурой для аэробных процессов, происходящих в очистных сооружениях, считается 20-30^оС. Температурная зависимость приведена на рис. 24.

Рис. 24. Температурная зависимость относительной активности бактерий

АКТИВНАЯ РЕАКЦИЯ СРЕДЫ. Концентрация водородных ионов существенно влияет на развитие микроорганизмов. Значительная часть бактерий лучше всего развивается в нейтральной среде. Поэтому биологическая очистка наиболее эффективна при рН от 5 до 9, оптимальной считается рН = 6,5-7,5.

БИОГЕННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ. Для нормального процесса синтеза клеточного вещества, а следовательно, и для эффективного процесса очистки стоных вод в среде должна быть достаточная концентрация всех основных элементов питания – органический углерод (БПК), азот, фосфор. Кроме основных элементов состава клетки (С, N, О, Н) для ее построения необходимы в незначительном количестве и другие компоненты: Mg, Cu, Zn, Mo, Se, Mn, Co, Ca, Na, K, Fe, CO₃^2-. Содержание указанных элементов в природных водах, из которых затем образуются сточные, обычно достаточно, чтобы полностью удовлетворить требованиям бактериального метаболизма. Часто не хватает азота и фосфора и их добавляют искусственно.

Для обеспечения нормальной работы очистных сооружений городской канализации при очистке сточных вод необходимо соблюдать ряд условий (Более подробно эти условия будут рассмотрены в главе 4). Очищаемая смесь сточных вод в любое время суток не должна иметь:

- температуру ниже 6 и выше 30^оС;

- активную реакцию рН ниже 6,5 и выше 8,5;

- общую концентрацию растворенных солей более 10 г/л;

- БПК более 500 мг/л при поступлении на биологические фильтры и аэротенки и более 1000 мг/л при поступлении в аэротенки с рассредоточенной подачей сточной воды и др.