1.5.3. Биохимические процессы
Биохимические процессы протекают при участии ферментов, выделяемых микроорганизмами, и имеют большое практическое значение для биологической очистки сточных вод и почв [11].
Биологическое окисление – широко применяемый на практике метод очистки сточных вод, является по своей сущности природным и его характер одинаков для процессов, протекающих в водоеме, очистном сооружении, склянке для определения БПК (биологическая потребность в кислороде) и т.д. Этот процесс осуществляется сообществом микроорганизмов (биоценозом), включающим множество различных бактерий, простейших и ряд высокоорганизованных организмов, водорослей и грибов, связанных между собой в единый комплекс сложными взаимоотношениями (метабиоз, симбиоз и антагонизм). 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 за счет 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 следующим уравнением:
Органические вещества + О2 + N + Р + микроорганизмы = СО2 +
+ Н2О + биологически неокисляемые растворенные вещества (1.64)
Примером окисления автотрофами в аэробных условиях может быть процесс нитрификации:
55 NH4+ + 5CO2 + 76 O2 = C5H7NO2 + 54NO2– + 52H2O + 109H+ (1.65)
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 описывается уравнением:
Органические вещества+Н2О=СН4+СО2+C5H7NO2+NH4++НСО3– (1.66)
Анаэробный процесс денитрификации происходит в две стадии:
NO3– + органические вещества = NO2– + 5CO2 + H2O (1.67)
NO2 – + органические вещества = N2 + CO2 + H2O + ОН–. (1.68)
Эффективность процессов биологической очистки зависит от ряда факторов, одни из которых поддаются изменению и регулированию в широких диапазонах в пределах биологической системы. Влияние основных факторов, определяющих пропускную способность очистных сооружений и влияющих на степень очистки сточной воды, рассмотрено ниже.
Температура. Оптимальной температурой для аэробных процессов, происходящих в очистных сооружениях, считается 20-30оС. Температурная зависимость приведена на рис. 1.17.
Активная реакция среды (рН). 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.
Рис. 1.17. График температурной зависимости относительной
активности бактерий
Биогенные элементы. Для нормального процесса синтеза клеточного вещества, а следовательно, и для эффективного процесса очистки сточных 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, CO32-. Содержание указанных элементов в природных водах, из которых затем образуются сточные воды, 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. Очищаемая смесь сточных вод в любое время суток не должна иметь:
- температуру ниже 6 и выше 30оС;
- 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.